맞춤형마우스의곡면형상개발과기계가공 Surface Generation and Machining for Custom-Made Mouse 정종윤 이동포 윤정민 김태희 Abstract 새로운부품의설계는소비자나기업의욕구로부터출발하여개념설계에서부터시작된다. 기 존의제품설계는무에서유를창조하는작업이었지만, 새로운설계방법에서는설계지원에사 용되는장비의개발로역설계가가능해졌다. 설계의대상이곡면을포함하는제품이면설계도 면의표현상의한계때문에더욱모방설계가필요하게된다. 본논문에서는컴퓨터사용자들의 필수품인마우스의곡면을손의크기가다양한작업자들을위해주문형으로제작할때곡면의 형성과정에역설계방법과장비를이용하여자유곡면을개발하고이를 machining center에서 알루미늄소재로가공하여곡면설계와기계가공에대한용이성과그활용예를보여주고자하 는것이연구목적이다. Key-words : Surface, Reverse Engineering, Rapid Prototyping, Custom-Made Mouse 1 서론새로운제품의설계에곡면이포함되어있을경우제도의표현으로설계하는종래의방법은설계도에곡면표현의난이성과제품치수기입의어려움때문에여러가지문제가발생한다. 곡면설계에서 3D modeling 기법을이용하면 modeling 의표현에유리한점이많아주로사 용하는방법이다. 그러나새로운곡면의설계 란무에서유를창조하는과정이므로이러한 어려운문제의근본적인해결방법에는도움이 - 345 -
되지못한다. 새로운곡면의설계는기준을정하여이를 지켜가는곡면을개발하는데초점을둔다. 일설계하고자하는곡면이존재한다면이를 모방하여 3D modeling으로하면쉬운방법이 될수있다. 본논문에서는모방설계를이용 하여컴퓨터마우스의곡면모델링에관하여 설계방법을정립하여이를현실생산에응용하 는데도움을주고자한다. 컴퓨터의 만 마우스는네티즌에게일상의필수 품이된지오래다. 이마우스가사용자의손의 크기에밀접한관련이있으나모든마우스가 어린이부터성인까지동일한제품의형태로서, 동일회사의마우스는모두획일적으로동일한 크기로개발되어있다. 가작아서, 손이큰성인은마우스 어린이는마우스가상대적으로커 서사용상의불편한문제가많이제기되어왔 다. 이러한문제를해결하고자개인의손의크 기를고려한맞춤형마우스를개발하고자하면 곡면의설계를새로하여야하는데이것이설 계상의어려운문제이므로본연구는이를해 결하여곡면설계의일환으로개인에따는맞 춤형마우스곡면을개발한다. 만드는 vector 값들을찾기도어렵다.[1] 이럴경우역설계를이용하여곡면을개발하 면효과적이다. 이를위해역설계를위한장비 는곡면을 scan 하는 3D scanner, scan data를 보완하는곡면 위한 software, rapid prototyping machine 이를모의생산하기 등이필요하 다. 본논문에서는생산된곡면을바탕으로 machining center 에서가공하므로가공기가추 가적으로더필요하게된다. 다음은본 논문에사용된장비를나타내준다. (a) (b) 1. 형상 3D scanner (a) 와 Scan data 수정 을위한 RapdiForm (b) 2 자유곡면의설계 자유곡면의설계는형상이존재할경우이를 3D modeling 으로표현하는것과형상이없을 경우 3D로 modeling 하는것모두어려운문제 를많이포함하고있다. 형상이존재할경우 이를자유곡면수식으로표현할때 tangent vector나 knot vector등을알고있어야 modeling 이가능하다. 그러나형상에딱일치 하는곡면의수식을알지못하므로 tangent vector나 knot vector등을알수없어수식의 modeling 이어렵게된다. 절한값들을대입하였을때그 해결방법으로는적 model의형상과 비교하여수정하는방법이있으나이는적당히 맞추는방법에불과할뿐더러유사한형상을 (a) (b) 2. 수정 data 3D modeling을위한 modeler (a) 와 data의조형을위한 Rapid Prototyping machine (b) 3. 곡면가공공작기계 - 346 -
3 마우스곡면개발 마우스의표면은부드러운자유곡면으로설 계되어있어심미적인효과뿐만아니라사용자 의손에잘맞아야사용상의피로감을줄일수 있다. 이런마우스곡면은전술한바와같이 자유곡면의생성이어렵고또작업자마다손 의크기가다르므로개인적인맞춤형마우스를 개발하는데있어여러가지문제가발생한다. 본논문에서는개인의손에맞는마우스형상 을찰흙점토로본을뜨고이를형상화한다. Laser scanner 를사용하면빛의난반사와빛 의차단으로인해 data가손실되는경우가있 다. Laser 빛의난반사는아주밝게빛나는윤 택한면에서나타나거나빛의일부가흡수되는 검정색에서자주나타난다. 우는움푹파인곳이나구멍에 빛이차단되는경 laser 반사광이 광센서에도달하지못해빛이차단되는경우가 발생한다. 그러므로손형상을 scan한 data는 완벽한형상할만들수없어문제가있다. 이 를보완하기위해 Surface modeler인 Rapid Form을사용하여 scan data 를수정한다. 다음 은 scanning에서소실되어생성된 surface 에구멍이뚫린 hole 을메우는과정이다. 이런 과정을반복적으로수행하여아주작은틈새나 구멍도모두메워야다음단계의 가능하다. [2] solid 작업이 4. 지점토로손형상을찍는과정 위 4는기본형상틀에지점토를입히고 그것을손으로눌러손형상을본뜨는과정을 나타낸다. 손형상이나오면이를 3D scanner로형상을 digitize 한다. 다음 5는점토형상을 laser scanner로 digitize 하는모습이다. 6. Scan data의 surface 생성과정 생성된 surface를 CATIA 3D modeler에서작 업하여 solid화하는데이는 solid data만이 형상의조형에이용되기때문이다. 다음 은 CATIA에서 surface data를읽어 solid 작업 하는모습이다. 5. 형상 Scanning 과정 - 347 -
7. Surface를 solid로변환 Solid 로변환하여 작업이완성되면 3D printer인 stl file format 으 Rapid Prototyping machine에서 data 를불러조형작업을한다. 다 음은석고가루와녹말가루를혼합한재료 를이용하여 Rapid Prototyping machine에서 조형작업하는모습과완성품사인이다. 사용하였고정삭및정삭에서는 ball end-mill 공구를사용하였다. 절삭조건은황삭을 roughing과 spiral sweeping, 정삭은 가공방식으로하고중삭은 contour-driven 방식으로하 였다. 다음의표는마우스곡면을알루미늄소 재로가공하는절삭조건을나타낸다. 다음의 조건은구분된절삭방법에따라모든위치에 동일하게적용된다. 표1. 마우스곡면의절삭조건 절삭구분 공구직경 (mm) 절삭속도 (RPM) 이송속도 (mm/min) 절삭깊이 (mm) Roughing ( 황삭) 10 2,000 1,000 1.0 Spiral milling ( 황삭) 10 2,000 1,000 0.25 Sweeping ( 중삭) 8 2,000 800 0.25 Contour-Driven ( 정삭) 8 2,000 600 0.1 다음의은알루미늄소재로마우스곡면을 machining center 에서가공하는모습이다.[3] 8. 마우스형상의조형과정과완성품 지금까지설명한과정은한번에완성되지 않고여러번반복하여수정및보완작업을 거듭하여완성품을조형할수있다. 특히이렇 게얻은조형품을이단계에서평가하여심미 적으로미흡하거나잘못된부분이있다면다시 위과정을반복하여수정하여야한다. 마우스 로서완전한곡면의조형이얻어지면이를공 작기계에서생산한다. 4. 마우스곡면가공 마우스의곡면은요철이심한자유곡면으로 서공작기계에서가공작업시공구의직경이 작은 ball end-mill을사용하여야품질이좋은 곡면을생산할수있다. 황삭은 flat end-mill 5. 9. 마우스곡면의기계가공 결론및향후연구 곡면의 modeling과생산은현대의제품개발 에필수적인과정이나새로운제품개발시에 어려움이많으므로역설계과정을이용하여설 계의어려운문제를극복할수있다. 본연구 에서네티즌의필수품인 마우스의곡면설계에 역설계방법을이용하여곡면을설계하고이를 바탕으로공작기계에서생산하여마우스의곡 - 348 -
면을개발하였다. 이런방법으로얻은마우스 곡면은네티즌에게작업의편안함과 향상시켜피로를줄일수있다. grip 감을 향후연구로는본논문의결과를이용하여 인체표준치수에기준한다양한종류의마우스 형상을제작을하고분석한다. 개인별손의 치수와마우스형상간의관계를알고리즘으로 도출하여마우스형상 modeling 시스템을개발 하며특히장애인을위한마우스를개발한다. 후기본논문은미래사업단으로부터지원되었습니다. 참고문헌 [1] 정종윤, 곡면의 Modeling 과가공, 2001 년기계가공학회하계학술대회, 창원대 학교, 2001. 8. 18. [2] 정종윤, 곡면의생성과가공, 단기강 좌,, 2008. 2 [3] 한정식, 후상우, 정종윤, 알미늄가공면 의표면거칠기를고려한최적절삭조건에관 한연구, 한국산업경영시스템학회 2006 춘 계학술대회논문집, 롯데호텔( 서울), 2006. 5. 11-13. - 349 -