3D 모델링 Ⅰ. 3D 프린터 Ⅱ. Thinkercad 目次 장덕중학교 교사주지석 jisok@hanmail.net 2. 3D 프린터의역사 1986년미국의 3D 시스템즈라는회사에서플라스틱액체를굳혀입체물품을만들어내는프린터를개발한다. 그러나 3D 프린터와관련된높은생산비용및지적재산권등의이유로항공이나자동차산업등에서시제품을만드는용도로제한적으로사용되어지다최근 3D 프린터를제작하는비용이급격히떨어지고지적재산권의행사기간이종료됨에따라본격적으로개발되어보급되고있다. 3. 3D 프린터의종류 3D 프린터는 DLP 방식, SLS 방식, SLA 방식, FDM 방식등이있다. FDM 방식은필라멘트에열을가하고첫번째층부터마지막층까지분사하면서쌓아올려입체적인모델을완성하는방법으로가장많이사용되고있다. FDM SLS Ⅰ. 3D 프린터 1. 3D 프린터 2D 프린터가활자나그림을인쇄하듯이 3D 프린터는입력한도면을바탕으로 3차원입체물체를만들어내는기계를말한다. 초창기에는재료로플라스틱을사용하였지만점차종이, 고무, 콘크리트, 식품에금속까지재료의범위가점점넓어지고있어서단순히조형물출력뿐만아니라건축, 설계등의향후가기대되는분야다. 융합수지압출적층조형으로필라멘트 를녹여한층한층쌓아형상을만듬 SLA 선택적레이저소결조형으로분말소재 를응고하여한층씩쌓아올리는방식 DLP 광조형적층조형으로액체수지를특 정형태의빛으로응고하여출력 광경화수지조형 (DLP) 으로액체수지를 특정형태의빛으로응고하여출력 - 1 - - 2 -
4. 3D 프린터단계 1. 모델링 2. 프린팅 3. 피니싱 원하는제품을 3D 도면으모델링한제품을프린트프린트된제품을손질하로그리는것하는것는것 3D프린터를이용해출력물을뽑아내기위해서는틴커캐드, 퓨전360, 솔리드웍스, 라이노등 3차원설계프로그램을이용한 3D 모델링이필요하다. 모델링이끝난후에는모델링파일을 STL 파일로변환한후, 3D프린터프로그램에서불러와야한다. 3D프린터프로그램에서 STL 파일을바로출력하거나 STL 파일을 gcode 파일로변환한후 3D 프린터에서출력할수있다. 출력한후에는출력품질을높이기위해서포트를제거하거나사포를통해사후작업을해줄필요가있다. 5. 3D 프린팅을위한준비 컴퓨터 3D프린터재료 3D모델링파일 3D 프린팅을위해서는컴퓨터, 3D프린터, 재료그리고 3D 모델링파일이필요하다. 3D 모델링파일을구하는방법은직접 CAD 프로그램을활용하여 3D 모델을만들거나 1) 인터넷에서다른사람들이공유한파일을다운받는방법 2) 이있다. 3D 모델링파일을 3D 프린터에옮기기위해서는 G-code로먼저변환해야한다. G-code는 3D 프린터가사용하는언어로서, 3D 모델정보가층층으로나눠진단면의정보이다. 6. 재료 FDM 방식에서가장많이사용되는재료에는 ABS와 PLA가있다. 3D프린터로출력후연마등을실시하여도색하는경우에는 ABS 소재를반대로출력후도색이나연마등은하지않은상태에서내구성을중요시하며실용적인제품으로사용하는경우에는 PLA 소재가적합하다. ABS PLA (Acrylonitile Poly-Butadiene Styrene) (PolyLactic Acid) ABS는 PLA보다끈끈한성질이있다. 성형온도가 ABS보다낮아끈끈한성 구조용부품으로강도가우수하다. 질이적고견고하다. 출력후사포나샌딩등의표면처리 열에의한변형이적고비교적큰출가비교적용이하다. 력물도만들기쉽다. 플라스틱용도료나아크릴계도료로 옥수수, 사탕수수, 고구마류등의식도장이가능하다. 물성원료를사용한다. 두께가얇은출력물이나큰출력물은 출력후사포나샌딩등의표면처리는열에의한수축이발생하여출력하는적합하지않다. 동안빌드플랫폼에서휘어버릴수가 ABS 수지에비해출력후도장처리는있다. 적합하지않다. 1) 3D 모델링제작사이트 : https://tinkercad.com 2) 3D 모델링파일공유사이트 : https://www.thingiverse.com/ - 3 - - 4 -
II. Thinkercad 1. 3D모델링프로그램 3D 모델링은입체적인 3차원형상의데이터를컴퓨터를활용하여만드는과정을말한다. 3D 프린터를사용하기위해서는출력물의 3D 모델데이터파일이필요하다. 원하는형상의 3D 모델파일을만들기위해서는 CAD 프로그램을사용할줄알아야한다. CAD(Computer-Aided Design) 는컴퓨터를이용하여설계하는것을부르는말로스케치업, 123D Design, CATIA, Solidworks 등다양한 CAD 프로그램이있다. CAD 프로그램은제품디자인, 건축설계, 캐릭터디자인등사용목적에따라다양하게활용되고있으며, 크게유료프로그램과무료프로그램으로나눌수있다. 여기에서배울 Tinkercad는 Autodesk사에서배포한무료프로그램이다. CAD 프로그램마다 3D 모델링을제작하는방식이다르다. Tinkercad는어릴적한번쯤해보았을찰흙놀이를생각하면쉽게이해할수있다. 우리는찰흙놀이를할때특정모양을만들기위해서로다른모양의조각을붙이거나제거하는동작을반복하였다. Tinkercad를이용한모델링도찰흙놀이처럼기본적으로 Solid를사용하여원하는모양을제작한다. 찰흙을만지듯이컴퓨터상에서내가원하는모양을만들기위해도형끼리서로붙이고, 필요없는부분을제거하는과정을반복하면서원하는형상을만들수있다. 2. Thinkercad Tinkercad는 컴퓨터에 프로그램의 설치 없이 웹브라우저에서 이용 가능한 3D 모델링프로그램이다. 인터넷이 되는 환경이라면 언제어디서든지 접속하 여모델을제작할수있다. 다만인터넷익스플로러의일부버전에서만지원 되기때문에 가장 잘호환되는웹브라우저 Chrome에서실행하는것을 추천 한다. Chrome을열고 www.tinkercad.com으로들어간다. 오른쪽 상단의 SIGN UP 또는 왼쪽 하단의 Start Tinkering now 버튼을 눌러회원가입을하도록하자. 아래와같은화면이나오면국가명과생년월일 을 입력한다. 만약 Autodesk사에 계정이 만들어져 있다면 SIGN IN 버튼을 눌러로그인을하도록하자. 만약 12 세미만의학생이회원가입을하는경우미국 COPPA 를준수하기 위해승인코드가있어야틴커캐드를사용할수있다. - 5 - - 6 -
다음단계로는이메일과암호를입력한다. 이메일은추후인증을받아야되기때문에현재사용하고있는메일주소를입력해야한다. 암호는아래화면과같이문자 1개이상, 숫자 1개이상, 최소 8글자이상, 고유문자 3개이상이입력되어야만암호를설정할수있다. 입력을마친후에는 계정작성 버튼을누르도록한다. 회원가입이되면아래와같은화면이나온다. 여기에서작업하는내용은저장 이되지않으므로, 왼쪽상단의 Thinkercad 로고를눌러초기화면으로나가도록 하자. email과암호설정화면 12세미만의학생이회원가입하는경우아래와같은화면이나오며, 회원가입시입력한부모의이메일을확인하여승인하거나교사가초대한코드를입력해야한다. 아래와같이화면이나오고, Create new design을누르면새로운모델링화면을만들수있도록화면이나온다. 왼쪽상단에는항상 Tinkercad의로고가위치해있다. Tinkercad의로고를누르면위의그림과같이항상대시보드메인화면이나타난다. - 7 - - 8 -
(1) 화면구성 5) Grid 편집메뉴 Grid 편집에서는작업평면 (Grid, 모델링영역 ) 의크기와단위 ( 인치, 미리미터 ) 를 변경할수있으며, Grid snap 에서는방향키의움직이는양을설정할수있음. 6) 작업평면 or 모델링영역 Grid 라고하며, 실제 3 차원형상이만들어지는곳 (2) 마우스사용및단축키 화면시점평행이동 또는 + 마우스왼쪽버튼클릭드래그 화면회전및도면회전 1) 기능메뉴도형복사, 붙여넣기, 도형삭제, 작업취소, 작업재실행, 그룹, 언그룹, 정렬, 뒤집기등 3차원도형의편집명령어를모은메뉴 2) 프로그램메뉴 Import, Export, Share 등파일관련작업명령어를모은메뉴 3) 화면표시메뉴작업평면 (Grid, Workplan) 에서모델링할때화면의시점을변화시키는메뉴로써뷰큐브, 홈, Fit( 맞춤 ), 확대축소 (Zoom in, Zoom out), 투영법변경 (Perspective-원근법, Orthographic-정투영법 ) 명령어로이루어짐. 4) 도형메뉴 Tinkercad에서기본적으로제공되는 3차원도형들의집합으로써기본도형, 문자, 기호등의하위메뉴를선택하면원하는도형을사용할수있음. 화면확대및축소 + D 도형복제 3차원도형선택 + F 화면맞춤 3차원도형선택 + D 도형작업평면으로붙이기 + Z 이전단계로돌아가기 + G 그룹화 + + G 그룹해제 L 도형정렬 M 도형반전 W 작업평면위치이동 R 시작점부터치수측정과수정비율크기수정, + 마우스왼쪽버튼 클릭드래그를하면수직또는수평이동됨. 대칭크기수정, + 마우스왼쪽버튼클릭 드래그를하면이동복사가됨 + 비율과대칭수정 - 9 - - 10 -
(3) 도형이동및크기변경 1) 도형가져오기오른쪽모델링메뉴에있는 Box를드래그하여 Workplane에가져다놓는다. 4) 도형이동하기 (Z축) 도형클릭시생기는상단의검정색화살표를누는후마우스를움직이면도형이 z축방향으로이동한다. 기준스케치평면보다도형을위로올리거나아래로내릴수있다. 키보드를이용할때는 ctrl 를누른상태에서위아래방향키를누르면된다. 2) 도형삭제하기삭제할도형을선택한후키보드의 Delete 또는 Backspace 키를누른다. 3) 도형이동하기 (X, Y축 ) 도형을클릭한상태에서마우스를움직이면도형의위치를변경할수있다. 또는도형을클릭후키보드의화살표방향을눌러위치를변경할수있다. 왼쪽그림과같이마우스로개체를이동후에수치값을입력하면수치값만큼개체를이동시킬수있다. 키보드의방향키를한번누를때마다움직이는단위는 1mm 이다. Tinkercad 의기준으로설정된단위이며, 하단의 Snap grid를통하여변경할수있다. 5) 도형크기조절도형클릭시생기는각모서리와변의점들을마우스로잡아당겨도형의크기를조절한다. 키보드의 shift 키를누를상태에서모서리점을움직이면크기가같은비율로유지하면서변경된다. 키보드의 alt 키를누른상태에서모서리점을움직이면중앙의위치가고정된상태로크기가변경된다. 키보드의 shift + alt 를동시에누를상태에서크기를변경하면, 도형의중앙위치가고정된채같은비율로크기가변경된다. (4) 도형회전도형을클릭하면모서리에각각 x, y, z축으로회전할수있는원호가생긴다. 원하는방향의원호를마우스로클릭한상태에서움직이면도형이회전한다. 마우스를도형에가까이위치한상태에서회전하게되면 22.5도씩회전한다. 반면마우스를도형에서멀리위치한상태에서회전하면 1도씩회전을할수있다. 스케치화면의위치에따라서회전원호모양이제대로안보일수있다. 스케치화면을회전의중심을바라보는방향으로전환한상태에서회전하는것이좋다. - 11 - - 12 -
기능을가지고있다. 홀도형의크기를원하는만큼조절한다음기존도형의제거하고싶은위치로옮긴다. 기존도형과홀도형이겹쳐진부분이제거될부분이다. 홀도형은기본도형들과같은기능을가지고있다. 하얀점을이용하여크기도변경할수있고, 원호를이용하여회전을시킬수도있다. 단지도형의색상이없고반투명하다. Shift키를누른상태로개체를선택하면다중선택이가능하다. 제거된부분을수정할때에서는 Ungroup을하면된다. 안쪽에서회전 (22.5 도씩회전 ) 바깥쪽에서회전 (1 도단위회전 ) (5) 도형그룹 ( 더하기 ) 여러개의도형을하나의도형으로붙일수있다. 그룹으로만들도형들을마우스로드래그하여선택한다. 또는키보드의 shift 키를누른채로그룹을만들도형들을하나하나선택한다. 두개이상의도형들이선택되었을때, 오른쪽상단의모델링메뉴의 Group 버튼이활성화된다. Group 버튼을누르게되면선택된도형들이하나의도형으로묶이고같은색상이된다. 1. Box 와 Cylinder 도형을배치한다. 2. Cylinder 을선택후 Hole 을선택한다. 그룹이된도형은이동시함께움직이며모양의크기를변경해도함께변한다. Group 을만든도형끼리다시 Group 을만들수있다. 그룹이된도형을선택후모델링메뉴 Group 오른쪽의 Ungroup 을클릭하면묶인도형을풀어다시각각의도형으로변경가능하다. 3. Box 도형에서뺄부분을 Cylinder 도형과겹쳐지게배치한다. 4. 두개의도형을선택한후 Group 버튼을누른다. (6) 기본홀도형활용 ( 빼기 ) 홀도형을활용하여도형에구멍을뚫거나원하지않는부분을제거하는방법을알아본다. 홀도형은기존도형과겹치는부분의도형을제거할수있는 - 13 - (7) 다양한모양의홀도형활용주어진기본도형이외의다른도형을홀도형으로만들어원하는모형으로제거해본다. 제거하고싶은위치에원하는모형의도형을올려놓고도형을클릭시오른쪽상단에생기는 Shape 에서 Hole 을클릭한다. 도형의색상 - 14 -
이사라지고반투명해지면서홀도형과같은기능의도형으로변경된다. 앞선방법처럼두도형을선택하고 Group 를누르면기존도형과 Hole 도형의겹친부분이제거된다. 이와같은방법으로다양한도형을홀도형으로변경하여활용할수있다. 홀도형은겹친부분만사라지게한다. 기존도형과겹쳐놓은형상에따라서위아래가다뚫린구멍을만들수도있고또는홈을팔수도있다. (9) 자를이용한도형의치수변경정확한크기로치수를조정하고싶을때자를활용하여도형의크기와위치를변경할수있다. 클릭된점이 (0,0) 의기준으로스케치평면에자형상이나타난다. 자가나타난상태에서도형을선택하면기준점을중심으로도형의크기와위치의숫자정보가나타난다. 자의기준점을설정하기위한빨간색점이나타나고, 기준으로선정할위치를클릭한다. 숫자를클릭하여키보드로원하는치수로변경할수있다. 기준점옆의 X 표시를누르면자가사라진다. 자기능의단축키는키보드의 R 이다. (8) 추가스케치평면활용기본스케치평면이외에기울어진평면에추가스케치평면을만들어모델링에활용할수있다. 주황색의추가스케치평면이만들어졌다. 추가스케치평면을기준으로도형을가져올수있다. 기준스케치면 ( 파란색 ) 으로변경하고싶을때는다시 Workplane 을누르고바닥면을클릭한다. 추가평면을불러오는단축키는키보드의 W 이다. 1. 피라미드도형을배치한다. 2. 오른쪽의 Workplane 버튼을누른다. (10) 도형정렬및미러기능 ( ) 1) 도형정렬정렬하고싶은도형들을마우스로드래그또는 Shift 키를이용하여선택한다. 상단의 Align ( ) 버튼을누르면오른쪽, 왼쪽, 가운데정렬을표시해주는검정색점들이나타난다. 원하는위치의검정색점을클릭하면선택된도형들이정렬된다. 3. 도형을붙일면을선택한다. 4. Cylinder 를선택하고도형을붙일 위치를선택한다. - 15 - - 16 -
2) 도형미러미러를이용하여좌우, 상하대칭된모형의도형을만들수있다. 도형을하나선택하고메뉴에서 Mirror ( ) 버튼을누른다. 대칭을원하는방향의화살표를클릭하면모형이전환된다. (12) 도형잠금 Shape 의자물쇠모양을누르면도형주변이보라색으로되면서도형이잠 금상태가된다. 잠금상태에서는크기, 이동, 색상등어떤것도변화할수없다. (13) 파일저장과 Export 기본적으로파일은자동저장이되며, 파일의이름을바꾸기위해왼쪽그림과같이글자를누르면파일의이름을변경할수있다. 완성된모델링의파일을다운받기위해서메뉴의 Export 버튼을누른다. 3D 프린팅을위한파일형식으로.stl 을눌러다운받을수있다. (11) 색상변경하기도형을누르면나타나는상단의 Shpae 메뉴를통해색상을바꿀수있다. 그룹을설정하여색상이하나로될때는, Solid 내의 multicolor 를선택해주면그룹을유지하면서도다양한색을나타낼수있다. 파일이름변경 파일내보내기 - 17 - - 18 -
3. 모델링실습 (1) 집 1) 완성작품 (2) 나무 1) 완성작품 2) 사용쉐이프 2) 사용쉐이프 3) 모델링순서 3) 모델링순서 1 2 3-19 - 1 2 3-20 -
(3) 닭 1) 완성작품 4. 12세이하회원관리하기 (1) 12세이하학생승인코드받기로그인된교사의아이디로 TEACH 메뉴에가게되면초대코드를생성할수있다. 생성된초대코드를 12세이하의학생에게알려주고, 초대코드입력창에입력하고 승인받기 버튼을클릭하게되면회원가입이완료된다. 2) 사용쉐이프 (2) 어린이중재하기마이페이지에서오른쪽상단의계정을선택하고 Moderate Kids 를클릭한다. 초대한학생리스트를확인할수있으며비밀번호를바꾸거나사용자정보를수정할수있다. - 21 - - 22 -