3D 스캐닝의 주요 유형에는 어떤 것들이 있나요?

3D 스캐닝 기술

3D 스캐닝 기술은 접촉식, 비접촉식, 파괴식 방식으로 나눌 수 있습니다. 이 기술은 계측, 리버스 엔지니어링, 품질 관리 및 관련 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

접촉식 측정 방식

접촉식 스캐닝: 좌표 측정기

좌표 측정기(CMMs)는 1960년대에 개발된 효율적이고 정밀한 측정 기기입니다. 이 기기의 등장은 자동 및 CNC 공작 기계에서 점점 더 복잡해지는 부품의 효율적인 가공을 뒷받침할 신뢰할 수 있는 측정 장비에 대한 필요성에 의해 촉진되었습니다. 전자공학, 컴퓨터 기술, 수치 제어 및 정밀 가공 분야의 발전 또한 CMM의 기술적 토대를 마련해 주었습니다.

1960년, 영국의 페란티(Ferranti)는 세계 최초의 CMM를 성공적으로 개발했습니다. 1960년대 말까지 약 10개국에서 30개 이상의 기업이 CMM를 생산하고 있었으나, 당시 제품들은 여전히 초기 단계에 머물러 있었습니다. 1980년대부터 ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti, Moore 등 여러 기업들이 지속적으로 신제품을 출시하면서 CMM는 급속한 발전을 이루었습니다. 현대식 CMM는 컴퓨터 제어 하에 복잡한 측정을 수행하고, CNC 공작기계와 정보를 교환하여 가공을 제어하며, 측정 데이터를 기반으로 한 리버스 엔지니어링을 지원할 수 있습니다.

오늘날 CMM는 기계 제조, 자동차, 전자, 항공우주 및 방위 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이 장비는 현대 산업 분야의 검사 및 품질 관리에 없어서는 안 될 필수 장비로 자리 잡았습니다.

CMM의 구성 요소 및 작동 원리

CMM는 주로 기계 시스템과 전자 시스템으로 구성된 전형적인 메카트로닉스 시스템입니다.

1. 기계 시스템: 이 시스템은 일반적으로 세 개의 직교하는 직선 운동 축으로 구성됩니다. 전형적인 구조에서 X축 가이드웨이 시스템은 작업대에 장착되고, 이동식 브리지 빔이 Y축 가이드웨이 시스템을 형성하며, Z축 가이드웨이 시스템은 중앙 슬라이드에 설치됩니다. 각 축에는 변위를 측정하기 위한 눈금자가 장착되어 있습니다. 수동 핸드휠과 모터 구동 장치(전원 구동 방식이든 CNC 제어 방식이든)는 일반적으로 각 축 근처에 위치합니다. 검사 대상 부품의 표면에 접촉하는 데 사용되는 프로브는 Z축 끝단에 장착됩니다.
2. 전자 시스템: 이 시스템은 일반적으로 스케일 계수 장치, 프로브 신호 인터페이스 및 컴퓨터로 구성됩니다. 이 시스템은 측정 대상 부품으로부터 좌표점 데이터를 수집하고 이를 처리합니다.

CMM의 작동 원리는 기하학적 형상의 측정을 해당 형상 상의 일련의 점 좌표 측정으로 변환하는 것입니다. 점 좌표가 확보된 후, 수학적 계산을 통해 치수와 기하 공차를 산출합니다. 예를 들어, 원통형 구멍을 측정할 때 구멍 축에 수직인 평면상에서 여러 지점을 프로빙할 수 있습니다. 그런 다음 이 점들의 공간 좌표를 사용하여 구멍의 직경, 중심 좌표, 진원도 오차, 원통도 오차 및 구멍 축의 위치 관계를 계산할 수 있습니다. 이는 CMM의 뛰어난 다목적성과 유연성을 보여줍니다. 원칙적으로 이 장비는 모든 공작물의 모든 기하학적 형상과 매개변수를 측정할 수 있습니다.

관절식 측정기의 상호 보완적 역할

관절식 암 측정기도 접촉식 측정 장치에 속합니다. CMM와 달리, 이 장비는 정밀 작업대, 기둥 또는 가이드웨이를 사용하지 않습니다. 대신, 여러 자유도를 가진 관절식 암을 사용하며 유연한 좌표 측정기로 활용될 수 있습니다.

팔 끝부분에 센서를 장착할 수 있습니다. 로터리 엔코더는 각 관절의 회전 각도를 기록하며, 운동학 원리를 이용하여 공간 내 센서의 좌표를 계산합니다. 사용 시, 작업자는 측정 암을 잡고 프로브를 검사 대상 표면에 접촉시킵니다. 버튼을 누르면 좌표와 프로브 핸들의 방향이 기록되며, 이 정보는 직렬 케이블을 통해 측정 소프트웨어로 전송됩니다. 이 유형의 장비는 방향에 거의 제한을 받지 않으며, 작업 범위 내에서는 어떤 방향으로도 측정이 가능합니다. 일반적으로 CIM-CORE 및 FARO의 수동식 암을 포함하여 대형 판금 금형의 리버스 엔지니어링 측정에 사용됩니다.

CMM와 비교할 때, 관절식 측정기는 정확도는 다소 낮지만 측정 범위가 더 넓고, 공작물의 크기와 형상에 따른 제약이 적습니다. 이 측정기는 구조가 콤팩트하고 사용이 유연하며, 공정 중 측정에 적합합니다. 그 외의 측면에서는 CMM와 유사합니다.

비접촉 방식

비접촉식 측정은 주로 광학 원리를 이용하여 데이터를 수집합니다. 일반적인 방법으로는 레이저 거리 측정, 레이저 삼각측량, 구조광, 이미지 분석, 간섭계 측정 등이 있습니다. 광학 측정 장비는 빠른 측정 속도와 높은 수준의 자동화를 제공합니다. 접촉 압력이나 마찰이 없기 때문에, 힘이 가해져 부품이 변형되어 발생하는 측정 오류를 방지할 수 있어, 복잡한 모델로부터 신속하고 대규모로 데이터를 수집하는 데 매우 적합합니다.

광학 측정의 기본 원리는 물리적 아날로그량을 적절한 알고리즘을 통해 부품 표면의 좌표 데이터로 변환하는 것입니다.

레이저 거리 측정

레이저 거리 측정은 레이저 빔의 비행 시간, 빛의 속도, 대기 굴절률을 바탕으로 측정 지점과 기준면 사이의 거리를 계산합니다. 비행 시간을 직접 측정하기 어렵기 때문에, 위상 기반 거리 측정기에서는 일반적으로 연속파 위상 측정 방식이 사용됩니다. 이 방법을 사용하면 일반적으로 밀리미터 수준의 정확도로 수백 미터에 달하는 거리를 측정할 수 있습니다.

레이저 삼각측량

레이저 삼각측량은 광원과 카메라와 같은 이미징 센서 사이의 위치 및 각도를 이용하여 점의 공간 좌표를 계산하는 방식입니다. 이 방식은 점, 선 또는 면의 측정에 활용될 수 있습니다.

1. 작동 거리가 길어, 공작물 표면에서 비교적 멀리 떨어져 있어도 공작물을 측정할 수 있습니다.
2. 측정 범위가 넓습니다. 넓은 측정 범위로 인해 발생하는 비선형 오차는 소프트웨어를 통해 보정 및 수정할 수 있습니다.
3. 이 프로브는 측정 대상과 접촉하지 않으므로, 연질 재료의 표면에서 데이터를 수집할 수 있을 뿐만 아니라 날카로운 모서리, 오목한 부분 및 기타 복잡한 윤곽을 효과적으로 측정할 수 있습니다.
4. 데이터 수집 속도가 빠릅니다. 넓은 표면의 경우, CMM 또는 CNC 공작기계에서 프로브 보정 없이도 데이터를 신속하게 수집할 수 있습니다.
5. 가격이 비교적 비싸며, 산란 반사나 수직 벽면과 같은 표면 특징이 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.
6. 이 장치는 측정 대상 물질, 표면 거칠기 및 반사율에 민감하며, 그 정확도는 일반적으로 CMM보다 약간 낮습니다.

구조광 및 그레이 코드 기술

구조광 방식은 줄무늬나 격자무늬와 같은 특정 광 패턴을 물체 표면에 투사합니다. 표면의 3차원 좌표는 굴곡진 표면에 의해 반사된 패턴이 어떻게 변형되는지를 포착하여 계산됩니다. 대표적인 방식으로는 투사 격자법이 있는데, 이는 표면 높이의 변화에 따라 격자 줄무늬가 변형되는 현상을 통해 높이 정보를 얻습니다.

수동적 이미지 분석과 달리, 구조광 방식은 인공 광원을 능동적으로 투사해야 합니다. 수동적 스테레오 비전은 하나 이상의 카메라를 사용하여 물체를 다양한 각도에서 촬영하고, 이미지 시차로부터 깊이를 계산합니다. 양안 구조광 시스템은 두 방식의 장점을 결합하여 측정 효율을 더욱 높일 수 있습니다.

쌍안식 구조광 측정법은 한 번의 작업으로 대량의 데이터를 수집할 수 있어 복잡한 표면을 효율적으로 측정하는 데 적합합니다. 그러나 측정 결과는 피측면 표면의 광학적 특성에 영향을 받기 때문에, 투명하거나 검은색인 표면의 경우 측정이 더 어렵습니다. 정확도는 일반적으로 접촉식 측정법보다 약간 낮습니다.

독일 GOM사의 ATOS 광학 스캐너는 전형적인 구조광 측정 시스템입니다. 이 시스템은 물체 표면에 격자 무늬를 투사하고, 두 대의 고해상도 카메라를 사용하여 변형된 격자 무늬 이미지를 포착한 뒤, 3차원 표면 좌표를 계산합니다. 이를 통해 복잡한 구조물의 전체 포인트 클라우드 데이터를 매우 짧은 시간 내에 획득할 수 있습니다. ATOS II는 약 280mm × 350mm의 단일 측정 영역을 가지며, 최대 130만 개의 스캔 포인트를 캡처할 수 있고, 단일 측정 시 ±0.03mm의 정확도를 달성할 수 있습니다. 더 큰 물체의 경우, 여러 각도에서 측정한 데이터를 결합하여 전체 모델을 생성할 수 있으며, 조립 정밀도는 약 0.1 mm/m입니다.

그레이 코드와 정현파 위상 변이를 결합한 방식은 구조광 기술에서 흔히 사용되는 인코딩 방법입니다. 그레이 코드는 먼저 측정 공간을 여러 영역으로 나누어 각 점의 대략적인 위치를 파악합니다. 그런 다음 각 영역 내에서 정확한 위치를 파악하기 위해 위상 변이를 활용합니다.

그레이 코드의 핵심 특징은 인접한 코드 간에 단 1비트만 차이가 난다는 점입니다. 이를 통해 여러 비트가 동시에 변경될 때 발생할 수 있는 오류를 방지하여, 광범위한 측정 범위에서 높은 신뢰성과 낮은 복호화 오류율을 보장합니다. 그 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 오류율이 낮은 안정적인 인코딩.
2. 이는 가중치 코드로, 서로 다른 그레이 코드는 직접 비교할 수 없으며, 처리를 위해 먼저 이진 코드로 변환해야 합니다.
3. 코드워드 내의 1의 개수를 통해 해당 값이 홀수인지 짝수인지 판단할 수 있다.

다중 주파수 헤테로다인 위상 격자 기술은 DLP 프로젝터를 사용하여 컴퓨터로 생성된 디지털 격자를 물체 표면에 투사합니다. 두 대의 카메라가 변형된 줄무늬를 동기화하여 촬영하고, 위상 계산을 통해 물체 표면의 3차원 포인트 클라우드 데이터를 생성합니다. 이 방식을 통해 높은 투사 정확도를 유지하면서 격자 주파수를 유연하게 조정할 수 있습니다.

이미지 분석

이미지 분석은 여러 이미지에서 동일한 점의 상대적 위치를 이용하여 시차(disparity)를 통해 거리를 계산함으로써, 해당 점의 공간 좌표를 구합니다. 또한 측정 효율과 적용 범위를 높이기 위해 다른 광학 기법과 결합되는 경우가 많습니다.

파괴적 방법

파괴적 스캐닝의 적용 범위

자동 연속 단면 스캐너는 층별 재료 제거와 층별 스캔을 결합하여 모델의 내부 및 외부 윤곽 데이터를 획득합니다. 먼저, 측정 대상 부품을 흑연 분말이나 안료가 함유된 전용 수지 재료로 완전히 캡슐화합니다. 수지가 경화되면 밀링 머신에 고정하고, 매우 얇은 절삭 깊이로 가공하여 부품과 수지가 모두 포함된 단면을 만듭니다. 그런 다음 이 단면을 CCD 디지털 카메라 아래로 이동시켜 디지털 샘플링을 수행합니다. 캡슐화 재료와 부품 사이에는 뚜렷한 경계가 있으므로, 필터링, 에지 추출, 텍스처 분석, 이진화 등의 디지털 이미지 처리 기법을 통해 경계 윤곽을 추출하고 윤곽 좌표 값을 얻을 수 있습니다. 모든 모델 단면의 좌표 데이터가 확보될 때까지 절삭 및 분석 과정을 반복합니다.

산업용 컴퓨터 단층촬영(CT)에 비해 자동 연속 단면 스캐너는 장비 및 운영 비용이 더 저렴합니다. 픽셀 추출 방식을 기반으로 하기 때문에 각 단면에서 대량의 데이터를 획득할 수도 있습니다. 그러나 측정 대상을 파괴한다는 점이 명백한 단점입니다. 시장에서 비교적 성숙한 단계에 이른 자동 연속 단면 스캐너로는 미국 CGI사의 RE1000이 있습니다.

산업용 컴퓨터 단층촬영

산업용 컴퓨터 단층촬영(ICT)은 복잡한 내부 및 외부 구조와 재료 형태를 재현하기 위한 비파괴 디지털 단층촬영 기법을 제공합니다. 물리적 시편이 단층촬영을 거치면, ICT는 일련의 단면 이미지와 데이터를 생성합니다. 이러한 단면 이미지와 데이터에는 공작물의 단면 윤곽과 내부 구조에 대한 완전한 정보가 포함되어 있습니다.

ICT는 의료용 CT의 성공적인 적용 사례를 산업 분야로 확대합니다. 이 기술은 복잡한 구조를 가진 소형, 중형, 대형 성형 부품의 리버스 모델링 및 품질 관리뿐만 아니라, 기술 분석, 제품 결함 및 신뢰성에 대한 비파괴 진단, 조립 구조 분석에도 활용될 수 있습니다.