요약: 사람들을 위한 외골격을 만들 때, 한 가지 중요한 문제는 그 사람과 외골격 간의 완벽한 상호 작용을 달성하는 것입니다.

목표: 불편함과 스트레스를 방지하기 위해 정확하고 신속하게 환자를 3D 스캔하여 그 결과물인 디지털 모형을 사용하여 석고 주형을 사용하는 것보다 신속하고 쉽게 맞춤형 보조기 제작하기.

사용 도구: Artec Eva 및 Artec Studio

 

벨기에의 한 연구 그룹은 3D 스캐닝, CAD 및 3D 인쇄의 도움으로 사용자 맞춤 디자인의 전원식 외골격의 기능을 향상시키고 있습니다.

브뤼셀 대학의 브리 제 대학 (Vrije Universiteit Brussel)의 박사과정 연구원 Kevin Langlois는 인류는 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 기술 혁명의 위기에 처해 있다고 믿고 있습니다. Kevin은 대학의 로봇 공학 및 다물체 기게장치 (R&MM) 연구 그룹의 구성원으로, 주요 초점 영역은 전원식 외골격과 같은 착용식 로봇입니다. Kevin은 로봇 보조 기술이 사람들의 이동성을 유지하면서 도움 받는 것에 대한 의존도를 낮추고 움직이지 못하는 것에 의한 2차적인 건강 위험을 줄이기 때문에 의료 비용을 통제 할 수 있는 주요 기술 중 하나라고 생각합니다.

"여기 이 외골격은 근본적인 변화의 일부입니다. 이 기술은 부상 재활 치료, 인력 증가 및 일상 활동의 위험 예방 및 지원 등에 유망한 결과를 보여줍니다." Kevin씨가 말합니다.

 

R&MM의 MIRAD, 조절식 보조기가 장착된 전동 보조 외골격

이 연구 분야에서 주목할만한 진전이 있었다는 사실에도 불구하고, 인간과 로봇화 된 외골격 간의 완벽한 상호 작용을 달성하는 방법에 대한 주요한 문제는 아직 해결되지 않았습니다. 기계적 차원에 있어서 이 질문의 해답은 두 개체 사이의 절대적인 접착력을 얻는 방법에 달려 있습니다.

이 질문은 각 사람마다 인체 측정학적 (사지의 크기와 기능)으로나 생체 역학 (사람이 걷는 방식)적으로 독특한 점을 보인다는 것을 감안하면 대답하기 쉽지 않습니다. 이는 각 개인별로 맞춤 솔루션이 필요하다는 것을 의미합니다.

기성품 솔루션이 최선의 선택이 아니라는 것을 R&MM의 경험이 보여줍니다. 처음에 이 그룹은 스트랩과 브래킷으로 몸에 부착시킨 연구용 조절식 보조 도구를 구입하여 시작했습니다. 그러나 이러한 비품은 자주 잘못 배치되어 외골격 성능이 비효율적이었습니다.

대안 솔루션을 찾았는데, 바로 3D 스캐닝을 사용하여 피사체의 개별 해부체를 포착하고 원활하게 복제 할 수 있는 보조기를 설계하는 것입니다. 특히, 외골격의 물리적 접속기는 인간과 로봇 간의 기계적 연결이기 때문에 3D로 스캔합니다. 이 방법을 사용하면 사용자의 편안함을 유지시킨 채 보다 견고한 접착력으로 외골격의 견고성을 높일 수 있습니다. 이를 위해 Artec의 골드 파트너인 4C Creative CAD CAM Consultants에서 Artec Eva 고정밀 3D 스캐너를 구입했습니다.

"현재 이 분야에 대한 연구는 거의 없습니다. 지금까지 대부분의 연구는 이 기계의 기초, 작동 및 제어에 중점을 두었습니다. 이제는 인간을 이 시스템에 통합 할 시간이 되었습니다. 따라서 R&MM 연구소에서는 3D 스캐닝 기술을 사용하여 새로운 솔루션을 개발하기로 결정했습니다." Kevin씨가 언급하였습니다.

 

 

Artec Eva 3D 스캐너를 사용하여 재구성한 정강이의 디지털 모델

"이제 우리는 Artec Eva를 사용할 것입니다. 이 장치는 조절식 보조기에 비해 장점이 많은 개별 보조기를 설계하고 생산하는 데 도움이 됩니다. Eva 스캐너는 환자의 디지털 이미지를 편집하는 데 빠르고 (5 분 미만) 정확한 스캔 프로세스를 제공합니다. 이 3D 스캐닝 장치를 사용하여 보조기를 생산하는 것은 석고 몰드를 사용하는 것보다 시간과 노력이 적게 들어갑니다." Kevin 씨가 말합니다.

생체 역학 문헌을 토대로 대상의 관절 (발목, 무릎 및 엉덩이)에 전달해야 하는 회전력 또는 힘을 추정 할 수 있습니다. MIRAD 외골격 장치가 엉덩이, 무릎 및 발목 관절에 힘을 주는 것을 통해 보행에 도움을 주기 위해서 입니다. 통증 압력 임계치 (PPT)에 대한 정보, 즉 통증을 느끼기 전에 인간이 특정 해부학적 영역에서 견딜 수 있는 최대 압력과 함께 교정용 프로토타입을 설계할 수 있습니다.

작동기의 핵심 기능은 가변 요소(가변적인 하중을 가진 탄성)와 전기 구동의 연속적인 사용입니다. 이 제품의 특성은 에너지 저장, 피크 전력 공급 증가, 충격 하중에 대한 내성 및 낮은 출력 임피던스 등으로 외장형 외골격에 매우 적합합니다. 톱니바퀴 구성과 같은 기존의 "딱딱하거나" 또는 "뻣뻣한" 작동기와는 달리 이 호환 작동기는 사용자가 외부 힘을 가했을 때 자연스럽게 목표 위치에서 벗어날 수 있습니다.

"Artec Eva 3D 스캐너를 사용하면 이러한 모든 매개 변수를 소형의 인체 공학 보조기에 통합시킬 수 있습니다.” Kevin씨가 말합니다.

 

R&MM 연구소에서 피사체의 정강이 3D 스캔

맞춤형 보조기를 만들기 위해 Kevin씨는 먼저 캡처해야 할 영역 (예 : 정강이)을 선택합니다. 그런 다음 그는 보조기를 테스트하게 될 하나 이상의 대상을 선택합니다. 그 대상들을 스캔하여 데이터는 Artec Studio 3D 소프트웨어에서 처리합니다.

" Artec Studio 내에서 스캔으로 .STL 파일을 생성하는 것은 간단한 과정입니다. 중요한 포인트는 고품질 스캔을 수집하고 모델에 구멍을 남기지 않으며 스캔 정렬을 용이하게 하는 것입니다. Sharp Fusion 도구는 스캔을 정확하게 통합하여 최종 모델을 생성합니다. 저는 Artec Studio 소프트웨어가 직관적인 인터페이스와 더불어 과학자와 엔지니어가 웨어러블 로봇 분야의 연구를 수행 할 수 있게 해주는 강력한 도구를 제공한다고 결론을 내렸습니다.” Kevin씨가 말합니다.

 

 

개별 교정용 프로토타입의 디지털 설계

후처리 후, .STL 파일로 딱 맞는 교정 장치를 설계할 수 있도록 CAD 소프트웨어로 내보내집니다. 마지막 단계는 첨가제 제조를 사용하여 보조기를 제작하는 것입니다. 보조기를 3D 인쇄한 후, 탄소 섬유와 에폭시 복합 재료로 보강합니다.

3D 스캐닝과 3D 인쇄를 사용하면 디지털 기록을 파일로 저장할 수 있으므로 석고 몰드를 사용하는 것과는 대조적으로 특히 유용합니다. 디지털 기록은 피사체가 인간을 로봇 디자인에 완전히 통합시킬 수 있게 해주기 때문에 설계 관점에서 이점이 있습니다. 또한 보조 장치의 생산 또는 제조 옵션에 대한 자유를 주어 3D 인쇄와 같은 CAM (컴퓨터 응용 가공, Computer Aided Manufacturing) 기술을 사용할 수 있게 합니다. 이는 잠재적으로 비용을 절감하고 제품의 품질과 적용 가능성을 향상시킬 수 있습니다.

현재 이 디자인의 이점을 확인하기 위한 실험이 진행 중입니다. "이 실험의 목표는 피실험자의 디지털 기록을 기반으로 한 개별 보조기의 효과를 입증하는 것입니다. 언젠가 목표는 외골격이 다른 사람과 더불어 어느 정도는 착용자 자신에게도 거의 보이지 않게 하는 것입니다. 3D 스캐닝 기술은 이를 달성하기 위한 유망한 도구입니다." Kevin 씨가 말합니다.

 

프랑스 툴루즈에 소재한 IMA Solutions SARL의 CEO인 벤자민 모레노(Benjamin Moreno)를 만나보았습니다. IMA Solutions는 3D 스캐닝 및 시각화를 통해서 세계 각지의 유명 미술관을 위해 3D 인터렉티브 시스템과 같은 새로운 멀티미디어 도구를 개발하는 기업입니다. 대영박물관, 아크로폴리스 박물관, 프랑스 북부 도시인 랑스(Lens)에 소재한 루브르 랑스 미술관 등을 주 고객으로 두고 있습니다. 

 

 

벤자민은 Artec의 Eva와 Artec Studio 10을 사용하여 대단히 세밀하고 즉시 인쇄가 가능하도록 제작된 ‘말에 탄 나폴레옹 동상’의 3D 모델을 보여주었습니다. 이 작업은 프랑스 비지유(Vizille)에 위치한 프랑스 혁명 박물관(Musée de la Révolution Française)의 요청에 따라 후대를 위해 동상을 3D 이미지로 보존하고, 엘바 섬에 유배됐던 나폴레옹의 프랑스 귀환 200주년을 기념하기 위해 시행되었습니다. 유명 프랑스 조각가 엠마뉴엘 프레미에(Emmanuel Frémiet)가 1987년에 주조한 이 동상은 프랑스의 도시인 라프리(Laffrey) 근처에 위치해 있습니다.

 

벤자민은 “말을 주제로 한 작품들을 3D로 스캔한 적이 있는데, 매번 ‘다리 모양과 여기저기 숨은 부분이 많기 때문에 말은 스캔하기 가장 어려운 대상물이다’라고 생각했습니다.”라며 다음과 같이 덧붙였습니다. “과거에는 스캐너 암(scanner arm)에 레이저 헤드를 장착하는 등 3D 스캐너를 위한 장비를 추가적으로 사용했습니다. 이제는 언제, 어떤 상황에서도 복잡한 예술작품을 3D로 스캔할 수 있는 기술은 Artec만이 보유하고 있다고 자신있게 말할 수 있습니다.”

벤자민은 Artec의 제품을 판매하는 프랑스 소매회사인 Boreal을 통해 Artec의 Eva 및 Spider 스캐너 제품을 구입하기 이전엔 3D 레이저 스캐너를 사용했었다고 합니다. “이제는 Artec의 Eva와 Spider를 사용하여 과거 사용하던 디지털 시스템과 달리 어떠한 상황에서도 다양한 종류의 작품을 스캔할 수 있고, 박물관 컬렉션을 스캔할 때 문제가 되는 타겟이나 레퍼런스 시스템을 사용하지 않아도 됩니다.”라고 벤자민은 말합니다.

덧붙여, “또한 Artec의 스캐너 제품들은 실시간으로 텍스처까지 표현하는데, 이는 정말 편리한 기능입니다.”라며 이렇게 설명합니다. “이전에는 레이저 스캐너로 물체의 기하학적 3D 구조를 만든 후 여러 번의 촬영을 통해 수작업으로 텍스처를 입혔습니다. 이는 시간도 오래 걸리는 데다 수작업이기 때문에 정밀도 역시 떨어졌습니다. 이제는 텍스처를 완벽하게 포착해서 표면에 맵핑이 가능하게 되었습니다. 획득 시간(acquisition time) 역시 스캔 대상물의 종류에 따라 5배에서 10배까지 짧아졌습니다. 또한 역사적 명작의 경우, Artec 3D 이외의 3D 시스템으로는 스캔이 불가능합니다. 그래서 저는 고객에게 ‘이런 수준의 3D 스캔은 Artec 제품이 출시되기 전엔 불가능했습니다!’라고 말하곤 하죠.”

나폴레옹 동상 스캔 작업에서 벤자민이 추가적으로 필요했던 소품은 바로 대상에 사방으로 접근이 가능한 사다리였고, 박물관 측에서 이를 제공해주었습니다. 그리고 현장에 배터리 팩을 필수로 챙겨갔는데, 대부분 동상의 윗부분을 스캔할 때 사용했습니다. 그리고 대부분은 충전기에 연결해놓은 Eva와 노트북을 사용해 작업했습니다. 벤자민은 “3D 스캐너 작업에서 배터리 관련 문제는 Artec의 배터리가 아니라 노트북 배터리가 더 문제였어요!”라고 말하기도 했습니다.

사실 벤자민은 배터리를 종종 사용하곤 합니다. 일전에 맘모스를 음각한 선사시대의 미술작품을 스캔할 때에도 지하 4미터 깊이까지 내려가야 했기에 배터리를 가지고 가야 했습니다. 벤자민은 “Eva와 배터리 팩을 사용해 현장에서 신속히 3D 스캔작업을 마칠 수 있었습니다.”라고 설명했습니다.

 

 

나폴레옹 동상의 표면적이 다소 넓었으므로 벤자민은 자체적으로 3D 스캐닝 전략을 세웠다며 다음과 같이 설명했습니다. “대상물을 18개 구역으로 분할해서(Artec Studio 10의 프로젝트 개수도 18개) 상당 부분을 겹치는 방식으로 스캔하여 후처리 정렬과정이 용이하도록 했습니다.”

스캔 작업은 총 이틀이 소요되었고 후처리 과정은 57GB 라는 어마어마한 데이터를 처리하기 위해 열흘의 시간이 걸렸습니다. 효율성을 높이기 위해 18번의 스캔 작업들을 각각 1mm 해상도로 세밀한 이미지 융합(Sharp Fusion) 작업을 수행했습니다. 이에 따라 각각 2천 5백만 개의 폴리곤이 생성되었고, 축소(Decimate) 작업을 통해 각 1천 5백만 폴리곤으로 축소했습니다. 그리고는 비강체 정렬(Non-rigid Alignment)과 1mm 설정의 세밀한 이미지 융합(Sharp Fusion) 작업으로 총합 2천만 개의 폴리곤까지 정리했습니다. 마지막으로 텍스처가 들어간 프레임을 적용하여 완성된 3D  모델에 질감을 입히고 Zbrush 프로그램으로 약간의 수정작업을 했습니다.

벤자민은   Artec Studio 10 의 출시 후 가장 먼저 이 업그레이드된 프로그램을 사용한 고객 중 하나입니다. 그는  “AS9 과 AS10 을 비교했을 때, “전체적으로 AS10 의 신뢰성과 속도가 AS9 대비 개선되었지요.” 라고 이야기합니다.

 

 

 

 

 

 

야만적인 행동때문에 불행이 찾아왔지만, 동물 복지 옹호자들, 헌신적인 전문가 그룹 그리고 첨단 3D 기술 덕분에 어린 코스타리카 큰부리새가 인내와 희망의 국가적 상징이 되었습니다.

Grecia라는 이름의 큰부리새는 살고 있던 지역이 청소년들의 습격을 받은 후 큰 부리의 윗부분 중 대부분을 잃었습니다. 다행스럽게도 상처를 입은 새는 발견되어 중앙 아메리카에서 가장 큰 규모의 동물 구호 센터인 인근 Zoo Ave로 이송되었습니다.

 

Grecia의 공격 사건은 여러 대중 매체의 주목을 받았으며 동물 보호 개선을 위해 코스타리카에서 많은 시위와 법안 제안이 일어났습니다. Grecia의 치료를 위해 크라우드 펀딩으로 10,000달러 이상이 모금되었습니다. 

큰부리새를 스캔하는 방법

Grecia의 이야기는 코스타리카 산호세에 위치한 Grupo SG의 주목을 받았습니다. 3D Systems 제품 유통업체인 Grupo SG는 큰부리새의 건강 회복을 돕기 위해 스캔에서 모델링, 프린팅에 이르는 모든 3D 솔루션을 제공했습니다.

Grupo SG는 Thomas Lange와 Karley Fu가 이끄는 팀을 구성하고 기술적 전문 지식을 제공하며 산업 디자인, 치의학, 나노기술 및 동물학 분야의 현지 전문가를 3D System의 세계적인 3D 기술 리소스에 연결했습니다.

큰부리새 위쪽 부리의 나머지 부분이 단단해질 때까지 기다린 후 Grupo SG는 Artec Spider 3D 스캐너를 사용하여 Grecia의 부리와 주변 부위에서 치수와 특징을 캡처했습니다. 그 과정에서 큰부리새는 깨어 있어야 했습니다.

Grupo SG의 영업 담당자인 Esteban Murillo는 “살아 있는 큰부리새를 마취 없이 스캔하는 것은 어려웠습니다. 필요한 모든 데이터를 확실히 확보하기 위해 두세 번 스캔했습니다. 큰부리새는 아주 얌전히 있었지만, 시간이 얼마 남지 않았었죠.”라고 밝혔습니다.

Grupo SG 역시 죽은 큰부리새의 전체 부리를 스캔하여 추가 데이터를 확보했습니다.

3D Systems’ Geomagic® Wrap® software 는 3D 스캔 데이터를 처리하고 수정하여 3D 모델을 얻기 위해 사용되었습니다. 일반적으로 산업용 제품의 3D 검사에 사용되는 Geomagic Control™ 소프트웨어는 측정값을 얻고 기하 형상을 분석하기 위해 사용되었습니다.

새 부리 모델링

Grupo SG는 사진, 문서, 스캔 파일 및 요구 사양을 한국 서울에 있는 3D Systems 모델링 팀의 3D 역설계 전문가인 주영관씨와 공유했습니다.

 

 

주영관 씨는 두 가지 데이터 세트로 작업했습니다. 하나는 Grecia의 부러진 부리를 스캔한 데이터이고 다른 하나는 죽은 큰부리새의 부리 전체를 스캔한 데이터입니다. 첫 번째 단계는 3D Systems의 Geomagic Freeform® 소프트웨어를 사용하여 Grecia에게 잘 맞는 부리를 설계하는 것이었습니다.

Geomagic Freeform은 사용자가 가상의 클레이 모델을 유기적 형상으로 구성된 정밀한 형태로 조형할 수 있도록 합니다. 솔루션에는 실제 클레이로 작업하는 것과 동일하게 직관적인 설계를 얻기 위해 힘 피드백을 제공하는 진정한 3D 인터페이스인 Geomagic® Touch™ X 햅틱 디바이스가 포함됩니다.

주영관씨는 모델을 Geomagic Freeform에서 3D 스캔된 메시 데이터를 CAD 모델로 전환하기 위한 이상적인 솔루션인 Geomagic Design™ X로 보냈습니다. Geomagic Design X는 자동 및 가이드가 제공되는 솔리드 모델 추출, 유기적 3D 스캔에 대한 정확한 표면 맞춤 및 제조 준비가 완료된 설계를 위한 메시 편집과 포인트 클라우드 처리를 제공합니다.

부리를 모델링한 후, 주영관씨는 Grecia의 남은 윗쪽 부리에 인공 부리를 부착하기 위한 캡을 설계했습니다. 이 캡은 Grecia는 아직 성장 중이므로 시간이 지나면서 더 큰 부리를 끼울 수 있고 인공 부리를 세척해야 할 경우 쉽게 제거할 수 있도록 설계되었습니다.

 

 

주영관씨는 설계 작업이 완료되기까지 두 달이 걸렸으나 여러 버전의 부리와 약간의 수정에 걸린 실제 소요 시간은 십 여 시간에 불과했다고 말합니다.

Joo는 "Geomagic Design X의 강력한 파라메트릭 모델러 기능을 활용하여 시간을 절약했습니다. Design X에 포함된 명령은 스캔 데이터에서 정확한 고품질 표면을 손쉽고 빠르게 얻을 수 있도록 적절하게 사용자 정의가 되어 있습니다. 또한 창조적인 설계 작업을 위해 일반 CAD 모델링을 할 수도 있습니다.”라고 말했습니다.

 

 

적합한 소재 선택

인공 부리 제작에 대한 협력에는 미국의 3D Systems 소재 전문가 2명도 합류했습니다. 시애틀 지역 글로벌 소재 판매 및 마케팅 부서의 부사장인 Steve Hanna와 Rock Hill, S.C에 위치한 3D Systems 본사의 소재 및 프로세스 부문 R&D 수석 이사 디렉터인 Khalil Moussa입니다.

Hanna와 Moussa는 실제 큰부리새 부리의 특성과 코스타리카에 있는 전문가가 제공한 부하율을 연구하고 프린터 및 소재에 대한 권장 사양을 제시했습니다.

Grupo SG와 Moussa는 초기 원형을 CubePro Nylon 소재로 실험한 후 최종 버전에서는 Duraform PA로 결정했습니다. Duraform PA은 견고한 나일론 소재로, Grecia가 깃털을 고르고 물을 마시며 음식을 먹기에 적합한 강도와 내구성을 제공하기 위해 선택된 소재입니다.

최종 프린팅은 Rock Hill의 본사에서 고정밀도, 내구성 및 품질을 제공하는 우수한 파트 제작으로 유명한 3D Systems ProX™ 500 SLS 프린터에서 진행되었습니다. ProX 500과 Duraform PA은 항공우주 부품 및 생체적합성 의료용 장치에 널리 사용됩니다.

“두 번째 삶의 기회”

3D 프린트된 캡과 인공 부리는 Grecia의 수술을 위해 코스타리카로 배송되었습니다. 캡은 큰부리새의 남은 부리에 에폭시 접착제로 부착되었고 인공 부리는 핀 고정식 핀지를 사용하여 고정되었습니다. 동물관리 팀은 Grecia의 비극과 회복을 기억하기 위한 의미로 부리에 색을 칠하지 않았습니다.

 

 

Grecia는 새 인공 부리에 매우 빠르게 적응했습니다. 수 일 내로, Grecia는 스스로 깃털고르기를 하고 정상적으로 먹고 마시게 되었습니다. 심지어 인공 부리를 달기 전보다 더 노래를 잘하게 되었다고 Zoo Ave는 말했습니다.

Grupo SG의 경우, 인공 부리는 기술력을 증명하는 주요한 성과일 뿐만 아니라 국가 전체에 널리 알려지는 자부심을 불러일으키는 원천이 되었습니다.

Karley Fu는 “코스타리카 국민이 크고 분명하게 목소리를 냈고 우리는 이 아름답고 지각 있는 새에게 두 번째 삶을 살아갈 기회를 준 이 팀의 일원이 되는 영광을 누렸다”며 “훌륭한 인물과 재능 있는 전문가로 구성된 팀이 최신 3D 기술을 사용하여 이전에 보지 못한 사랑을 실천한 것”이라고 말했습니다.

 

 

정기적으로 점검해야 하는 수천 마일의 노후 철도 선로로 인해 철로 점검원들은 그 어느 때보다 바쁩니다. 이러한 선로를 하루에 육안으로 점검하는 데는 한계가 있습니다. 문제는 명백한 결함은 발견되더라도 작은 균열, 금속 노화, 크기 변화 등은 눈에 뛰지 않아 다음 예정된 점검이 이루어지기 전에 결함이 생길 정도로 커질 수 있다는 것입니다. 이러한 문제로 인해 철로 점검원들은 문제를 해결하기 위해 독특한 3D 스캐너에 의존하고 있습니다. 

솔루션 : Artec Leo, Artec Studio, Geomagic for SOLIDWORKS

결과 : 철러 점검원은 Artec Leo 3D 스캐너를 사용하여 침목과 자갈을 포함한 철도 선로의 전체 구간을 몇 분 안에 디지털 방식으로 캡처하고 기록할 수 있습니다. 스캔은 1mm미만 컬러 3D포 만들어 지기 때문에 아주 작은 표면 결함과 불규칙한 것도 드러납니다. 그리고 일정 기간 동안 반복된 스캔을 통해 선로 궤간 퍼짐과 같이 발생하는 더 큰 구조적 변화를 추적할 수 있습니다. 철도 사고는 사건을 재구성하고 피해를 분석하는데 사용되는 결과물로 생성된 3D스캔과 함께 기록할 수도 있습니다.

왜 Artec 3D 인가 ?

케이스를 열고 켜기 버튼을 클릭한 후 1시간 이내로 철로 점검원은 선로, 철도 차량 및 기타 물체를 1mm미만의 정확도로 단 몇 붐 만에 캡처할 수 있습니다. 케이블이나 별도의 노트북이 필요하지 않습니다. Leo를 사용하면 심층적인 3D 스캐닝 검사를 그 어느 때보다 빠르게 수행할 수 있습니다.

 

 

급커브를 따라 굽이굽이 달리던 남태평양 열차가 탈선하여 기관차 1대와 유조 탱크 차량 7대가 버팀 다리 옆으로 곤두박질친 것은 캘리포니아의 어느 늦은 여름밤이었습니다.

유조 탱크 중 하나가 새크라멘토 강 한가운데에 거꾸로 처박히고 그곳에서 독성이 강한 수용성 살충제인 메탐소듐(metam-sodium)이 유출되기 시작했습니다. 

위험 물질 전문가들이 나타나기까지 6시간 걸렸고 유황 살충제 19,000갤런이 이미 한 때 깨끗했던 강물로 쏟아져 셀 수 없이 많은 연어, 송어 그리고 주류에 이르기까지 그리고 모든 다른 수생 생물의 징후를 죽였다고 확인하는 데 또 6시간을 걸렸습니다.

그 후 며칠 동안 유출된 독성 녹색 플륨(plume)이 멀리 남쪽 샤스타 호수까지 도달하면서 강변의 지역 주민 수백 명이 심각한 피부, 눈, 호흡기 질환을 않아 병원으로 긴급 이송되었습니다.

그 영향은 실로 심각했습니다. 즉각적인 환경 파괴 외에도 수백만 달러의 피해와 그 후 몇 달, 몇 년 동안 지역 관광 산업에 헤아릴 수 없는 손실이 있었습니다. 

열차 탈선 : 세계적인 위협

매년 전 세계적으로 수천 건의 열차 탈선 사고가 발생합니다. 사고의 대부분은 사망자나 생태학적 파괴 없이 발생하지만, 재산 및 기반 시설 피해와 서비스 중단으로 인한 영향은 수십 년 후에도 철로 회사 전체에 반향을 불러 일으길 수 있습니다.

탈선의 대부분은 파손된 철로와 같은 선로 결함으로 인해 발생합니다. 다른 원인으로는 "궤간 편차", 선로 오정렬, 스위치 및 바퀴 파손 등이 있습니다. 많은 국가에서 정부 규정에 따라 분기별 또는 심지어 월별로 회사의 철도 전체에 걸처 모든 선로 구간을 직접 점검해야 합니다.

 

이러한 철도 회사 중 많은 수가 자동화된 고속 초음파 점검 솔루션을 사용하여 철로 균열 및 기타 이상 징후와 결함을 감지하였습니다. 이러한 솔루션은 정기적으로 수천 킬로미터의 선로를 점검해야 할 때 효과가 있는 것으로 입증되었습니다.

고속에서 직접 철로 점검까지

그런 다음 의심스러운 선로 구간이 발견되면 철로 점검원을 이곳으로 파견하여 가까이서 심층적인 육안 점검을 할 수 있습니다. 

그러나 점검원이 한 번의 교대 근무 중에 선로를 돌아보고 안정적으로 점검할 수 있는 범위에 한계가 있습니다. 뿐만 아리라 표면 결함은 발생했을 때 시각적으로 눈에 뛰는 정도에 따라 감지될 수도 있고 감지되지 않을수 도 있습니다.

매우 빈번하게 작은 균열, 금속 마모, 치수 및 위치 변경 등은 눈에 뛰지 않아 다음 예정된 점검이 이루어지기 전에 결함이 생길 정도로 커질 수 있습니다.

 

 

또한 육안 점검은 각 점검원이 철로 구성 요소 또는 선로 구간을 점검해야 하는지 여부를 주관적으로 결정하므로 기록 관점에서 어려울 수 있습니다. 

그렇지 않으면 해당 시점부처 정량화할 수 있는 측정값을 사용할 수 없으므로 안전 점검 기록에 잠재적으로 위험한 사각지대가 남게 됩니다.

 

3D 스캐닝이 등장하는 곳

이러한 이유로 점점 더 많은 철로 점검원들이 비용이 효율적이고 시기적절한 방법으로 그 공백을 해소하기 위한 해결책으로 전문 휴대용 3D스캐너에 의존하기 시작했습니다.

그러나 많은 철로 점검원에게 이러한 장치의 이점은 스캐너는 물론 노트북, 전원 팩 및 케이블을 휴대해야 한다는 생각으로 인해 감소합니다.

철로 점검원들은 품질 관리 전문가들을 보고 힌트를 얻어 Artec Leo를 자신들의 육안 점검 도구 목록에 추가했습니다. 초음파 철로 점검 시스템과 마찬가지로 Leo는 비파괴 검사(NDT) 솔루션 입니다.

Artec Leo : 다른 것과 차별화되는 3D 스캐너

그러나 다른 3D 스캐너뿐만 아니라 고속 초음파 철로 기반 점검 시스템과 달리 Leo는 100% 무선 및 휴대용이며 자체 내장형 파워 팩과 터치스크린 디스플레이를 갖추고 있어 1mm 미만의 정확도로 선로의 의심스러운 부분을 단 몇 초 만에 캡처할 수 있습니다.

Artec의 엠배서더인 GoMeasure3D는 철로 점검 전문가들의 요구 수준이 높아지자 Leo를 테스트하고 이 독보적인 3D 스캐너가 문제를 얼마나 잘 해결할 수 있는지 확인하기로 했습니다.

 

Artec Studio 소프트웨어와의 시너지 효과를 통해 소프트웨어와의 시너지 효과를 통해 Leo는 감사 및 규정 준수의 관점에서 확정적이고 심층적인 점검 보고서를 신속하게 작성할 수 있기 때문에 더욱 가치가 있습니다.

또한 Artec Cloud와 함께 사용할 경우 철로 점검원은 철로에서 스위치, 철도 차량 바퀴에 이르기까지 모든 것을 지속해서 스캔하고 이 스캔을 클라우드로 전송해 처리하고 동료와 공유할 수 있습니다.

예를 들어, 점검을 위해 선로의 특정 구간을 캡처한 후에 엔지니어나 다른 점검원이 사무실에서 몇 분 전에 스캔한 철로에 대해 표면 거리 매핑 검사를 실행하는 동안 철로 점검원은 체결 장치, 이음매, 스트레처 바(strecher bars)등을 계속 스캔할 수 있습니다.

이러한 Leo 스캔을 참조 CAD 모델과 비교하여 철로 또는 다른 부품이 허용 오차 내에 있는지 확인할 수 있습니다.

판독하기 쉬운 시각적 열 지도를 통해 참조 모델에서 1mm미만 수준까지 편차를 한 눈에 볼 수 있습니다. Leo와 Artec Studio를 사용하면 소프트웨어의 Scan-to-CAD 기능을 사용하여 사용자만의 CAD 참조 모델 세트를 만들 수도 있습니다.

Leo를 통한 시간 경과에 따른 모니터링

Leo를 사용하여 모든 종류의 철로 구성 요소뿐만 아니라 특정 선로의 모든 형상을 완벽하게 기록함으로써 철로 점검원은 항공기 제조업체가 날개와 동체의 장기적인 구조적 성능을 테스트하기 위해 해 왔던 시간 경과에 따른 변화 분석을 쉽게 수행할 수 있습니다.

이러한 분석을 통해 허용 오차가 초과되었는지 또는 초과되기 직전인지 여부를 파악할 수 있을 뿐만 아니라 원인이 다른 곳에 있는지 확인할 수 있습니다.

예를 들어, 선로의 궤간(너미)이 몇 달 동안 허용 오차를 초과하기 시작하면 기본 선로 자갈의 깊이 또는 배수가 부족하기 때문일 수 있습니다.

훨씬 더 높은 수준의 '스캔에서 점검까지(scan-to-inspection)기능 및 유연성을 요구하는 사용자를 위해 Artec Studio 소프트웨어 업계 최고의 솔루션인 Geomagic Control X와 원활하게 통합됩니다.

한 번의 클릭으로 하나 또는 최대 수십 개의 스캔에 대한 포괄적인 점검 보고서를 받을 수 있으며, 모든 보고서는 막후에서 생성되어 동료, 경영진 보험회사 등과 공유할 수 있습니다.

재난이 닥쳤을 때 : Leo가 철도 사고 복구를 돕는 방법

선로를 따라 어느 곳에서나 탈선이나 기타 철도 사고가 발생할 경우, 철로 전문가와 조사원은 Leo의 도움을 받을 수 있습니다. 사고 현장에서 끊어진 선로, 침목 또는 부서진 자갈의 모든 부분을 몇 분 안에 캡처할 수 있습니다. 

그리고 Leo를 사용하여 엉망으로 파괴된 철도 차량을 포함하여 이러한 물체를 스캔할 때 결과물로 생성된 3D models은 철도 사고 재구성 전문가와 조사원들이 탈선 지점과 충돌 지점 및 충돌 변형을 기록하고 분석하는 데 사용될 수 있으며, 이러한 모든 모델은 사고의 모든 단계를 처음부터 끝까지 재구성하는 데 필요한 통찰력을 제공합니다.

선로, 자갈 및 화차에 상당한 손상을 입힌 태국의 열차 탈선 

다른 3D 스캐너와 Leo 결합

매우 크거나 매우 작은 물체를 스캔하기 위해 확대하거나 축소해야 할 때 포렌식 및 기타 산업 전반에서 수년동안 사용된 두 개의 3D 스캐너인 Artec Ray II 및 Artec Spider도 있습니다. 

Artec Ray II를 사용하면 최대 130m 떨어진 곳에서 대형 물체(예 : 철도 차량) 또는 전체 장면을 엔지니어링 수준의 정확도로 캡처할 수 있습니다. Space Spider는 사고 현장의 작은 금속 위 금속 도구 자국, 미세한 균열, 1mm 미만의 균열 등 작은 물체를 스캔하는 데 탁월합니다. 

Artec Studio 소프트웨어를 사용하면 Leo, Ray II  및 Space Spider의 스캔을 작거나 큰 구간, 철로 또는 구성 요소의 하나 이상의 고정밀 3D 모델로 결합하여 엉망으로 파괴되거나 온전한 철도 차량, 주변 경관 및 그 안에 있는 모든 것을 포함한 완전한 사고 장면까지 쉽고 빠르게 결합할 수 있습니다. 

거기에서 점검 보고서를 실행할 수 있을 뿐만 아니라 mm단위의 완벽한 오버헤드 다이어그램과 철로, 각각의 구성요소, 철도 차량 등의 단면도를 만들 수 있습니다.

사내에서 철도 구성 요소를 역설계 엔지니어링 하기 위한 3D 스캐닝

철도 회사는 Leo 또는 다른 Artec 3D 스캐너를 사용하여 구형 부품과 기계를 리버스 엔지니어링하여 투자 자본수익률 더욱 높일 수 있습니다. Artec 3D 스캐너가 조립 라인에 사용되기 시작한 이후 수십 년 동안 수천 개의 부품 제조가 중단되었습니다.

 

기어박스와 같은 복잡한 어셈블리는 말할 것도 없고 중요한 기어나 밸브나 고장이 나고 이를 시장에서 구할 수 없는 경우 비용이 많이 들긴 하지만 가장 일반적으로 권장하는 것은 기계 전체를 새것으로 교체하는 것 입니다.

 

그러나 Leo 또는 다른 3D 스캐너를 사용하면 스캔하는 물체의 크기에 따라 몇 분 만에 동일한 구형 물체를 디지털 방식으로 캡처한 다음 CNC 밀링, 3D 프린팅, 주조 또는 다른 매체를 통해 CAD에서 직접 재현할 수 있습니다.

결론

3D 철로 점검 등을 위해 Leo와 Artec 3D 전문 스캐너 제품군의 다른 스캐너는 사용자와 사용자의 회사를 위해 앞으로 수년 동안 점검 및 리버스 엔지어링 가능성의 광범위한 지평을 쉽게 열어줍니다.

 

상담문의

태즈메이니아는 호주 최남단의 큰 섬이자 이 섬을 중심으로 몇몇 섬을 더 포함하는 주로 태즈메이니아 섬 자체의 면적은 62,409㎢로 제주도 34배이며, 부속도서까지 합하면 68,401㎦, 남한 영토의 62.2%, 한반도 및 부속도서 전체의 28.3% 정도의 크기입니다.

이 섬의 조개껍데기를 보존하는 방식을 3D 스캐닝과 3D 프린팅 솔루션을 활용한 사례가 있어 안내드립니다.

과제 :  기후 변화와 해양 산성화의 영향이 커지면서 Andrew Gall은 루트루위타(Lutruwita, 태즈메이니아) 파카나 공동체의 일원으로서 그의 민족이 오래되고 없어질 위기에서 처한 조개껍데기 채집 전통을 보존할 방법을 찾다가 3D 스캐닝과 3D 프린팅 솔루션을 선택하였습니다.

솔루션 : Artec Micro, Artec Studio, 3D 프린팅

결과 : 다양하고 대체할 수 없는 태즈메이니아 조개껍데기의 디테일한 모든 부분을 스캔하였습니다. Artec Studio 에서 최대 10미크론의 놀라운 정확도로 실제와 같은 3D 모델을 생성했습니다. 그런 다음 조개 껍데기를 3D 프린팅을 활용하여 정확한 복제품으로 3D프린트 하였습니다. 이러한 놀라운 방법으로 고대 전통과 21세기의 기술을 결합하여 유물을 빠르고 안전하게 보존할 수 있었습니다.

이 프로젝트에 Artec를 선택한 이유는 깨지기 쉬운 아름다운 조개껍데기를 스캔할 수 있는 100% 안전한 비접촉식 초고해상도 3D 스캐너인 Aretc Micro가 적합하였습니다.

 

지구 반대쪽 멀리 떨어진 호주의 태즈메이니아 섬에서는 기후 변화로 고대 문화 관습이 위협받고 있습니다.

이곳의 섬의 원주민인 그의 민족의 풍부한 문화유산과 방식을 보존하는 데 평생을 바친 바카나 예술가이자 D.V.A(시각 예술 박사)인 Andrew Gall을 찾아볼 수 있습니다.

Gall은 루트루위타(태즈메이니아) 파카나 공동체의 일원으로서 수천 년 동안 파카나 생활 방식의 중심이었던 땅, 바다, 사람, 조개껍데기 사이의 신성한 연결고리를 재생해내기 위하여 노력하고 있습니다.

수천 년 동안 파카나 여성들은 채집을 시작하기 위해 아침에 관습적으로 해변으로 이동하는 관행의 수호자였습니다.

거기에는 무지갯빛으로 반짝이는 조개껍데기들을 채집하였으며, 이 조개 껍데기들은 어머니와 할머니로부터 배운 이 여성들에 의해서 예술적인 목걸이로 만들어 졌습니다.

이는 단순한 전통이 아니라 파카나족과 주변의 살아있는 세계와의 깊은 연결을 생생하게 보여준다는 뜻입니다. 하지만 빠른 기후 변화와 해양 산성화로 귀중한 조개껍데기 들은 너무나 빠른 속도로 사라져 가면서 고대 문화의 정수도 조금씩 사라져가고 있습니다.

수년 동안 IT 및 기술 분야에서 일한 Gall은 상황의 급박함을 인식하고 그의 문화와 전통을 지키기 위해 큰 결심을 가지고 진로를 바꾸게 되었습니다.

그는 그의 민족 전통의 받아들이면서 혁신적으로  문화적 유물을 보존하는 새로운 방법을 찾았습니다.

그래서 그는 대체할 수 없는 파카나의 보물을을 보호하기 위한 적합한 기술을 찾기 위한 탐구를 시작하였습니다.

 

 

 

Gall은 탐정처럼 일련의 잘못된 단서와 의외로 보잘 것 없는 고무 주형과 밀랍 주조를 검토해 보았지만 시간만 낭비하는 방법이란것을 깨달았습니다. 

하지만 그는 포기하지 않고 3D스캐닝으로 관심을 돌렸고 찾은 수 있는 모든 스캐닝 전문가에게 연락을 하여 자문을 구했습니다.

 

 

그러나 몇 번이고 계속해서 전문가들은 Gall이 필요로 하는 결과를 보여주지 못했습니다. 

마지막으로, Gall은 Artec의 골드 인증 전문업체인 Thinglag의 Ben Myers에게 연락하였고, 그는 첫 만남부터 이 작업에 대해서 진지하게 받아들였습니다.

Artec Micro를 접하다

3D 스캐닝 전문가인 Myers는 Gall에게 최대 10미크론(사람 머리카락 굵기의 약 1/5)의 놀라운 정확도로 이 섬세한 조개껍데기의 모든 색상과 디테일한 부분까지 스캔할 수 최첨단 장치인 Artec Micro를 소개하였습니다.

강력한 현미경과 같은 Artec Micro를 통하여 Gall과 Myers는 정교하게 조개껍데기의 실제와 같은 3D 모델을 만들어 원본의 모든 미세한 디테일, 심지어 아주 작은 구멍까지 스캔할 수 있었습니다.

 

현실 세계의 문제를 해결하기 위해 기술을 사용하는 것을 굳게 믿는 Myers는 "3D 스캐닝은 단순히 문화유산 보존을 위한 혁신적인 솔루션일 뿐만 아니라 우리 세계를 형성하는 광범위한 인간 경험에 대한 공감, 이해, 그리고 감사를 불러 일으키는 강력한 도구입니다."라고 말했습니다.

이러한 디지털 청사진을 알게된 Gall은 액상 세라믹을 사용하여 매우 사실적인 복제본을 3D 프린팅을 통하여 제작할 수 있었고, 조개껍데기 자체가 결국 유실되거나 파괴되더라도 보존할 수 있었습니다.

향후 수십 년, 수 세기에 대한 희망

Gall의 이야기는 복원성과 적응성에 관한 것으로 21세기 기술이 과거의 지혜와 방식을 보존하는 데 어떻게 도움이 될 수 있을지를 강조합니다. 이것은 3D 스캐닝과 프린팅이 어떻게 전통 사회가 급변하는 세계의 파괴적인 결과에 대처하는 데 얼마나 도움이 될 수 있는지를 보여주는 사례입니다.

기술의 힘을 활용함으로써, 우리는 우리의 집단적인 뭉화유산을 보호할 수 있고, 그것을 접하고 경험하는 새로운 방법을 만들어 나갈 수 있습니다.

Gall은 "우리는 Artec Micro을 통해 파카나족의 고대 전통과 오늘날의 최신 3D 기술 사이에 가교를 놓았고 우리 문화 유산의 이부분이 다믕 세대를 위해 생생하게 살아 있도록 했습니다."라고 말했습니다.

이제 가상 박물관, AR/VR 스토리텔링, 박물관 및 학교에서 사용할 수 잇는 3D 프린트 된 복제본을 통해 선조들의 전통과 방식을 미래 세대가 이해하기 쉽고 적절하게 받아들일 수 있습니다.

세계가 기후 변화의 도전에 계속 직면하는 가운데 우리는 Andrew Gall과 파카나족의 절망적인 역경에 직면한 상황에서 창의성과 혁신의 변혁적인 힘을 보여주는 희망의 등대로 바라볼 수 있습니다.

기술이 우리를 하나로 만드는 방법

이러한 선구적인 노력을 통해 우리는 인류의 조상으로부터 물려받은 문화재를 보호할 수 있고, 이러한 문화는 계속해서 우리에게 영감을 주고 우리를 계몽하고 사로잡을 수 있습니다.

세계는 원주민의 무수한 이야기와 그들의 풍부한 역사를 말해주는 다양한 종류의 작고 정교한 문화 유물로 가득합니다. 

세월과 비바람으로 인해 이러한 연약하고 귀중한 가보가 침식될 조짐이 보일 때, 3D 스캐닝이 진가를 발휘하며 섬세한 아름다움을 보존하고 보호할 수 있는 수단이 됩니다.

이 혁신적인 기술의 힘을 사용하여 아프리카 부족 가면의 정교한 디자인, 아메리카 원주민 부족의 복잡한 구슬 세공, 이뉴잇족 상아 조각의 세밀한 장인 기술을 모두 놀라운 디테일로 스캔하여 이러한 소중한 유물에 새로운 생명을 불어 넣으며 살아갈 수 있게 되었습니다.

Gall은 "3D 스캐닝은 전 세계 원주민을 통합하는 힘이 될 수 있는 잠재력이 있고, 우리는 이를 통해서 가장 아끼는 유물을 보존하고 전 세계의 다른 공동체와 공유할 수 있습니다."라고 말했습니다.

 

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