[헬로티 = 서재창 기자]

4차 산업혁명이 제조업의 새로운 트렌드로 등장하면서, 다양한 기술들을 융합할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 주목받고 있다. 이에 3D시스템즈는 3D스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스에 초점을 맞추고 있다. 

3D스캐닝과 역설계, 제품 구현에 숨을 불어넣다

역설계(Reverse Engineering)는 디지털 설계 공정에 사용할 목적으로 실제 제품을 캡처하는 경우 반드시 거쳐야 하는 과정이다. 물리적 부품을 측정한 수치를 바탕으로 제품 설계 요소를 파악하는 과정은 제조혁신을 위한 토대가 된다. 

최신 3D스캐닝 기술과 소프트웨어를 사용하는 역설계 기술은 각 제품 생산 공정에서 반복적으로 발생하며, 비즈니스 가치를 높일 수 있는 방안이다. 

3D스캐닝 기술 및 역설계 프로세스 활용은 오래된 부품 및 공구의 CAD 데이터를 재생성하며, 기존 제품에 적합한 새로운 맞춤형 제품을 설계할 수 있다. 이뿐 아니라 프로토타입 또는 제조를 위해 변경 사항을 기록하고, 분실된 부품 및 금형 CAD 데이터를 재설계하며, 새로운 제품 설계를 위해 물리적 부품을 CAD로 변환한다. 

3D시스템즈의 역설계 소프트웨어인 ‘지오매직 디자인 X(Geomagic Design X, 이하 지오매직)’는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 역설계 솔루션 중 하나다. 

지오매직은 기존 CAD 환경에 직접 연결되며, 다른 모델과 동일한 방식으로 사용할 수 있는 네이티브 파일을 생성한다. 무엇보다 기존 역설계 프로그램과 차별화되는 부분은 3배에서 최대 10배가 빠른 CAD 변환 속도다. 

이 장점은 비용 절감과 생산성 향상으로 이어져 해당 솔루션을 이용하는 기업에 이익으로 작용한다. 이외에도 메시 편집 및 포인트 클라우드 공정, 자동 솔리드 모델 추출, 편차 분석 도구를 활용한 실시간 결과 제공 등의 기능이 포함돼있다. 

▲역설계는 기존 제품의 CAD파일을 다시 작성하는데 효과적이다. 

역설계 구현을 위한 다섯 가지 TIP

한편, 정밀도 높은 역설계를 구현하기 위해서는 다섯 가지의 팁을 제안한다. 첫 번째, 측정과 설계를 가로막는 장벽을 허문다. 

이는 제품 개발 부서나 엔지니어링 부서가 직접 스캐너를 조작하거나, 스캐너를 조작하는 검사·품질 부서와 긴밀하게 협력하는 것을 의미한다. 

설계자는 스캔 및 스캔 기반 CAD모델링에 직접 참여할 필요가 있다. 두 번째, 3D스캐닝과 역설계가 가능한 여러 응용 분야를 찾는다. 해당 부서 및 담당자는 기업 내에서 역설계 전문지식을 활용하고 이해관계자의 지원을 구축해 투자수익(ROI)과 비즈니스 효과를 극대화해야 한다. 

세 번째, 적합한 3D스캐너를 선택한다. 전부는 아니더라도 대부분의 측정요건을 만족하는 3D스캐너를 신중하게 선택한 후, 나머지는 신뢰하는 외부서비스업체와 협력하는 편이 좋다. 

네 번째, 측정 소프트웨어를 설계하는 용도로 사용하지 않는다. 번들로 제공되는 스캐너 소프트웨어는 대부분 스캔효과를 높이는 데 집중돼있기에 기본적인 부품의도를 파악하는 작업에는 적합하지 않다. 

다섯 번째, 설계 소프트웨어를 측정에 사용하지 않는다. 기존 CAD소프트웨어를 사용해 3D스캔에서 CAD모델을 제작하고 싶더라도 이는 번거로울 뿐 아니라 정기적으로 역설계에 사용하기에는 비효율적이다. 

▲그림1. 지오매직 디자인 X가 적용된 주조 형상 모델

제품마다 달라지는 역설계 적용 방식

역설계 프로세스 종류는 세 가지로 정리된다. ‘메시 모델링 프로세스’, ‘서피스 모델링 프로세스’, ‘파라메트릭 모델링 프로세스’다. 메시 모델링 프로세스는 정리가 덜 된 스캔 데이터에서 완전한 스캔 데이터로 변환하고 정제하는 방식이다. 

서피스 모델링 프로세스는 복잡한 형상을 구현할 때 형상에 대한 표면 정보만 그대로 가져와 간단한 솔리드 형태로 변환하는 과정이다. 

끝으로 파라메트릭 모델링 프로세스는 일반적인 설계 개념을 적용해 스캔 데이터를 기반으로 3D 혹은 2D 스케치로부터 만드는 방식이다. 

사용자가 어떤 형식의 최종 데이터를 원하는가에 따라 다르겠지만, 일반적인 경우에는 파라메트릭 모델링 프로세스를 주로 활용한다. 

한 예로, 서피스 모델링 프로세스는 대게 형상의 표면만 필요할 때 사용된다. 그림1은 주조 형상 모델로서 공기 역학적 흐름과 표면 곡률, 전반적인 형태가 중요한 제품이다. 

오토 서피스 기능은 이 형상의 전체적인 영역을 구분한다. 패치 네트워크가 만들어지면, 서피스를 채워 솔리드 데이터로 출력한다. 이는 스캔 데이터를 기반으로 소프트웨어가 자동으로 계산한 값이다. 얼마나 정확하게 맞아 들어가는지 편차를 체크하는 기능을 통해 공차 범위 내에 들어오는지 아닌지 실시간으로 모델링을 만들며 지원할 수 있다. 

오토 세크먼트 기능은 연산을 통해 특정한 기하형상을 찾은 뒤 캐드 데이터처럼 영역을 구분할 수 있다. 사용자는 특정한 R값을 가진 서피스를 집어넣을 수 있으며, 면의 조도 등 품질도 검사할 수 있다. 

▲그림2. 지오매직 디자인 X는 누락된 스캔 데이터를 활용해 완전한 모델링 데이터로 구현한다. 

역설계, 어떤 분야에서 활용되나

현 산업에서 가장 많이 사용하는 분야는 자동차다. 역설계 소프트웨어는 자동차 내·외장재 제작에 활용되며, 이외에도 항공우주, 의료, 장난감 등의 산업에도 쓰인다. 그림2를 보면, 곳곳에 빈 스캔 데이터가 있다. 형태가 추측 가능한 부분만 있어도, 지오매직 디자인 X는 완벽한 차량의 모델링 데이터를 만들어낸다. 

한편, 항공기 경량화에 대해 관심이 높아지면서 위상최적설계를 적용하는 사례가 늘고 있다. 다만, 실제 제품으로 적용하고 싶어도 기존의 가공 프로세스로 진행하기에 어려움이 있다. 3D시스템즈는 3D프린팅 활용으로 완성된 데이터에 추가 가공을 통해 실제 항공기에 3D프린팅 기술을 적용한 사례도 있다.