3D 프린터의 기초 지식인 제품 스캐닝, 스캐너 종류와 최적 선택방법, 데이터 포맷과 스캐닝 준비 설정, 데이터 보정에 대해 알아봅니다. 더불어 3D 프린터 운용 기능사 필기시험에도 대비할 수 있습니다. 최하단에 붙임 파일이 있으니 참고하세요.
▣ 제품 스캐닝
3D스캐닝이란?
3차원 스캐닝은 측정 대상으로부터 3차원 좌표, 즉 X, Y, Z값을 읽어내는 일련의 과정이다.
3D 스캐닝의 과정
준비단계 → 점군(Point Cloud) 생성 단계 → 3차원 모델 재구성 단계를 거친다.
방식 : 직접 접촉을 통해 좌표를 획득하거나 비접촉으로 좌표를 획득 가능하다.
3D스캐너의 종류
• 접촉식 스캐너
장점 : 측정대상물이 투명하거나 거울과 같이 전반사 혹은 표면 재질로 인해서 난반사가 일어나는 단단한 피측정물에 대해서 측정이 가능하다.
단점 : 외관이 복잡하거나 접촉 시 피측정물이 쉽게 변형될 경우에는 사용이 불가능합니다.
대상물의 표면과 직접 접촉하는 터치 프로브(Touch Probe)를 용하여 좌표를 읽어내는 방식으로, 지정된 대표적인 방법은 CMM(Coordinate measuring machine)이다.
• 비접촉식 스캐너
피측정물과 직접 접촉하지 않고 레이저와 같은 광학 방식으로 피측정물을 측정하는 방식으로, 3D 스캐닝 대부분이 비접촉식 방법 사용한다.
* 저가형, 고가형, 이동식 스캐너 등 다양하게 구분한다.
최적 스캐닝 방식 및 스캐너 선택
측정 대상물의 표면 재질, 특성, 복잡도, 크기에 따라 접촉식, 비접촉식을 선택한다. 정밀시 산업용 스캐너(고가), 그렇지 않은 경우 저가형이 유리하고 측정시간 중요시 패턴식이 유리하다.
• 접촉식: 측정 대상물이 투명하거나 유리와 같은 소재이며, 표면에 코팅을 수행할 수 없을 경우에는 접촉식을 선택해야 합니다.
• 비접촉식: 접촉 측정 대상물이 쉽게 변형될 경우에는 비접촉식을 사용해야 합니다.
* 표면 코팅이 가능할 경우에는 광을 기반으로 하는 비접촉식 측정도 가능합니다.
• TOF(Time Of Flight): 원거리의 대상을 측정할 경우에는 TOF방식의 스캐너를 사용합니다.
* TOF방식 스캐너란 : 레이저의 펄스가 레이저 헤드를 출발해서 대상물을 투사하고 반사하여 돌아오는 시간을 측정해서 최종적으로 거리를 계산(거리 = 속도 X 시간), 시간은 Pico초를 사용한다.
• 이동식: 측정 대상물이 크지만 일부를 스캔해야 하는 경우에는 이동식 스캐너를 사용합니다.
※ CT(Computed Tomography) : 측정 대상물의 내부 측정이 필요한 경우에 사용합니다.
• 레이저 기반 삼각 측량 3차원 스캐너: 일반적으로 가장 많이 사용 방식, 라인 형태의 레이저를 측정 대상물에 주사하여 반사된 광이 수광부(CCD(charage-coupled device) 혹은 CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) 특정 셀에서 측정, 레이저 발진부와 수광부 사이 거리 고정 및 발진 각도 고정된다.
• 패턴 이미지 기반 삼각 측량 3차원 스캐너: 대상물의 변형된 패턴을 측정하여 삼각 측량하여 넓은 영역을 빠르게 측정 및 휴대용 용이하다.
스캔 데이터 유형 및 특징
• 점군(Point Cloud): 주로 광 패턴 방식의 측정 데이터는 점군이다.. 세 점을 연결해서 삼각형 메쉬를 형성 혹은 STL 생성이 가능하다. 후처리를 통하여 점군을 곡선 생성하여 곡면을 생성도 가능하다.
• 폴리라인(PolyLine): 라인 레이저의 경우 폴리라인 데이터가 저장된다. 파라메트릭 수식을 이용하여 자유 곡면 생성도 가능하다. 폴리라인도 결국 점군의 집합이다.
• 삼각형 메쉬: 점군 혹은 폴리라인을 가장 쉽게 3차 원화 시키는 세 점을 연결해서 삼각형을 만드는 방법이다.
스캐닝 준비 및 설정
스캐닝 준비는 측정 대상물의 크기, 표면, 적용분야(고정밀, 산업용, 일반용)에 따라 다르다.
측정 대상물의 크면 정합용 마커(볼) 이용, 보통 3개 이상 볼 필요하다. 스캐닝 준비는 측정 대상물의 크기, 표면, 적용분야(고정밀, 산업용, 일반용)에 따라 다르다.
스캐닝 준비가 끝나면 스캐너의 설정을 통해서 준비 과정을 마무리한다. 스캐닝 설정은 스캐너 보정(calibration), 노출 설정, 측정 범위, 측정 위치 선정, 스캐닝 간격 및 속도 등이 포함된다. 스캐너 보정, 조도, 측정 범위, 스캐닝 간격 및 속도로 구분하여 설정한다. 일반적으로 연속 측정 시 정밀도가 낮아진다.
데이터 저장
각 측정 자세에서 측정된 데이터는 스캐너의 종류에 따라서 다를 수는 있지만 기본적으로 점군의 형태로 저장이 된다. 이러한 점군은 다른 소프트웨어에서 사용이 가능한 표준 포맷으로 저장할 수도 있고, 스캐너 자체 소프트웨어에서만 사용이 가능한 전용 포맷으로 저장할 수도 있다.
이러한 포맷은 기본적으로 각 점에 대한 정보 즉, X, Y, Z 좌표를 포함하며, 경우에 따라서는 STL 파일과 같이 벡터(normal vector), 색깔 정보, 이웃하는 점과의 위상(topology) 정보를 포함할 수도 있다.
표준 포맷
표준 포맷은 모든 스캔 소프트웨어 혹은 데이터 처리 소프트웨어에서 사용이 가능한 포맷으로 가장 많이 사용되는 포맷은 아래와 같이 XYZ, IGES와 STEP가 있다. 스캐너에 따라서 이러한 표준 포맷을 선택적으로 제공한다.
(1) XYZ 데이터
가장 단순하며, 각 점에 대한 좌표 값인 XYZ값을 포함하고 있다.
(2) IGES(Initial Graphics Exchanges Specification)
최초의 표준 포맷이며, 형상 데이터를 나타내는 엔터티(entity)로 이루어져 있다. IGES 파일은 점뿐만 아니라 선, 원, 자유 곡선, 자유 곡면, 트림 곡면, 색상, 글자 등 CAD/CAM 소프트웨어에서 3차원 모델의 거의 모든 정보를 포함할 수 있다. 3D스캐너에서는 선택적으로 지원할 수 있다. 스캔 데이터는 보통 점으로 이루어져 있기 때문에 엔터티 106 혹은 116으로 데이터가 저장이 된다.
(3) STEP(Standard for Exchange of Product Data)
IGES의 단점을 극복하고 제품 설계부터 생산에 이르는 모든 데이터를 포함하기 위해서 가장 최근에 개발된 표준이다. 거의 대부분의 상용 CAD/CAM 소프트웨어에서 STEP 표준 파일을 지원하며, 3D스캐너에서는 선택적으로 지원할 수 있다.
스캔데이터 정합 및 병합
정합용 마커를 이용(정합용 볼)하는 방법과 점군 데이터를 직접 이용하는 방법, 정합을 통하여 중복 부분을 합치는 병합과정이 있다.
데이터 클리닝
스캔 데이터의 노이즈를 제거하는 것을 말한다. 정합 및 병합 후에 불필요한 데이터를 필터링해야 한다.
데이터 보정
중첩 점을 줄이고, 스무딩을 포함한다.
스캔데이터 보정
데이터 클리닝이 끝나고 측정 대상물 주변 점들을 제거하고 스무딩을 포함한다.
스캔 데이터 페어링
형상수정과 삼각형 메쉬 생성을 통하여 최종적으로 삼각형 메쉬 데이터로 만들어 STL파일화 할 수 있게 한다. 삼각형 메쉬의 삼각형들은 꼭짓점을 항상 공유해야 한다.
스캐닝 준비 및 설정
스캐닝 준비는 측정 대상물의 크기, 표면, 적용분야(고정밀, 산업용, 일반용)에 따라 다르다.
측정 대상물의 표면상태, 크기(정합용 마커(볼) 이용, 보통 3개 이상 볼 필요)를 고려해야 한다.
스캐닝 설정
스캐너 보정, 조도, 노출 설정, 측정 범위, 측정 위치 선정, 스캐닝 간격, 속도 등이 포함된다. 일반적으로 연속 측정 시 정밀도가 낮아진다.