1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

최근 해외 여러 기관과 매체에서 3D 프린트 산업은 미래 주요 핵심 기술로 선정되고 있으며 실제 3D 프린트 산업 규모는 빠르게 성장하고 있다(Park, 2017). 3D 프린터는 3D 형상을 제작하는데 시간과 비용을 절감할 수 있는 장점을 바탕으로 주로 자동차, 전자제품, 의료 산업 등 다양한 분야에서 시제품 제작 시 적용되고 있다. 국내 건설 산업 분야에서도 3D 프린터를 활용하고자 하는 방안이 제시되고 있으며, 3D 목업 제작 및 실제 구조물 건설에 3D 프린터 적용에 관한 연구들이 진행된 바 있다(Kang, 2014; Oh, 2014). 일반적으로 3D 프린터 출력을 위해서는 설계 프로그램이나 모델링 툴을 활용하여 3차원 모델을 제작하여야 한다. 하지만 비 반복적이고 수많은 공정으로 이루어진 토목 구조물과 같은 경우 3D 모델을 일일이 제작하는데 많은 시간과 비용이 필요하다는 단점이 있다. 따라서 건설 프로젝트 설계단계에서 작성되는 BIM 객체의 활용은 3D 모델의 제작 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다(Park, 2017).

BIM 데이터를 3D 프린터로 출력하기 위해서는 3D 프린터에서 사용되는 STL파일 포맷으로 변환이 필요하다. 하지만 변환된 STL파일은 3D 프린터 출력조건을 만족하지 않는 경우가 존재하여 3D 프린터 출력 시 문제가 있는 데이터로 구분된다. 이에 3D 프린터 출력이 가능하도록 STL파일을 출력조건에 맞추어 수정할 수 있으나, 일일이 모델링을 수정하는 것은 토목 공사의 특성상 많은 시간이 요구될 것으로 사료된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존 BIM데이터를 수집하고 3D모델링과정의 오류유형을 분석하여 토목 구조물 BIM 데이터의 3D 프린터 출력 시 발생되는 오류 원인을 도출한다. 도출된 오류 원인을 바탕으로 3D 프린터 출력 시 오류를 최소화 할 수 있는 3D 모델의 제작방안과 3D 프린터로 출력된 토목 구조물의 활용 방안을 제시한다.

1.2 국내외 연구동향

3D 프린터와 관련된 국내외 연구사례를 살펴보면 다음과 같다. Buswell (2007)은 초대형 건설물의 신속한 제조 가능성에 대한 연구를 진행하며, 이를 위해 디지털 제작 예제로 3D 프린팅 기술의 활용을 제시하였다. Lim (2012)는 Large-scale 기술을 이용한 건설 어플리케이션 용 부품 제조와 관련된 문제를 확인하는 콘크리트 인쇄 프로세스에 관한 연구를 진행하였으며 Ceccanti (2010)와 Cesaretti (2014)는 달의 표토를 3D 프린팅 재료로 활용하여 달에서의 서식지를 구축하기 위한 개념평가연구를 진행하였다. Peng Feng (2015)는 시멘트재료의 특성에 대한 연구를 제시하고 3D 프린터를 활용하여 표본을 제작하였으며 표본을 통해 3D 프린팅 구조물의 인쇄 시 동작의 분석에 필수적인 기계적 모델을 확립하기 위한 기초를 제공하였다. Lim (2013)은 3D 프린터는 건축 분야에서 고객과의 의사소통과 디자이너, 엔지니어들이 효과적으로 협업을 할 수 있는데 많은 도움이 되며, 설계 과정을 간소화 할 수 있으며, 시간과 비용을 절약하는데 큰 기여를 하고 있다는 결론을 도출하였으며, Moon (2014)은 국내 및 국외 건설 분야에서 3D 프린터를 적용한 사례 조사와 함께, 건설 분야 3D 프린터 응용 서비스 모델을 제시하였다. 또한 Lee (2014)은 3D 프린팅 기술 적용의 필요성에 대해서 제시하며, 시공 시 활용될 수 있는 3D 프린터의 개발과 이에 적합한 설계 방법 등에 관한 연구방안을 제시하였다. Yeon (2015)은 건축 설계단계에서 제작된 BIM 데이터를 3D 프린터로 출력하기 위해 STL 파일 구성조건을 만족하는 폴리곤 형태로 변환하는 프로세스를 제시하였다.

건설 분야에서 3D 프린터와 관련된 연구동향을 살펴보면, 주로 건축분야 위주의 연구가 진행되고 있는 것을 알 수 있다. 또한 국외의 경우 실제 구조물을 3D 프린터로 출력하기 위한 연구가 진행되고 있는 것을 알 수 있으며, 국내의 경우 3D 프린터 출력을 위한 방안, 적용성에 관한 기초적인 연구가 진행되고 있는 것을 알 수 있다. 실제 3D 프린터를 활용하여 구조물을 출력한 사례도 존재하나, 토목 구조물의 특성을 고려한 3D 모델 제작방안 및 BIM 데이터의 활용방안에 관한 연구는 부족한 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 토목 구조물의 특성을 고려한 3D 프린터의 활용을 위해 기존 BIM 데이터 분석을 통해 3D 프린터 출력 시 발생할 수 있는 문제점을 도출하고, 이를 바탕으로 3D프린터 출력물의 활용방안을 제시한다.

2. 이론적 고찰

2.1 3D 프린터 개념

3D 프린팅의 기본 원리는 얇은 막을 쌓아올려 입체적인 형태를 가진 물건으로 만드는 것으로, 얇은 막을 한 층씩 바닥부터 꼭대기까지 쌓아서 물건의 형체를 완성하게 된다. 3D 프린팅 과정은 크게 3D 물체의 설계를 만드는 모델링, 원료를 쌓아 올려 물건을 실제로 만들어내는 프린팅, 프린트된 물체를 굳히거나 표면처리를 하는 마무리 단계로 나뉜다. 모델링 과정에서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래픽 설계 소프트웨어나 3D 프린터에 번들로 동봉된 전용 프로그램을 이용해 물체의 모양을 3차원으로 구성하게 된다. 산업 현장에서 제품 디자인에 주로 사용되는 CAD로 만들어진 데이터는 3D 프린터에서 사용되는 STL 파일 포맷으로 변환되어 출력된다.

2.2 STL 파일

STL (STereoLithography)파일은 3차원 데이터를 표현하는 국제 표준 형식 중 하나로 3D Systems사에서 파일의 형식을 창안하였다. 3D 프린터 출력용 파일 중 가장 일반적이고 널리 사용된다. STL 파일은 Fig. 1과 같이 3D 모델 표면을 무수히 많은 삼각형들의 집합으로 쪼개 각 꼭짓점들의 위치 데이터를 저장하고 있다. 삼각형의 크기가 작을수록 3D 모델의 표면이 매끄럽게 출력된다.

Fig. 1.

STL File Format

3D 프린터 출력 조건을 만족하는 STL 파일은 Surface모델이 아닌 두께가 있는 Solid 모델이어야 한다. 또한 폴리곤의 벡터 방향이 통일되어 있지 않거나, STL파일 구성요소인 쉘, 폴리곤 등이 중첩된 경우와 같이 3D 프린터로 출력할 수 없는 조건사항이 존재한다.

2.3 3D 프린터 출력 프로세스

3D 프린터 출력을 위한 기본적인 프로세스는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

3D Printer Output Processes

먼저 사용자는 3D 프린터의 출력목적을 정의한다. 토목 구조물의 모형을 제작하기 위함인지, 실제 구조물을 출력하는 것인지에 대한 목적을 정의한 후, 3D 모델링을 진행한다. 제작된 3D 모델은 3D 프린터 출력 파일 포맷인 STL파일로 변환하여야 한다. STL 포맷으로 변환 시 모델의 표면은 무수히 많은 삼각형으로 나눠진다. 이때, 출력 조건에 맞지 않은 오류들이 발생하며, STL파일 오류 검토 소프트웨어를 사용하여 검토 및 수정과정을 거친다. 수정된 STL파일은 3D 프린터 출력을 위해 얇은 레이어 층으로 나누고, 여러 층으로 나누어진 모델은 3D 프린터 기계의 이동경로를 설정하기 위해 사용되는 G-Code파일로 생성된다. G-Code파일 생성과 함께 3D 프린터의 특성에 따라 출력 객체의 크기, 시간, 재료 등의 정보를 선택하여 3D 프린터 출력 과정을 거친다. 출력된 3D객체는 출력 시 3D 모델을 지지하기 위해 함께 출력된 서포트를 제거하거나, 채색과정 등을 거친 뒤 사용자의 목적에 따라 활용된다.

3. 3D 토목구조물 객체의 3D 프린터 출력 오류 원인 분석

3.1 3D 모델 데이터 수집

본 논문에서는 BIM 데이터 3D 모델을 3D 프린터로 출력하기 위한 파일인 STL 파일로 변환하였을 때 발생하는 오류를 분석하기 위해 Fig. 3과 같이 국토교통부, 한국건설기술연구원에서 제공하는 토목시설 BIM라이브러리와, 실제 건설 프로젝트에서 작성되었던 BIM데이터를 수집하였다. 수집된 데이터는 모두 Autodesk사의 REVIT으로 작성되었으며, 총 218개로 배수공, 옹벽공, 터널공, 교량공으로 4개의 분류로 구분하여 분석하였다.

Fig. 3.

Collected 3D BIM Data

3.2 3D 모델 오류 검토 과정

3D 프린터 출력 시 발생할 수 있는 3D모델의 오류 검토는 Fig. 4의 좌측 상단과 같이 Autodesk사의 REVIT을 통해 실행한다. 3D 프린터 출력을 위한 STL파일로 변환하기 위해, Fig. 4의 좌측 하단과 같이 ADD-IN으로 설치되어있는 STL Exporter for Revit을 실행하였으며, Binary 포맷으로 파일을 설정하여 STL파일로 변환하였다.

Fig. 4.

Process of BIM Data Error Review for 3D Printer Output

본 연구를 위해 218개의 수집파일을 Fig. 4의 우측 상단과 같이 STL 파일로 변환하였으며, Binary형식으로 저장된 STL파일은 STL 파일 오류 검토 및 수정 프로그램인 Materialise Magics와 Netfabb를 활용하여 3D 모델의 오류를 검토하였다. 위의 소프트웨어는 STL 파일을 검증하는 소프트웨어로 해당 소프트웨어를 거쳐 3D 프린터 출력 전 STL파일 검증을 통해 출력 시 발생할 수 있는 문제를 체크하여 3D 프린터 출력 실패에 따른 재료와 시간의 낭비를 줄일 수 있다.

3.3 BIM 3D 모델 오류 검토 결과

수집한 데이터 218개의 오류 검토 결과는 Table 1과 같다.

전체 218개의 데이터 중 60%가 넘는 데이터가 3D 프린터로 출력 시 문제가 있는 것으로 확인되었다. 배수공의 경우 156개 파일 중 53개 데이터만이 3D 프린터로 출력 가능하였고, 출력 가능한 파일은 그림 5의 상단 좌측과 같이 비교적 단순한 형태의 구조물로 확인되었다. Fig. 5의 오른쪽과 같이 집수정, 배수관, 배수관 날개벽 등 여러 구조물로 이루어져 있는 나머지 103개의 데이터 파일의 경우 쉘이 중첩되고 이에 폴리곤이 서로 중첩되어 STL 파일에 문제가 있음을 확인할 수 있었다. 옹벽공의 경우 수집데이터 중 1개를 제외한 나머지 파일이 모두 3D 프린터로 출력 가능하였다. 옹벽공은 대부분 하나의 쉘로 구성되어있어 폴리곤 간의 중첩이 발생하지 않았다. 오류가 발생한 데이터는 프리캐스트 옹벽으로 구조물이 연속적으로 이어져 있어 폴리곤이 서로 겹쳐진 오류가 발생한 것을 알 수 있었다.

Table 1. Summary of Error Analysis by Collected 3D Model

Fig. 5.

Results of Error Review (1)

터널공은 19개 파일 중 7개 파일이 출력 시 오류가 발생하는 것으로 확인되었으며, 교량 구조물은 수집된 데이터 모두 출력 시 오류가 발생하였다. Fig. 6의 상단과 같이 비교적 단순한 구조의 갱문은 1개의 쉘로 구성되어 있어 출력 시 문제가 발생하지 않았다. 하지만 오류가 발생한 갱문의 경우 쉘 및 폴리곤의 중첩, 면이 뒤집혀진 경우 등 다양한 오류가 발견되었다. 이는 면벽, 날개벽 등 갱문의 여러 부위를 따로 모델링하였으며, 다웰바, 실란트, 도장작업 등 3D 프린터 출력 시 고려하지 않아도 될 사항들이 함께 작성되어 오류가 많이 발생된 것으로 확인된다. 교량 구조물은 수집된 28개 데이터 모두 출력 불가능한 파일로 검토되었다. 이는 교량 구조물이 기초, 교대, 교각, 슬래브 등 다양한 부위가 각각의 쉘로 존재하며, 쉘들 간의 중첩이 일어났다. 또한 Fig. 6의 하단과 같이 폴리곤들이 뒤집혀져 있거나, 폴리곤의 꼭지점이 중첩되거나 폴리곤에 포함되어 있지 않는 등 STL 파일의 다양한 오류가 발생하였다. 발생된 오류는 소프트웨어 내의 자동오류수정 기능 등으로 수정할 수 없을 양으로 3D 프린터 출력을 위해서 BIM 데이터의 재 모델링이 필요한 것으로 판단되어진다.

Fig. 6.

Results of Error Review (2)

3.4 BIM 3D 모델 오류 검토 결과 분석

수집한 218개의 BIM 3D 모델 오류 검토를 통해 오류 발생 주요 원인을 Fig. 7과 같이 아래의 5가지로 요약할 수 있었다.

첫 번째, 쉘이 중첩되는 경우

두 번째, 모델의 표면일부가 뒤집혀 있는 경우

세 번째, 폴리곤이 중첩되는 경우

네 번째, 폴리곤이 닫혀있지 않고 구멍이 뚫려 있는 경우

다섯 번째, 모델의 두께가 0인 경우

Fig. 7.

Causes of STL File Errors

첫 번째의 경우는 쉘이 중첩되는 경우이다. 이때, 쉘은 내부 외부를 구분하는 단일 객체를 의미한다. 2개 이상의 쉘이 존재 하더라도 이들이 중첩되지 않을 경우 출력 시 문제는 발생하지 않는다. 하지만 쉘이 중첩되었을 경우 해당 부분의 폴리곤을 3D 프린터가 내부와 외부로 구분하지 못해 프린팅 시 오류가 발생하게 된다. BIM 모델의 경우 설계단계부터 유지관리 단계까지 전 생애주기에 걸쳐 물량산출, 4D시뮬레이션 등 다양하게 활용되기 위하여 각 공정별 BIM 모델은 각각 작성되어 여러 개의 쉘로 구성되어진다. 수집한 BIM 모델 중 옹벽, 터널 갱문 등과 같이 단일 쉘로 구성된 모델은 쉘의 중첩으로 인한 오류가 발생하지 않았지만, Fig. 8과 같이 기초, 교대, 교각, 슬래브 등 다양한 부위로 구성되어있는 교량 모델의 경우 쉘이 중첩되는 부분이 상당수 파악되었다. 그 외에도 집수정, 배수관, 배수관 날개벽 등 여러 부위로 이루어져 있는 배수공 또한 오류가 발생하였다.

Fig. 8.

Errors of STL File

두 번째는 모델의 표면일부가 뒤집혀 있는 경우이다. STL 파일을 구성하고 있는 삼각형 꼭짓점의 방향이 반대인 경우 면이 뒤집어 진 것으로 인식하여 3D 프린터 출력 오류가 발생한다. 모델러(modeler)가 라인으로 작업 후 폴리로 바꾸거나, 라인을 그리는 방향이 한 방향이 아닐 경우에도 면이 뒤집히는 경우가 발생한다. 또한 여러 쉘이 중첩됨에 따라 각 쉘의 면 방향이 뒤집혀져 오류가 발생한다. 이는 보다 복잡한 모델을 작성할 때 발생할 가능성이 높은 것으로 사료된다. 토목구조물은 단순한 형태의 경우가 많지만, 최근 비정형 구조물 설계가 증가하고 있어 3D 프린터 출력 시 면이 뒤집히는 경우가 많이 발생될 것으로 예상된다. 연구에서 분석한 BIM 모델 중 단일 쉘로 구성되어있고, 비교적 단순한 형태인 옹벽공, 터널공의 경우 면이 뒤집혀져 오류가 발생하는 경우가 극히 드물었다. 하지만 여러 쉘로 구성되어있는 구조물의 경우 쉘이 중첩되어 면의 방향이 뒤집히는 경우도 다수 발생하였다.

세 번째의 경우는 폴리곤이 중첩되는 경우로 각각의 면이 중첩되는 경우이다. 2개 이상의 쉘이 존재할 경우 쉘은 중첩되지 않지만 쉘을 구성하고 있는 폴리곤이 중첩되어 오류가 발생한다. 옹벽공은 15개의 수집파일 중 14개의 파일이 하나의 쉘로 구성되어 있어 폴리곤 간의 중첩이 발생하지 않았다. 오류가 발생한 데이터는 프리캐스트 옹벽으로 Fig. 9와 같이 구조물이 연속적으로 연결되어있는 모델이다. 옹벽이 조립되는 면 모두 폴리곤 간의 중첩이 발생한 것을 알 수 있다. 또한 교량 구조물 등 다양한 부위가 각각의 쉘로 존재하고, 이들의 폴리곤이 서로 중첩되어 있는 BIM 모델도 3D 프린터 출력 오류가 발생하였다.

Fig. 9.

Errors of STL File

네 번째는 폴리곤이 닫혀있지 않고 구멍이 뚫려 있는 경우이다. STL 파일을 구성하고 있는 삼각형은 인접한 삼각형과 두 개의 꼭짓점이 연결되어 있어야한다. 하지만 이들이 정확히 연결되어 있지 않고 떨어져 있는 경우 구멍이 난 것으로 인지하여 오류가 발생하게 된다. 이러한 오류는 4가지로 분류한 구조물의 특징에 관계없이 발생하였다.

다섯 번째 경우는 모델의 두께를 0으로 인식하여 오류가 발생하는 경우이다. 3D 모델의 면이 현저히 얇거나 3D 프린터의 노즐보다 작을 때 오류가 발생한다. 이는 실제 3D 모델의 크기와 출력하고자 하는 3D모델의 축척과도 관계가 있다. 수집된 모델 중 교량공의 경우 케이블의 두께가 현저히 얇아짐에 따라 두께를 0으로 인식하여 출력 시 오류가 발생할 수 있는 것으로 확인되었다.

이러한 5가지 출력 요인 외에도 여러 오류 원인들이 발견되었다. 터널공의 경우 면벽, 날개벽, 등 갱문의 여러 부위를 따로 모델링하여 쉘의 중첩이 발생함과 동시에 다웰바, 실란트, 도색작업 등 3D 프린터 출력 시 고려하지 않아도 될 사항들이 라인으로 모델링과 함께 작성되어 모델을 구성하고 있는 폴리곤의 꼭짓점 외에 라인에서 발생한 꼭짓점으로 인하여 오류가 생긴 것으로 판단된다.

STL파일로 변환된 모델은 한가지의 오류가 아닌 다양한 오류가 동시다발적으로 발생하였고 소프트웨어 내의 자동오류 수정기능으로 수정할 수 없을 정도로 방대하게 발생하였다. 따라서 3D 프린터 출력을 위해서 BIM 데이터의 재 모델링이 필요한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 이러한 오류 유형을 분석하여 건설 프로젝트에서 3D 프린터 활용을 고려한 BIM 데이터 제작 시 필요한 방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 우선적으로 도출된 토목 구조물 모델들의 STL 변환 오류 원인과 3D 프린터 특성을 참고하여 3D 모델 제작 방안을 제시한다.

4. 3D 프린터 출력을 위한 3D 모델 제작 방안

4.1 출력환경 조건 검토 프로세스

초기 3D 모델 제작 시 사용자의 출력 목적에 따른 LOD (Level of Depth) 설정과, 3D 프린터의 제한 요소들을 고려하여 출력 조건을 검토하여야 한다. 3D 프린터의 노즐 직경, 출력 가능 크기 등에 따라 3D 모델의 출력 축척이 결정된다.

본 연구에서 도출한 출력오류요인 중 모델의 두께가 0이 되는 경우를 방지하기 위해 Fig. 10과 같이 구조물의 목업(Moke-up) 제작과 같이 축소 모형을 제작할 경우는 3D 모델의 최소 두께와 3D 프린터 노즐 직경을 필수적으로 고려하여 출력 축적을 설정해야 한다. 3D 프린터가 출력할 수 있는 크기에 맞춰 모형을 축소 제작하게 될 경우 기존 3D 모델의 두께가 0에 가까워져 3D 프린터의 출력 시 제대로 출력되지 않는 경우가 발생할 가능성이 있다. 또한 3D 프린터의 노즐 직경 사양을 고려하여 3D 모델의 출력 크기를 설정 하여야 한다. 보통 3D 프린터의 노즐 직경은 0.2~1.0mm 사이로 노즐 직경이 작을수록 정밀하게 출력할 수 있다. 사용자는 3D 모델의 최소 두께와, 노즐의 직경을 고려하여야 오류를 방지할 수 있다. 3D 출력물 크기가 3D 프린터의 출력 사양보다 클 경우 이를 분할하여 출력할 수 있으나 토목 구조물은 크고 다양하며, 복잡하게 이루어져 있다. 이에 구조물을 3D 프린터 출력 가능크기에 맞춰 임의대로 분할할 경우, 출력 후 조립 시 애로사항을 겪을 수 있다. 따라서 사용자는 출력 목적에 맞게 3D 출력물의 정밀도와, 노즐의 직경, 구조물의 최소 두께, 3D 프린터의 출력가능 크기를 모두 고려하여 3D 모델을 작성해야 한다.

Fig. 10.

Review Process of Output Condition

4.2 3D 모델 작성 프로세스 

3D 모델은 출력 조건 검토 프로세스를 거쳐 3D 프린터 출력 목적, BIM 데이터의 LOD수준, 3D 프린터의 출력 사양, 축척 등을 모두 정의한 후 작성되어진다. Fig. 11과 같이 먼저 3D 모델 작성을 위해 모델링 Tool을 선택한다. 우선 BIM 설계 모델링 Tool을 활용하여 3D 모델을 작성하며, 이 때, 도출된 3D 출력 오류 원인을 고려하여야 한다.

Fig. 11.

Generating Process of 3D Model

토목구조물의 특성상 BIM 모델은 단일 쉘보다 여러 쉘로 구성된 모델이 더 많다. 따라서 STL 파일의 가장 많은 오류를 발생시키는 원인인 폴리곤의 중첩 및 셀의 중첩을 주의하여 모델링을 진행해야 한다. 3D 프린터 출력을 위해서는 각 쉘이 중첩되는 경우가 없도록 해야 한다. 또한 쉘이 중첩되지 않더라도 쉘 간 폴리곤이 중첩될 수 있으므로, 단일 쉘로 모델을 구성하거나, 여러 부위를 단일 쉘로 출력하여 조립해야 오류가 없는 출력물을 얻을 수 있다. 오류가 많이 발생한 교량공의 경우, 교각 교대, 상판, 교좌장치 등 각 부위별로 BIM 데이터를 개별적으로 출력해야 쉘의 중첩, 폴리곤의 중첩을 방지하여 3D 프린터 출력 시 오류를 줄일 수 있다.

4.3 STL 파일 검토 및 3D 프린터 출력 프로세스

STL 파일을 검토, 수정하는 과정을 거치지 않고 3D 프린터로 출력 시 예상치 못한 오류로 인해 출력에 실패할 수 있다. 혹은 오류가 발생하더라도 3D 프린터 자체 정밀도에 따라 오류를 인식하지 못하여 그대로 출력되는 경우도 있다. 따라서 STL 파일의 오류를 검토하고 오류가 발견될 경우 이를 수정하거나 재 작성하는 과정이 필요하다. STL파일의 오류 검토 프로세스는 Fig. 12 좌측과 같다. STL 파일 오류 체크 수정프로그램을 통해 STL 파일의 오류를 검토하면서 발생한 오류를 자동적으로 체크하고 수정할 수 있다. 자동수정 기능을 통해 오류를 수정할 수 없는 경우 사용자가 수작업으로 폴리곤이 뒤집힌 경우 등을 수정해야 한다. 하지만 수정이 불가할 정도의 많은 오류가 발생할 때에는 발생된 오류를 검토하여 3D 모델을 재 작성하는 과정이 필요하다. STL 파일이 오류검토 및 수정 프로그램을 통해 3D 프린터 출력 시 문제가 없는 파일로 확인된 후, Fig. 12의 우측과 같이 3D 프린터 출력 프로세스를 통해 3D 프린터 출력과정을 거치게 된다. 모델을 미분하듯이 얇게 층을 나누기 위해 STL 파일을 슬라이서 프로그램을 활용한다.

Fig. 12.

Review Process of STL File and Output Process of 3D Printer

이러한 과정 중 3D 모델을 지지하는 지지대(서포트)의 비율, 출력 속도, 노즐의 직경, 3D 프린터의 재료 및 색상정보 등과 같은 출력 환경 옵션을 선택한다. 그 후 G-Code 파일을 생성하여 컴퓨터와 연결된 3D 프린터의 내장 프로그램에 입력하거나, SD 카드를 직접 3D 프린터에 삽입하여 해당 파일을 출력하게 된다.

앞서 기술한 오류유형별 오류 방지를 위한 3D모델링 및 출력과정의 개선방안은 Table 2와 같이 요약할 수 있다.

Table 2. Improvement of Modeling and Printing Process by Error Type of Output

5. 3D 프린터 출력물 활용방안 제시

5.1 사례프로젝트 3D 프린터 출력

실제 프로젝트를 대상으로 3D 프린터 출력물 활용 방안을 제시하고자 본 연구에서는 호남고속철도 OO교량을 실제로 출력하여 3D 프린터 출력물 활용 방안을 제시하였다. Fig. 13과 같이 3Ds Max를 이용하여 제작된 모델과 MS Project를 이용하여 공정표를 활용하였으며, 3D 모델뿐만 아니라 실제 지형 모델이 포함되어 있어 OO교량을 활용검증대상으로 선정하였다.

Fig. 13.

3D Modeling and Schedule Network

사례 프로젝트의 경우, 현재 완공된 프로젝트로서 기존 3D모델을 활용할 수 있었으나, 기존 시공사에서 제공받은 모델링은 3Ds Max를 사용한 서피스 모델로, STL파일형식으로 변환하고, 3D 프린터 출력을 위한 오류검사 과정에서 다수의 오류가 발생하였다. 이에 연구에서는 제공받은 데이터를 바탕으로 3Ds Max를 이용하여 솔리드 모델로 재 모델링 작업을 수행하였다.

Fig. 14는 출력하고자 하는 3D 객체의 선택 및 검토를 완료하고, 실제 3D 프린터를 이용하여 출력하는 과정을 나타낸 것으로서 사례프로젝트인 OO교량의 일부 구역을 3D 프린터로 출력하였다. 이를 위해서 출력될 객체를 선택한 후, 3D 프린터용 출력 파일 형식인 STL 파일 형식으로 변환하였다. STL파일 형식으로 변환된 파일은 원활한 3D 프린터 출력을 위해 Netfabb를 이용하여 STL파일에 대한 오류 검토 및 수정작업을 거친 결과, 솔리드 형태로 재 모델링한 파일은 STL 파일 오류가 없는 것으로 판단되었다. Cura를 활용하여 3D 프린터 출력 정보를 설정하여 재 모델링한 OO교량을 출력하였다.

Fig. 14.

Process of 3D Printing for Bridge Structure

5.2 4D기반 공정관리용 증강현실 객체 활용

최근 실제공사에 증강현실 객체의 활용 사례가 증가하고 있으나, 토목시설물 현장이 방대하고 마커(Marker)부착 등의 어려움으로 실제 현장에서 증강현실을 적용하는 것에 애로요인이 많이 발생한다. 3D 프린터로 출력한 구조물은 현장 상황의 축소물이므로 마커부착 등이 용이하여 증강현실 적용절차가 간소화될 수 있고, BIM기반 공정관리 업무에 필요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

공정관리업무에서 증강현실 객체에 필요한 정보는 증강할 3D객체, 해당 일정정보 및 특이사항 등의 기타정보로 구분할 수 있다. 3D프린터 출력물을 증강현실객체로 활용하는 과정은 Fig. 15와 같다. 우선 WBS코드, 공정 등의 탐색조건을 입력하여 3D객체를 도출하고, 3D 뷰어창을 통해 객체의 형상과 기타 세부정보를 검토한다. 3D객체 검토가 완료되면, 증강현실을 구현할 마커를 설정한다. 마커 등록이 완료되고, 이와 연동될 3D객체 리스트를 추가하면 이들 간의 이력정보가 생성되고, 이는 별도의 파일로 저장된다. 특히, 3D프린터 출력물에 대한 객체정보 및 후속공정에 대한 정보를 증강현실로 구현할 경우에는 사용자가 직접 해당 객체를 개별적으로 탐색하는 것 보다는 3D 프린터의 출력이력정보를 활용하는 것이 바람직하다. 출력이력정보에는 출력된 객체 정보, 출력 목적 등을 제공하고 있으므로 이를 참고하여 증강현실 객체를 구성하는 것이 효율적이다.

Fig. 15.

AR Application Process of 3D Printer Output

5.3 구조물 목업 활용

일반적으로 건설프로젝트의 설계가 완성하면 현장의 조감도를 작성하고 있다. 이러한 조감도 작업은 보통 3D 모델링 소프트웨어를 활용하여 모델링한 후, 현장의 이미지를 3D 렌더링을 통해 제시하거나, 다양한 재료를 사용하여 직접 모형을 제작하고 있다. 이와 같은 기존 목업(mockup)의 제작 방식은 상당한 비용과 시간이 요구되고 있다. 그러나 이러한 문제는 3D 프린터의 활용으로 해결할 수 있다. 이는 실제 목업을 제작하는 것에 비해 3D 프린터로 목업을 제작할 경우, 작업 시간과 비용을 상당히 절약할 수 있기 때문이다. 또한, 일반적인 3D 프린터는 3D 모델만 있으면 단시간 내에 출력이 가능하기 때문에 목업의 자동화가 가능하다. 이러한 목업의 자동화는 빈번한 설계변경이나 대안공법을 선정해야할 경우, 즉시 해당 사항을 3D 프린터로 출력함으로서 사용자가 이해하기 쉽도록 입체적이고 사실적으로 가시화할 수 있다.

3D설계가 보편화되는 단계라면 설계단계의 3D모델을 3D프린터로 출력하여 기존 목업 구조물을 대체할 수 있으므로, 기존 목업 모형구조물 제작과정을 대폭 간소화하여 비용과 시간절감에 기여할 것으로 기대된다.

5.4 건설 현장 조감도 활용

토목구조물의 결과물이나 프로젝트 현황을 미리 시각적으로 보여 주기 위한 조감도 제작에서도 3D 프린터를 활용할 수 있다. 현장의 지형을 그대로 반영하여 3D 프린터로 출력할 수 있어 실제 지형과 구조물의 형상을 명확하게 파악할 수 있다. Fig. 16에서 상단은 동일한 철도시설 교량구조물을 3D 프린터로 출력한 모습이다. 실제 지형을 그대로 적용하여 출력을 진행하였으며, 본 연구에서 제시한 출력 프로세스에 따라 실제 3D 프린터 출력 가능 크기와 출력 조건을 고려해 지형 및 교량 구조물을 모델링 한 후, 각각 분할하여 출력하였다. 또한 채색과정을 통해 좀 더 사실감 있는 조감도를 완성하였다. 실제 프로젝트는 운행 중인 고속도로 상부에 교량을 가설하는 공사로 현장의 특수한 상황을 고려한 시공이 중요하였다. 실제 건설현장의 지형모습과 상황을 3D프린터로 재현한 출력물은 현장 공사 관리자에게 현장 특수상황의 이해도를 증진시킬 수 있고, 공사 홍보자료로 활용성을 기대할 수 있다.

Fig. 16.

Mock-Up Application of 3D Printer Output

6. 결 론

본 연구에서는 건설 프로젝트 설계단계에서 발생되는 BIM 데이터를 활용하여 3D 프린터로 토목 구조물을 출력 시, 발생할 수 있는 오류와 원인을 검토하고 오류를 사전에 방지할 수 있도록 3D 프린터 출력을 위한 3D 모델링 방안을 제시하였다. 총 218개의 수집 데이터를 분석한 결과 3D객체의 오류 유형은 모델의 표면일부가 뒤집혀 있는 경우, 쉘이 중첩되는 경우, 폴리곤이 중첩되는 경우, 폴리곤이 닫혀있지 않고 구멍이 뚫려 있는 경우, 모델의 두께가 0인 경우 등 총 5가지로 구분하여 도출하였다. 이 중 쉘이 중첩되는 경우와 폴리곤이 중첩되는 경우로 인한 오류가 가장 많이 발생하고 있음을 파악하였다. 이러한 분석은 실제 BIM 데이터를 바탕으로 오류를 검토하였기 때문에 3D 프린터 출력을 고려한 BIM 데이터 제작 시 참고할 수 있는 자료가 될 수 있다. 연구에서는 도출해 낸 오류를 바탕으로 출력 조건 검토 프로세스, 3D 모델 작성 프로세스, STL 파일 검토 및 3D 프린터 출력 프로세스로 나누어 토목 구조물의 3D 프린터 출력을 위한 방안을 제시하였다. 또한 연구에서 제시한 3D 모델링 제작 프로세스를 통해 토목구조물의 3D 프린터 출력 시 발생할 수 있는 오류를 최소화 하고자 하였으며, 이를 실제 철도시설 교량구조물을 대상으로 3D 프린터로 출력하여 토목구조물 BIM데이터의 활용 방안을 제시하였다.