3D 모델링의 이해

3D 모델링은 ‘엔지니어링’을 위한 모델링과 ‘디자인’을 위한 모델링으로 크게 구분할 수 있다. 산업군별로 사용 용도나 프로그램의 기능에 따라 기업에 적합한 3D CAD 소프트웨어를 선택할 수 있는데 엔지니어링 모델링은 주로 기계, 건축, 항공, 조선 분야 등의 제조산업계에서 활용하며 NX, CATIA, CREO, SolidWorks, Inventor, SolidEdge, Fusion360, IronCAD, ICAD 등의 파라메트릭(Parametric) 기반의 3D CAD 프로그램이 국내에서 많이 사용되고 있다.

‘파라메트릭’이란 기하학적 형상에 구속조건을 부여하여 설계 및 변경이 용이하게 만드는 방식을 말하는데 여기서 구속조건이란 객체들 상호 간에 관계를 부여하는 것으로써 동등, 평행, 일치 등의 조건을 의미한다.

보충 설명하면 파라메트릭이란 치수나 공식과 같은 파라미터(Parameter=매개변수)를 사용해 모델의 형상 또는 각 설계 단계에 종속 및 상호관계를 부여하여 설계 작업을 진행하는 동안 언제나 수정 가능한 가변성을 지니고 있는 것을 의미한다.

따라서 솔리드 모델링에서의 파라메트릭 요소에 해당하는 매개변수(치수, 피처 변수), 기하학적 형상(스케치 엔티티나 솔리드 모델의 면, 모서리, 꼭지점)를 이용해 항상 설계 의도에 의해 수정 가능한 모델링을 하는 방식을 ‘파라메트릭 모델링’이라고 부른다.

 

1-1. 3D 엔지니어링 소프트웨어

 

엔지니어링 모델링 소프트웨어는 기업체에서 요구하는 제품의 형상 디자인과 부품 설계, 조립품, 조립 유효성 검사 및 시뮬레이션을 통해 디지털 프로토타입을 실현할 수 있으며, 제품의 오류를 최소화할 수 있는 기능을 갖추고 있다.

 

(1) 파트 작성(부품 모델링)

3D 엔지니어링 소프트웨어에서 파트는 하나의 부품 형상을 모델링하는 공간으로, 3D 엔지니어링 소프트웨어에서 형상을 표현하는 가장 중요한 요소이다. 우리가 일반적으로 3차원 형상을 모델링하는 곳이 바로 파트이다.

제조 업계에서 많이 사용되고 있는 3D 엔지니어링 소프트웨어의 파트 작성(부품 모델링) 기능은 크게 스케치 작성, 솔리드 모델링, 곡면 모델링 기능으로 나눌 수 있다.

 

● 스케치 작성

3D 엔지니어링 소프트웨어에서 가장 먼저 제작할 형상의 가장 기본적인 프로파일(단면)을 생성하기 위해 스케치라는 영역에서 형상의 레이아웃을 작성하는 곳으로, 형상의 완성도를 결정하는 가장 중요한 부분이다.

스케치는 통상적으로 2차원 스케치와 3차원 스케치로 구분이 된다. 2차원 스케치는 평면을 기준으로, 선, 원, 호 등 작성 명령을 이용하여 형상을 표현하는 것이며, 3차원 스케치는 3차원 공간에서 직접적으로 선을 작성하는 기능이다. 일반적으로는 2차원 스케치를 통해서 프로파일을 작성한다.

 

● 솔리드 모델링

솔리드 모델링이란, 3D 엔지니어링 소프트웨어에서 3차원 형상의 표면뿐만 아니라 내부에 질량, 체적, 부피 값 등 여러 가지 정보가 존재할 수 있으며, 점, 선, 면의 집합체로 되어 있다.

솔리드 모델링은 앞서 스케치에서 생성된 프로파일에 각종 모델링 명령(돌출, 회전, 구멍 작성, 스윕, 로프트) 등을 이용하여 형상을 표현하는 것으로, 모든 3D 엔지니어링 소프트웨어에서 동일한 조건으로 모델링할 수 있다.

 

이처럼 솔리드 모델링은 와이어프레임과 서페이스 모델의 단점을 보완한 것으로 입체의 형상을 완전하게 표현할 수 있는 것으로 서페이스 모델이 외형 위주의 ‘면들의 집합’이라고 한다면 솔리드 모델은 속이 꽉 채워진 ‘덩어리’의 개념이라고 할 수 있으며 대부분의 설계 엔지니어링 소프트웨어들이 솔리드 모델링 방식을 채택하고 있다.

 

(2) 조립품 작성(어셈블리 디자인)

파트 작성을 통해 생성된 부품을 조립하는 곳으로, 3D 엔지니어링 소프트웨어를 통해 부품간 간섭 및 조립 유효성 검사 및 시뮬레이션 등 의도한 디자인대로 동작하는지 체크할 수 있는 요소이다.

 

(3) 도면 작성

작성된 부품 또는 조립품을 도면화시키고, 현장에서 형상을 제작하기 위한 2차원 도면을 작성하는 요소이다.

 

일반적인 3차원 데이터에서는 3D 형상을 구성하는 최소 단위가 삼각형 또는 사각형이며 이것을 메시(Mesh)라고 했는데 3D 프린팅용 파일 형식 중 하나인 ‘STL’ 데이터에서 형상을 구현하는 최소 단위가 삼각형이며 이것을 패싯(Facet)이라고 한다.

 

특히 3D프린터를 이용한 3차원 형상을 출력하고자 한다면, 솔리드 모델링 방법이나 곡면 모델링 방법 중 형상을 표현하기 좋은 방법을 모델링 후, 솔리드로 이루어진 형상을 3D프린터로 출력해야 정상적으로 출력이 된다.

 

현재 대부분의 3D 엔지니어링 소프트웨어에서는 솔리드 모델링과 곡면 모델링을 같이 수행할 수 있는 기능을 제공하고 있으며, 요즘은 Fusion360과 같이 하나의 프로그램에서 모델링 뿐만 아니라 시뮬레이션과 CAM 기능 등을 통합하여 제공하는 프로그램도 등장하고 있는데 ‘하이브리드 모델링’이라고도 부르기도 한다.

 

1-2. 3D 디자인 소프트웨어

한편 디자인 모델링은 주로 산업디자인, 제품디자인, 캐릭터디자인, 영상제작 등의 분야에서 활용되며 Rhino, Maya, Alias, ZBrush, 3DS Max, Blender 등의 프로그램을 많이 사용하고 있다.

 

(1) 폴리곤 모델링(Polygon Modeling)

폴리곤 모델링이란 폴리곤(삼각형이나 사각형)의 집합체로서 모델을 표시하는 방식으로 폴리곤 모델링의 기본 요소에는 물체를 이루는 가장 기본적인 구성요소인 점(Vertex), 점과 점을 연결하는 모서리(Edge), 면을 이루는 최소 단위인 면(Face)이 있다.

도형의 기본 구성은 점, 선, 면으로 이루어지는데 점과 점 사이를 연결한 것이 선이고, 이 선들이 모여 하나의 면을 구성한다. 가장 최소 단위인 삼각 폴리곤은 세 개의 점, 세 개의 선, 하나의 면으로 이루어져 있으며 여러 개의 폴리곤이 모여서 하나의 입체 형상을 생성할 수 있다.

폴리곤 모델링은 이와 같이 점(Vertex), 모서리(Edge), 면(Face)의 3가지 요소를 가지고 돌출시키고 끌어 당기고 면을 나누는 방식으로 작업하는데 기본은 2D인 평면이다. 그러므로 수많은 폴리곤이 모여 하나의 지오매트리를 만드는 것은 할 수 있으나 평면이다보니 곡면 모델링하는데는 한계가 있는 것이다.

 

[그림 : 1-1]

기본 단위인 폴리곤들이 하나로 묶여서 생성된 Sphere Geometry, 주황색으로 표시된 것이 기본 단위인 폴리곤이다.

 

한 면이 생성되기 위해서 필요한 최소의 점 수는 바로 3개이다. 이 점 3개를 연결하면 삼각면이 생성되는데 이 삼각형의 폴리곤이 최소 폴리곤의 단위가 된다.

 

[그림 : 1-2] 폴리곤 단위의 가장 기본 단위인 삼각 폴리곤

 

 

정리하면 폴리곤(Polygon) 모델링 방식이란 수학적인 면을 기초로 하여 만들어진 2D 면들이 모여서 하나의 3D 지오매트리(Geometry)를 구성하는 것을 말하는데 3차원 소프트웨어에서 프로그램화 되어 생성하는 가상의 오브젝트(Object)를 지오매트리(Geometry)라고 한다. 지오매트리(Geometry)의 구현 방식에 따라 폴리곤(Polygon)방식과 넙스(Nurbs)방식으로 구분된다.

 

3D 지오매트리는 3D 소프트웨어에서 가장 기본이 되는 오브젝트들이 구(Sphere), 상자(Box), 원기둥(Cylinder)등을 들 수 있는데 이런 기본적인 오브젝트도 단일 엘리먼트(Element)로 구성된 것이 아니라 기본 2D 폴리곤들이 모여 구성된 것을 말하며 폴리곤으로 구성된 3D 지오매트리를 폴리곤 메시(Polygon Mesh)라고도 한다.

 

폴리곤 디자인 소프트웨어란 정확한 치수나 물리적인 특징보다는 형상의 표현에 집중된 3D 그래픽 프로그램을 말하는데 폴리곤(Polygon) 방식은 넙스 방식에 비해 데이터의 용량이 적고 데이터 처리 속도가 빠른 편이다.

(2) 넙스 모델링(NURBS Modeling)

비균일 유리 B-스플라인(Non-Uniform Rational Basis Spline)을 의미하는 NURBS는 표면을 디자인하고 모델링하는 산업 표준으로 복잡한 곡선이 많은 표면을 모델링하는데 특히 적합한 방식이다. 넙스 모델링은 자유자재로 곡선의 표현이 가능하다는 특징이 있는데 폴리곤 모델링에서 구현하기에 손이 많이 가고 어려운 모델링을 마우스 조작과 몇 번의 명령어 실행으로 비교적 쉽게 형상을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

또한 최고의 곡선을 나타낼 수 있는 SPLINE이기 때문에 이를 이용하여 각진 폴리곤보다 곡면, 유기체 모델링시에 유리하다는 점이 있다. 하지만 이러한 넙스 모델링의 가장 큰 단점은 모델링 데이터 용량이 너무 커진다는 것과 NURBS 자체에 방향성이 존재한다는 점 그리고, 수정하기가 쉽지 않다는 점이다.

 

 

[그림 : 1-3] 마야(Maya) 넙스 모델링 작품 예

이미지 출처 (https://www.artstation.com/artwork/dRJlx)

 

 이외에도 모델링 방식에 따라 서피스 모델링, 스컬프트 모델링 등이 있는데 곡면(서피스, Surface) 모델링이란, 3D 엔지니어링 소프트웨어에서 3차원 형상을 표현하는 데 있어서 솔리드 모델링으로 표현하기 힘든 기하 곡면을 처리하는 기법으로 솔리드 모델링과는 다르게 서피스 도구를 사용하여 생성할 수 있으며, 제품 개발이나 개념설계시 모델을 구현할 수 있다.

주로 산업 디자인 분야에 많이 사용되고 있으며, 곡면 모델링 기법으로 3차원 형상을 표현하고, 3D 엔지니어링 소프트웨어에서 제공하는 기능으로 차후, 솔리드 형상으로 변경하여 완성한다.

스컬프트(Sculpt) 모델링이란 이름 그대로 마치 조각하듯이 또는 찰흙을 만지듯이 손의 감각대로 모델링하는 것으로 타고난 손기술과 포토샵에서 브러시를 다루듯이 모델링과 컬러링을 다 할 수 있는 조각가, 공예가, 화가처럼 손재주나 기질(기술)이 필요한데 대표적인 프로그램으로 스컬프트리스, 지브러시 등을 들 수 있다.

 

위에서 기술한 엔지니어링용과 디자인용 3D 소프트웨어 이외에도 초보자들이 비교적 접하기 용이한 간단한 3D모델링 소프트웨어에는 국산으로는 한캐드, 캐디안3D, 3D TADA 등이 있으며 외산으로는 TinkerCAD, SketchUp 등이 있다.