3D 스캐너와 3D 프린터를 활용한 손목보호대 개발

본 연구에서는 피험자의 오른쪽 손목 부위를 스캔하기 위하여 비접촉식 스캐너를 사용하였다. 사용된 스캐너는 S사의 제품으로 물체와 40cm 이상의 거리를 유지하며 스캔하는 핸디형이며 피험자의 손목주위를 360o 회전하면서 스캔이 이루어졌다. 스캐닝은 중복적인 데이터 취득이 가능하나 거리의 유지가 되지 않고 너무 멀거나 짧으면 추적이 유실되어 스캔이 되지 않으므로 주의하여 스캔하였다. 피험자의 손은 차렷 자세에서 손을 편하게 두었을 때의 모양과 같게 하여 엄지를 제외한 나머지 손가락을 모은 뒤 손바닥을 편안하게 둥글린 자세를 유지하여 손끝부터 팔꿈치 부분까지 스캔하였고 피험자는 스캔이 끝날 때까지 약 5분정도 상태를 유지하였다. 피험자의 손을 스캔하여 얻은 데이터는 모델링 소프트웨어에서 사용할 수 있도록 솔리드화 시켜야 한다. 따라서 S사의 소프트웨어로 간단한 편집이 가능하며 불필요한 부분을 제거하고 솔리드화를 실시하여 확장자 STL로 파일을 저장했다.

본 연구에서는 손목보호대의 모델링파일을 설계하기 위해 모델링 소프트웨어인 ‘123D’, ‘캐디안 2015’, ‘라이노 5.0’을 사용하였다. 123D는 스캔한 손목파일을 캐디안 2015와 라이노 5.0에서 작업 가능한 형태의 파일로 변환하기 위하여 사용하였으며 캐디안 2015는 기초적인 작업과 마무리단계 작업에 사용하였고 라이노 5.0은 표면작업에 활용하였다. 위의 모델링 소프트웨어에서 작업 가능한 확장자로는 STL, STEP, SAP 등이 있다.

123D는 세 가지 소프트웨어 중에서 유일하게 STL파일을 열어 작업할 수 있는 소프트웨어로 스캔이 완성된 STL파일을 열어 필요한 부분의 외곽선을 4~5부분에 나누어 추출한 뒤, 스캔한 형상을 본 딴 새로운 솔리드로 재생성하여 STEP확장자로 저장하였다. 123D에서 재생성한 STEP파일을 캐디안 2015에서 열어 표면분리를 한 뒤 엄지손가락이 들어가야 하는 구멍을 만들고 손바닥 부분을 둥글게 파주어 착용했을 때 손목보호대가 손바닥을 짓누르지 않도록 하였다. 여밈을 넣을 부분을 만든 뒤, 캐디안 2015에서 작업한 파일을 라이노 5.0에서 불러와 표면위에 격자형태의 기초선을 설정하였다. 만들어진 기초선을 기준으로 원기둥을 만들어 손목보호대의 형태를 완성하였으며, 마지막으로 캐디안 2015에서 여밈 부분을 모델링하고 본체와 연결시켜 손목보호대 모델링을 완성하였다(Table 1).

Table 1.

Wrist brace modeling sequence

손목보호대 모델링 파일을 출력하기 위해 FDM(fused deposition modeling)방식의 큐비콘 3D 프린터를 사용하였다(Fig. 1). 완성된 모델링 파일을 출력하기 전에 G-코드를 생성하여 프린터가 읽을 수 있는 파일로 변환해 주어야 하는데 본 연구에서는 큐비콘사의 크리에이터 프로그램을 사용하였다. 손목 보호대 재료는 현재 개발되어 있는 다양한 3D 프린터의 재료를 탐색하여 인체에 거부감이 적은 재료를 찾는데 주력하였으나 대부분이 플라스틱에 한정되어 있었다. 좀 더 부드럽거나 특수한 재료는 매우 고가일 뿐 아니라 그것을 출력할 수 있는 3D 프린터 또한 매우 고가이거나 국내에서는 찾기 어려운 실정이었다. 따라서 본 연구에서 사용한 재료는 구입 가능한 여러 재료의 특성을 검토하여 인체에 사용하였을 때 딱딱하여 거부감이 들지 않는 PLA(poly lactic acid) 유연한 필라멘트인 Lankeda와 Ninja Flex를 사용하였다(Fig. 2, 3).

Fig. 1.

Cubicon single printer.

Fig. 2.

Lankeda filament.

Fig. 3.

Ninja Flex filament.

1차 모델링과 2차 모델링 결과물 출력은 내부 채움 밀도 50%, 노즐온도 230^oC, 히팅베드 40^oC에서 지지대를 설정하여 Lankeda 필라멘트로 먼저 출력하였고, 재료에 따른 결과를 비교하기 위하여 같은 설정으로 Ninja Flex로 출력하였다. 또한 지지대의 종류에 따른 결과를 비교하기 위하여 먼저 자동지지대를 단반향성, 모든 부위로 설정하고 바닥보조물을 Brim으로 하여 출력한 후 수동지지대를 엄지구멍부위와 여밈 부분에 설정하여 Lankeda 필라멘트로 출력하였다. 3차 출력을 마친 뒤 지지대를 제거하는 후작업에서 지지대의 밀도를 높게, 지지대 출력 속도를 느리게 하면 지지대 제거가 힘들며 제거 후 손목 보호대 몸체의 외관이 지저분하였으므로 지지대의 밀도를 15%에서 10%로 낮추고 지지대 출력속도를 60mm/s에서 80mm/s높여 손목보호대를 출력하였다. 최종출력물은 3D 프린터의 출력 설정을 노즐온도 220^oC, 히팅베드 40^oC로 하여 출력하였다.

레이저형 스캐너로 각 피험자의 손목을 스캔하여 3차원 형상의 손목파일을 얻었다. 스캔 후 고형화가 완료된 피험자의 손목은 Table 2와 같으며 프로그램 상에서 3차원 입체형상의 모습으로 360o전 방위로 확인이 가능하다.

Table 2.

Multi-side photo of scanned wrist

스캔한 손목을 모델링하기에 편리하도록 솔리드파일을 형성하여 손목보호대를 설계하였다. 손목보호대 모델링은 피험자 착용 후 여러 번의 수정을 거쳐 완성하였다(Table 3).

Table 3.

Result of modeling

1차 모델링은 기초적인 외관의 모습만 확인하기 위해 솔리드로 변환한 스캔 손목형상에 격자간격을 세로 가로 각 10mm로 설정하고 반지름 1mm의 원기둥을 생성하였으며 외곽과 엄지 손가락을 넣는 구멍은 원기둥의 반지름을 2mm로 지정하였다.

2차 모델링은 1차 모델링보다 구체적인 손목보호대의 형태를 확인 할 수 있도록 세로간격을 6mm, 가로간격을 8mm로 좁혀서 기초선을 생성하였으며 손목을 가로방향으로 좀 더 힘있게 잡아줘야 한다고 판단하여 세로 반지름 1mm, 가로 반지름 1.5mm로 세로보다 가로원기둥의 반지름을 더 두껍게 설정하여 3D프린터로 출력하였다. 손목보호대의 외곽은 1차 모델링과 마찬가지로 반지름 2mm의 원기둥으로 모델링하였다. 손목보호대의 2차 모델링과 동시에 여밈 부분의 모델링을 따로 진행하였으며 손목보호대와 여밈의 모델링을 각각 완성하여 마지막에 결합하였다. 여밈의 1차 모델링으로 반지름 1mm의 원기둥과 반지름 1.5mm의 구를 형성하였으며 반대편에는 구를 넣어 고정할 수 있도록 반지름 1.5mm의 구멍을 뚫은 원형과 반지름 1.5mm의 원형 옆에 반지름 1mm의 원형을 붙여놓은 모양의 단춧구멍 형으로 모델링하였다. 똑딱이형 여밈의 2차 모델링으로 크기를 크게 조정하여 반지름 2mm 원기둥위에 반지름 3mm 구를 올려 똑딱이 형태를 형성하고 반대 여밈 쪽에 반지름 3mm의 구멍을 만들어 완성하였다.

손목보호대의 3차 모델링으로 격자 기초선의 간격을 좁히고 원기둥의 굵기를 늘려 2차 모델링한 출력물보다 안정적이고 지지가 잘 될 수 있도록 모델링하였다. 솔리드의 표면위로 세로는 4mm간격 가로는 6mm간격으로 기초선을 그렸으며 가로방향은 반지름 1.6mm, 세로는 반지름 1.3mm의 크기로 원기둥을 생성하였다. 이때 손바닥 쪽의 세로선 8개는 좀 더 단단하게 손목의 가동범위를 고정할 수 있도록 반지름 1.6mm의 크기로 가로방향의 기초선과 같게 설정하였다. 설계된 손목보호대의 외곽선과 엄지구멍부분은 안정된 형태의 유지를 위해 반지름 2mm로 설정하며 테두리를 생성하였다. 3차 모델링완성하고 예비착의평가를 실시한 결과 3D 프린터로 출력한 여밈의 고정력이 나쁘지 않으나 외관에 튀어나온 부분이 사용 중에 옷이나 다른 물체에 걸리거나 혼자 착용 할 때에 부적절하다고 판단하였다. 본체와 여밈까지 3D 프린터로 출력하는 것 보다 벨크로를 사용하는 것이 실제로 착용할 때 편리하며 안전하다고 사료되어 본체를 출력한 뒤 벨크로를 연결하는 것으로 최종 변경하였다. 벨크로를 연결하기 위해 본체에 벨크로를 끼울 수 있도록 모델링 수정을 하여 출력하고 벨크로는 재봉으로 고정하였다.

마지막으로 4차 모델링은 격자기초선의 간격을 가로 6mm, 세로 4mm로 설정하였으며 원기둥의 반지름은 가로방향 1.6mm, 세로 1,3mm로 하였다. 외곽을 둘러싼 원기둥의 반지름은 2mm로 정하였고 엄지손가락을 넣는 구멍은 유연한 착용감을 위하여 반지름 1.3mm로 최종 보완하였다. 위의 차례대로 본체 모델링을 완성한 뒤여밈 부분은 따로 모델링하여 결합하였다(Table 4). 여밈은 직사각형 형태로, 벨크로가 통과할 수 있도록 가로 3mm, 세로 23mm의 구멍을 상, 중, 하 위치에 3개로 설정하였다. 본체를 출력한 뒤여밈 구멍에 벨크로를 연결하였으며 개인의 손목형태와 크기에 맞추어 제작된 손목보호대이므로 고정될 수 있을 만큼의 넓이로 벨크로를 재단하여 완성하였다. 마지막으로 스캔한 손목의 실물크기로 모델링하여 출력하고 착용하였는데 손목과 보호대 주위의 여유량이 없어 불편하다는 의견이 있어 1.1배 크기로 확대하여 예비착용 평가하였다. 1.1배는 손목보호대가 손목보다 커 여유부분이 많아져 손목을 고정하는 것이 불가능하다고 판단되어 1.02배, 1.04배 크기로 재 출력하여 예비착의평가를 실시하였다. 여성 착용자는 1.02배가 적당하였으나 남성 착용자는 1.02배로 출력한 출력물은 조금 답답하다는 의견이 있어 남성의 경우 1.04배 크기로 출력하여 평가하였다.

Table 4.

Types of closure

FDM방식의 3D 프린터와 Lankeda 필라멘트를 사용하여 완성된 손목보호대를 출력하였다. 필라멘트는 투명색, 흰색, 노란색, 빨간색, 검정색 등 5가지가 판매되고 있는데 본 연구에서는 개발한 손목보호대는 사람의 피부색에 가까운 노란색 필라멘트로 선택하여 출력하였다. 파일변환 프로그램은 크리에이터를 사용하였으며 출력 설정은 노즐 온도 220^oC, 히팅베드 40^oC, 밀도 50%로 설정하였다(Table 5).

Table 5.

Output progress result

먼저 1차 모델링과 2차 모델링 파일을 출력한 결과, 1차 모델링 출력물은 지지대를 제거하는 도중에 본 출력물이 함께 떨어지는 등 손목을 지지하기에 구조적으로 부실하였다. 좀 더 조밀하게 모델링하여 출력한 2차 출력물은 손목의 굴곡이 잘 형성되지 못하여 시험 착용하였을 때 불편하다고 판단되었다.

엄지구멍의 구조와, 손목의 굴곡을 다시 형성하여 3차 모델링한 파일은 재료의 비교와 지지대 비교를 위하여 출력하였다. 먼저 Lankeda 필라멘트와 그것보다 유연하고 부드러운 Ninja Flex 필라멘트를 사용하여 어떤 재료가 적합한지 비교하였다. 출력 결과 Ninja Flex가 Lankeda보다 착용감이 부드럽고 유연하여 활동이 편하였지만 손목보호대는 손목을 고정시키는 힘이 불충분하다고 생각되어 Lankeda 필라멘트로 결정하였다. 다음으로 자동지지대와 수동지지대의 차이를 비교하였다. 먼저 자동지지대는 본 출력물을 수직으로 지지하는 지지대로 모든 부위에 끝점연결선으로, 본 출력물의 바닥이 출력 판에 들뜸 없이 출력되도록 도와주는 바닥보조물은 가장 낮은 단계의 Brim으로 설정하여 출력하였다. 지지대가 출력물을 잘 보호해주어 누락되는 부분이 없이 출력이 완성되었으나, 지지대를 제거하는 과정에서 지지대의 밀도가 높고 부피가 커, 제거하면서 본 출력물에 상해를 입히는 경우가 종종 발생되었다. 두 번째로 수동으로 지지해야 할 곳만 지지대를 설정하여 출력하였다. 지지대 설정 장소는 여밈 부분과 엄지구멍 부분이었다. 출력결과 수동지지대는 밀도를 설정할 수 없어 매우 단단하게 출력 되었으며, 본체와 겹치게 출력되는 부분은 제거를 할 수 없어 수동지지대는 설정 하지 않는 것이 좋다고 판단하였다. 여밈 부분을 수정하여 최종 완성한 4차 모델링 파일은 자동 지지대 중에서 최소의 면적을 지지해주는 선택적 부위에 단방향성으로 설정하고 바닥보조물은 제일 낮은 Brim으로 설정하여 출력하였다. 출력시간은 착용자의 손목크기에 따라 다르지만 약 13시간에서 15시간이 걸렸으며 출력 후 작업으로 지지대와 잔여물을 제거하였다. 지지대는 칼을 사용하여 제거하였으며 지지대 제거 후 남은 잔해와 출력 중에 발생한 잔여물은 가위와 사포를 사용하여 제거하였다.

출력이 끝난 손목보호대에 벨크로를 연결하여 사용평가 할 손목보호대를 최종적으로 완성하였다. 벨크로는 폭 25mm를 상중하 3번에 나누어 본체와 연결하였다. 출력물은 재봉바늘이 뚫고 들어갈 수 없을 만큼 두꺼워서 재봉틀을 사용할 수 없으므로 벨크로의 겉면에서 땀이 눈에 띄지 않도록 손으로 바느질하였다. 예비착의평가 시, 걸림고리 벨크로에 갈고리 벨크로를 자유롭게 부착할 수 있도록 걸림고리 벨크로를 넓게 올려놓았는데, 개인에게 맞추어서 설계한 손목보호대에서 둘레의 조임유무를 제외하고 위치의 변경은 필요하지 않으며 넓게 부착된 걸림고리 벨크로로 인해 미관상 깨끗하지 않아 보이고 옷에 걸리는 이유 등으로 갈고리 벨크로의 크기에 맞게 3군데로 나누어 따로 부착하여 손목보호대를 완성하였다(Table 6).

Table 6.

Multi-side photo of finished wrist brace

Fig. 4.

Figure of wearing the wrist brace.