2.1.1 3D 모델링과 디지털 제작에 관한 연구

표 1에서 보는 바와 같이 지난 십여 년간, 국내에서 발표된 건축 3D 모델링과 디지털 제작에 관련한 선행 연구들을 살펴보았다. 2000년대 후반부터는 BIM 기술과 CNC 가공의 도입으로 디지털 디자인 프로세스에 관한 연구가 본격화 되었다. 이재국과 이강복의 “비정형 건축 구현을 위한 디지털 디자인 프로세스에 관한 연구”(2011)에서는 비정형 건축물 구현에 디지털 디자인 프로세스가 적용된 배경과 사례 중심으로 분석하였고, 비정형 건축 구현을 위해 통합적인 디지털 디자인 프로세스 적용의 필요성을 강조하였다. 유정원의 “비정형 건축물 구현을 위한 디지털 기술의 변천에 관한 연구”(2011)에서는 디지털 기술이 적용된 비정형 건축물의 시대별 변천을 사례 중심으로 분석하였다.

디지털 모델링의 발전과 함께 디지털 모형 제작 프로세스에도 변화가 있었다. 송규만과 이경윤의 “비정형 건축형태 구현을 위한 통합적 디지털 디자인과 제작프로세스에 관한 연구”(2012)에서는 디지털 디자인 제작 기법으로 재료에 따른 공작기 가공 특성을 분류하고, 디지털 프로세스로 CAM 스크립트를 설계 하였다. 여기에 나타난 디지털 공작기는 CNC와 커팅기 등이다. 이후 디지털 제작기법의 하나로 3D프린팅이 등장하며, “디지털 제작 기술을 이용한 건축 설계”(2014), “3D 프린팅 기술을 이용한 건축물 모형 제작”(2015)과 같은 3D 프린팅 기술을 적용한 사례를 보여주는 사례 중심의 연구가 진행되었다. 대부분의 선행 연구들에서는 사례 분석 및 프로세스 적용의 필요성에 대한 연구가 대부분으로 실제 건축 모델링의 3D 프린팅 출력 시 실무에 필요한 데이터 호환 오류 및 한계에 대한 실험적 연구는 부족했다. 박상미외 3인의 “3D 프린터 출력을 위한 토목구조물의 3D 모델링 구성 및 활용방안”(2017)에서 토목구조물에서 모델링 BIM 데이터의 프린팅 출력 오류와 원인을 검토하는 연구는 진행 되었으나, 더 큰 규모의 건축 모델링까지 포함되지 않았다.

그리고 전기 시설 분야에서도 3D 프린팅 테크놀로지를 활용한 부재의 제작과 생산에 대한 관심을 증대하고 있고, 이를 반영한 연구들을 진행해왔다 [4,5]. 최근 연구로는 “3D 프린터의 출력 품질 향상에 대한 연구” (2019)와 “철도 전철 부품의 스마트 제조 기술 기초연구”(2020), 그리고 “3차원 프린팅을 활용한 부분적 빈 공간 기판 집적 도파관과 1:2 진행파 전력합성기”(2021) 등이 있다. 이 연구들에서 디지털 제작 과정을 설명하면서, 3D 프린팅 출력의 품질 향상에 대한 연구의 필요성을 강조한다.

2.1.2 3D 프린팅 소프트웨어에 관한 연구

표 2에서 보는 바와 같이 타 분야에서는 3D 프린팅을 위한 모델링 소프트웨어에 관한 연구가 진행되고 있다. 특히, 본 연구에서 다루고 있는 SketchUp은 손쉽게 접근할 수 있는 3D 모델링 도구이지만, 3D 프린팅을 위한 STL 파일을 지원하지 않는 단점을 가지고 있다. “SketchUP 3D 모델로부터 STL 파일 생성”(2015)과 “3D 프린팅 지원을 위한 SketchUp 개선 연구”(2015)에서는 이러한 문제점을 개선할 수 있는 방안을 모색하고 있거나, 새로운 모델링 도구 개발을 제안하고 있다. 더불어, 민가영 외 3인의 “3D 프린터를 위한 STL 파일 모델링 도구”(2017)에서는 별도의 변환 과정을 거치지 않고 오브젝트에서 STL로 변환할 수 있는 모델링 도구를 제시하려고 하고 있다.

하지만, 기존의 선행 연구들에서는 3D 프린팅을 위한 모델링 데이터에서 발생하는 데이터 자체의 오류를 검사하고 수정하려는 시도가 활발하게 이루어지지 않고 있음을 알 수 있었다.

2.2.1 3D 프린팅의 제작 공정

3D 프린팅은 기계의 움직임을 제어하여 그 출력물을 얻는다. 이를 위해, 공간 좌표와 이동 방향 등의 정확한 정보를 가진 모델링 데이터는 필수적이다 ⁽⁶⁾. 그리고 3D 프린팅의 제작 공정에서 활용되는 데이터는 3D 출력물 제작을 위한 모델링 파일 데이터 이외에도, 물리적 공간을 인식할 수 있는 STL 파일 데이터와 레이어 슬라이싱을 통해 생성된 G-Code 파일 데이터가 추가적으로 필요하다 ⁽⁷⁾. 그림 1에서 보는 바와 같이, 세 종류의 파일들이 일련의 제작 과정에서 변환을 거치며, 3D프린팅 출력물로 이어진다. 3D 프린팅의 일반적인 제작 공정, 즉 전처리 공정은 3D 모델링으로부터 시작된다. 제작된 3D 모델링은 STL이라는 일종의 메쉬모델로 파일 변환이 이루어진다. 이 메쉬 모델은 레이어 슬라이서을 통해 3D 프린터 작동을 위한 기계 공작 언어인 G-Code로 변환된다. 이와 같은 3D 모델링에서 G-Code까지의 일련의 변환 과정 가운데서 3D 프린팅 출력의 실패 원인은 발생하곤 한다.

2.2.2 3D모델링 소프트웨어의 파일 변환

건축 설계에서 많이 사용하는 3D 모델링 소프트웨어인 CAD(.dwg), Rhino(.3dm), Revit(.rvt), SketchUp(.skp)은 각각의 파일 포맷으로 저장하여 사용된다. 이렇게 제작된 CAD 모델링의 3D 프린팅 출력을 위해서는 STL이라는 하나의 메쉬모델로 파일 변환이 필요하다. STL은 Stereolithography , Standad Triangulated Language의 약어로 3D 모델링의 표면을 삼각형 단위로 표현하며, 세 개의 vertex와 normal을 가지고 있다 ⁽⁸⁾. STL은 데이터 처리 속도가 빠르고 외곽선이 뚜렷하여 적층제조 3D 프린팅에 일반적으로 사용되는 파일 포맷으로 자리 잡았다.

본 연구에서는 건축 모델링의 3D 프린팅 출력 오류발생과 모델링 소프트웨어에서의 STL 포맷 파일 변환의 관계에 대해 검증하고, 모델링 오류 종류를 분석하여 이를 해결하고자 하였다. 폴리곤 방식인 SketchUp과 넙스 방식인 Rhino, 그리고 솔리드 방식인 Revit에서 STL 포맷으로 변환하였을 때, 3D 프린팅 출력 오류와의 관계에 대해 알아보고자 한다. 이를 통해 3D 프린팅에 적합한 3D모델링 소프트웨어를 분석하고자 한다.

2.2.3 3D 모델링 오류 패턴

3D 모델링에서 발생하는 일반적인 오류 패턴들은 그림 2에서 보는 바와 같이 여섯 가지로 분류할 수 있다.

첫째, 모델링의 표면이 뒤집혀 있는 경우다. 폴리곤 메쉬 방식은 여러개의 삼각형들의 집합으로 구성되어있다. 각 삼각형은 세 개의 정점과 법선 벡터를 가진다 ⁽⁹⁾. 이 때, 모든 법선벡터의 방향은 모델의 바깥을 향하여야 한다. 그러나 모델링 표면의 일부에서 노멀 방향이 내부를 향하는 경우가 발생하는데, 프린터가 이 모델링의 내부와 외부를 정확하게 인식하지 못하여 오류가 발생한다.

둘째, 모델링의 두께가 0인 경우다. 3D 프린터 사양에 따라 제작 가능한 모델 두께는 다르다 ⁽¹⁰⁾. 노즐의 두께보다 작은 모델 두께는 제작이 되지 않으며, 이를 오류로 인식한다. FDM은 약 0.4~0.6mm, SLA, SLS는 약 0.1~0.2mm 미만의 두께를 인식하지 못하여, 출력물을 생산하지 못 한다. 따라서, 사용할 3D 프린터의 제작 가능한 두께를 파악한 후, 모델링 작업을 필요로 한다. 또한, 3D 프린팅을 위한 모델링은 부피를 가진 솔리드 형태여야 한다. 예를 들면, 건축 모델에서 철골조와 같은 두께가 얇은 건축 부재를 면으로 모델링 하는 경우는, 3D 프린터는 그 건축 부재를 두께가 0으로 솔리드로 인식하지 못하여 출력물로 생산하지 못한다.

셋째, 모델링에서 폴리곤이 닫혀있지 않은 경우다. 3D모델링은 폴리곤이 완전히 닫힌 워터타이트 구조여야 한다 ⁽¹¹⁾. 폴리곤 모델은 다각형의 폴리곤을 이어 붙여서 3D형상으로 만들어진다. 특히, 모델링의 보이지 않는 부분에서 이러한 오류가 많이 발생하였다. 예를 들면, 벽의 밑면과 같이 땅에 가려지는 부분을 생략하거나, 건축 모델의 내부에 위치한 가구들에서 오류가 발생한다.

넷째, 둘 이상의 부재가 교차하여 중첩되는 경우다. 일반적으로 쉘은 내부와 외부를 구분하는 하나의 객체를 말한다. 하나의 쉘 또는 여러 개의 개별 쉘들에는 오류가 발생하지 않는다. 그러나, 쉘이 중첩되는 경우 3D프린터가 모델링의 내부와 외부를 구분하지 못해 오류가 발생했다. 건축의 부재를 표현하는 여러 개의 쉘들이 생성 될 때, 종종 쉘이 중첩되는 경우가 발생한다. 예를 들면, 커튼월이 반복되는 그리드에서 부재가 교차되어 중첩되는 오류가 발생한다.

다섯째, 둘 이상의 부재가 맞닿아 중첩되는 경우다. 건축 부재들 사이(기초–기둥, 기둥–보, 보-슬래브)의 맞닿은 면에서 폴리곤들이 중첩되어 오류가 발생한다. 폴리곤이 중첩되는 경우는 둘 이상의 쉘에서 각각의 면이 중첩되는 경우다. 쉘을 구성하고 있는 폴리곤이 겹친 경우에 오류가 발생한다.

여섯째, 노이즈 쉘이 있는 경우다. 3D 모델링에서는 건축물의 부재 형태들이 복잡하고 다양하여, 노이즈 쉘이 발생하기 쉽다. 특히, 넙스 모델을 메쉬 모델로 변환하는 과정에서, 노이즈 쉘이 자주 발생한다. 또한, 임계값 이하의 쉘은 노이즈 쉘로 인식 된다. 특히, 건축물 내부의 작고 세밀한 가구들에서 다양한 오류들이 발생한다.

4.1.1 구조 형태별 오류 분석 결과

3D 모델링을 오류 분석 프로그램인 Magics을 활용하여 오류 검사를 시행한 결과, 모든 데이터에서 오류가 존재하는 것을 알 수 있었다. Magics의 오류 항목은 노멀 방향(inverted nomals), 배드 엣지(Bad edges), 배드 컨투어(Bad contours), 인접한 배드 엣지(Near bad edges), 홀(Planar holes), 쉘(Shells), 노이즈 쉘(Noise shells), 겹친 삼각형(Intersecting triangles), 교차된 삼각형(Overlapping triangles) 총 9가지로 발생했다. 각 오류 항목의 비교를 위해 오류발생량을 백분율로 나타내었다.

또한 컨투어와 엣지 부분은 각각 삼각형 수의 2의 배수, 3의 배수로 계산하여 오류 발생량을 계산하였다. 분석 결과는 다음과 같다.

세 개의 형태 분류에서 대부분 노멀 방향과 인접한 배드 엣지 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다. 이는 폴리곤 방식의 소프트웨어를 사용하여 이미지에 기반 한 면 단위 모델링 작업이 많아 발생한 오류로 보인다. 선형 구조인 에펠탑은 쉘의 수가 많아 쉘 간의 관계에서 인접한 배드 엣지, 인접한 삼각형에서 오류가 많이 발생되는 것으로 확인 하였다. 반면 평면형 구조인 빌라 사보아에서는 엣지 관련 오류가 비교적 적고, 겹친 삼각형의 오류가 많이 발생되는 것으로 확인하였다. 곡면형 구조의 디즈니 콘서트홀과 시드니 오페라 하우스는 연속된 면으로 쉘의 수는 비교적 적었으나, 다른 항목의 오류는 많았다.

이와 같은 분석 결과는 두 가지로 요약할 수 있었다. 첫째, 네 종류의 형태별 분류에서 대부분 노멀 방향과 인접한 배드 엣지 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다. 이는 폴리곤 방식의 소프트웨어를 사용하여 이미지에 기반 한 면 단위 모델링 작업이 많아 발생한 오류로 보인다.

둘째, 형태별 오류 데이터에서 드러나는 양상은 형태별로 오류의 항목들이 일관되지 않고, 부재의 수 증가에 따라 오류량이 증가했다. 따라서 형태적인 측면보다는 부재의 수량이나 접합하는 방식이 오히려 3D 모델링 데이터의 오류에 큰 영향을 미치고 있었다.

4.1.2 소프트웨어별 오류 분석 결과

Magics를 활용한 오류 검사 결과, 오류 항목은 노멀 방향(inverted nomals), 배드 엣지(Bad edges), 배드 컨투어(Bad contours), 인접한 배드 엣지(Near bad edges), 홀(Planar holes), 쉘(Shells), 노이즈 쉘(Noise shells), 겹친 삼각형(Intersecting triangles), 교차된 삼각형(Overlapping triangles) 총 9가지로 나타났다. 각 오류 항목의 비교를 위해 오류발생량을 백분율로 나타냈다.

또한 컨투어와 엣지 부분은 각각 삼각형 수의 2의 배수, 3의 배수로 계산하여 오류 발생량을 계산하였다. 분석 결과는 다음과 같다.

SketchUp 모델링의 3D 프린팅 오류 데이터값 비교를 살펴보았을 때, 겹친 삼각형 > 노멀 방향 > 배드 엣지 > 교차된 삼각형 > 인접한 엣지 > 노이즈 쉘 > 쉘 > 배드 컨투어 > 홀 순으로 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다.

Rhino 모델링의 3D 프린팅 오류 데이터값 비교를 살펴보았을 때, 겹친 삼각형 > 교차된 삼각형 > 노멀 방향 > 쉘 > 노이즈 쉘 > 인접한 엣지 > 배드 엣지 > 배드 컨투어 > 홀 순으로 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다.

Revit 모델링의 3D 프린팅 오류 데이터값 비교를 살펴보았을 때, 겹친 삼각형 > 노멀 방향 > 배드 엣지 > 교차된 삼각형 > 쉘 > 노이즈 쉘 > 인접한 엣지 > 배드 컨투어 > 홀 순으로 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다.

세 종류의 소프트웨어에서 겹친 삼각형과 교차한 삼각형이 고루 발생하였다. 이는 건축 3D 모델링의 다양한 구조체는 상호 작용하기에 나타나는 특징으로 보인다. 특히, SketchUp의 경우 노멀 방향과 배드 엣지가 교차한 삼각형보다 오류 발생량이 많게 나타났다. 이는 SketchUp이 폴리곤 방식의 소프트웨어로 이미지에 기반 한 면 단위 모델링 작업이 많아 발생한 오류로 보인다 ⁽¹⁴⁾.

쉘은 내부와 외부를 구분하는 하나의 객체를 말하며, 쉘의 양은 구조체의 양을 의미한다. 그러나 노이즈 쉘은 작은 단위의 불필요한 객체로 오류를 의미한다. 대부분의 3D 모델링에서는 쉘과 노이즈 쉘의 크기가 비슷하였으며 쉘이 많을수록 노이즈 쉘도 많이 나타나는 것으로 판단된다. 그 가운데에서도 노이즈 쉘이 쉘보다 많이 발생하는 경우는 조경에서 오류가 많이 나타났기 때문이었다. 배드 엣지, 인접한 배드 엣지, 배드 컨투어, 홀은 객체의 유의미한 오류로 해당 오류 발생 시 출력물에 큰 영향을 준다. 해당 오류는 SketchUp이 Rhino보다 약 20배 이상 발생하는 것을 볼 수 있다.

발생한 3D 모델링 오류는 오류 수정 소프트웨어 내의 자동 수정 기능 및 수동 수정 작업으로 수정이 불가능한 양으로 3D 프린팅 출력을 위해서는 발생한 오류를 검토하여, 재 모델링하는 것이 바람직하다.

따라서 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 세 종류의 3D 모델링 소프트웨어에서 겹친 삼각형과 교차된 삼각형의 오류 발생량이 많았으나, 관계성을 보이지 않았다. 건축 3D 모델링의 다양한 구조체는 상호 작용하기에 이와 같은 오류가 많이 나타나는 것으로 판단된다.

둘째, 세 종류의 3D 모델링 소프트웨어에서는 쉘이 많을수록 노이즈 쉘의 수도 많이 나타났다. 쉘의 수가 적을수록 노이즈 쉘의 수도 줄어들 것으로 판단된다.

셋째, SketchUp은 Rhino와 Revit에 비해 노멀 방향과 배드 엣지에서 약 20배 이상 오류 발생량이 높은 것으로 나타났다. 이는 SketchUp이 폴리곤 방식의 소프트웨어로 면 단위의 모델링 작업이 많으므로 발생한 오류로 보인다.