3D 모델링의 개요 및 종류

■ 3차원 모델링과 주얼리캐드의 종류 
   1. 3차원 모델링(3D Modeling)의 개요 및 종류
   1) 3차원 모델링의 개요
   2) 3차원 모델링의 종류    
  
   2. 주얼리 관련 CAD의 종류
   1) JewelCAD
   2) JCAD3/Pro
   3) Rhino Jewelry Cad
   4) 3D Studio Max, AutoCAD, ...etc. (일반 캐드프로그램의 활용) 

 

1. 3차원 모델링(3D Modeling)의 개요 및 종류

1) 3차원 모델링의 개요

모델링(geometric modeling)이라는 용어는 1970년대의 CAD/CAM 시스템의 발전과 더불어 사용되기 시작했다. CAD에서 제품을 설계하고, 그 결과를 컴퓨터의 화면에 시각적으로 나타내는 것이다. 실물과 같이 보고 느낄 수 있도록 물체의 형상을 구성하는 과정을 말한다. 이러한 일련의 과정을 통해 모델링된 데이터는 CNC(Computer Numerical Control)나 RP장비(Rapid Prototyping Machine)를 통해 형상을 가공하게 되는 것이다.

CAD/CAM으로 표현되는 모델의 차원(D; dimension)은 2D, 2½D 혹은 2.5D, 3D의 3가지로 구분할 수 있다. 우선 2D 모델링이란 형상정보의 2차원적인 자료로서, 도면작성과 같은 방법이 이것에 해당한다. 2½D 모델링은 2D에서 작성한 평면의 데이터에 제 3의 요소인 측단면과 길이에 대한 정보를 추가하여 3차원의 형상을 만드는 방식을 말한다.
3D 모델링은 80에서 90년대의 엔지니어링 수준의 컴퓨터가 속속 등장하며 적극적으로 이루어진 것이다. 입체를 표현하는 x, y, z축의 좌표값을 입력 혹은 표시함으로서 3차원의 형상을 구현하는 것이다. 기본적으로 와이어프레임 모델링, 서페이스 모델링 그리고 솔리드 모델링의 구성 방식으로 3차원의 형상을 표현하고 있다.

 

2) 3차원 모델링의 종류

① 와이어프레임 모델링(Wire Frame Modeling)
1960년대에 처음 개발된 이 방식은 점, 직선, 원과 호 등의 기본적인 기하학적인 요소로 마치 철사를 연결한 구조물과 같이 모델링을 하였다. 소요시간이 적게 들고 메모리의 용량이 적어도 모델링이 가능하여 주로 2차원의 도면 출력을 위한 용도와 평면 가공에 적합한 모델링 방식이다. AutoCAD가 대표적인 프로그램이라고 할 수 있다.

 

② 서페이스 모델링(Surface Modeling)
이 방식은 물체의 경계면을 구성하는 요소를 기초로 만든 것으로 흔히 경계면 모델링(boundary surface modeling)이라고 한다. 와이어 프레임의 데이터에 표면의 데이터를 인식할 수 있도록 하는 것으로 가공면을 정확히 인식하여 NC를 통한 가공이 용이한 방식이다. 한편 표면에 대한 정보는 제공하는 반면에 물체의 내부에 대한 정보를 제공하지 못하기 때문에 컴퓨터에 의한 물체의 용적이나 체적을 구할 수 없는 단점이 있다. 따라서 겉 표면만이 존재하는 모델링기법으로 인식되며 컴퓨터의 속도와 메모리의 용량을 적게 쓴다. 3D Max와 같은 프로그램이 이 방식에 해당하며 주로 표면을 랜더링하기 위한 목적이나 애니메이션 등의 필름용, 화면용으로 데이터를 출력하는 용도에 많이 쓰여진다.
한편 서페이스를 구성하는 방식에 따라 다음과 같이 나누고 있다.

- plane은 가장 기초가 되는 평면이다.
- tublated cylinder는 길이를 표현할 곡선(curve)과 폭을 지정하는 선분(vector)을 이용하여 면을 생성시키는 것이다.
- ruled surface는 각각 반대편에 2개의 곡선 혹은 직선을 기준으로 면을 생성시키는 방법이다.
- revolved surface는 축에 해당하는 직선과 물체의 외곽을 결정하는 선분을 만들어 회전시키는 방식으로 면을 생성하는 것이다.
- curve mesh surface는 경계를 표현하는 선분들을 지정하여 자유곡면을 만드는 방식이다.
- filleted surface는 입체와 입체가 만나는 면을 부드럽게 연결할 수 있도록 표면을 생성시키는 방식이다.

 

③ 솔리드 모델링(Solid Modeling)
모델링에서 가장 진보적인 방식으로 와이어프레임이나 표면 모델링과 흡사하나 3차원으로 형상화된 물체의 내부를 공학적으로 분석할 수 있는 방식이다. 물체를 가공하기 전에 가공상태를 미리 예측하거나, 부피, 무게 등의 다양한 정보를 제공할 수 있는 것이다.

솔리드 모델링에 의한 물체의 표현방식에는 B-rep(Boundary Representation)과 C-rep 혹은 CSG(Constructive Solid Geometry)방식이 있다.
B-rep에 의한 모델은 정점(vertex), 면(face), 모서리(edge)가 서로 어떻게 연결이 되는가 하는 상관 관계를 이용해 물체를 형상화하는 것이다. 한편 형상이 서로 다른 육면체와 잘린 피라미드의 경우 형상은 다르지만 모델링의 요소인 정점과 면과 모서리는 같은 상관관계로 인식하기도 한다. 즉, 물체의 한 쪽 모퉁이에서 만나는 면은 3개이고 모서리 수도 3개로 같게 인식될 수 있다는 것이다. CSG에 의한 방식은 형상을 서로 조합하는 방식을 사용한다. 이때 쓰이는 형상의 조합을 볼랜작업(boolean operation)이라고 한다.
형상을 합치고, 빼는 등의 작업은 크게 3가지의 볼랜작업인 합집합(union/fusion), 차집합(subtract /difference), 교집합(intersect/common)으로 이루어진다. 이 연산처리 작업은 빠르고 많은 메모리를 요구되는 작업이며 물체의 내부까지도 연산처리해야 하는 것으로 물체의 표면적(surface area), 무게중심(center of gravity), 부피(volume), 무게(weight)의 물질특성의 내용을 알아볼 수 있다. 대부분의 솔리드 모델링 프로그램(Solid Modeling Program)은 이러한 작업이 가능하다.

프로그램의 성능 및 기능의 우수성은 데이터베이스의 구축이 어떻게 되어 있는가에 따라 판정되며 저장된 자료의 수정, 편집, 추가, 삭제가 용이하고 적합하여야 그 우수성을 인정 받게되는 것이다. 이것이 데이터베이스 관리시스템(data base management system: DBMS)이라고 한다. 주얼리 관련분야에서는 현재 JewelCAD, JCAD3, RJC(Rhino Jewelry Cad), Form-Z 등이 솔리드 모델러(Solid Moderler)로 인정받고 있다.