마스터캠 2021를 활용한 3D 캐릭터 모델링 가공 기초방식-1 (카카오 라이언)

 이번에는 어느 네이버카페의 한 회원분이 카카오 라이온 인형(?)을 머시닝에서 깎아보고 싶다는 의견을 내셨습니다.

 

 그래서 3축 일반 머시닝의 바이스 소재체결 상태로 가능한 무리없이 간단하게 3D 모델링을 가공하는 한 예를 설명하겠습니다.
* 설명자체는 경력이 짧은 초보 작업자를 대상으로 가능한 단순작업으로 하는 것으로 방향을 잡았습니다.

 

 먼저 가공 형태는 아래와 같습니다.

 보통 이러한 형태를 3축장비에서 바이스 체결하는 방법이 다음과 같이 하부에 받침대를 결합하여 바이스 한쪽에서 돌려가면서 가공하는 방식입니다.

* 이때 주로 받침대가 가공원점의 기반이 되므로 받침대를 먼저 가공하여 규격을 확정 지어 이를 기준으로 돌려가면서 바이스 체결 가공원점 측정하여 가공합니다.

예제로서 마법 소녀상(?)이 있습니다.

1차 공정 상체 머리 상부가공 > 2차 공정 상체 뒷면가공 > 3차 공정 상체 정면가공

 

 

4차 공정 상체 좌측가공 > 5차 공정 상체 우측가공 > 가공완성품.

* 위 이미지에는 표시되지 않았는데 하부 받침대에 계속 소재 원점을 기준 잡았습니다.

 

가공 모의가공은 다음과 같습니다. (조금 깁니다.)

 

 

 

 다만 이러한 것이 다공정이고 어느 정도 소재 고정기술(단속?) 그리고 깊은 공구 이송 시 충돌우려등으로 초보분들에게는 권장하기 좀 어려운 문제가 있습니다.

 그래서 가능한 공정을 단순화 (앞뒤 2 공정으로 완료) 하고 가공방법도 단순화(조금 가공물의 품질이 떨어지더라도)하여 경험치 쌓기에 도움이 되도록 한 방법을 제시하겠습니다.

* 사실 이러한 3D가공 중 대부분이 3D 가공경로 생성 하는 것보다 소재 단속 작업(가공공정 선택)이 더 중요합니다.

 

 

먼저 이러한 방법을 제시하겠습니다.

 공정 자체는 앞뒤 1,2차 공정으로 마무리하고 가공물 체결도 약간의 고정물 생성으로 가공 중 가공물을 잡아주는 역할을 하게 하는 방법을 채택하였습니다.

* 간단히 얘기하면 프라모델과 같이 프라모델의 고정 사이드 런너와 같은 구조물을 생성하여 가공공정 중 가공물을 잡아주는 역할을 하고 가공완료 후 고무망치와 같은 도구로 체결물에서 가공완료물을 꺼내는 방식입니다.

* 다만 이 방법은 측면(가공 평면의 90도 되는 가공물 중간 부분)의 미절삭 부분이나 조도 미비 또는 가공물 고정을 위한 런너역할 부분의 후처리(센딩작업?)등이 필요한 문제가 있습니다.

 먼저 해당 가공물(라이언 일병?)을 눕혀서 상면을 먼저 가공한다는 전제 하여 해당 모델링을 이동합니다.

 

 그렇지만 위 라이언 모델링경우 (흔히 STL파일형식인 3D 프린트 출력물 형태) 공작물의 외곽을 잡기가 어렵습니다.
* 모델링 형태도 2D도면처럼 규격이 딱 떨어지는 숫자가 아닌 소수점 다음 자릿수가 많은.....

 

 그래서 제공하는 기능이 와이어프레임탭의 바운딩 박스 기능입니다.

 라이언 모델링을 바운딩 박스로 선택하면 해당 모델링의 외곽규격에 맞게 박스 와이어프레임을 생성할 수 있습니다.

 바운딩 박스 생성 후 이동기능(다이내믹 또는 평행 기능)을 사용하여 위의 설정 이미지처럼 라이언 얼굴 코부분을 Z0.0으로 하고 전체 외형의 중심을 전체형태의 가운데로 이동합니다.

 

위 이미지는 다이내믹 기능으로 라이언 얼굴쪽면을 상면으로 하여 다이나믹 이동기능으로 돌려서 라이언을 눕힙니다.

 눕은 라이언 전체 형태의 중심을 마스터캠 가공원점으로 이동하여야 하므로 상면 대각선의 중심을 기준으로 원점으로 이동기능으로 라이언 중심을 마스터캠 가공원점으로 이동시킵니다.

 

 그리고 가공소재 규격을 산출하기 위하여 먼저 측정기능으로 라이언의 외형 규격을 알아봅니다.

 

 그래서 38.12Tx 62.62x 36.3인데 우선 소재의 두께는 라이언의 외형두께를 38.0으로 보고 전후 1.0mm 정도 여유로 보고 소재 두께는 40.0으로 정했습니다.

* 왜 외형두께가 38.12인데 그냥 38.0으로 정해냐 하면 나중에 2차 공정에서 라이언을 뒤집어야 하므로 숫자를 간략화하여야 필요가 있어 전후 1.0 정도의 여유가 있으므로 0.12 정도는 무시합니다.

 그럼 소재의 X, Y 규격을 정해야 하는데 현재 진행 중인 방법이 라이언 외곽을 지정된 황삭공구(여기서는 8.0파이 공구)로 가공해야 하므로 약간의 여유를 두어야 하므로 라이언 외곽에서 8.5 정도 소재 여유가 있어야 합니다.

 

 그러면 어떻게 산출하냐 하면 먼저 라이언의 외곽 2D선을 생성하여야 합니다.

 위 이미지처럼 와이어프레임탭의 실루엣바운더리 기능으로 라이언의 외형선을 생성합니다.

* 생성되는 와이어프레임은 현재 작업평면에 위치합니다.

 그리고 이 외형선을 황삭공구(8.0파이)의 여유공간 8.5만큼 외측으로 윤곽 오프셋 기능으로 확장(오프셋) 합니다.

 확장된 외형선을 기초로 해서 공작물을 바이스에 체결 시 충분히 버틸 만큼의 여유규격을 감안해서 소재 규격은 40.0T 100.0x70.0으로 정했습니다.

* 이때 이 라이언 외형선(확장된 것 포함)은 삭제하지 말고 두셔야 합니다.
가공경로 생성 시 체인, 공구중심영역체인으로 사용하여야 합니다.

 

 여기까지 세팅된 사항입니다.

* 40T 100x 70 소재 가운데 라이언이 위치하고 라이언 가공 상하 구분층이 Z-19.0에 위치합니다.(중요)
* 약간의 가공여유를 위하여 라이언 모델링보다 소재가 1.0 큽니다.(소재 상단 위치가 Z1.0입니다.)

 

  그런데 여기서 잠시 생각해 볼 문제가 있습니다.

 이상태 그대로 라이언을 상단을 절반 가공하고 뒤집어서 하단을 가공하면 사실상 라이언은 소재 가운데서 공중에 떠있는 상황이 됩니다.

 이것은 당연한 것이므로 대책을 찾아야 합니다.

 그래서 여기서는 2가지 방법을 제안하는데 위에서 먼저 애기한 프라모델 부품 런너처럼 가공 중 계속 붙잡아줄 고정체를 만들어 주거나 아니면 같은 애기이지만 2D 윤곽 가공의 탭기능(나사산 TAP이 아닙니다.)을 활용한 방법입니다.

 윤곽 가공의 탭기능 적용방법은 간단하게 얘기해서 일반적으로 3D가공을 하고 후면 가공 시 약간의 가공물을 고정할 여유 두께를 남기는 것입니다.

* 단 위 라이언 모델링처럼 형태가 박스(측면이 직각형태인)가 아니라 라운딩이 크게 되어 있는 형태는 적합하지 않습니다.
* 방법론의 제시중 하나로만 이해하시기 바랍니다.

 

 그럼 다시 프라모델 런너처럼 세팅하는 방법을 진행합니다.

 우선 라이언 모델링에 런너 역할을 하는 고정체를 모델링하여 라이언과 결합(블리언 합체)해줍니다.

 

* 이 고정체의 형태는 큰 의미는 없으므로 가운데 가공물을 튼튼히 고정되며 가능한 접촉면(나중에 분리 시 자국이 남으므로)이 최소화할 수 있는 형태이면 상관없습니다.

 

 자 이제 모든 준비가 끝났으니 이제 본론인 3D가공경로를 생성해 봅니다.

1. 황삭 가공

 황삭 가공은 곡면황삭 포켓가공으로 진행합니다.

 먼저 아까 라이언 외형 오프셋한 윤곽선을 표시하여 그것을 공구중심영역 체인으로 지정할 것입니다.

 

 그다음 드라이브/대상곡면은 라이언 모델링 전체를 바디로 선택(만일 모델링 자체가 크고(용량이 많은) 복잡하면 가공깊이 내에만 있는 곡면만 선택하길 바랍니다.)하고 아까 라이언 윤곽 오프셋한 선을 공구중심영역 체인으로 선택합니다.

 

곡면황삭 포켓가공 절삭 파라미터 설정

 가공경로 파라미터 : 8파이 불노우즈 R0.5 엔드밀로 정의합니다. (절삭조건은 생략)

 곡면 파라미터 : 황삭이므로 가공여유값은 0.15(메모!)로 지정하고 공구중심영역은 내부만 가공(포켓가공)이므로 내경으로 하고 살짝 충돌방지를 위하여 내경 오프셋을 0.1(큰 의미는 없습니다.)을 지정하였습니다.

 이송높이, 진입높이값을 증분으로 하였는데 처음 하시는 분은 절댓값 Z1.0 이상(여기서는 소재 상단이 Z1.0이므로) 입력하여 작업하시는 것을 권장합니다.

 만일 너무 낮게 이송높이, 진입높이값을 증분으로 하여 작게(2D 윤곽 가공 하듯이)하여야 한다면 틈새이송 항목에서 틈새크기 값을 크게 설정하도록 하시기 바랍니다.

* 위 이미지처럼 이송높이 증분값경우 가공물(대상곡면 적용된 부분)은 공구 충돌이 없으나 다른 가공영역에서 충돌이 발생할 수 있습니다.

 위 이미지도 사실 가공 공구중심영역을 박스형(안으로 돌출된 부분이 없는)으로 하면 그 공구충돌(화살표)이 발생하지 않습니다.
 
* 사실 3D 가공경로는 2D 가공경로와 달리 가공물이 입체감이 있는 모델링 곡면을 대상으로 하기 때문에 가공경로 연산 시 가공물의 공구 충돌방지를 원칙으로 하여 대부분의 경우 가공물(대상곡면)에 대한 공구 이송 시 관절삭 현상을 방지합니다.

 그렇지만 가공경로 점검을 위하여 모의가공 절차를 통하여 이러한 문제점이 없는지 확인해보시는 것을 권장합니다.

 

황삭 파리미터 : 황삭 가공이므로 가공공차가 큰 의미가 없으므로(실제적용은 가공 공차는 가공여유값보다 작아야 합니다.

 

 여기서는 가공여유값이 0.15 이므로 공차값은 0.1로 지정) 가공 데이터 용량 축소 및 가공시간 단축(미미 합니다.)을 위하여 가공공차값을 크게 설정하였습니다.

* 항상 3D 가공경로는 원호 거르기/공차를 적용하길 권장합니다.

* 여기서는 전체 공차값은 0.1로 지정하고 가공공차 와 선/원호 공차 값은 각각 50%, 50% 1/2 씩 적용하였습니다.

* 황삭 가공경로 이므로 부드럽게 처리 공차는 사치(?) 이므로 적용하지 않습니다.

* 필히 직선/원호 거르기 설정을 체크하여 활성화하여야 실직적으로 거르기 기능이 적용됩니다. (주의!!)

 

 공구 진입 옵션은 미절삭 부분에 진입홀 없이 바로 진입할 것이므로 헬릭스 진입 적용을 설정하였습니다.

진입 헬릭스 원호의 최소/최대 반경은 크게 원호 그리며 진입할 필요가 없으로(소재와 공구에 따라 틀립니다.) 작게 (최소 25%, 최대 45%)로 설정합니다.

 나머지 값도 소재와 공구에 따라 틀리게 적용하셔야 합니다.

 

 가공깊이 제한 옵션은 우선 최소깊이 -0.8와 최대깊이 -19.2를 적용하였습니다.

 그리고 하단의 대상 가공여유 적용 및 경로조절 항목을 체크 활성화 했습니다.

* 사실 이러한 형태의 가공물(최대 가공깊이 아래에 가공곡면이 없는 형태 : 하부에 대상 곡면이 없는 형태)에는 사실 의미가 없습니다.

* 의미 있는 것은 최종 가공깊이 위치에 대상곡면이 있어 이곡면에도 가공여유값을 적용하길 바랄 때는 적용하셔야 합니다. 
* 그러므로 사실상 라이언 같은 형태 가공물의 중간(1/2만 가공하는)까지 가공경로가 생성되는 것을 바란다면 최소 0.0 최대 -19.0를 지정하는 것이 기본적인 설정입니다.

(대상 가공여유 적용 및 경로조절 항목을 체크해제 비활성화 할 경우입니다.)

* 또한 가공깊이 제한값을 최소 0.0 최대 -19.0를 지정하면 가공경로가 초기 1번째 경로가 Z0.0(최솟값)부터 시작하므로 실직적으로는 처음 가공깊이(절삭 Z간격값?)를 적용하여 여기서는 최솟값을 -2.0으로 지정해야 실제 가공경로가 -2.0에서 시작해서 -19.0에서 끝납니다.

* 우선 여기서는 대충 설명하기 위하여 최소 -0.8 최대 -19.2로 대상 가공여유 적용 및 경로조절항목 활성화 하여 진행합니다.
(위 같이 가면 실직적으로는 가공깊이 값이 최소 -0.65(-0.8-0.15 가공여유값) 최대 -19.05(-19.2-0.15 가공여유값)으로 생성됩니다.

* 이렇게 하는 이유는 대충 처음 가공진입 시 Z절삭간격값2.0 보다 작게 초기 진입시 공구부하 작게 진입하여 원래 최대 가공깊이 -19.0만 오버하면 되기 때문에 적용한 것입니다.

 

 틈새이송은 절삭순서 최적화 적용(핵심이유)하고 틈새크기는 가공물 크기에 기준하여 대충(작업자 취향) 1200% 적용하였고 스텝이송(황삭가공이므로)으로 적용하였습니다.

* 이 항목은 절삭순서 최적화 적용은 필수이고 나머지 항목은 작업자 취향에 맞게 적용하였습니다.

 포켓가공 파라미터는 포켓 황삭가공이므로 절삭방법을 일정한 오버랩 나선형으로 지정하였고 나머지 값은 기본적인 값으로 적용하였습니다.
* 이 항목은 작업자의 성향에 맞게 지정하시면 됩니다.

 여기까지 곡면 황삭포켓 가공경로 파라미터 설정이 끝나면 이제 가공경로를 생성하였습니다.

* 이때 곡면 황삭포켓가공경로 파라미터 중 포켓가공 파라미터중 정삭 항목 파라미터를 활성화하지 않으면 다음과 같은 경고 메시지가 출력되나 이것은 황삭 가공경로를 사용해서 가공여유값이 있는 황삭 가공경로를 적용(주로 최하단 바닥값에 미절삭 부분이 발생할 수 있는)하였다는 주의 메시지라서 현재 황삭 가공경로 적용 중 이므로 무시하셔도 무방합니다.
( 황삭/정삭 겸용가공경로에서 황삭 가공경로만 적용했다는 의미입니다.)

 생성된 곡면 황삭 포켓 가공경로와 황삭 모의가공 결과물입니다.

 

오늘은 여기 까지 하고 나머지는 다음 기회에 마무리 하겠습니다.