제품스캐닝

3D 프린터 개념

3차원 도면을 바탕으로 3차원 물체를 만들어 내는 기계를 의미 / 3차원 모델링 데이터에 기반으로 입체화된 사물을 출력하기 위해 적달한 재료를 사용해, X, Y(가로,세로)축을 기반으로 한 2차원에 Z (높이)축을 더해 3차원 입체적 물체를 만들어 내는 장비라 한다.

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3D 프린팅의 장점

시제품제작의 비용 및 시간 절감 / 다품종 소량생산, 손쉬운 맞춤형 제작 / 복잡한 형상제작 및 재료비 절감 / 제조공정 간소화 / 제품대신 디지털 도면을 유통할 수 있음 / 원하는 장소에서 출력 가능 / 기존의 제품 검토를 위한 실물크기 모델인 Mock-up 보다 경제적임

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3D 프린팅 진행프로세스(공정순서)

스캐닝 및 모델링(3차원 설계) ➥ 3D프린팅(구조제작) ➥후공정(지지대제거) ➥제작완료

 

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형태에 따라 3종류의 방식으로 구분

• 카르테시안 : 베드가 X, Y축으로 이동하며, 노즐은 Z축으로 이동 / 정밀도 우수
• 멘델 : 베드가 Z축으로 내려가고, 노즐은 X, Y축으로 이동 / 정밀도 우수
• 델타 : 노즐이 X, Y, Z 축으로 움직임 / 속도우수

 

 

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소재에 따라 고체/액체/분말 3종류의 방식으로 구분

• 고체기반형(2) : FDM, LOM
• 액체기반형(4) : SLA, DLP, Polyjet, MJP
• 분말기반형(8) : SLS, DMLS, 3DP, DED, PBF, SLM, PBP, EBM

 

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고체기반형은 저렴해서 가장 많이 보급되고 사용되는 방식으로,  열에 취약하며 출력물의 품질은 떨어지고 정교한 작업이 어려운 단점이 있다.

 

FDM : 열가소성 수지(고체. PLA, ABS)

FDM(Fused Deposition Modeling).  응용수지 압축 적측 조형방식으로 와이어 형태의 필라멘트 선으로 된 열가소성 물질을 노즐안에서 녹이며 얇게 필름 형태로 고화시키면서 적층하여 형상을 만드는 방식이다.  가는 실형태의 필라멘트 소재는 PLA, ABS 등 플라스틱이다. (플라, 압스)

 

크고 복잡한 형태를 출력할 경우 3D형상을 분할하여 출력해야 하는데, 분할출력시에는 출력범위(해상도 이내), 지지대(서포터)생성유무, 출력물의 품질을 좌우하는 적층높이 및 벽두께를 고려해야 한다. (익스트루더의 크기는 무관함)

 

 

 

LOM : 수지필름, 종이 소재

얇은 판모양으로 층층으로 종이판이나 플라스틱 등의 소재를 CO2 레이저나 정밀커너로 컷팅 후, 열을 가해 레미네이트 층을 접착하는 방식

 

 

 

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액체기반형은 500종의 다양한 소재를 지원한다. 속도와 정밀도, 품질이 우수하다

 

SLA : 광경화성 수지(액체)

SLA(Stereo Lithography Apparatus). 용기안의 액체재료인 광경화수지에 UV레이저광선을 주사하여 광경화되는 원리를 이용한 장치이다. 성형속도와 정밀도, 품질이 우수하다. 단점으로 강도가 약해 60도 이상에서 변형이 발생할 수 있고 고가의 장비와 유지비용이 들어간다. 주로 치과, 보석 분야에 사용한다. 빛의 조절이 필요하며, 빛이 새어나가 원치 않는 부분에 경화되는 빛샘현상이 발행할 수 있다.   1986년 최초의 3D 프린터 방식이 SLA방식으로 구현되었다.

 

MJP : 광경화성 수지(액체)

MJP(Multi Jetting Printing).  프린터헤드에서 아크릴 광경화성 수지와 지지대가 되는 왁스재료를 분사하고, 동시에 자외선으로 경화시켜 고형화하는 방식이다.  정밀도가 높고 곡선처리가 뛰어나며, 우수한 표면조도로 후처리가 필요없다. 

단점으로 재료가 고가이며 강도와 내구성이 약하고 65도 이상에서 변형이 발생한다.

 

 

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분말기반형은 금속, 세라믹, 플라스틱 등 다양한 분말소재를 접합제, 레이저, 전자빔 등을 이용해 적층하는 방식이다.

 

 

SLS : 분말베드 용해결합법

SLS(Selective Laser Sinterring).  베드에 도포된 분말(Powder)에 선택적으로 레이저를 조사,소결하고 파우더를 도포하는 공정을 반복하며 적층하는 방식이다.  나무, 금속, 세라믹, 플라스틱 등 다양한 소재의 선택이 가능하다.

 

 

3DP : 액체경화물질 분말원료에 분사방식

3DP(3Dimensional Printing).  분말을 접착제(바인더)를 이용해 단면 조형 후 적층하며, 색을 입힐 수 있는데. 노즐에서 석고가루에 액체상태의 컬러잉크와 경화물질을 분말원료에 분사하는 방식으로 적층가공한다.  이 3DP방식은 서포트가 필요하지 않은 것이 특징이다.

 

 

 

 

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3D Scanning

 

3D 스캐닝의 정의

측정 대상으로 부터 모양, 문자, 위치, 크기등의 3차원 정보와 좌표(X,Y,Z)값을 읽어내는 과정을 말한다.

 

https://youtu.be/3rIXhqVTpoE

표면처리후 스캔작업

 

3D프린터를ㅇ이용한 인공틀니

 

3D 스캐닝 준비

측정 대상물에 대한 표면처리(백색파우더, 코팅스프레이를 이용한 표면코팅) 등의 준비, 스캐닝 가능 여부에 대한 대체 스캐너 선정등 작업을 수행하는 단계

 

정합용마커(Resistration Marker)

측정대상물이 클 경우 사용하는 방법으로 여러부분 나누어 스캔 시 스캔데이터를 정합하기 위한 도구.  산업용 고정밀 라인레이저 측정에 많이 사용되며, 치수 정밀도가 우수한 3개 애상의 볼를  미리 고정시켜 같이 스캔한다.  

측정 후 다른 측정데이터의 동일한 볼 중심을 일치시켜서 최종적으로 정합한다.

 

 

3D 스캐너의 종류

 

1. 접속식 3D 스캐너

탐촉자로 불리는 터치 프로브(Probe) 로 대상물의의 표면에 접촉해서 측정을 하는 방식 / 제조업 CMM(Coordinate Measuring Machine)에서 오래전부터 사용하는 대표적인 방식 / 투명하거나 거울같이 반사가 일어나는 표면도 측정가능 / 정확도가 우수하나, 물체 표면에 직접 접촉하여 스캔하므로 물체의 변형 및 손상을 가져올 수 있다. 

 

 

 

2.비접촉식 3D 스캐너

ToF(Time of Flight) 방식의 3D 스캐너로 / 레이저 파인더(Laser Range Finder)라고 물리는 빛을 물체 표면에 투사하여 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해 물체와 측정 원점 사이의 거리를 구하는 방식 / 토목 측정이나, 건물 등 대형물 측정에 많이 활용

 

 

 

3.광 삼각법 3D 레이저 스캐너

발광부에서 점 또는 선 타입의 레이저를 물체에 투사하고 수광부에서 반사된 빛을 입력받아 삼각 도식에 따라 거리를 측정하는 방식 / 대부분의 레이저 타입의 3D 스캐너는 TOF 또는 이 방식을 주로 이용

 

 

 

4.핸드헬드 3D 스캐너

광 삼각법을 주로 이용하는 작은 크기의 스캔 / 점(dot) 또는 선(line) 타입의 레이저를 피사체에 투사하는 레이저 발송자와 반사된 빛을 받는 수신 장치(주로 CCD)와 내부 좌표계를기준좌표계와 연결하기 위한 시스템으로 구성

 

 

 

5.백색광 방식 스캐너

특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴 의 변형 형태를 파악해 3D 정보를 얻는 방식 / 특히 산업 계에서 정밀한 스캐닝을 위한 목적으로 널리 사용

 

 

 

6.변조광 방식의 3D 스캐너

물체 표면에 지속적으로 주파수 가 다른 빛을 쏘고 수광부에서 이 빛을 받을 때, 주파수의 차이를 검출해, 거리 값을 구해내는 방식 / 중거리 영역인 10~30 m 영역을 스 캔 할 때 주로 이용

 

 

 

 

스캔데이터 보정

 

스캔데이터 클리닝

측정환경, 대상의 표면상태, 스캔설정에 따라 면이 일정하지 않는 노이즈가 포함될 수 있으므로, 자동과 수동 방식으로 제거하는 단계를 말한다.

 

 

스캔데이터의 보정

데이터 클리닝과 정합 후 다양한 보정과정은 아래와 같다.ㅣ

 

• 정합 : 여러 번 스캔해 측정한 최종 점군 데이터를 합치는 과정
• 병합 : 정합을 통해 중복되는 부분을 서로 합쳐서 데이터를 줄이는 과정
• 필터링 : 중첩된 점의 수를 줄여 주는 보정방법
• 스무딩 : 불규칙적으로 생성된 점들을 다듬어 부드럽게 하는 보정방법
• 페어링 : 불필요한 점 제거 및 다양한 오류수정으로 최종적인 삼각형 메쉬를 형성하기 전과정
• 삼각형 메쉬생성 : 삼각형의 꼭지점을 모아 점사이를 연결하는 그물망을 생성하는 것. 삼각형이 없는 구멍 오류를 자동,수정으로 제거해야 한다. 

 

 

 

 

 

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❀ 3D프린팅 주요용어

• STL : 3D 모델링프로그램에서 제작한 결과를 3D프린팅에 필요한 2D단면으로 만든어 Export한 파일.
• G-code : 3D프린터에서 읽을 수 있는 슬라이싱 프로그램에서 생성한 코드.
• Slicing : STL파일을 G-code로 바꾸는 과정.
• Post Procssor : CAD의 형상을 기반으로 CNC공작기계에 맞추어 NC코드를 생성하는 과정

 

❂ STL 이외 3D Data Format

• IGES : 아이게스 // 최초의 표준포맷 / 형상데이터를 나타내는 엔터티(Entity)로 구성 / 점,선, 원, 자유곡선 등 3차원 모델의 모든정보 포함
• STEP : IGES 단점극복 / 제품설계부터 생산의 모든 데이터 포함 / 가장최근개발 / CAD, CAM SW에서 표준파일지원