KR102201180B1

KR102201180B1 - 머시닝 가공에 의한 3d 피규어 제조 방법

Info

Publication number: KR102201180B1
Application number: KR1020190098216A
Authority: KR
Inventors: 강동원
Original assignee: (주)뉴젠텍
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2021-01-11

Abstract

본 발명은 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법에 관한 것이다. 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조방법은 가공이 되어야 하는 피규어에 대한 3D 모델이 생성되는 단계; 3D 모델로부터 3D 가공 데이터가 생성되는 단계; 3D 가공 데이터에 기초하여 5축 CNC(Computer Numerical Control) 머신에서 금속 소재가 5축 가공이 되는 단계; 가공이 된 금속 소재에 대한 마무리 공정이 진행되는 단계; 및 마무리 공정에 의하여 피규어가 생성되는 단계를 포함한다.

Description

머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법{A Manufacturing Method for a 3D Figure by a Machining Process}

본 발명은 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법에 관한 것이고, 구체적으로 금속 소재의 3D 피규어를 머시닝 가공에 의하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

영화 또는 게임에 등장하는 캐릭터 또는 동물을 인형 형태로 만든 피규어는 예를 들어 합성수지와 같은 소재로 금형을 이용하여 만들어질 수 있다. 이와 같이 만들어지는 피규어는 쉽게 손상이 되면서 장기간 동안 보관이 되기 어렵다는 단점을 가진다. 피규어 제조와 관련된 선행기술에 해당하는 특허공개번호 10-2015-0103898은 3D 개인 피규어 생성 장치에 대하여 개시한다. 또한 특허등록번호 10-1718090은 피사체를 촬영하여 획득되는 피사체의 이미지 정보를 기반으로 피규어를 제조하는 방법에 대하여 개시한다. 선행기술 또는 공지 기술에서 개시된 피규어는 소재 자체가 쉽게 변형될 수 있거나, 다수 개의 부분이 서로 결합된 구조를 가지므로 이로 인하여 쉽게 파손될 수 있다는 문제점을 가진다. 또한 금형으로부터 만들어지므로 정교한 형상이 표현되기 어렵다는 단점을 가진다. 예를 들어 이와 같은 피규어는 개인 소장용 캐릭터 또는 기념품 피규어 또는 이와 유사한 피규어의 제조에 적용되기 어렵다. 그러므로 다양한 형상을 정밀하게 표현하면서 이와 동시에 다양한 환경에서 장기간 보존될 수 있는 제조 방법이 만들어질 필요가 있지만 선행기술은 이와 같은 방법에 대하여 개시하지 않는다.

본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

선행기술 1: 특허공개번호 10-2015-0103898(한국전자통신연구원, 2015.09.14. 공개) 3D 개인 피규어 생성 장치 및 그 방법 선행기술 2: 특허등록번호 10-1718090((주)아로파테크, 2017.03.20. 공고) 피규어 제조 시스템 및 이를 이용한 방법

본 발명의 목적은 정교한 형상의 표현이 가능하면서 장기간 보관이 가능한 금속 소재의 5축 가공에 의한 피규어의 제조가 가능한 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법은 가공이 되어야 하는 피규어에 대한 3D 모델이 생성되는 단계; 3D 모델로부터 3D 가공 데이터가 생성되는 단계; 3D 가공 데이터에 기초하여 5축 CNC(Computer Numerical Control) 머신에서 금속 소재가 5축 가공이 되는 단계; 가공이 된 금속 소재에 대한 마무리 공정이 진행되는 단계; 및 마무리 공정에 의하여 피규어가 생성되는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 3D 모델은 2D 이미지 데이터를 처리하는 단계 또는 3D 스캐닝 데이터를 처리하는 단계에 의하여 생성된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 되고, 마무리 공정은 화학 연마 및 양극 산화 피막 형성 공정을 포함한다.

본 발명에 따른 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법은 예를 들어 알루미늄과 같은 금속 소재를 5축 가공에 의하여 만드는 것에 의하여 정교한 표현이 가능하면서 파손이 되지 않고 장시간 보존이 될 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 피규어 제조 방법은 개인 소장품 피규어 또는 기념품 피규어에 유용하게 적용될 수 있지만 이에 제한되지 않고, 적절한 소프트웨어에 의한 자동 제조 공정에 의하여 동일 또는 유사한 피규어가 대량으로 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 피규어 제조 방법에 적용되는 3D 가공 데이터의 생성 과정의 실시 예를 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법은 가공이 되어야 하는 피규어에 대한 3D 모델이 생성되는 단계(S11); 3D 모델로부터 3D 가공 데이터가 생성되는 단계(S12); 3D 가공 데이터에 기초하여 5축 CNC(Computer Numerical Control) 머신에서 금속 소재가 5축 가공이 되는 단계(S13); 가공이 된 금속 소재에 대한 마무리 공정이 진행되는 단계(S14); 및 마무리 공정에 의하여 피규어가 생성되는 단계(S15)를 포함한다.

머시닝 가공은 수치 제어(Numerical Control)에 기초하여 작동하는 절삭 또는 밀링 툴에 의하여 물품을 제조하는 것을 의미하며 머시닝 가공은 머시닝 센터에서 이루어지는 다양한 가공 공정을 포함할 수 있다. 피규어는 사람, 동물 또는 이와 유사한 다양한 실물 또는 가상 실물을 모방한 형태를 의미하고, 피규어의 형상에 의하여 본 발명은 제한되지 않는다. 3D 모델은 제작이 되어야 하는 피규어의 3차원 이미지를 의미한다. 3차원 모델 이미지는 다양한 방법으로 생성될 수 있고, 예를 들어 다수 개의 이차원 사진 이미지 데이터 또는 레이저 스캐너에 의하여 획득된 스캔 데이터로부터 3차원 모델 이미지가 생성될 수 있다(S11). 3차원 모델 이미지는 컴퓨터로 처리 가능한 데이터 형태로 만들어질 수 있고, 이에 기초하여 3D 가공 데이터가 생성될 수 있다(S12). 3D 가공 데이터는 머시닝 가공이 가능한 데이터를 의미하고, 예를 들어 캐드 도면(Cad Drawings), IGES 도면, SAT 도면, SAT 도면, SKP 도면, DXF 도면 또는 이와 유사한 3D 도면으로부터 생성된 CAM 데이터와 같은 NC(Numerical Control) 데이터를 의미하지만 이에 제한되지 않는다. 3D 가공 데이터가 생성되면(S12), 머시닝 센터에서 5축 가공에 의하여 피규어가 가공될 수 있다(S13). 5축 가공은 직선 3축과 회전 2축에 기초하여 공구의 기울기를 자유롭게 변경하여 복잡한 형상을 높은 정밀도로 가공할 수 있는 공작 기술을 말하고, 다양한 형상을 가진 피규어의 제조에 유리하게 적용될 수 있다. 알루미늄, 구리, 황동, 청동 또는 이와 유사한 다양한 금속이 5축 가공이 되어 피규어로 만들어질 수 있다. 5축 가공에 의하여 피규어가 형성되면 마무리 공정이 진행될 수 있다(S14). 마무리 공정은 연마 공정, 아노다이징 공정, 도금 공정 또는 페인팅 공정을 포함할 수 있다. 연마 공정은 예를 들어 5축 가공이 된 피규어의 표면에 압력을 가하면서 진동을 인가하는 방법 또는 천과 같은 섬유의 표면에 버프 연마제를 발라서 광택이 나도록 하는 방법을 포함할 수 있다. 연마 공정은 또한 유리 섬유를 분사하는 샌딩 처리 또는 아노다이징 처리를 포함할 수 있다. 피규어는 장식 기능을 가질 수 있고, 장식성을 높이기 위하여 금속 특유의 광택이 유지되는 것이 유리하고, 이를 위하여 반사 수준을 높일 필요가 있다. 이를 위하여 피규어는 예를 들어 99.0 wt% 이상의 알루미늄; 0.20 내지 0.50 wt%의 Fe; 0.02 내지 0.04 wt%의 Ti; 0.03 내지 0.06 wt%의 Mg; 미량의 규소; 및 전체를 100 wt%로 만드는 불순물을 포함하는 알루미늄 금속으로 만들어질 수 있다. 그리고 알루미늄이 양극이 되도록 하면서 인산, 황산 및 질산 혼합 용액으로 80 내지 100 ℃의 온도에서 화학 연마가 될 수 있다. 이후 10 내지 20 %의 황산 용액에서 1.0 내지 1.5 A/dm²의 조건에서 5 내지 20분 동안 양극 산화에 의하여 피규어에 3 내지 10 ㎛의 산화 피막이 형성되도록 할 수 있다. 이와 같은 방법으로 피규어의 표면이 처리되면 반사성이 향상되면서 금속 고유의 광택이 유지될 수 있다. 5축 가공이 된 피규어의 마무리 공정은 다양한 방법으로 이루어질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다. 마무리 공정이 완료되면 피규어의 제작이 완료된다(S15). 완성이 피규어는 제조된 형태 그대로 또는 피규어의 형상에 적합한 베이스에 고정되어 전시되거나, 보관될 수 있다. 피규어는 다양한 구조를 가지는 5축 가공 기계에 의하여 가공이 될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 3D 피규어 제조 방법에 적용되는 3D 가공 데이터의 생성 과정의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 3D 모델은 2D 이미지 데이터를 처리하는 단계 또는 3D 스캐닝 데이터를 처리하는 단계에 의하여 생성된다. 피규어의 5축 가공은 CNC 장치에서 처리 가능한 CAM(Computer Aided Manufacturing) 프로그램이 만들어져야 한다. 그리고 CAM 프로그램의 생성을 위하여 3D 모델 데이터 및 3D 가공 데이터가 생성될 필요가 있다. 3D 모델 데이터는 다수 개의 2D 이미지 데이터 또는 스캐닝 데이터로부터 만들어질 수 있다. 예를 들어 다른 방향에서 획득된 다수 개의 2D 이미지를 처리하는 단계(S211)에 의하여 3D 모델 데이터가 생성될 수 있다. 예를 들어 다양한 방법으로 서로 다른 방향에서 획득된 2D 이미지를 처리하는 것에 의하여 3D 모델 데이터가 획득될 수 있다. 예를 들어 (i) 다수 개의 2D 이미지의 각각의 방향을 결정하는 단계; (ii) 방향이 결정된 각각의 2D 이미지를 다수 개의 영역으로 분할하는 단계; (iii) 각각의 분할 영역에서 경계 영역을 설정하는 단계; (iv) 기준 방향을 설정하고, 경계 영역의 방향성을 결정하여 관련 경계 영역을 연결하는 단계; (v) 연결된 경계 영역에 포함된 이미지를 기준 방향에 대한 상대적인 방향각을 결정하고, 그에 따라 분할 이미지를 보정하는 단계; (v) 보정된 분할 이미지를 결합하여 3D 이미지를 생성하는 단계; 및(vi) 생성된 3D 이미지를 서로 다른 방향의 2D 이미지와 대비하고, 대비 결과에 따라 보정하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 3D 모델 데이터가 획득될 수 있다. 또는 ２D 이미지를 처리하는 단계(S21)는 예를 들어 스테레오 이미지(Stereo Image) 또는 SFS(Shape Form Shading) 알고리즘을 포함하거나 이와 유사한 3D 이미지 생성 알고리즘을 포함할 수 있다. 다양한 2D 이미지 처리 방법에 의하여 3D 모델 데이터가 생성될 수 있고, 본 발명은 이에 의하여 제한되지 않는다. 스캔 데이터를 처리하는 단계((S212)는 예를 들어 레이저 스캐너와 같은 스캐너에 의하여 획득되는 3D 스캐너 방법; 객체의 깊이 정보를 처리하는 스테레오 이미지 처리 방법 또는 이와 유사한 방법을 포함할 수 있다. 다양한 3D 모델링 방법에 의하여 3D 모델 데이터가 생성될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

3D 모델의 생성 과정에서 또는 생성된 3D 모델에서 시선 방향이 형성되면서 이와 동시에 특징 부위가 결정되어야 한다(S22). 피규어의 제조 과정에서 피규어의 시선 방향은 피규어의 전체 성격을 결정할 수 있고, 이에 의하여 피규어의 전체 이미지가 결정될 수 있다. 그러므로 다양한 방향의 2차원 이미지로부터 또는 3차원 모델로부터 시선 방향이 결정될 수 있고, 시선 방향에 따른 특징 부위가 결정될 수 있다(S22). 이와 같이 결정된 시선 방향에 따른 특징 부위가 추출되면, 그에 따라 3D 모델이 생성되거나 또는 3D 모델이 수정되어 3D 모델 데이터가 생성될 수 있다. 그리고 생성된 모델 데이터가 피규어 이미지와 대비될 수 있다(S23). 피규어 이미지와 대비하는 것은 생성된 3D 모델 데이터로부터 가상 피규어를 생성하고 이를 2D 이미지 또는 3D 스캔 데이터와 비교되는 과정을 포함한다. 또한 이미지 대비 단계(S23)는 5축 가공에 의하여 가공되기 어려운 부위를 탐색하는 과정을 포함한다. 피규어는 다양한 형태의 곡선, 섬세 부위 또는 가변 부위를 포함할 수 있고, 예를 들어 머리카락, 눈썹 또는 이와 유사한 부위를 포함할 수 있다. 이와 같은 부분이 탐색될 수 있고, 탐색 부위가 CNC 5축 가공이 가능한 형태로 변환될 수 있다. 이와 같은 이미지 대비 단계(S23)에 의하여 최종적으로 3D 모델 데이터가 수정되면 캠 프로그램이 생성될 수 있고(S24), 생성된 캠 프로그램에 기초하여 5축 가공이 될 수 있다.

3D 모델 데이터 또는 캠 프로그램은 다양한 방법으로 생성될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

S11: 3D 모델 생성 S12: 3D 가공 데이터 생성
S13: 5축 가공 S14: 마무리 공정
S15: Figure 완성

Claims

가공이 되어야 하는 피규어에 대한 3D 모델이 생성되는 단계;
3D 모델로부터 3D 가공 데이터가 생성되는 단계;
3D 가공 데이터에 기초하여 5축 CNC(Computer Numerical Control) 머신에서 금속 소재가 5축 가공이 되는 단계;
가공이 된 금속 소재에 대한 마무리 공정이 진행되는 단계; 및
마무리 공정에 의하여 피규어가 생성되는 단계를 포함하고,
3D 모델은 2D 이미지 데이터를 처리하는 단계 또는 3D 스캐닝 데이터를 처리하는 단계에 의하여 생성되며,
금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 되고, 마무리 공정은 화학 연마 및 양극 산화 피막 형성 공정을 포함하고,
화학 연마는 금속 소재가 양극이 되도록 하면서 인산, 황산 및 질산 혼합 용액으로 80 내지 100 ℃의 온도에서 이루어지며,
양극 산화 피막 형성 공정은 10 내지 20 %의 황산 용액에서 10 내지 15 A/dm²의 조건에서 5 내지 20분 동안 양극 산화에 의하여 3 내지 10 ㎛의 산화 피막이 형성되는 것을 특징으로 하는 머시닝 가공에 의한 3D 피규어 제조 방법.
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