3D 프린터 출력 파일(STL, 3MF, OBJ 파일 등) 특징, 모델링 재수정을 위한 문제점 리스트(메쉬, 비매니폴드 형상) 등에 대해 알아봅니다. 또한 3D 프린터 운용 기능사 필기시험에도 대비할 수 있습니다.
출력용 파일의 종류와 특징
STL(STereoLithography)
STL(STereoLithography)은 3D System사가 Albert Consulting Group에 의뢰해 쉽게 사용할 수 있게 만들어졌다. 모든 CAD시스템으로부터 쉽게 생성되도록 매우 단순하게 설계하였다.
초기 3D프린팅 시스템 제작 판매사들에 인정되어 3D프린팅의 표준 입력 파일 포맷으로 사용되고 있고, STL 포맷은 3차원 데이터의 surface모델을 삼각형 면에 근사 시키는 방식이다. 때문에 CAD시스템에서 쉽게 생성되지만 생성된 STL 파일에서 제품을 제작하기 힘들 정도의 오류를 가진 경우도 있다.
CAD시스템에서 생성된 형상의 데이터는 surface를 포함하는 경우가 많고 이러한 surface형상 데이터를 오차 없이 삼각형으로 나타내는 것은 불가능하다. 오차가 없도록 surface를 가능한 한 많은 삼각형으로 최대한 근사 시켰기 때문에 그 과정에서 오류가 생길 수 있다.
(가) STL포맷의 개념
STL 포맷은 삼각형의 세 꼭짓점이 나열된 순서에 따른 오른손 법칙(Right hand rule)을 사용한다. normal vector를 축으로 반시계 방향으로 꼭짓점이 입력되어야 하고, 각 vertex(꼭짓점)는 인접한 모든 삼각형의 vertex여야 한다는 꼭짓점 규칙을 만족시켜야 한다.
(나) 아스키(ASCII) 코드 형식
아스키(ASCII) 코드 형식은 [그림 1-4]에 나타낸 것과 같은 문자열을 사용하여 형상을 표현하고, solid는 다수의 facet을 포함하여 각각의 facet은 facet normal로 나타내는 normal vector로 시작해 outer loop 이후에 삼각형 꼭짓점 각각을 나타내는 3개의 vertex 문자열에 표기하고 end loop와 end facet문으로 끝낸다.
(다) 바이너리(Binary)코드
바이너리(Binary) 코드 형식은 <표 1-1>과 같이 80byte의 Head information과 4byte의 전체 면들(facets)의 개수에 각 삼각형 facet을 3개의 float형으로 정의한 normal vector좌표와 9개의 float형으로 정의한 vertex 좌표 정보로 표현된다.
AMF(Additive Manufacturing File)
AMF(Additive Manufacturing File) 포맷은 XML에 기반해 STL의 단점을 다소 보완한 파일 포맷이다. STL 포맷은 표면 메시에 대한 정보만을 포함하지만, AMF 포맷은 색상, 질감과 표면 윤곽이 반영된 면을 포함해 STL 포맷에 비해 곡면을 잘 표현할 수 있다. 색상 단계를 포함하여 각 재료 체적의 색과 메시의 각 삼각형의 색상을 지정할 수 있다.
OBJ
OBJ 포맷은 3D 모델 데이터의 한 형식으로 기하학적 정점, 텍스처 좌표, 정점 법선과 다각형 면들을 포함한다. 3D 애니메이션 프로그램인 Wavefront Technologies에 의해 개발되었고, 거의 모든 3D 프로그램 간의 호환이 잘 되어 있어 많이 사용되고 있다. 하지만 매 프레임에 하나의 파일이 필요하고 많은 용량이 필요하며 OBJ파일로 내보내고 불러오는 데 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.
오류 검출 프로그램의 종류
1. Netfabb (AUTODESK)
Netfabb는 거의 모든 CAD포맷을 IMPORT 가능하고 다른 포맷으로 변환해 EXPORT 가능하다. 자동 복구 도구를 이용해 모델의 구멍이나 교차점 및 기타 결함을 제거시켜 주고, 수동 복구 도구와 사용자 정의 복구 스크립트를 사용하면 오류를 잘라 메쉬를 편집하고 원본 파일과 수정된 메쉬를 비교할 수 있다. 뿐만 아니라, 구멍을 만들어 별도의 부품을 병합 또는 기능을 추출할 수 있고 그림과 텍스처에 텍스트를 추가할 수 있다.
2. Meshmixer (AUTODESK)
Meshmixer는 2009년에 출시한 무료 매쉬 수정 소프트웨어이다. 주요 기능들은 메쉬를 부드럽게 하고 구멍이나 브릿지, 일그러진 경계면 등의 오류를 어느 부분에 어떤 오류가 있는지 알려주고 자동 복구시켜 준다.
3. MeshLab
Meshlab은 ISTI-CNR 연구 센터에서 개발된 오픈소스 소프트웨어이며 VCG 라이브러리를 기반으로 윈도, 맥, 리눅스에서 사용 가능하다. 구조화되지 않은 큰 메쉬를 관리 및 처리하는 것을 목적으로 healing, cleaning, editing, inspecting, rendering 도구를 제공하는 3D 메쉬 수정 소프트웨어이다.
출력용 파일의 오류 종류
1. 클로즈 메쉬와 오픈 메쉬
출력용 파일로 변환된 모델에서 메쉬 사이에 한 면이 비어 있는 형상으로 변환되어 오픈 메쉬가 생기는 경우이다.
2. 비(非) 매니폴드 형상
비매니폴드 형상은 실제 존재할 수 없는 구조로 3D 프린팅, 부울 작업, 유체 분석 등에 오류가 생길 수 있다.
3. 메쉬가 떨어져 있는 경우
4. 반전
해결방안
문제점 리스트를 작성하고 출력용 파일의 형태로 저장하고 크기, 서포트, 공차, 채우기를 고려한다.
3mf
현재 stl포맷은 3D프린팅 표준 포맷으로 단순하고 쉽게 사용할 수 있다는 장점이 있지만 단순하기 때문에 여러 가지 정보가 결여되어 있고 많은 단점이 있다.
ply
ply포맷은 obj포맷의 부족한 확장성으로 인한 성질과 요소에 개념을 종합하기 위해 고안되었으며, 90년대 중반 스탠퍼드 그래픽 연구소의 Greg turk에 의해 개발되었다.
스탠퍼드 삼각형 형식 또는 다각형 파일 형식으로, 주로 3D스캐너를 이용해 물건이나 인물 등을 3D스캔한 스캔데이터를 저장하기 위해 설계되었다.
표면의 법선 색상, 투명도 좌표 및 데이터를 포함하고, ply포맷은 stl포맷과 비슷하게 ASCII 형식과 binary 형식이 있다.
모델링 소프트웨어에서 재수정을 위한 문제점 리스트 작성
문제점 리스트를 작성하기 위해서는 어떤 과정으로 출력용 데이터를 수정하고 저장하는지에 대한 지식이 필요하다. 먼저, 출력용 데이터로 저장한 모델링 파일에 오류 검사를 실시한다. 오류가 검출되지 않았으면 최종 출력용 데이터로 저장하고, 그렇지 않으면 오류의 종류를 파악한다.