CAD란 무엇인가요?

Artec 3D 스캐닝은 복잡한 CAD 설계를 위해 충분한 정확도로 캡처합니다

컴퓨터 지원 설계는 최근에 발명된 것으로 생각해도 무방할 정도로 널리 사용되고 있는 최첨단 제품 반복 도구입니다. 이와 반대로 Patrick Hanratty 박사는 1957년 최초의 상업용 수치 제어 시스템인 'PRONTO'를 통해 그 기반을 마련했습니다.

6년 후, Ivan Sutherland는 인간과 컴퓨터의 첫 상호작용을 가능하게 하는 획기적인 기계인 SketchPad를 통해 한 단계 더 발전시켰습니다. Sutherland의 장치는 호와 선분과 같은 기본 요소만 지원했지만, 이전과는 전혀 다른 방식으로 기계 설계를 화면에 그릴 수 있어서 미래 CAD 시스템의 선구자 역할을 했습니다.

얼마 지나지 않아 기업들은 자체 CAD 프로그램을 출시하기 시작했습니다. McDonnell Douglas는 Hanratty가 제공한 코드를 통해 1967년 부품 레이아웃 및 형상을 위한 컴퓨터 소프트웨어를 도입했습니다. 이후 이 회사는 보잉과 합병되어 사라졌지만, 이 회사의 MicroGDS CAD 플랫폼은 매우 성공적인 것으로 입증되어 오늘날에도 계속 사용되고 있습니다.

수십 년 동안 CAD는 뜨거운 연구 주제로 남아 있습니다. 업계 초창기 주요 기업 중 하나였던 Computervision의 Ken Versprille 박사는 1975년 NURBS(비균일 유리 B-스플라인)를 개발했습니다. 이제는 3D 모델링의 주축이 된 이 기능을 통해 곡면이 있는 복잡한 CAD 모델을 만들 수 있습니다.

그 이후로 CREO가 최초로 상용화한 매개변수 모델링과 같은 기술이 발전하면서 사전 설정된 매개변수를 기반으로 모델을 조정할 수 있게 되어 CAD의 활용 방식이 바뀌었습니다. 예를 들어 일부 특징을 수정해야 하는 경우 초기 스케치에서 모델의 매개변수를 조정하는 것만으로도 모델을 완전히 다시 계산하고 모양을 변경할 수 있습니다.

최근에는 CAD 기술이 3D 프린팅 및 3D 스캐닝과도 지속적으로 융합되고 있으며, 새로운 기능으로 인해 두 기술이 더욱 밀접하게 결합되고 있습니다.

대략적으로 CAD는 크게 솔리드, 와이어프레임 및 표면 모델링으로 구분할 수 있습니다. 다른 접근 방식도 언급할 만하지만, 대부분은 이 세 가지 범주에 속합니다.

솔리드 모델링은 계산 가능한 개체 볼륨을 유지하면서 선, 아치, 구, 정육면체와 같은 기본 도형을 복잡한 모델로 조립하는 데 이상적입니다. 이를 통해 설계자는 전개도를 지속적으로 검증하고 이러한 전개도가 실제로 제조되게 할 수 있습니다.

대조적으로 와이어프레임 모델링은 모델의 가장자리와 모서리 표면만 묘사하므로 더욱 섬세하게 제작할 수 있습니다. 기술적으로 이는 모델을 '면'으로 연결된 꼭짓점으로 표현함으로써 가능하며, 이를 수정하여 위치를 변경하고 개체 외부에 곡면을 만들 수 있습니다.

CAD 기술의 발전으로 설계의 한계가 계속 사라지고 있습니다

마지막으로 표면 모델링을 통해 사용자는 일련의 안내선 또는 제어점을 통해 모델을 만들 수 있습니다. 그런 다음 서로 연결되어 가장 원활한 방법을 계산하는 CAD 플랫폼에 의해 표면을 형성합니다. 상상할 수 있듯이 이 방법은 원활하고 미끈하게 이어지는 표면 초점 덕분에 공기의 흐름이 중요한 자동차 및 항공우주 모델링에 이상적입니다.

생성적 설계(Generative Design)와 같은 다른 접근 방식은 인간의 실수를 완전히 배제할 수 있을 것으로 보입니다. 이제 설계자는 무게, 비용 또는 성능과 관련된 설계 문제를 해결하는 작업을 AI에 맡길 수 있으며, AI는 이에 대한 해결책을 제시할 것입니다. 설계자가 작업 중인 매개변수만 입력하면 나머지는 알고리즘이 알아서 처리합니다.

CAD에 새로운 파장을 일으키고 있는 첨단 기술은 AI뿐이 아닙니다. 이제 3D 스캐닝을 통해 설계 단계를 자동화할 수 있을 뿐만 아니라 기존 제품을 디지털화하여 향후 실제 프로토타입의 기초 자료로 활용함으로써 일부 단계를 완전히 없앨 수 있습니다.

이 방식을 통해 3D 스캐닝은 3D CAD 설계에 적합합니다. 하지만 필요한 데이터를 캡처한 후에는 어떻게 될까요? CAD 소프트웨어에서 스캔 편집을 바로 시작할 수 있습니까?

글쎄요, 당장은 아닙니다. 먼저 스캔을 솔리드 3D 모델로 변환해야 하는데, 메시와 모델 사이의 가교 역할을 하는 'Scan-to-CAD' 프로그램의 발전 덕분에 이 작업 흐름이 계속 쉬워지고 있습니다.

스캔에서 CAD로 전환하는 데는 몇 단계가 필요하지만 결과는 분명합니다

이 작업 흐름을 시작할 수 있는 훌륭한 플랫폼인 Artec Studio는 스캔 데이터 캡처 및 처리를 단순화하여 몇 가지 단계를 클릭 한 번으로 간소화합니다. 엔지니어는 형상 및 텍스처 추적 알고리즘을 통해 부품을 매우 세밀하게 캡처할 수 있으며, 플랫폼의 부울 연산 도구 키트를 사용하여 깨질 가능성이 있는 표면을 두껍게 하는 등 메시를 개선할 수 있습니다.

Artec Studio는 메시를 준비하고 필수적인 리버스 엔지니어링 작업을 수행하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 플랫폼에서 면을 이동 및 오프셋하여 수정하고, 모따기 및 모깍기 도구로 광택을 더하고, 기본 도형을 더하거나 빼거나 다른 모델과 교차시켜 새로운 모양을 만드는 모든 작업을 한 곳에서 수행할 수 있습니다.

Geomagic for SOLIDWORKS와 같은 프로그램은 이 고도로 다듬어진 메시를 CAD 모델로 변환하는 프로세스를 빠르게 진행합니다. SOLIDWORKS 작업 공간에 직접 연결하면 이 부가 기능을 통해 스캔 데이터에서 편집 가능한 솔리드 모델을 만드는 데 필요한 특징 추출 도구를 사용할 수 있습니다. 익숙한 인터페이스에서 기존 설계를 빠르고, 쉽고, 정확하게 수정하거나 편집하려는 경우 이 프로그램은 Artec Studio의 이상적인 동반자입니다.

집중적인 리버스 엔지니어링을 위해 선도적인 소프트웨어인 Geomagic Design X에는 더욱 포괄적인 Scan-to-CAD 도구 세트가 함께 제공됩니다. 정확한 표면 처리를 통해 복잡한 자유형 모양을 재구성한 다음 플랫폼의 패치 기능을 사용하여 개체의 윤곽과 곡선을 밀접하게 따르는 표면 본체를 즉시 추가할 수 있습니다.

Geomagic은 업계 최고의 scan-to-CAD 플랫폼을 개발합니다

2D 및 3D 스케치 작업의 경우, Design X는 신속한 스캔 기반 엔지니어링을 위한 완벽한 기반을 제공합니다. Auto Sketch를 사용하여 형상 추출을 가속화하고 원하는 매개 변수를 충족하는 방식으로 폴리라인 요소에 모양을 자동으로 맞추도록 구성할 수 있습니다. Loft 및 Sweep과 같은 다른 도구를 사용하여서도 단면을 매끄러운 표면으로 쉽게 블렌딩(blending)할 수 있습니다.

더 넓게 보면, 많은 기존 설계 플랫폼이 3D 스캔 친화적인 기능을 통합하면서 CAD와 Scan-to-CAD 프로그램 간에 상당한 중복이 있습니다. 가장 인기 있는 소프트웨어 중 몇 가지와 제공하는 기능, 그리고 주된 사용처에 대해 살펴보겠습니다.

제품 설계

다양한 산업 분야에서 제품 품질을 보장하려면 반복 작업이 필요하지만, 이러한 응용 분야 중 상당수는 CAD에 의존한다는 공통점이 있습니다. 일부 분야에서는 여전히 기존의 제도를 통해 초기 설계의 윤곽을 잡을 수 있지만, 과거에 제품 출시를 지연시켰던 길고 지루한 반복적인 스케치 프로세스는 대부분 보류되었습니다.

CAD 설계는 전통적으로 스케치가 활성화된 자동차 부문까지 주도하고 있습니다

프로토타이핑 속도 외에도 CAD의 도입은 확대 또는 축소된 다이어그램의 잘못된 해석 및 공유와 관련된 문제를 극복하는 데 도움이 되었습니다. 설계 디지털화와 CAD의 보편화로 인해 이전에는 상상할 수 없었던 수준의 자동화와 협업이 가능해졌습니다.

CAD의 등장으로 제품 설계 방식이 바뀌었을 뿐만 아니라 완전히 새로운 길이 열렸습니다. 이전에는 초기 설계를 미리 보려면 실물 크기 모형을 제작하여 배송해야 했습니다. 이제 고급 가구 회사인 Sherrill Furniture와 같은 기업은 몇 분 만에3D 스캐닝으로 가구를 디지털화하고 이 데이터를 사용하여 매주 맞춤화 및 3D 시각화를 위한 수십 개의 CGI 라운지 가구를 제작할 수 있습니다.

이는 초당 3,500만 포인트의 초고속 Artec Leo덕분에 가능했습니다. 클릭 투 스캔(Click-to-Scan) 기능과 1mm 미만의 3D 스캐닝 기능을 갖춘 Leo를 통해 복잡한 쇼룸의 가구와 같이 복잡하고 질감이 풍부한 물품을 빠르고 쉽게 캡처할 수 있으며, 다음에 살펴보겠지만 다른 분야에서도 다양하게 응용할 수 있습니다.

엔지니어링

CAE는 기계 부품과 어셈블리를 생산에 투입하기 전에 성능을 분석하는 수단으로 기계 엔지니어에게 CAD가 실질적으로 유용하게 사용되는 분야입니다. 제품 프로토타이핑과 마찬가지로 제조업체는 제품 작동 방식을 시뮬레이션할 수 있으므로 소모적인 실물 크기 모형을 만들지 않아도 됩니다.

하지만 엔지니어링에는 완전히 다른 시뮬레이션 도구 세트가 필요합니다. Autodesk는 제품이 설정된 하중을 견딜 수 있는지 테스트하기 위해 수작업 제도 필수 요소와 정적 및 모달 응력 분석 도구를 결합하는 플랫폼인 Inventor를 통해 이를 인식했습니다.

그 밖에도 Siemens는 CAD에 내장된 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어인 Simcenter FLOEFD를 제공합니다. CFD 시뮬레이션을 사용하면 공기나 물과 같은 유체가 모델 주변에서 어떻게 흐르는지 예측할 수 있으며, 더 나아가 공기 역학을 향상하기 위해 유체를 어떻게 흘려보낼 수 있는지 예측할 수 있습니다. 이는 공기 저항을 최소화해야 1등을 차지할 수 있는 사이클 경기와 같은 분야에서 특히 중요합니다.

영국의 시뮬레이션 회사인 Vorteq은 Leo와 초정밀 Artec Space Spider로 캡처한 데이터를 사용하여 이 접근 방식을 한 단계 발전시켜세계에서 가장 빠른 경주용 자전거를 제작했습니다. Leo의 빠른 속도와 무선 휴대성으로 비교 분석을 위한 캡처가 빨라졌지만, CFD를 사용하여 자전거 프레임을 통과하는 힘을 모델링할 수 있었던 것은 0.1mm 해상도의 Space Spider가 캡처한 세밀한 디테일 덕분이었습니다.

연결된 물체의 동작 방식을 검토하는 다물체 동적 분석과 같은 다른 기능도 많은 플랫폼에 도입되면서 세밀한 엔지니어링은 CAD 설계에서 가장 흥미로운 분야 중 하나로 남아 있습니다.

자동차

자동차 분야에서는 수작업으로 그린 자동차 설계의 예술성이 여전히 살아있으며, CAD 모델링만이 이를 21세기로 옮겨놓았습니다. 이 프로세스는 여전히 스케치로 시작하는 경향이 있지만, 엔지니어는 CAD 플랫폼에서 디지털 방식으로 제도하고 결과 모델을 사용하여 테스트용 실물 크기의 프로토타입을 제작함으로써 이를 가상 설계로 전환하기 시작했습니다.

많은 튜닝 회사가 기존 모델을 캡처한 다음 원하는 업그레이드를 디지털 방식으로 설계합니다

개념 설계를 디지털화하면 프로세스에 정밀도가 더해져 사용자는 설계가 의도한 대로 적합하고 제대로 작동하게 할 수 있습니다. 또한 시뮬레이션에 투입할 수 있는 모델을 생성하여 부품이나 어셈블리가 하중을 받았을 때 어떻게 작동하는지 파악할 수 있습니다. 이것이 공기역학적 하중이든 물리적 하중이든 그 결과를 사용하여 설계의 안전성과 성능을 분석할 수 있습니다.

이제 3D 스캐닝을 통해 실제 물체에서 이러한 모델을 빠르고 정확하게 리버스 엔지니어링할 수 있으며, 이러한 모델을 제품 반복에 사용할 수 있습니다. 과거에 SNAG Racing Rallye 팀은 바로 이러한 목적으로 중형 텍스처 부품을 디지털화하기 위해 오랜 시간 동안 검증된 솔루션인 매우 유연한 Artec Eva를 사용했습니다.

랠리카 업그레이드를 설계하기 위해 종이 모델링에서 3D 스캐닝으로 전환한 결과 강도, 속도, 기동성을 향상하는 동시에 생산 비용과 리드 타임을 줄일 수 있었습니다.

건축

CAD는 모든 형태와 규모의 건축 양식을 설계하는 데 활용되지만, 이는 일반적으로 주류 소프트웨어가 아닌 전용 소프트웨어를 통해 이루어집니다. 제품 스케치의 경우와 마찬가지로 건물 설계 및 프로젝트 관리를 디지털화하면 토목 엔지니어가 처음부터 다시 시작할 필요 없이 반복적으로 변경(고객의 요청에 따른 변경)을 수행할 수 있습니다.

CAD보다 건축 정보 모델링(BIM)이라고 더 자주 불리는 이 프로세스를 통해 건축가는 건물 계획이 실현되었을 때 건물이 어떻게 보일지 미리 볼 수 있습니다. ArchiCAD와 같은 인기 있는 소프트웨어 패키지를 사용하면 착공하기 전에 사실적인 시각 자료를 생성하여 인테리어 설계자에게 도움을 주고, 사전에 건물을 마케팅할 수 있습니다.

장거리 3D 스캐닝을 통해 시설을 디지털화하고 현장 효율성을 제고할 수 있습니다

건설에는 수많은 이해관계자가 있기 때문에 BIM은 중요한 현장 계획 도구이기도 합니다. 기본적으로 BIM 모델링에는 7가지 협업 단계가 있으며, 첫 번째 단계는 2D 도면이고 마지막 단계는 이를 3D 모델로 변환하여 모든 관련자와 공유하는 단계입니다. 효율적인 현장 계획과 비용 책정을 용이하게 하기 때문에 후자가 최첨단으로 간주됩니다.

치과 및 의료

CAD는 순수하게 설계 도구로만 사용되기보다는 맞춤형 임플란트 제조에 더 자주 사용되지만 치과 분야에서도 활발히 사용되고 있습니다. 치과용 CAM은 환자 구강의 인상 또는 스캔을 통해 치아를 3D 모델링하며 수복물을 제작하기 위한 기초로 사용됩니다.

1980년대 치과용 CAD/CAM이 제대로 정착되기 전에는 환자 맞춤형 치관, 임플란트 또는 의치를 제작하려면 치과 의사를 여러 번 방문하고 나서 주형을 다른 곳으로 보내 제작해야 했습니다. 이제 치과 의사는 3D 스캐닝을 사용하여 완벽하게 맞는 치과 임플란트를 개발할 수 있을 만큼 정밀하게 미소를 캡처하여 내부에서 제작할 수 있습니다.

이러한 사례 중 하나로, Center for Implant Dentistry는 매우 정확한 풀컬러 Space Spider 스캔과 구강 내 스캔을 결합하여 놀랍도록 사실적인 치아 모델을 제작하는 방법을 알아냈습니다. 이를 통해 임플란트 설계 프로세스가 빨라졌을 뿐만 아니라 환자가 자신의 새로운 미소를 미리 볼 수 있게 되었으며, 그 이후로 병원의 지지율이 급상승했습니다.

당연히 CAD 출력을 STL 파일로 쉽게 변환할 수 있기 때문에 3D 프린팅은 외주 제작의 대안으로 각광받고 있으며, 두 기술을 결합하여 더 높은 정확도의 치과용 결과물을 얻을 수 있는 많은 잠재력이 있습니다.

3D 프린팅은 의료 분야에서도 활발히 활용되기 시작했으며, CAD를 표준 'DICOM' 임상 데이터 형식에 통합하려는 노력이 계속되고 있습니다. CAD를 추가로 채택하면 깁스 및 보철물 맞춤화가 더 쉬워질 뿐만 아니라 생물학적 모델링을 통해 수술 계획 및 약물 설계를 추진할 수 있을 것으로 예상됩니다.