KR102474886B1 - 3d 솔리드 모델의 디자인 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔리드 모델의 디자인 방법으로서, 3D 형상 모델데이터를 입력하는 제1 단계와, 상기 3D 형상 모델의 내부 또는 외부에 조절점을 설정하는 제2 단계와, 상기 조절점으로부터의 거리에 따라 셀의 밀집도 또는 크기가 변화하도록 상기 3D 형상 모델을 임의 개의 셀로 분할하는 제3 단계 및 분할된 복수의 셀의 경계면 두께를 확장하는 제4 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 조절점을 설정하는 방식에 의해 편리하게 3D 형상 모델의 내부를 디자인할 수 있다.

Description

3D 솔리드 모델의 디자인 방법{Method for designing 3D solid models}

본 발명은 3D 솔리드 모델의 디자인 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 3D 모델의 내부를 다공성 구조로 디자인하는 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술의 발전에 따라 적층 제조 기법이 가능하게 되었고, 기존 절삭 가공 방식으로 제조하기 힘든 기계부품의 제작이 가능하게 되었다. 절삭 가공 방식은 재료 외부의 표면을 깎고 다듬는 방식에 의해 부품의 형상을 제작하는 반면, 적층 방식은 아래부터 순서대로 재료를 적층하고 굳히기를 반복하면서 부품의 형상을 제작한다. 따라서, 적층 제조 기법은 기존 절삭 방식으로는 불가능했던 부품 내부 형상을 제작 가능한 하나의 방법으로 자리하게 되었다.

적층 방식에 의해 부품의 내부 형태를 제작할 수 있게 되면서, 이러한 방식에 적합한 부품의 내부 디자인 수요가 발생하였다. 하지만, 종래의 디자인 도구(카티아, 솔리드웍스 등)들은 종래의 부품 제작 방식인 절삭 가공 방식에 적합한 것이며, 3D 솔리드 모델의 내부를 디자인하려면 수많은 반복 작업을 통해 그 내부 모습을 그려야 하는 문제점이 있다.

적층 제조와 관련된 시장이 활성화되는 추세에도 불구하고, 그 효용을 뒷받침하는 디자인 기술에 대한 발전은 더딘 실정이며, 관련 기술의 발전이 필요하다.

등록특허공보 제10-1950104호(2019.05.08.공고)

따라서 본 발명은 3D 솔리드 모델의 내부를 쉽게 디자인하는 방법, 그 방법을 실행하며 컴퓨터로 구현 가능한 프로그램 또는 상기 프로그램이 저장된 기록 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 3D 솔리드 모델의 디자인 방법에 관한 것으로서, 3D 형상 모델데이터를 입력하는 제1 단계와, 상기 3D 형상 모델의 내부 또는 외부에 조절점을 설정하는 제2 단계와, 상기 조절점으로부터의 거리에 따라 셀의 밀집도 또는 크기가 변화하도록 상기 3D 형상 모델을 임의 개의 셀로 분할하는 제3 단계 및 분할된 복수의 셀의 경계면 두께를 확장하는 제4 단계를 포함하는 것을 일 측면으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2 단계는, 상기 3D 형상 모델을 복셀화하는 단계와, 상기 조절점으로부터 복셀까지의 거리를 변수로 하여 복셀에 필드값을 설정하는 단계를 포함하고, 상기 제3 단계는 복셀화된 상기 3D 형상 모델을 n개의 셀로 분할하는 단계를 포함하되, 각 셀의 내부 필드값은(ai) 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의 오차범위 이내로 형성된다.

또한, 바람직하게는, 상기 복셀화된 상기 3D 형상 모델을 n개의 셀로 분할하는 단계는, 셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 상한보다 큰 경우 해당 셀을 분할하고, 셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 하한보다 작은 경우 해당 셀을 삭제하며, 셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 이내일 경우 해당 셀을 이동하거나 유지하는 단계를 포함한다.

또한, 바람직하게는, 상기 조절점으로부터 복셀까지의 거리를 변수로 하여 복셀에 필드값을 설정하는 단계는, 상기 조절점이 복수인 경우 상기 조절점에 의해 계산된 복수의 필드값 중 큰 값을 복셀에 설정한다.

또한, 바람직하게는, 상기 제4 단계는, 체적 기반(volume-based)의 스케일링 팩터에 의해 셀의 경계면 두께를 조절 가능하다.

또한, 바람직하게는, 상기 제4 단계는, 셀의 경계면이 형성하는 각을 부드럽게 처리하는 단계를 포함하는 솔리드 모델의 디자인 방법.

본 발명에 따르면, 3D 모델의 내부 디자인에 소모되는 시간과 노력을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 3D 모델의 내부를 다공성 구조로 설계함에 따라 부품 제작 시 재료비용을 절감하고 부품의 무게를 경량화할 수 있다. 또한, 3D 모델 내부 다공성 셀의 밀도를 쉽게 변경할 수 있으므로 사용자의 편의가 향상되며, 프로그램 전문가가 아닌 일반인도 쉽게 활용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 디자인 방법은 3D 프린팅 제조 산업에 광범위하게 적용 가능하여 범용성 또는 활용성이 매우 높다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 솔리드 모델의 디자인 방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 3D 형상 모델을 임의 개수의 셀로 분할하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 예시적인 3D 형상 모델의 복셀화(voxelization) 모습을 도시한 것이다.
도 4는 예시적인 보로노이 테셀레이션 과정을 도시한 것이다.
도 5는 3D 형상 모델이 보로노이 셀로 분할되는 과정을 개략적으로 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6은 도 2에서 셀 내부 필드값에 따른 셀의 변화를 시각적으로 도시한 것이다.
도 7은 Catmull-Clark 알고리즘에 의하여 보로노이 셀이 스무딩(smoothing)된 것을 예시적으로 도시한 것이다.
도 8은 3D 형상 모델의 내부를 디자인하는 과정을 시각적으로 도시한 것이다.
도 9는 다양한 3D 형상 모델의 내부 디자인 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D 솔리드 모델의 디자인 방법으로 디자인된 제품의 사진이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 솔리드 모델의 디자인 방법(100)(이하, ‘디자인 방법’이라고 함)을 나타내는 순서도이다. 디자인 방법(100)은 알고리즘으로 구현되어 컴퓨터 프로그램으로 수행될 수 있으며, 상기 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 저장될 수 있다.

도 1을 참조하면, 디자인 방법(100)은 3D 형상 모델데이터를 입력하는 제1 단계(S10), 상기 3D 형상 모델의 내부 또는 외부에 조절점을 설정하는 제2 단계(S20), 상기 조절점으로부터의 거리에 따라 셀의 밀집도 또는 크기가 변화하도록 상기 3D 형상 모델을 임의 개의 셀로 분할하는 제3 단계(S30), 분할된 복수의 셀의 내부에 공동을 형성하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

제1 단계(S10)는 3D 형상 모델데이터를 입력하는 단계이며, 3D 형상 모델데이터는 3D 프린팅으로 제작하려는 제품의 형상, 경계 영역의 데이터를 포함한다. 제1 단계(S10)에서 3D 형상 모델데이터를 입력한다는 것은 디자이너가 직접 데이터를 작성하는 것뿐만 아니라 이미 작성된 데이터를 불러오는 것을 포함한다.

제2 단계(S20)는 제1 단계(S10)에서 입력한 3D 형상 모델데이터의 내부 또는 외부에 조절점을 설정하는 단계이다. 여기서, 조절점의 위치는 이후의 단계에서 3D 형상 모델을 임의 개수의 셀로 분할할 때 분할된 셀의 크기와 밀집도에 영향을 주는 요소이다. 설정된 조절점의 위치와 가까울수록 분할된 셀의 크기는 작아지고 셀의 밀집도는 증가한다.

또한, 제2 단계(S20)는 상기 3D 형상 모델을 복셀화(voxelization)하는 단계와, 상기 조절점으로부터 복셀까지의 거리를 변수로 하여 복셀에 필드값을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복셀화란 3D 형상 모델을 단위 부피를 가진 복셀의 집합으로 만드는 작업이다. 도 3을 참조하면, 예시적인 초기의 3D 형상 모델과 그것을 복셀화된 모델이 함께 도시된다.

3D 형상 모델을 복셀화한 후, 각 복셀과 조절점 사이의 거리(r)를 변수로 하여 각 복셀에 필드값이 설정된다. 필드값은 변수 r을 갖는 함수(function)이며, 필드값 함수는 변수 r과 [수학식 1]의 관계에 있다.

[수학식 1]

즉, 필드값은 변수 r과 반비례 관계이며, 이는 복셀이 조절점에서 거리가 멀수록 더 작은 필드값이 설정되는 것을 의미한다. 다만, 필드값 함수식은 통상의 기술자에 의해 적절하게 변경될 수 있다. 조절점이 복수인 경우, 조절점에 의해 계산된 복수의 필드값 중 큰 값이 해당 복셀에 설정될 수 있다.

한편, 제3 단계(S30)는 조절점으로부터의 거리에 따라 셀의 밀집도 또는 크기가 변화하도록 상기 3D 형상 모델을 임의 개수(n개)의 셀로 분할하는 단계이다.

3D 형상 모델을 복수의 셀로 분할하는 과정은 보로노이 테셀레이션(Voronoi tessellation) 알고리즘을 사용할 수 있다. 도 4를 참조하면, 보로노이 테셀레이션 과정이 개략적으로 도시된다. 도 4는 2차원적으로 표현하였으나, 디자인 방법(100)은 3D 형상 모델에 적용되는 것이므로 분할된 셀은 부피를 가진 다면체이다.

도 2는 제3 단계(S30)에서 3D 형상 모델을 임의 개수(n개)의 셀로 분할하는 순서도를 도시한다. 제3 단계(S30)는 셀 내부 필드값(ai)(i=1,2,3, ..., n)이 3D 형상 모델 전체의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(기준값, A/n)에서 임의의 오차범위 이내로 형성되도록 셀을 분할, 삭제 또는 이동할 수 있다.

셀 내부 필드값(ai)이란, 셀 내부에 위치한 각 복셀들의 필드값의 총합이다. 셀 내부 필드값(ai)은 기준값에서 오차범위 20% 이내일 때 적절한 것으로 판단될 수 있다. 바람직하게는, 셀 내부 필드값(ai)은 기준값에서 오차범위 10% 이내일 때 적절한 것으로 판단된다. 셀의 개수(n개)와 셀 내부 필드값(ai)의 적절성을 판단하기 위한 기준값 및 허용범위는 통상의 기술자에 의해 적절하게 변경될 수 있다.

셀의 위치가 조절점에 가까운 경우, 복셀의 필드값이 크므로 셀의 크기가 작아도 셀 내부 필드값(ai)이 적절한 것으로 판단될 수 있다. 반대로 셀의 위치가 조절점에서 먼 경우, 복셀의 필드값이 작으므로 셀의 크기가 상대적으로 커야 셀 내부 필드값(ai)이 적절한 것으로 판단될 수 있을 것이다. 따라서, 조절점에서 가까울수록 셀의 크기가 작고 셀의 밀집도는 높아진다.

제3 단계(S30)를 상세하게 설명하면, 셀 내부 필드값(ai)이 기준값의 오차범위 상한보다 큰 경우 해당 셀을 분할한다. 또한, 셀 내부 필드값(ai)이 기준값의 오차범위 하한보다 작은 경우 해당 셀을 삭제한다. 셀 내부 필드값(ai)이 기준값의 오차범위 이내에 있는 경우 해당 셀을 이동하거나 유지할 수 있다.

도 5 및 도 6은 디자인 방법(100)의 이해를 돕기 위해, 보로노이 셀을 형성하는 과정을 개략적으로 표현한 것이다. 도 5는 솔리드 모델을 입력한 후 복셀화를 거쳐 보로노이 셀로 분할하는 과정을 표현한다. 도 5의 (c)는 각 보로노이 셀에 해당하는 복셀을 색상별로 구분하여 표현하고 있다. 도 6은 보로노이 셀에 대하여 필드값의 적절성 판단에 따라 셀을 분할, 삭제 또는 이동하는 것을 시각적으로 표현한 것이다.

다음으로, 제4 단계(S40)는 제3 단계(S10)에서 형성된 셀의 내부에 공동을 형성한다. 제4 단계(S40)는 셀의 경계면을 남기고, 셀의 내부를 공동으로 만드는 단계이다. 또한, 제4 단계(S40)는 셀의 경계면에 의해 형성된 각을 부드럽게 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

셀의 경계면을 소정의 두께로 남기고 셀 내부를 공동으로 만드는 것을 스케일링(scaling)이라 하며, 체적 기반(Volume-based)으로 수행된다. 즉, 스케일링은 초기 셀의 체적과 남겨질 셀의 체적 간의 비율 조절을 통해 수행될 수 있다. 디자이너는 체적 기반(volume-based)의 스케일링 팩터에 의해 셀의 경계면 두께를 적절하게 조절하여 스케일링을 수행할 수 있다. 스케일링 팩터(

)를 구하는 방정식은 다음의 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

n: Total number of cells

여기서, 스케일링 팩터(

)의 범위는 0.7 내지 0.9로 형성된다. 다만, 상기 범위는 통상의 기술자에 의하여 적절하게 변형될 수 있다. 스케일링 작업은 공지의 알고리즘에 의하여 수행될 수 있다.

한편, 셀의 경계면에 의해 형성된 각을 부드럽게 처리하는 것을 스무딩(smoothing)이라 하며, 스무딩은 공지의 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, Catmull-Clark 알고리즘이 사용될 수 있으며, 도 7은 예시적으로 Catmull-Clark 알고리즘에 의하여 보로노이 셀이 스무딩 처리된 상태를 도시한다. 다만, 스무딩 작업은 이에 한정되지 않으며, 셀 경계면의 각을 곡선 처리하는 공지의 알고리즘이 적용될 수 있다.

도 8은 디자인 방법(100)으로 3D 형상 모델의 내부를 디자인하는 과정을 예시적으로 표현한 것이다. 또한, 도 9는 다양한 형상의 3D 모델에 대하여 디자인 방법(100)을 적용하여 내부 다공성 구조를 디자인한 결과를 도시한 것이다. 도 10은 디자인 방법(100)을 적용하여 내부가 디자인된 실제 제품의 사진을 도시한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

100: 본 발명의 실시예에 따른 3D 솔리드 모델의 디자인 방법

Claims (6)

1. 삭제
2. 컴퓨터 장치와 결합되어 상기 컴퓨터 장치로 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램으로 수행되는 3D 프린팅 장치의 솔리드 모델의 디자인 방법에 있어서,
   3D 형상 모델데이터를 입력하는 제1 단계;
   상기 3D 형상 모델의 내부 또는 외부에 조절점을 설정하는 제2 단계;
   상기 조절점으로부터의 거리에 따라 셀의 밀집도 또는 크기가 변화하도록 상기 3D 형상 모델을 임의 개의 셀로 분할하는 제3 단계; 및
   분할된 복수의 셀의 내부에 공동을 형성하는 제4 단계;를 포함하되,
   상기 제2 단계는,
   상기 3D 형상 모델을 복셀화하는 단계와, 상기 조절점으로부터 복셀까지의 거리를 변수로 하여 복셀에 필드값을 설정하는 단계를 포함하고,
   상기 제3 단계는,
   복셀화된 상기 3D 형상 모델을 n개의 셀로 분할하는 단계를 포함하되, 각 셀의 내부 필드값은(ai) 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의 오차범위 이내로 형성되는 솔리드 모델의 디자인 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 복셀화된 상기 3D 형상 모델을 n개의 셀로 분할하는 단계는,
   셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 상한보다 큰 경우 해당 셀을 분할하고,
   셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 하한보다 작은 경우 해당 셀을 삭제하며,
   셀의 내부 필드값(ai)이 상기 3D 형상 모델의 필드값(A)을 n으로 나눈 값(A/n)에서 임의의 오차범위 이내일 경우 해당 셀을 이동하거나 유지하는 단계를 포함하는 솔리드 모델의 디자인 방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 조절점으로부터 복셀까지의 거리를 변수로 하여 복셀에 필드값을 설정하는 단계는,
   상기 조절점이 복수인 경우 상기 조절점에 의해 계산된 복수의 필드값 중 큰 값을 복셀에 설정하는 솔리드 모델의 디자인 방법.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 제4 단계는,
   체적 기반(volume-based)의 스케일링 팩터에 의해 셀의 경계면 두께를 조절 가능한 솔리드 모델의 디자인 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제4 단계는,
   셀의 경계면이 형성하는 각을 부드럽게 처리하는 단계를 포함하는 솔리드 모델의 디자인 방법.

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