2018 첨단과학 자율연수 강의 원고 3D 프린터 활용과 학생 지도의 실제

3D 프린터 활용과 학생 지도의 실제

무룡초 교사 김종보

3D 프린터와 아두이노 등을 활용한 STEAM 수업을 2012년도부터 해왔습니다. 그래도 초등교사이다보니 전업으로 3D printing이나 arduino 연구나 교육을 해온 것은 아니고 틈틈히 반 아이들과 하거나 주말에 특강이나 영재수업 등에서 활용하여 왔습니다. 이번 연수에서는 이렇게 학생을 지도한 경험을 바탕으로 선생님이 관련 수업을 하시는데 도움이 되는 내용을 중심으로 구성하였습니다.

3D 프린트 과정의 전반적인 이해

위 그림에서 보시는 바와 같이 프린트 과정은 크게 모델링-프린팅-후처리로 나눌 수 있습니다.

모델링 과정 CAD

컴퓨터 지원 설계(computer-aided design, CAD) 또는 단순히 캐드(CAD)는 공학자, 건축가 그리고 설계 활동에서 전문적인 설계를 지원하는 컴퓨터 기반 도구의 다양한 영역에서 사용합니다. CAD 프로그램은 크게 수치제어를 기반으로 제품을 설계하는 산업디자인 프로그램과 CG등의 특수효과 등에 쓰이는 시각디자인 분야로 나눌 수 있습니다. (유료와 무료로도 나눌 수 있고 다각형인 폴리곤polygon 방식과 그물망 메쉬mesh 방식으로도 나눌 수 있습니다만 여기서는 산업디자인과 시각디자인으로 나누겠습니다.)

대표적인 산업디자인 프로그램은 라이노Rhino, 솔리드웍스SolidWorks, 카티아Catia,  알리아스Alias, 구글 스케치업Sketch Up, 123D Design, 오토캐드AUTOCAD, 인벤터Inventor, Fusion360 등이 있습니다. 이 중 대부분은 유료 프로그램으로 학생들에게 가르치기가 어렵습니다. 하지만 현재 산업현장에서 사용하고 있는 프로그램이라서 고등학생이나 대학생들이 배우면 유용합니다. 초등에서는 주로 무료로 사용할 수 있는 123D Design을 썼지만 AUTODESK사에서 더이상 지원하지 않습니다. 구글스케치업도 유료로 전환되었습니다. 퓨전360(Fusion360)은 회원가입을 하면 무료로 사용할 수 있지만 64비트만 지원하고 클라우드 기반이라 인터넷이 잘 되는 곳이어야 한다는 한계를 가집니다. 전문가 단계에 이르면 퓨전360이나 블렌더Blender 같은 다른 프로그램 사용을 권장합니다. 초등학교 수준으로는 오토데스크사의 틴커캐드(TinkerCAD)가 가장 적절했습니다.

시각디자인 프로그램으로는 3D MAX, Maya, Zbrush, Blender, 스컬프트리스(Sculptris), Meshmixer 등이 있습니다. 3D MAX나 마야는 유료프로그램이고 CG 등의 효과에 주로 사용하므로 제외하고, 무료프로그램인 스컬프트리스는 찰흙을 빚듯이 만들어내어 낮은 연령대의 사용자도 쉽게 익힐 수 있습니다. 저는 주로 캐릭터 디자인에 사용합니다. Meshmixer는 모델링 파일의 오류를 수정하고(3D 스캔한 파일을 편집할 때 유용합니다.)  출력하기 적절한 기울기orientation, 지지대support 생성에 유용한 서비스를 제공합니다. 학생들 보다는 선생님이 익혀두시면 유용합니다.

이러한 CAD 프로그램으로 디자인을 마치면 .obj나 .stl확장자로 저장을 하게 됩니다. 문서 파일을.docx나 .hwp파일로 저장한다고 생각하시면 됩니다. 편집 등이 용이한 파일은 OBJ확장자이나, 일반적으로 STL확장자로 저장하고 유통하는 경우가 많습니다. 용량을 적게 차지하기 때문입니다.

틴커캐드TINKERCAD 프로그램

이 프로그램은 3D 모델링 외에도 마인크래프트(블록)도 되고 아두이노 시뮬레이션도 가능하고 다양한 기능을 제공하고 있습니다. 학생들에게 회원가입이나 로그인을 하게 해주면 되는데, 저는 학생들이 아이디와 비번을 자주 까먹어 학생용 계정을 따로 만들어두고 학생들에게 제공하였습니다. 구글학교계정을 만들어서 학생용 구글계정을 만들어두었습니다. 약 30개의 구글계정이 있어서 구글로 로그인을 시킵니다. 학생용 아이디와 비번을 제가 모두 관리하기 때문에 학생들에게 아이디를 매칭시키는 작업만 하면 학생들이 아이디와 비번을 잊어버려도 쉽게 찾아줄 수 있습니다. 틴커캐드의 장점이자 단점은 클라우드 기반이기 때문에 따로 설치를 하지 않아도 되며 자동저장된다는 것입니다. 또한 그렇기 때문에 가끔 인터넷 속도가 느리면 버벅거리는 문제가 있습니다.

틴커캐드의 활용법은 검색하면 많이 나옵니다. 아래는 참고자료 입니다.

메이커 다은쌤

https://youtu.be/_J-NXIns0jU

아시카 팩토리 블로그

http://ashika.co.kr/220918588343

The One Thing 블로그

http://blog.naver.com/no1techkjs/220963899594

교사(성인)로서 회원가입을 하시고 초대코드를 생성하시면 해당 학생의 모델링 파일을 수정할 수 있습니다.

로그인을 하시고 “교육”을 클릭합니다.

학생들에게 코드를 생성해서 초대 코드를 주시면 됩니다.

초대코드를 생성해서 학생을 승인하면 선생님의 계정에서 우측 상단에 “어린이 중재”를 선택하셔서 학생들이 모델링하고 있는 파일로 접속이 가능합니다.

단축키를 익혀두시면 틴커캐드로 지도하실 때 유용합니다.

단축키

스컬프트리스Sculptris 프로그램

스컬프트리스는 지브러쉬를 만든 업체에서 무료로 배포하고 있는 프로그램입니다. 찰흙을 빚듯이 만들어내면 됩니다. 당겼다가 밀었다가 하면서 다양한 입체물을 만들 수 있습니다. 직관적이라 학생들도 금방 무엇인가를 만들 수는 있는데 명확한 캐릭터를 만들어내거나 정확한 사물을 모델링하는데는 어려움이 있습니다. 게다가 이 프로그램은 obj확장자만 지원합니다. 이것도 사용법은 검색을 통해서 학습할 수 있습니다. 학생들에게도 스스로 검색해서 숙달할 수 있게 해주고 돌아다니며 어려워하는 학생들을 찾아 지도하시면 되겠습니다.

바오랩 블로그 스컬프트리스 인터페이스 설명

http://baolab.tistory.com/168

메이커플래닛의 블로그

https://m.blog.naver.com/makerplanet/221176464690

멀티미디어마스터Lab

http://m.cafe.daum.net/multimaster/8eWJ/1?listURI=%2Fmultimaster%2F8eWJ

메쉬믹서MeshMixer 프로그램

메쉬믹서 프로그램은 앞서 설명한 것처럼 모델링 파일의 오류를 수정하고 출력하기 적절한 기울기orientation, 지지대support 생성에 유용한 서비스를 제공합니다. 학생들의 모델링 파일을 출력하기 최적의 상태로 수정하기에 유용하니 선생님이 익히시면 좋습니다.

(주의! 내 컴퓨터의 폴더명이 한글인 경우 ‘meshmix’에서 샘플화면이 빨간 박스로 나올 수 있습니다. 그럴때는 내 컴퓨터명을 영문으로 바꾸어야 볼 수 있습니다. “C:/Users/연구부장/Documents/meshmixer/libraries/parts/default/Primitives/1397485580_00001_plane.obj” 이렇게 “연구부장”이라는 한글text가 들어가면 이런 오류가 나옵니다.)

AUTODESK MESHMIXER 매뉴얼은 영문으로 되어 있습니다. [원문: https://help.autodesk.com/view/MSHMXR/2019/ENU/ ] 이 영문을 구글번역기로 번역하였습니다. 수시로 수정한 것이 반영될 수 있게 구글문서로 공유하니 아래 링크로 들어가시면 한글 번역 버전을 볼 수 있습니다.

https://goo.gl/fNKMxN

출처: http://jongbosam.tistory.com/297?category=802152 [종보샘이야기]

아래를 참고하시면 유용합니다.

아토 플래닛ATO planet 블로그

https://blog.naver.com/dokkosam/220717930964

OpenMake 블로그

http://openmake.tistory.com/63?category=564727

장샘의 3D 프린터 블로그

https://m.blog.naver.com/cjysy7/220787135045

매콤토이의 피규어만들기 블로그

https://m.blog.naver.com/aeatto/220411918706

단축키는 다음을 참고하십시오.

http://codedragon.tistory.com/1569

메쉬믹서(Meshmixer)로 3D프린터 출력을 위한 서포트 만들기

http://openmake.tistory.com/67

[메쉬믹서(Meshmixer)] 모델링 부분 제거와 부드럽게 만들기

https://blog.naver.com/dokkosam/220730148478

'Meshmixer'로 3D모델링 수정하기 [가족 피규어 만들기 프로젝트]

https://blog.naver.com/dokkosam/220541141519

https://blog.naver.com/dokkosam/220541141519

https://blog.naver.com/dokkosam/220549182386

프린팅 과정 CAM

컴퓨터 지원 제조(영어: computer aided manufacturing; CAM, 캠)는 제품 생산을 위해 CAD에서 만들어진 형상 데이터를 입력 데이터로 가공을 위한 프로그램 작성 등의 생산 준비 전반을 컴퓨터에서 하는 시스템이며, 출력 데이터는 CNC화 되는 공작 기계에 보내져 실제 가공이 행해지는 걸 말합니다. 이른바 “슬라이싱”이라는 것을 하게되는데, 이것을 하는 이유는 프린팅하려는 프린터의 사양이 제각각이기 때문입니다. 프린터의 크기도 다르고, 필라멘트가 나오는 익스트루더의 개수도 다르며, 익스트루더에서 뽑아져나오는 노즐의 직경도 다릅니다. 그래서 슬라이싱 프로그램을 사용하여 이 프린터의 사양을 맞추고 X;Y;Z축의 어느 위치에서 필라멘트가 얼마만큼의 빠르기로 나오느냐 안나오느냐 등을 다양한 설정으로 출력명령어를 만들어주는 과정을 거쳐야 합니다. 이것을 “G-code로 변환한다”라고 말합니다. 슬라이서에서 어떻게 설정을 해주었느냐에 따라 출력품질에 상당한 차이가 있습니다. 이것이 매우 중요하며 이것을 익히는데에는 많은 출력경험이 필요하므로 3D 프린터를 활용하는 선생님이 꼭 익히셔야 하는 겁니다.

슬라이서에는 유로인 심플리파이3D와 무료인 Slic3r, CURA, ideaMaker, Skeinforge, Redsanpper, Kisslicer 등이 있으며, 울산과학관 무한상상실에서 사용하는 큐비콘의 전용프로그램인 큐비크리에이터CubiCreater가 있습니다. 각각의 특성에 맞게 사용하시면 되겠습니다.

슬라이싱을 위한 주요 설정 값을 살펴보면 다음과 같습니다. (슬라이서 마다 조금씩 지원되는 제어 범위가 다를 수 있습니다.)

• 적층(레이어) 두께

• 쉘(껍질) 두께

• 내부 채움 비율

• 출력 속도

• 압출 온도 및 조형판(베드) 온도

• 지지대(Support) 적용 유무 및 적용 유형

• 플랫폼(바닥) 적용 유무 및 적용 유형

• 필라멘트 직경

• 압출량 비율

• 노즐 직경

• 리트렉션(필라멘트 똥이 생기지 않도록 뒤로 빼는 작업) 적용 유무 및 적용 범위(간격 및 속도)

• 이동 속도

• 쿨링팬 가동 유무

아래에 링크를 참고하셔서 학습하시면 되겠습니다.

[김성민의 삼디 Life] Cura 설정 - 출력물을 고급지게 만드는 설정값 Best 10

http://bookledge.tistory.com/876  [북리지 (Book & Leadership & Knowledge)]

[김성민의 삼디 Life] G-code 기초 1 - 프린팅 완료 후 출력물을 쉽게 빼자

http://bookledge.tistory.com/870?category=718609  [북리지 (Book & Leadership & Knowledge)]

[3D프린터 추천]큐비콘 - 큐비크레이터 메뉴얼 (1)

https://m.blog.naver.com/3dpmania/220247303045

3D프린팅 큐비크리에이터 설정값별 출력물 알아보기 - Layer편

https://m.blog.naver.com/play_3d/220638720181

후가공 과정

후가공 과정은 간단하게는 지지대 등을 떼어주거나 3D 펜이나 글루건, 인두기 등으로 떨어진 부분을 붙여주는데서부터 사포질과 퍼티를 사용해 표면을 매끄럽게 만들어주고 색을 입히는 등의 일련의 과정을 말합니다. 간단한 후가공은 괜찮으나 아래 전문가들처럼 하려면 엄청난 시간과 노력이 들어가므로 간단히 다뤄보는 것 만으로 그치는 것을 추천합니다.

아시카 팩토리 블로그 3D 프린팅 후가공 과정

https://m.blog.naver.com/play_3d/220638720181

네버랜드 블로그 후가공 기기 폴리셔 사용

https://goo.gl/VCncyW

레드헌터 블로그 시제품 후가공

https://blog.naver.com/kw9k/221301930400