프리캐드(FreeCAD)
프리캐드는 오픈소스 3D 모델링 소프트웨어로, 주로 기계 설계, 제품 개발, 건축 설계, 전자기기 설계 등의 분야에서 활용됩니다. 파라메트릭 모델링 기능을 제공하여, 기존 설계를 쉽게 수정할 수 있으며, CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어 중에서도 자유도와 확장성이 뛰어납니다. Python을 활용한 스크립팅 기능을 지원하여 자동화와 커스터마이징이 가능하며, 다양한 파일 형식(DXF, STEP, STL, IGES 등)을 불러오고 내보낼 수 있습니다. 또한, 모듈 방식으로 설계되어 있어 사용자가 필요에 따라 기능을 확장할 수 있으며, 건축, FEM(유한 요소 해석), PCB 설계 등의 추가적인 기능도 포함되어 있습니다. 무료로 사용할 수 있어 취미 사용자부터 전문가까지 폭넓게 활용할 수 있는 강력한 오픈소스 CAD 프로그램입니다.
나선형 원뿔(Spiral Cone)
3D 모델링의 세계에서 간단한 도형으로 시작해 점차 복잡한 형태로 발전하는 것이 자연스러운 과정입니다. 그중에서도 나선형 원뿔(Spiral Cone) 구조는 시각적으로도 매우 매력적일 뿐만 아니라, 실용성과 예술성을 겸비한 디자인으로 다양한 분야에서 활용됩니다.
이러한 구조는 단순한 스프링이나 나사 형태에서부터 복잡한 공학적 요소에 이르기까지 광범위하게 사용되며, 현대 건축, 예술 작품, 토이 디자인에서 자주 볼 수 있습니다. 특히, 나선형 원뿔은 그 독특한 형태 덕분에 시각적인 흥미를 끌면서도 구조적으로 안정감을 주기 때문에 창의적인 디자인에 자주 활용됩니다.
이번 글에서는 무료 오픈소스 3D 모델링 소프트웨어인 프리캐드(FreeCAD)를 사용해서 바깥쪽 나선형 원뿔(Outer Spiral Cone)과 안쪽 나선형 원뿔(Inner Spiral Cone)이 결합된 나선형 원뿔 토이(Spiral Cone Toy)를 3D 모델링하는 방법을 소개하겠습니다. 하나씩 따라 하다 보면, 복잡한 나선 구조의 원리를 이해할 뿐 아니라, 다양한 형태의 3D 디자인 작업에도 응용할 수 있는 자신감을 얻을 수 있을 것입니다.
1. 나선형(spiral) 바디 모델링
1) Create body
새로운 바디를 생성합니다.
2) Create sketch
새로운 스케치를 생성합니다.
XY 평면을 선택해서 나선형 바디의 바닥면을 스케치합니다.
치수로 다음과 같습니다.
3) Additive helix
Additive Helix 명령은 Part Design 작업대(Workbench)에서 사용되며, 나선형(Helix) 모양의 3D 형상을 생성할 수 있는 기능입니다. 쉽게 말해서, 이 명령을 사용하면 스프링, 나사산, 코일 같은 나선형 구조물을 만들 수 있는데요, 기계 설계나 3D 프린팅에서 자주 사용되는 기능입니다. 복잡해 보이는 나선 구조도 이 명령을 이용하면 아주 간단하게 만들 수 있습니다.
앞에서 그린 스케치를 단면으로 사용해서 나선형 모양을 생성합니다.
4) PoralPattern
PolarPattern 명령은 Part Design 작업대에서 유용하게 쓰이는 기능입니다. 회전 대칭 복제 기능이라고 보면 됩니다. 선택한 피처(Feature)의 중심축을 기준으로 일정한 각도로 여러 번 복제해서 원형 배열로 만들어 주는 명령인데요, 복잡한 작업을 쉽고 빠르게 해결해 줍니다.
이 기능은 주로 기어의 톱니 배치, 볼트의 구멍 배열, 회전 대칭 구조 등을 만들 때 유용합니다. 일일이 수작업으로 복사해서 배치하는 것보다 정확하고 효율적으로 작업할 수 있습니다.
2. 원뿔(cone) 바디 모델링
1) Create body
2) Create sketch
XZ 평면을 선택합니다.
3) View section
View Section 명령은 모델의 특정 단면을 시각화할 때 사용하는 기능입니다. 말 그대로 모델을 가상으로 잘라서 내부 구조를 들여다볼 수 있게 해 주는 기능인데요, 실제로 모델을 절단하지 않고도 내부를 쉽게 확인할 수 있기 때문에 설계 검토나 도면 작성, 구조 분석 작업에서 유용하게 활용됩니다.
특히 복잡한 구조의 내부를 한눈에 파악해야 할 때, 이 명령어를 사용하시면 설계의 정확성과 효율성을 높일 수 있습니다. 설계 오류를 사전에 발견하거나, 조립 부품 간의 간섭 여부를 확인할 때도 꼭 필요한 기능이죠.
Sketcher 작업대 > View section
4) Create sketch
다음과 같은 치수로 직각 삼각형을 스케치합니다.
5) Revolution
Revolution 명령은 Part Design 작업대에서 사용되며, 스케치를 축을 기준으로 회전시켜 3D 형상을 만드는 기능입니다. 말 그대로, 2D 스케치를 돌려서 입체적인 형태로 만들어 주는 명령인데요, 특히 회전 대칭형 구조물을 만들 때 유용합니다.
예를 들어, 원통형 구조물, 그릇, 병, 기어 같은 형태를 만들고 싶으실 때 이 명령을 사용하면 원하는 모양을 쉽게 얻을 수 있습니다. 복잡해 보이는 곡선도 몇 번의 클릭만으로 3D 형태로 변환됩니다.
스케치한 직각 삼각형을 회전시켜서 원뿔(cone)을 생성합니다.
이렇게 해서 sprial 바디와 cone 바디를 각각 생성했습니다. 지금까지의 작업과정은 다음과 같이 모델 트리에서 확인 가능합니다.
프리캐드(FreeCAD)에서 모델 트리(Model Tree)는 3D 모델의 구성 요소와 변경 이력을 계층적으로 표시하는 중요한 기능입니다. 이 트리에는 스케치(Sketch), 피처(Feature), 바디(Body), 파트(Part) 등 작업대(Workbenches)에서 생성된 요소들이 포함되며, 모델의 구조와 관계를 직관적으로 확인할 수 있도록 도와줍니다.
프리캐드는 파라메트릭 모델링 방식을 사용하므로, 모델 트리에서 특정 피처를 수정하면 이후 단계의 형상도 자동으로 업데이트됩니다. 또한, 트리를 활용하여 특정 요소를 숨기거나 표시할 수 있으며, 피처 간의 의존 관계를 효과적으로 관리할 수 있습니다. Part Design, Part, Assembly 등의 작업대에서도 모델 트리를 통해 각 요소의 연결 구조를 확인할 수 있어, 복잡한 설계를 체계적으로 관리하는 데 매우 유용합니다.
3. 바깥쪽 나선형 원뿔 3D 모델링
1) Duplicate Selected Object
Duplicate Selected Object 명령은 선택한 객체를 복제해 주는 기능입니다. FreeCAD에서 작업을 하다 보면, 동일한 객체가 여러 번 필요할 할 때가 있는데요. 이 명령을 사용하면 선택한 객체와 똑같은 복사본을 만들 수 있습니다.
주로 Part 작업대에서 많이 사용되지만, 다른 작업 환경에서도 유용하게 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 동일한 부품을 여러 번 반복해서 사용해야 하거나, 기존 모델을 기준으로 다른 버전을 만들고 싶을 때 정말 편리하죠.
원본 sprial과 cone을 각각 복제해 줍니다.
(1) spiral 바디 선택 > Edit > Duplicate selected object
(2) cone 바디 선택 > Edit > Duplicate selected object
spiral과 cone을 각각 복제해서 Spiral001과 cone001 추가로 생성되었습니다.
(3) 원본 spiral과 cone은 현재 불필요하므로 눈 모양을 클릭해서 숨기고, 복제본 spiral001과 cone001만 보이게 합니다.
2) 작업대(Workbench) 변경
Part Design 작업대에서 Part 작업대로 변경해 줍니다.
3) Boolean
Boolean 명령은 주로 Part 작업대에서 사용되며, 두 개 이상의 객체를 "결합하거나 빼거나 교차시키는" 작업을 할 때 사용하는 기능입니다. 이를 통해 복잡한 형상을 효율적으로 만들 수 있는데요, 특히 기계 설계나 3D 프린팅을 위한 모델링 작업에서 중요한 도구라고 할 수 있습니다.
쉽게 말해서, 두 개의 3D 형상을 서로 합치거나, 하나에서 다른 하나를 깎아내거나, 겹치는 부분만 남길 수 있는 기능입니다. 반복적으로 수정하는 번거로움을 덜어 주기 때문에, 한 번 익혀 두면 복잡한 형태의 모델도 빠르고 쉽게 만들 수 있습니다.
cone001에서 spiral001을 Cut 하는 연산을 합니다
cone001 선택 > spiral001 선택 > Cut 연산
이때 선택하는 순서가 중요합니다. 먼저 선택한 것에서 나중에 선택한 것을 빼기 때문입니다. 순서를 반대로 하면 다른 모양이 생성됩니다. Ctrl 키를 누른 상태에서 두 바디를 선택합니다.
복제한 두 바디에 대해 Cut 연산을 실행한 후에 Cut이라는 이름의 새로운 바디가 생성되었습니다.
Cut 바디를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼 > rename 클릭해서 이름을 outerConeSpiral로 변경해 줍니다. 바깥쪽 나선형 원뿔이 완성되었습니다.
4. 안쪽 나선형 원뿔 3D 모델링
1) cone 복제하기
원본 cone을 한번 더 복제해서 cone002를 추가로 생성합니다.
2) Boolean
복제한 cone002에서 바깥쪽 나선형 원뿔(outerConeSpiral)을 빼는 Cut 연산을 합니다.
cone002 선택 > outerConeSpiral 선택 > Cut 연산
Cut 연산을 통해 새로 생성된 Cut001 바디를 선택하고, 마우스 오른쪽 버튼 > rename을 클릭해서 이름을 innerConeSpiral로 변경해 줍니다. 또는 F2 단축키를 사용해서 이름을 변경할 수도 있습니다
Rename : Cut001 --> innerConeSpiral
안쪽 나선형 원뿔이 완성되었습니다.
5. 틈새가 적용된 바깥쪽 나선형 원뿔 3D 모델링
지금까지 생성한 바깥쪽 나선형 원뿔과 안쪽 나선형 원뿔의 경우 접촉면 사이에 틈새가 없습니다. 3D 모델링의 경우 상관없지만 3D 프린터로 출력해서 상대적으로 잘 움직이게 하려면 두 부품 사이에 적절한 틈새가 필요합니다. 틈새를 주려면 어느 한쪽 부품 또는 양쪽 부품 모두 가능하지만, 이 글에서는 바깥쪽 나선형 원뿔의 접촉면만 더 깎아서 틈새를 주는 방법을 사용하겠습니다. 따라서, 틈새를 적용할 바깥쪽 나선형 원뿔을 새로 생성해야 합니다.
1) 복제하기
원본 spiral과 cone을 각각 복제해서 spiral002 바디와 cone003 바디를 생성합니다.
새로 생성한 두 바디는 보이게 하고 나머지 원본은 안 보이게 숨깁니다.
2) Offset
Offset 명령은 주로 Draft 작업대, Sketcher 작업대, Part 작업대에서 사용되며, 기존 스케치나 바디를 기준으로 일정한 거리만큼 안쪽이나 바깥쪽으로 평행한 새로운 선이나 새로운 면을 생성하는 기능입니다.
이 기능은 두께 추가, 경계 생성, 패턴 반복 등 다양한 디자인 작업에서 유용하게 사용됩니다. 예를 들어, 건축 설계에서 벽 두께를 조절하거나, 기계 설계에서 부품의 외곽선을 생성할 때, 또는 반복적인 패턴을 만들어야 할 때 큰 도움이 됩니다.
spiral002 선택 > Offset > 3D offset
안쪽과 바깥쪽 두 바디 사이에 틈새를 주기 위해 복제한 나선형 바디(spiral002)의 두께를 3D offset 명령을 사용해서 0.5mm 더 두껍게 해 줍니다. 틈새의 치수는 3D프린터의 성능에 따라 조절할 필요가 있습니다. 일반적으로 필라멘트를 사용하는 FFF 방식의 3D 프린터의 경우 0.5~0.6mm 정도면 충분합니다.
복제한 나선형 바디(spiral002)의 두께가 0.5mm 증가되었습니다.
3) Boolean
복제한 원뿔 바디(cone003)에서 Offset 명령으로 0.5mm 더 두껍게 만든 나선형 바디(spiral002)를 빼줍니다.
cone003 바디 선택 > spiral002 바디 선택 > Cut 연산
Cut 연산을 통해 Cut002라는 이름의 새로운 바디가 생성되었습니다.
F2 단축키를 사용해서 이름을 변경합니다.
Cut002 --> outerConeSpiralOffset0.5
이렇게 해서 안쪽 나선형 원뿔(innerConeSprial)과 틈새 0.5mm가 적용된 바깥쪽 나선형 원뿔(outerConeSprialOffset0.5)이 모두 완성되었습니다.
3D 프린터로 출력하려면 File > Export 해서 STL 파일을 생성합니다.
슬라이서 소프트웨어에서 G-code를 생성하고 3D 프린터로 보내서 출력합니다.
조립이 되고 잘 작동하는지 테스트합니다.
6. 무료 프리캐드(FreeCAD)를 사용해서 나선형 원뿔 토이 3D 모델링을 마치며
이번 글에서는 프리캐드(FreeCAD)를 사용해서 나선형 원뿔 토이(Spiral Cone Toy)를 3D로 모델링해 보았습니다. 지금까지의 과정이 다소 복잡해 보일 수 있지만, 핵심 기능만 익히면 누구나 쉽게 만들 수 있습니다.
프리캐드를 가장 효과적으로 배우는 방법은 메뉴나 명령어부터 공부하는 것이 아니라, 관심이 가는 모델링을 직접 시도하면서 필요한 기능을 하나씩 정확히 익혀가는 것입니다. 이 과정에서 메뉴, 명령어, 기능 등을 자연스럽게 습득할 수 있습니다.
이번 모델링을 잘 따라 한다면, 프리캐드에서도 단순한 작업을 넘어 복잡한 기하학적 형태를 구현하는 능력과 자신감을 얻을 것으로 생각합니다. 재미있고 도전적인 모델로 다시 돌아오겠습니다.
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