계측을 위한 3D 스캐닝

당연해 보일 수 있지만 계측 3D 스캐너를 도입하기 전에 가장 먼저 고려해야 할 세 가지는 대상 객체의 크기, 복잡성, 정확도입니다. 이러한 핵심 요소는 시중에 나와 있는 장치 중 정밀 측정 요구 사항을 충족하는 데 가장 적합한 장치를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

데스크톱 3D 스캐너

초고해상도와 정확도로 미세한 모델을 제작할 수 있도록 설계된 데스크톱 계측 시스템은 표면의 아주 작은 디테일까지 포착할 수 있습니다. 따라서 이러한 3D 스캐너는 사무실이나 실험실 기반의 리버스 엔지니어링 또는 검사에 적합합니다.

Artec Micro II 3D 스캐너로 디지털화 중인 작고 복잡한 객체.

하지만 주먹보다 더 큰 부품은 데스크톱 시스템의 용량을 초과할 가능성이 높기 때문에 이러한 부품은 주먹보다 작은 것이 좋습니다. 이런 점에서 소형 계측 3D 스캐너는 당연히 작고 복잡한 부품을 캡처하는 데 이상적이며, 반사 표면이 있는 부품도 측정할 수 있습니다. 이러한 기계는 플라스틱 사출 성형이든 3D 프린팅이든 베어링, 임펠러, 밸브 등 복잡한 산업용 부품을 리버스 엔지니어링하거나 품질을 검사하는 데 자주 사용됩니다. 또한 치과 및 보석 산업과 같은 다른 산업에서도 사용됩니다.

휴대용 3D 스캐너

이동하는 데 제약을 받지 않고 자유롭게 사용할 수 있는 휴대용 계측 3D 스캐닝 솔루션을 찾고 계십니까? 그렇다면 휴대용 3D 계측 장치가 적합할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 유연하게 중대형 객체를 빠르게 스캔할 수 있습니다.  3D 스캐너가 무선인 경우 기동성이 향상되어 까다로운 표면과 복잡한 형상을 가진 객체를 더 쉽게 스캔할 수 있기 때문에 이러한 이점이 더욱 커집니다.

다양한 범위, 텍스처 해상도, 포인트 캡처 기능을 갖춘 휴대용 장치가 시중에 많이 나와 있기 때문에 이 범주에서는 신규 사용자가 자신의 애플리케이션 요구 사항에 맞는 장치를 가장 쉽게 찾을 수 있습니다.

접근성은 휴대용 3D 스캐닝을 체적이 크고 비싼 CMM의 강력한 대안으로 만드는 또 다른 매력적인 요소입니다. 3D 스캐너는 대부분 도입 비용이 저렴하고 사용하기 쉽습니다. Artec Leo를 사용하면 내장된 컬러 카메라와 3D 카메라를 결합하여 디스플레이를 통해 스캔 진행 상황을 실시간으로 추적할 수도 있습니다. 

무선 AI 기반 Artec Leo 3D 스캐너의 인터랙티브 5.5인치 터치 패널.

산업 제조 분야 종사자도 부품 검사를 자동화할 수 있습니다. 휴대용 3D 스캐닝 장치는 일반적으로 로봇 팔에 장착할 수 있으며, 이는 AI로 제어하여 이상적인 스캐닝 경로를 사용하여 부품 배치를 측정하고 캡처 속도와 정확도를 높일 수 있습니다.

로보트에 탑재된 3D 스캐너

이제 로봇 팔에 장착된 스캐닝 솔루션에 대해 알아보겠습니다. 3D 레이저 스캐너 자체의 뚜렷이 다른 유형은 아니지만 이러한 설정은 여전히 흥미로운 자동화 수단입니다 휴대용 시스템이든 장거리 레이저 스캐너든 기계화는 많은 잠재적 이점을 제공하며, 특히 산업 현장에 도입될 경우 더욱 그렇습니다.

로봇 팔에 장착된 스캐닝의 주요 장점 중 하나는 3D 계측에서 필요한 사람의 개입이 줄어들어 제품이 잘못 측정될 가능성이 줄어든다는 점입니다. 생산 라인에 배치될 경우, 이러한 솔루션은 특히 빠른 속도로 멀티태스킹을 수행하여 데이터를 캡처하는 동시에 부품 품질을 분석하는 데 효과적입니다.

따라서 3D 스캐너가 부착된 로봇 팔은 기존 CMM으로 높은 처리량의 품질 보증 중에 발생할 수 있는 병목 현상에 대한 잠재적인 솔루션을 제공합니다. 그러나 3D 계측 솔루션을 고정된 베이스에 부착하면 당연히 미리 정해진 영역에서만 작동하도록 제한됩니다. 따라서 이러한 설정은 사전에 폭넓은 계획이 필요하며 유연성이 전제 조건인 사용 사례를 처리하는 데는 권장되지 않습니다.

고정 위치 3D 스캐너

특정 3D 레이저 스캐너를 사용하면 이제 해상 풍력 터빈부터 건물 전체와 드넓은 야외 환경에 이르기까지 실로 엄청난 규모의 객체를 스캔할 수 있습니다.

이렇게 할 때 많은 사람들이 라이다(LiDAR) 3D 계측 장치를 사용하는데, 그럴 만한 이유가 있습니다. 이 3D 스캐너는 사람의 개입을 최소화하면서 먼 거리에서도 스스로 정확하게 스캔할 수 있도록 장착해 놓을 수 있습니다.

Artec 3D의 최신 장거리 3D 레이저 스캐너인 Artec Ray II가 작동하는 모습.

이 기술이 약한 분야는 소규모 애플리케이션으로, 휴대용 옵션이 더 적합한 경우가 많은 분야입니다.  또한, 특히 데이터를 실제로 활용하는 데 있어서는 진입 장벽이 상당히 높습니다. 따라서 도입하기 전에 전문 지식을 쌓는 것이 좋습니다.

망원 삼각대에 고정하도록 설계된 구조광 및 적외선 스캐닝 솔루션도 있습니다. 하지만 이러한 솔루션은 다양한 높이와 원거리에서 데이터를 수집하도록 설정할 수 있지만, 고정된 특성으로 인해 애초에 휴대용 장치를 매력적인 캡처 도구로 만들어준 기동성이 크게 떨어집니다.

'와일드카드' 대안을 찾고 있다면 사진 측량을 고려해 볼 수 있습니다.  Artec 계측 키트와 같은 시스템을 사용하면 최대 2미크론의 놀라운 정확도로 측정하고 오류를 최소화하면서 품질 검사 및 변형분석 작업을 완료할 수 있습니다. 이는 실제로 차량 부품이나 저장 탱크와 같은 구성 요소의 형상 변화를 높은 정확도로 측정하고 하중에 따른 재료 변형을 분석하는 데 사용할 수 있음을 의미합니다.

이 키트는 단독으로 사용할 수도 있지만 광범위한 산업 작업 흐름에 통합하거나 원거리에서 훨씬 더 높은 3D 스캐닝 정확도를 구현하기 위한 참조 도구로 사용할 수도 있습니다.

아시다시피 다양한 계측 3D 스캐너가 시중에 나와 있습니다. 그럼 어떤 것을 선택해야 할까요? 사진 측량, 구조화 광 또는 레이저 스캐닝 솔루션에는 모든 것을 충족하는 단일 솔루션이 없으므로 기술을 구매하기 전에 고려해야 할 몇 가지 측면이 있습니다.

정확도

대부분의 장치는 특정 밀리미터 이내로 정확하다고 홍보합니다. 실제로 이 수치는 스캐너가 객체의 실제 치수에 얼마나 가깝게 측정할 수 있는지를 나타냅니다. 물론 정확도 수준은 모델마다 다르지만 일반적으로 객체의 디지털 트윈을 효과적으로 측정하거나 생성하려면 0.1mm 이하의 단일 스캔 정확도('체적 정확도'와 반대되는 개념)가 필요합니다.

3D 계측의 경우 오차 범위가 클수록 장치의 효율성이 떨어질 가능성이 높습니다. 예를 들어, 부품 검사와 같은 애플리케이션에서는 초기 제품 설계에 따라 제조되도록 하려면 데이터 무결성이 필수적입니다. 마찬가지로 중대한 편차는 품질 보증의 주요 목표인 결함 탐지 및 문제 해결과 제품 반복성 향상을 달성하는 데 또 다른 장애물이 될 수 있습니다.

3D 계측의 경우 오차 범위가 클수록 장치의 효율성이 떨어질 가능성이 높습니다. 예를 들어, 부품 검사와 같은 응용 분야에서는 초기 제품 설계에 따라 제조되었는지 확인하기 위해 데이터 무결성이 필수적입니다.

해상도

3D 계측 스캐너 구매를 고려하고 있다면 캡처하고자 하는 물체의 세밀도가 얼마나 복잡한지도 고려해야 합니다. 어둡거나 반사되는 표면, 관통된 구멍, 깊게 파인 표면으로 덮인 복잡한 구성 요소를 스캔하는 것은 독특하고 밀도가 높은 물체를 스캔하는 것보다 항상 더 까다롭습니다. 하지만 구매하는 스캐너가 특정 사양을 충족하는지 확인하면 더 편하게 사용할 수 있습니다.

Artec 3D의 놀랍도록 정밀한 3D 스캐닝 기술로 캡처한 매우 세밀한 3D 스캔.

그중 가장 중요한 것 중 하나는 3D 해상도입니다.  이 용어는 스캔 이미지 자체의 해상도가 아니라 생성된 3D 메시의 두 점 사이의 최소 간격을 나타냅니다.  해상도가 높을수록 처리해야 할 데이터 포인트가 많아지지만, 일반적으로 더 세밀한 모델을 만들어낼 수 있습니다. 풀 컬러 텍스처를 캡처하려는 사용자는 장치의 '픽셀당 비트 수'도 살펴봐야 합니다. BPP가 높을수록 색상 캡처 기능이 더 좋습니다.

규모

당연한 말처럼 들릴지 모르지만 3D 스캐닝을 채택하려는 예비 사용자는 먼저 디지털화하거나 측정하려는 물체의 크기를 고려해야 합니다. 예를 들어 휴대용 장치를 사용하면 가장 다양한 중대형 물체를 캡처할 수 있습니다. Artec 3D에서는 이러한 유연성으로 인해 무선으로 완벽하게 기동할 수 있는 Artec Leo가 계속 인기를 얻고 있습니다. 그러나 미세한 크기로 스캔하거나 항공기와 같은 초대형 물체 또는 건물과 같은 구조물을 캡처하려는 경우 다른 장치가 더 적합할 수 있습니다.

Artec Micro II가 가장 섬세한 디테일을 캡처하는 반면, Artec Ray II는 훨씬 더 큰 객체를 처리하도록 설계되었습니다.

그렇다면 3D 스캐너의 용량을 어떻게 알 수 있을까요? 장치의 작동 거리를 확인하면 특정 물체를 캡처하려면 얼마나 가까이 있어야 하는지 알 수 있습니다. 이 수치가 높아야 하는지 낮아야 하는지는 (적어도 어느 정도는) 대상 응용 분야에 따라 달라집니다. 먼 거리에서 풍경이나 인프라를 캡처할 계획인 경우 장거리 라이다 레이저 스캐닝이 최선의 선택일 수 있습니다. 반면에 협소한 공간에서 작업해야 하는 경우에는 작업 거리가 짧은 휴대용 스캐너가 더 이상적입니다.

속도

애플리케이션에 따라 소형 부품을 대량으로 3D 스캔할 수도 있고, 적은 수의 대형 빌드를 소량으로 3D 스캔할 수도 있습니다. 위에서 대규모 사양을 다루었으므로 이제 생산 라인과 같이 처리량이 많은 영역에서 품질 보증을 위한 3D 스캐닝을 목표로 할 때 고려해야 할 요소에 대해 알아보겠습니다.

고려해야 할 몇 가지 지표 중 하나는 장치의 데이터 수집 속도입니다. 보통 초당 포인트로 측정되며, 이 수치가 높을수록 객체 표면을 따라 데이터 포인트를 더 빠르게 수집할 수 있습니다. 많은 최신 장치의 3D 노출 시간에는 차이가 크지 않지만 이 역시 속도에 영향을 미칩니다.

3D 스캐너의 시야 또는 주어진 거리에서 캡처할 수 있는 최대 영역도 스캔 속도에 영향을 미칠 수 있습니다.  예를 들어, 정밀도에 최적화된 Spider II는 171 × 152mm 영역 내에서 스캔하는 데 능숙한 반면 Artec Leo는 스캐닝 범위가 838 × 488mm로 더 넓습니다. 즉, 둘 다 전체 크기가 같은 객체를 캡처할 수 있지만 Spider가 Leo보다 캡처하는 데 시간이 더 오래 걸립니다.

다른 측면에서, 3D 스캐너에 익숙해지는 데 시간이 오래 걸릴수록 사용자의 생산성이 떨어질 가능성이 높다는 점을 고려하면 사용 편의성과 같은 요소도 처리량에 영향을 미칠 수 있습니다. 유연한 휴대용 장치를 사용하면 사용자와 측정하려는 객체 사이에 있는 장애물을 피해서 작업하기가 더 쉬워집니다. 따라서 스캐닝 편의성은 사용자 경험의 문제일 뿐만 아니라 사용자가 당면한 작업을 수행하는 데 있어 중요한 부분입니다.

이동성

Artec Leo는 케이블이 전혀 없기 때문에 까다로운 조건에서 스캔을 캡처하는 데 사용할 수 있습니다.

마지막으로, 장착형 3D 스캐너와 휴대용 3D 스캐너 중 어떤 것이 필요할까요? 장착형 3D 스캐너는 대량 3D 스캐닝이나 대형 객체(대형 항공기 부품 및 공장 등)를 캡처하는 데 더 적합할 수 있지만, 휴대용 3D 스캐너를 사용하는 데는 나름의 제약이 따릅니다.

이론적으로 저렴한 휴대용 장치라도 사용자가 자유롭게 움직이며 모든 각도에서 대상 객체를 캡처할 수 있습니다. 하지만 케이블이 연결되는 경우가 많아 실제로 이를 달성하는 데 한계가 있습니다.  따라서 이러한 3D 스캐너 사용자는 캡처하려는 객체의 위치뿐만 아니라 전원 소켓의 근접성도 고려해야 합니다.

예를 들어 자동차 산업에 종사하는 사용자가 조립 공장에서 차량 내부를 스캔하려고 할 때 케이블이 시트나 기타 내부 장애물을 감고 지나갈 수 있을까요?

Leo와 같은 3D 계측 솔루션은 케이블이 전혀 없어 이러한 문제를 극복합니다. Leo는 세계 최초의 무선 및 AI 기반 3D 스캐너라는 점 외에도 휴대성이 뛰어나 접근하기 어려운 각도에서 데이터를 더 잘 포착할 수 있습니다. 또한 화면이 내장되어 있어 사용자는 모니터를 번갈아 가며 작업 상황을 확인할 필요 없이 올바른 데이터 포인트를 모두 수집하는 데 집중할 수 있습니다.

품질 보증

계측 3D 스캐닝의 가장 광범위한 애플리케이션 중 하나는 부품 검사입니다. 산업 환경에서 제조업체는 이 기술을 사용하여 최종 구성 요소가 설계된 대로 작동할 수 있는지 확인합니다. 이 프로세스는 제품 품질( 및 판매용 제품인 경우 고객 만족도)을 보장할 뿐만 아니라 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 제조 오류를 방지하는 데에도 중요합니다.

부품 균일성은 대부분의 제조 이니셔티브의 성공에 중요하지만, 특정 부문에서는 편차에 대한 허용 수준이 특히 낮습니다. 항공우주와 같이 규제가 엄격한 산업에서는 구성 부품이 엄격한 열, 무게, 내화학성 기준을 충족해야 하는 경우가 많습니다. 따라서 여기서 불일치가 발생하면 잠재적인 실패 위험이 존재하게 됩니다. 3D 스캐닝을 사용하면 부품이 사양에 맞게 생산되도록 하여 이러한 상황을 방지할 수 있습니다.

실제 항공 애플리케이션 중 하나에서 룩셈부르크 항공 구조팀은 이전에 Artec 스캐닝 기술을 활용해 헬리콥터를 3D 모델링했습니다. 특히 이를 통해 엔지니어들은 악천후 속 비행이나 급격한 착륙 시 발생하는 충격으로 인한 기체 외부의 손상을 점검할 수 있었습니다. 수집된 데이터를 활용해 팀은 결함을 신속히 평가하고 진단하여 헬리콥터의 가동 중단 시간을 최소화할 수 있습니다.

리버스 엔지니어링

3D 계측 솔루션을 통해 얻은 측정값을 활용하여 구성 요소의 매개변수를 리버스 엔지니어링, 디지털화 및 조정하여 성능을 개선할 수도 있습니다. 이러한 디지털화는 부품이 단종되면 희귀하거나 비싸질 수 있고 경우에 따라 완전히 사라질 수 있으므로 레거시 부품을 조달할 때 특히 유용할 수 있습니다. 오래된 장비를 단계적으로 폐기하거나 업그레이드하는 대신 제조업체는 3D 스캐닝 프로세스를 통해 비용 효율적으로 수리하고 유지할 수 있습니다.

물론, 이를 효과적으로 수행하려면 사용자가 부품의 설계자의 의도를 정확히 파악하고 누적된 오류를 최소화해야 합니다. 어둡거나 반사되는 표면을 가진 부품, 그리고 유기적인 형태를 가진 부품은 당연히 디지털화하기가 더 까다로울 것입니다. 하지만 스캔을 자동으로 정렬하고 사용자에게 수동 및 자동 표면 처리 도구를 제공하는 Artec Studio와 같은 소프트웨어 패키지를 사용하면 이러한 작업을 확실히 더 쉽게 수행할 수 있습니다.

편차 영역을 평가하는 데 사용 중인 Artec Studio 거리 매핑.

고급 3D 스캔 검사 도구를 사용해야 하는 경우 Artec Studio는 ZEISS INSPECT Optical 3D 및 Geomagic Control X와 같은 소프트웨어와도 원활하게 호환됩니다.

제품 테스트 및 반복

제품 개발 과정에서 설계를 빠르게 디지털화하고 반복할 수 있는 역량은 성공의 기본입니다. 3D 스캐닝을 사용하면 고정밀 3D 모델을 빠르고 쉽게 제작할 수 있어 전반적인 설계 프로세스를 가속화할 수 있습니다. 마찬가지로 초기 프로토타입 검사는 결함을 식별하고 수정하는 데 매우 중요하며, 3D 스캐너는 이때에도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

예를 들어 ASICS에서는 Spider II의 이전 버전인 Artec Space Spider를 사용하여 운동화를 3D 스캔하여설계 검사, 반복 및 마케팅을 진행합니다. 이 기술을 회사의 작업 흐름에 통합하여 시각화 기능을 개선하고 출시하기 전에 제품을 더 잘 평가할 수 있게 되었습니다. 제조 분야에서는 동일한 개념을 개조 중에 설계를 업그레이드하는 수단으로 레거시 부품 캡처에 적용할 수 있습니다.

변형 분석

항공우주 구조물과 마찬가지로 자동차 산업에서 볼 수 있는 많은 설계 요소는 하중을 받으면 심하게 변형됩니다. 따라서 자동차 제조업체는 안전상의 이유로 지속적인 사용이 성능에 어떤 영향을 미치는지 분석해야 합니다. 하지만 어떻게 그렇게 빠르게 그리고 필요한 계측 수준 정밀도로 처리할 수 있을까요?

현재 많은 사람들이 3D 스캐닝을 사용하여 프로토타입의 성능을 평가하거나 저장 탱크와 같은 부품이 시간이 지남에 따라 다양한 주행 조건의 영향을 받는지 평가합니다. CMM과 달리 이 기술은 빠른 속도로 사용할 수도 있습니다. 따라서 실제 생산 라인에서 자동차 섀시의 용접 스터드와 같은 구성 요소의 위치를 분석하는 데 더 적합합니다.

Artec Studio에서 검사를 준비하기 위해 동일한 차량의 예시 3D 모델과 병합되는 Dodge Charger 스캔.

크게 보면 3D 스캐닝은 시간 경과에 따른 인프라 성능 저하를 검사하는 데도 적합합니다. 미국에서의 연구에 따르면 이 기술은 전국적으로 교량과 같은 구조물의 수용 능력을 고속으로 정확하게 파악할 수 있는 것으로 나타났습니다.