[3D프린터운용기능사 필기] 제품 스캐닝

출력방식의 이해

3D프린팅 개념과 이해

1. 구조별, 방식별 분류

  (1) Material extrusion : 노즐이 재료를 토출하여 베드에 적층. 필라멘트 형태 재료를 사용.

  (2) Vat photopolymerization : 수조에 채운 광경화성 재료를 광에너지(레이저, 램프, LED)로 경화시켜 제조.

  (3) Powder bed fusion : 분말 재료(세라믹, 금속, 플라스틱, 모래)를 레이저로 용융/융작하여 제조.

  (4) Sheet larmination : 종이나 판재 재료를 이용하여 제작.

2. 용도에 따른 소재 선택

  (1) 취미용, 개인용 : 플라스틱 재료 사용.

  (2) 연구개발용 : 모든 재료를 고려.

  (3) 시제품 제작용 : 쥬얼리나 작은 제품은 광경화재료, 자동차 부품 및 전자제품은 플라스틱 재료, 항공 및 선박 부품은 금속 재료 사용.

  (4) 맞춤 제작용 : 의료분야(인공지차제)는 인체 무해하고 생분해성 소재, 의족이나 의수는 강도를 지탱할 수 있는 재료 사용.

3. 소재에 따른 출력 방식

  (1) 플라스틱 소재 : Material extrusion, Powder bed fusion

  (2) 폴리머 : Vat photopolymerization

  (3) 파우더 형태 재료 : Powder bed fusion

  (4) 판재 재료 : Sheet lamination

3D프린팅 적용 분야

1. Material extrusion

  - 건설분야, 센서 및 액추에이터에 응용, 전자부품에 응용, 식품 분야, 의료 분애

2. Vat photopolymerization

  - 자동차 산업, 비행기 제작

3. Powder bed fusion

  - 의수/의족, 항공

스캐너 결정

3D스캐닝 개념과 종류

1. 3D 스캐닝의 개념

  - 측정 대상으로부터 3차원 좌표(X, Y, Z) 값을 읽어내는 일련의 과정. 측정 대상물의 준비 단계부터 3차원 좌표를 추출, 3차원 모델 재구성 단계까지를 포함한다.

2. 3D 스캐닝의 원리

  (1) Time-of-Flight 방식 : 펄스 레이저가 대상물에 반사하여 돌아오는 시간을 측정해서 거리를 계산하는 방식. 점 방식으로 측정하며, 먼 거리의 대형 구조물을 측정하는데 용이. 작은 형상이면서 정밀한 측정이 필요한 경우 부적합.

  (2) 레이저 기반 삼각 측량 : 라인 형태의 레이저를 측정 대상물에 주사하여 반사된 광을 측정. 발사각과 반사각을 알 수 있으며 삼각 측량법으로 거리를 계산. Time-of-Flight 방식보다 한 번에 측정할 수 있는 점의 개수가 많으나, 전 면적을 측정하려면 측정물을 회전 시키면서 측정해야 한다.

  (3) 패턴 이미지 기반 삼각 측량 : 패턴 광을 프로젝터로 측정 대상물에 조사하고, 대상물에서 변형이 된 패턴을 카메라에서 측정한 후 삼각 측량법으로 3차원 좌표를 계산. 한 번에 넓은 영역을 빠르게 측정할 수 있으며 휴대용 개발이 용이.

3. 3D 스캐닝의 종류

  (1) 고정식 스캐너 : 스캔을 하는 도중 스캐너 혹은 피측정물을 이동할 수 없는 방식의 스캐너이다. 

  (2) 이동식 스캐너 : 측정 도중 움직이면서 측정할 수 있는 스캐너로, 스캐너의 광이 못 미치거나 스캐너를 설치하기 힘든 환경에서 유용하다.

4. 스캔 데이터 유형

  (1) 점군(Point) : 주로 패턴 방식의 측정 데이터. 데이터 간의 위상 관계가 없고, 이웃하는 세 점을 연결해 삼각형 메쉬를 형성. 점군은 노이즈를 포함하므로 적절한 후처리 작업으로 데이터 변환이 필요. 

  (2) 폴리라인 : 라인 레이저의 데이터 저장 형태. 하나의 폴리라인 안의 점들은 순서가 존재. 필터링 및 페어링을 거쳐 삼각형 메쉬를 생성. 점군 데이터보다 자유 곡선 생성이 용이.

  (3) 삼각형 메쉬 : 가까운 세 점을 연결하여 삼격형을 만드는 형태. 삼각형 면에 색깔을 입혀 3차원으로 보이게 할 수 있다.

적용 가능 스캐닝 방식 선택

1. 측정 대상물에 따라

  (1) 접촉식 : 투명하거나 유리와 같은 소재, 표면 코팅을 할 수 없는 경우

  (2) 비접촉식 : 표면 코팅이 가능한 경우, 측정물이 쉽게 변경이 가는 경우

  (3) 대상물 크기와 거리 : 저가형 스캐너는 소형물 측정 가능, 원거리 대상은 TOF 방식을 사용

  (4) 일부를 스캔하는 경우 이동식이 유리함.

2. 적용 분야

  (1) 산업용 : 고가이며 정밀도가 우수하고 측정 범위가 크다.

  (2) 일반용, 3D출력용 : 정밀도가 그린 높을 필요가 없으며, 가공 정밀도가 스캐너의 정밀도보다 좋으면 된다.

 

대상물 스캔

스캐닝 준비 및 설정

1. 표면 상태

  -  레이저가 대상물 표면에 잘 주사되고 초점이 잘 맺히도록 필요한 경우 표면 코팅을 한다.

2. 측정물 크기

  - 측정물이 측정 범위를 벗어날 경우, 측정 방식을 바꾸거나 여러 번 측정하여 정합을 검토한다.

3. 적용 분야

  - 산업용은 높은 정밀도, 일반용은 낮은 정밀도가 요구되며 이에 맞는 스캐너를 준비한다.

4. 스캐닝 설정

  (1) 스캐너 보정 : 사용 전에 보정을 수행한다.

  (2) 조도 : 측정 방식에 따라 조도를 조절해야 한다.

  (3) 측정 범위 : 측정 대상물이 클 경우 측정 영역을 미리 설정한다.

  (4) 스캐닝 간격 및 속도

스캐닝 실시 및 데이터 저장

1. 측정 대상물의 자세에 따른 스캔 실시

  - 형상의 복잡도, 크기 및 원하는 측정 영역에 따라 한 개 또는 여러 개로 설정하여 측정한다.

2. 데이터 저장

  (1) XYZ : 가장 단순하며 각 점 좌표를 포함한다.

  (2) IGES : 최초의 표준 포맷이며 형상 데이터를 나타내는 엔터티로 이루어진다. 점뿐만 아니라 선, 원, 곡선, 곡면, 색상, 글자 등 3차원 모델의 거의 모든 정보를 포함할 수 있다.

  (3) STEP : IGES의 단점을 보완하는 가장 최근에 개발된 표준.

스캔데이터 보정

스캔데이터 정합 및 병합

1. 정합(Registration)

  - 개별 스캐닝 작업에서 얻어진 점 데이터들이 합쳐지는 과정. 정합용 고정구 및 마커 등을 사용하는 경우와 측정 데이터 자체로 정합을 하는 경우가 있다.

2. 병합(Merging)

  - 정합을 통해서 중복되는 부분을 서로 합치는 과정. 정합은 전체 데이터를 같은 좌표계로 통일하는 작업이며, 병합은 이러한 데이터를 하나의 파일로 통합하는 과정.

스캔데이터 보정 및 페어링

1. 데이터 클리닝

  - 자동 또는 수동 방식으로 스캔데이터 안의 노이즈를 제거한다.

2. 스캔데이터 보정

  - 중첩된 점 개수를 줄이는 필터링, 불규칙적으로 형성된 점들에 대한 스무딩 작업 등.

3. 스캔데이터 페어링

   - 비정상적으로 움푹 패인 형상은 패치툴로 수정, 삼각형 메쉬들간의 중첩 수정, 삼각형 메쉬들의 크기 조정 등의 작업.