활용사례[Mimics 활용사례] "익산쌍릉 출토 인골"의 3D데이터 모델링과 복제품을 3D프린팅한 사례 (with 국제부여문화재연구소)

안녕하세요! 국내에서 20년 넘는 오래된 업력을 바탕으로, 산업용 SLA, SLS, SLM방식의 3D프린터를 전문으로 공급하고, 3D프린팅 제작 서비스와 3D모델링 제작 서비스를 전문으로 하는 (주)퓨전테크놀로지입니다.


Mimics(미믹스) 소프트웨어를 이용한 3D모델링부터, SLA 3D프린터를 활용하여 3D프린팅과 도색까지, 3D산업의 모든 기술력을 활용한 재미난 사례가 있어 소개하고자 합니다. 지난 2018년 국제부여문화재연구소에서 의뢰를 받아 진행한 토탈 3D프린팅 서비스 사례를 공개합니다!


그 전에 앞서, (주)퓨전테크놀로지의 3D모델링을 지원하는 소프트웨어팀에 대한 소개를 먼저 하겠습니다. (주)퓨전테크놀로지사는 7년 이상의 숙련된 노하우를 가진 BME(Bio Medical Engineering) 소프트웨어 팀을 운용하고 있습니다. 이 팀은 국내 의료업계를 대상으로 전문적인 3D디지털 모델링 데이터 구축을 위한 용역 서비스를 제공하고 있습니다.


■ 퓨전테크놀로지사의 Bio-Medical Engineering Service (의공학 서비스) 


Materialise Mimics를 활용한 BME 3D모델링 서비스 - (주)퓨전테크놀로


(주)퓨전테크놀로지사가 의미하는 "Bio-Medical Engineering Service"를 짧게 설명 하자면, 의료 업계에서 사용하는 CT영상과 MRI영상 및 Micro CT와 Xray 장비에서 추출되는 Dicom 영상 이미지를 분석하고 선택적으로 사람의 뼈(Bone), 내장기관(Organs), 혈관(Blood vessel), 심장 및 인체외형 등을 3D모델링 데이터(STL데이터)로 변환해주는 일을 시작으로 합니다.


변환된 3D모델링 데이터는 요청에 따라 수정 및 편집을 진행할 수도 있으며, 데이터 분석을 위해 활용되기도 합니다. 필요한 경우 환자의 데이터를 기반으로 맞춤형 디바이스(임플란트, 보조기기 등)를 설계 할 수도 있습니다.


최종 제작된 3D데이터 또는 이를 통해 제작된 맞춤형 임플란트, 보조 지지대와 장기 모델은 산업용 SLA,SLS방식의 3D프린터를 이용하거나, SLM방식의 메탈(금속) 3D프린터를 활용하여 출력하는 일도 하고 있답니다. 산업용 3D프린터로 출력된 인체 내부 뼈(Bone) 및 기관(Organs)의 3D데이터를 실물로 출력하여 수술 전 모의 수술에 활용하거나, 뼈의 맞춤형 임플란트를 계획하거나, 환자에게 수술을 위한 설명 자료로 활용됩니다.


■ Materialise사, 의료영상데이터를 3D모델링 데이터로 변환시키는 소프트웨어를 개발하다! 


전세계 의료 업계에서는 환자와의 소통을 위해서 또는 수술 집도를 위한 계획과 소통을 위해 점점 더 3D데이터를 활용하고 있습니다. 특히 기존에 설치되어 이미 환자의 내장기관 및 뼈의 이상유무를 확인하기 위해 마련된 CT, MRI, X-ray 등의 영상 촬영 장비가 대거 의료계에 구축되어 있어, 이 기기들을 통해 추출된 Dicom(Digital Imaging and Communication in Medicine) 데이터를 3D데이터로 변환하여 활용할 수 있는 솔루션이 필요했습니다.


*Dicom(Digital Imaging and Communication in Medicine) 이란?


Dicom이란 의료영상장치(CT, MRI, X-Ray, 초음파)에서 촬영된 데이터의 저장형식과 통신방법을 규정한 것입니다. 의료영상장치인 CT, MRI, X-Ray, 초음파로 촬영된 이미지는 모두 파일 확장자인 *.dcm 사용하도록 통일되었습니다. (Dicom 조약이 있기 전까지는 각자 의료영상장치마다 파일형식과 통신방법이 달라 장비별 viewer(뷰어)가 모두 따로 사용되어 활용성이 매우 복잡하였답니다.)


1992년 탄생한 Materialise Mimics 소프트웨어 


의료업계의 디지털화 및 3D데이터에 대한 필요 사항을 오래 전부터 파악하고 있던 벨기에에 본사를 둔 Materialise사는 이를 위한 전용 Software를 개발하였습니다. 1992년 개발된 Materialise Mimics(미믹스)라는 소프트웨어는 의료업계를 타겟으로 CT이미지를 3D모델링 데이터로 변환해주는 세계 최초의 소프트웨어로서, 변환된 3D모델링 데이터는 SLA 3D프린터로 출력이 가능하여 의사들에게 환자별 해부학적 3D프린팅 모델을 제작할 수 있도록 도왔습니다. 


■ Materialise 사 소개와 (주)퓨전테크놀로지의 관계는? 



벨기에에 위치한 Materialise(머터리얼라이즈)사는 1990년 창립되어 3D프린팅을 위한 전문 소프트웨어를 개발하고 있는 세계 최고의 3D프린팅 소프트웨어 전문 개발사입니다. 특히 산업용 SLA, SLS, SLM 등의 장비에 60% 이상 사용되는 3D데이터 준비 소프트웨어인 Materialise Magics(매직스) 소프트웨어의 강력한 성능 덕분에 전세계적으로 매우 유명합니다. (Materialise Magics는 3D모델링 데이터를 3D프린터에 최적화 되도록 데이터 치유(Fixing)부터 서포트(Support) 생성 및 빌드 배치와 레이어 별 슬라이싱까지 완벽한 3D프린팅 전용 소프트웨어입니다.)


 (주)퓨전테크놀로지는 Materialise사의 산업용 S/W인 Magics S/W의 Platinum Partner(플래티넘 파트너사)이며 의료용 S/W인 Mimics Innovation Suite를 의료 분야에 국내 독점 공급하고 있습니다. 7년 이상의 숙련된 BME 소프트웨어팀은 Mimics Innovation Suite를 의료 업계에 소개하고 교육하며, 판매를 담당하고 있습니다. 분기별 2~3회 Mimics 소프트웨어 실습 활용 교육을 운용하여 Mimics 소프트웨어를 알리고 있습니다. Mimics 소프트웨어는 현재 국내 약 100곳 이상의 병원 및 의과대학 및 공과대학에서 활용되어 지고 있으며, 매년 사용자가 늘고 있는 추세입니다.   


■ Materialise Mimics 소프트웨어 소개 


Materialise Mimics Innovation Suite 


*Mimics Innovation Suite는 짧게 줄여 MIS라고 불리웁니다. MIS의 기초 소프트웨어는 Mimics Base 소프트웨어입니다. 기본 소프트웨어에서 STL데이터를 편집하거나 분석하는 등의 추가 기능을 활용하기 위해서는 다음과 같은 Design Module, FEA module, Analysis module 등의 모듈을 추가하여 사용할 수 있습니다. 추가 모듈이 추가 되면, Mimics Base로 추출된 3D모델링 데이터를 토대로 환자 맞춤형 디바이스의 모델링 및 라티스 구조 적용과 분석 등을 진행할 수 있습니다.


특히 Design Module을 추가하면 사용할 수 있는 3-matic 이름의 3D모델링 데이터 편집 소프트웨어는 STL 메쉬 데이터를 자유로이 수정할 수 있으며, 환자 맞춤형 디바이스 쉽게 제작할 수 있도록 도와줍니다. 또한 맞춤형 디바이스의 무게를 줄이기 위한 경량화 작업의 일환인 라티스 구조도 제작할 수 있는 기능을 제공합니다.


*라티스 구조로 제작된 환자 맞춤형 디바이스는 무게는 줄고, 강도는 이전과 동일한 상태로 의료업계 및 자동차 업계 등 제품의 중량을 줄이기 위해 많이 사용되는 디자인 구조입니다. 3-matic은 기존 3D모델링 데이터의 경량화를 위한 다양한 격자구조의 라티스 모델링을 쉽게 변환할 수 있도록 도와줍니다. (다양한 모듈에 대한 설명은 추후 블로깅을 통해 공개할 수 있도록 하겠습니다.)


서론이 너무 길었네요! 그럼, Mimics를 활용한 익산쌍릉 대왕릉에서 발굴한 뼈의 3D모델링 제작과 3D프린팅을 통하여 복제품을 완성한 활용사례를 소개하겠습니다.


■ (주)퓨전테크놀로지, 익산 쌍릉 대왕릉에서 출토된 인골(뼈)에 대한 3D디지털화 작업과 3D프린팅 작업을 의뢰받다. 


익산 쌍릉 대왕릉 발굴 사업 - 국립부여문화재연구소 


1971년 조선총독부가 식민침탈을 목적으로 발굴조사를 진행하였던 익산 쌍릉 고분의 재발굴 작업이 약 100년이 흐른 2018년에 새롭게 진행되었습니다. 재발굴 작업은 문화재청에서 추진하고 있는 백제왕도핵심유적보존관리사업의 일환으로 발굴조사를 위해 국립부여문화재연구소, 원광대학교 마한백제문화연구소와 익산시가 함께 작업에 착수하였습니다.


익산 쌍릉의 석실 발굴 작업 중 나무 상자가 하나 발견이 되었는데요, 그 속에는 오래된 뼛조각들이 들어 있었습니다. 일제강점기 조선총독부가 익산 쌍릉을 발굴 조사할 당시, 석실 내부의 유물들을 일본이 반출하면서 석실 내부에 흩어져 있던 뼛조각들을 한데 모아둔 나무 상자는 누군가의 유골함으로써 그동안 알려지지 않은 정보를 담고 있었습니다.


만약 이 뼛조각(인골)들이 무덤의 주인의 것이라면, 백제 무왕의 능인지 확인할 수 있는 결정적인 단서가 될 것으로 판단한 국립문화재연구소는 학제간 융합연구를 기획하였고, (주)퓨전테크놀로지는 국제부여문화재연구소로부터, 익산쌍릉 대왕릉에서 출토된 무왕의 인골로 추정되는 뼈조각 중 약 19점에 대해 3D디지털 기록 작업과 3D프린팅한 복제품을 제작해 달라는 요청을 받았습니다.


이를 위해 (주)퓨전테크놀로지의 BME 소프트웨어팀이 작업에 참여하였으며, 뼈의 3D모델링 데이터 제작을 위해 인골 19점의 기초 데이터를 확보하는 작업을 진행하였습니다.


■  3D모델링을 위한 인골 표본의 "기초 데이터 취득 방식"을 고민하다.  


"3D스캐닝으로 데이터를 취득할까? 아니면 CT영상촬영으로 뼈의 외부 및 내부 모든 형상을 취득할까?" 


 인체의 뼈를 3D모델링 데이터로 변환하기 위해서는 여러가지 방법이 사용될 수 있습니다. 광학식 3D스캐너를 통해 뼈를 스캔하여 3D데이터를 취득할 수도 있지만, 뼈의 외관 특성상 광학식 3D스캐너가 부적절할 수도 있습니다. 특히 뼈의 절단면에 생긴 촘촘한 구멍들을 3D스캐너가 쉽게 취득할 수 없으며, 3D스캐너가 취득하기 어려운 뼈의 표면 재질로 인해 부분별로 포인트 클라우드 데이터가 취득이 잘 안되는 부분이 많습니다.


이를 해결하기 위해서는 매우 미세한 하얀 가루인 "현상액"을 뼈 표면에 도포한 후 3D스캐닝을 진행할 수 있습니다. 하.지.만, 중요한 표본인 익산 쌍릉 인골에 한번 뿌린 "현상액"은 뼈 속에 현상액 알갱이들이 박히게 되어 잘 지워낼 수 없습니다. 중요 인골 표본이 손상되는 것을 방지하기 위해서라도 다른 방법을 찾아야 했습니다. 그리고 무엇보다도 인골의 3D프린팅 복제품을 제작하기 위해서는, 매우 정교하고 높은 퀄리티의 3D데이터를 취득해야만 했기에 다른 수단을 선택하였습니다.


국립부여문화재연구소는 의료영상이미지(CT, MRI 등)를 통한 3D모델링 취득방식을 택하였습니다. 그 이유는 3D스캐너는 눈에 보이는 뼈의 외관만을 스캐닝하여 3D데이터를 취득할 수 있지만, CT의료영상이미지를 토대로 3D모델링을 진행하면 뼈의 깊은 구멍부터 미세 단층 정보와 정교한 외관까지 거의 모든 정보를 취득할 수 있기 때문입니다.


그리하여, 인골 19점을 하나하나 360° 회전시키면서 X선이 투과한 2D단면을 디지털화하여 컴퓨터로 재구성한 3D영상 기록 방법인 X선 CT촬영 기술이 사용되었습니다. 일반 CT촬영이 아닌 더욱 정교한 데이터를 취득하기 위해 Micro CT 촬영이 진행되었습니다. 이를 통해 19점의 뼈 조각에 대한 단면투과 이미지와 골밀도의 분포, 상태 크기를 조사할 수 있는 CT촬영 영상 이미지를 Dicom 파일로 추출할 수 있었습니다. (주)퓨전테크놀로지는 이 영상데이터를 근간으로 Materialise Mimics 소프트웨어를 활용하여 정교한 3D모델링 데이터(stl)를 생성할 수 있었답니다.


■  인골 19점의 3D모델링 데이터 제작 & 복제품 제작 프로세스 


국립부여문화재연구소에서 특정한 유골함 속 인골 중 19점을 3D모델링 데이터로 제작하고, 이를 3D프린팅을 활용하여 복제품을 제작하기 위해 아래와 같은 프로세스로 작업을 시작하였습니다. 국립부여문화재연구소에서 수령한 인골 19점의 기초 데이터인 Micro CT Dicom 파일을 Mimics로 불러와 3D모델링을 진행하는 것을 시작으로, 아래와 같이 프로세스를 진행하였습니다.



위 프로세스에서 볼 수 있듯이, (주)퓨전테크놀로지 BME 소프트웨어팀은 3가지 전문 소프트웨어를 활용하여 3D모델링 데이터 추출부터 편집과 3D프린팅을 위한 데이터 준비과정을 진행하였습니다. (주)퓨전테크놀로지는 벨기에 Materialise사의 Magics S/W 부문의 Platinum Parter사이자 Mimics S/W 국내 독점 리셀러로서, Materialise Mimics, Materialise 3-matic, Materialise Magics 소프트웨어를 사용했습니다. 이를 짧게 소개하고자 합니다. 



1. Materialise Mimics (미믹스) : 



 Medical CT 혹은 MRI의 Dicom Image 혹은 Conbeam CT, Industrial CT와 Micro CT 등의 Dicom Image를 3D모델링 데이터(STL)로 변환해 주는 전문 소프트웨어입니다. 더욱 상세히 말씀드리자면, 의료용 CT / MRI 이미지 데이터로부터 관심 있는 부위(ROI, Region of Interest)의 인체 영역을 HU(Hounsfield Unit) 혹은 회색 색상의 부분을 형상외곽 추출법에 의해 선별하여 3차원 모델을 추출하고 응용할 수 있는 소프트웨어입니다.  


2. Materialise 3-matic (쓰리매틱) :



3D모델링 데이터(STL Mesh Data)를 전문 편집하는 소프트웨어로서 메쉬 데이터의 자유로운 편집 및 STL 기반의 CAD데이터 설계가 가능합니다. 산업용과 의료용으로의 활용이 가능하며 다른 소프트웨어에서는 처리가 까다로운 STL데이터를 불러와 메쉬 데이터의 보정, 합치기, 수정하기 등 다양한 작업이 가능합니다.


산업용으로는 기존 3D모델링 데이터의 경량화 구조 제작을 돕기 위해 Lattice구조를 자동 설계해 주기도 합니다. 잘못 연결되거나 면이 뒤집히는 등을 보정해 주는 STL데이터의 치유(fixing)작업도 가능합니다.


의료용으로는 Mimics로 추출한 환자의 인체 내부 데이터(뼈, 심장, 혈관)등의 데이터를 기반으로, 3-matic에서 임플란트 및 각종 보조기기를 제작하는 데에 주로 활용됩니다.


3-matic 소프트웨어를 활용하여 제작한 티타늄 임플란트 및 보조기기 모습 



3-matic이 의료용 STL 편집 소프트웨어로 많이 활용되는 이유는, 의료 보조기기 및 임플란트 제작을 목적으로 자동화된 기능들이 잘 구축되어 있으며, Mimics와 자유롭게 데이터를 공유하고 연동할 수 있기 때문입니다.


특히, 일반적인 역설계 작업을 거치지 않은 3D스캐너에서 취득된 STL데이터 혹은 Mimics에서 추출한 STL데이터를 가지고 별도의 변환 작업 없이, STL속성으로 설계가 가능한 점이 매우 유용합니다. 또한 3D프린터로 출력할 수 있도록 STL 데이터의 기반으로 모든 데이터 수정, 편집, 보정 및 치유과정 까지 마련해주어 목적성이 다른 타 STL 편집 소프트웨어와는 차별화된 소프트웨어입니다.


3. Materialise Magics (매직스) : 



Materialise사의 대표적인 3D프린팅 지원 소프트웨어로서, 1990년대 최초의 산업용 SLA 3D프린터가 탄생되었을 시, SLA 3D프린터를 위한 전용 슬라이싱 소프트웨어로 자리 잡으며 현재까지 업계 표준의 대표적 산업용 3D프린터 지원 소프트웨어로 명성을 이어가고 있습니다.


특히 CAD 디자인 소프트웨어로 제작된 STEP, IGES 설계 파일이 3D프린팅이 가능한 삼각형 구조의 메쉬 데이터인 STL파일로 변환할 시, 데이터 변환 과정에서 손실되는 오류를 바로잡기 위해 Magics가 많이 활용 되었습니다. Magics 소프트웨어에 내장된 강력한 "Fixing(치유)"라는 이름의 기능은 STL데이터의 오류를 바로잡아, 하나의 쉘(Shell)을 가진 무결성 데이터를 얻을 수 있게 해줍니다. 이는 3D프린팅을 진행할 시 데이터 오류로 인한 출력실패를 바로잡아 줍니다.


Magics는 산업용 SLA, SLS, SLM, DLSM 등의 방식별 3D프린터를 위한 빌드 배치, 서포트 배치와 슬라이싱을 위한 장비별 솔루션을 제공함으로써 전세계 산업용 3D프린터의 전문 데이터 준비 소프트웨어로 자리잡았습니다. 대다수의 산업용 3D프린터는 Magics를 슬라이싱 소프트웨어로 사용하고 있으며, 장비를 판매할 시 Magics를 동봉하여 함께 판매하고 있습니다.


■  인골 19점을 Micro-CT 촬영을 진행하여 2D 단층 이미지를 확보


 국립부여문화재연구소에서 특정한 유골함 속 인골 중 19점을 3D모델링 데이터로 제작하고, 이를 3D프린팅을 활용하여 복제품을 제작하기 위해 아래와 같은 프로세스로 작업을 시작하였습니다. 국립부여문화재연구소에서 수령한 인골 19점의 기초 데이터인 Micro CT Dicom 파일을 Mimics로 불러와 3D모델링을 진행하는 것을 시작으로, 작업은 시작되었습니다.


익산 쌍릉에서 출토된 넙다리뼈로 추정되는 인골 실물 뼈사진 


 위 사진은 실제 익산 쌍릉에서 출토된 넙다리뼈로 실제 뼈 사진입니다. 오랜 시간이 지난 넙다리뼈로서 매우 디테일한 구멍이 생성되어 있으며 부러진 부분도 모두 3D모델링 데이터로 만들기 위해서는 아주 정교한 CT영상이미지가 필요합니다. 그리하여 아래와 같은 Micro CT 장비를 활용합니다.   


Micro CT 촬영 장비 (현 장비 사진은 예로서 실제 익산 쌍릉에 활용한 CT장비와는 다를 수 있음) 

실제 촬영된 Micro CT 영상이미지 - 넙다리뼈 


사용 마이크로 CT 이미지 정보

가로 세로 픽셀 개수

1024 x 1024 px (일반 CT의 경우 512 x 512 px)

필셀 크기

0.12545 mm

이미지 장수 / 이미지 간격

1024장 / 0.103mm 간격


 위 사진과 같이 확보된 인골 19점의 Micro CT Dicom 데이터는 CT 영상이미지는 dcm확장자를 가진 상태로 저장됩니다. Materialise Mimics 소프트웨어는 dcm 확장자를 불러오기가 가능합니다. 인골 19점의 CT촬영 이미지는 단층 촬영된 이미지로서, 이를 토대로 뼈의 3D모델링 데이터를 제작할 수 있습니다. 


■  Materialise Mimics 를 통해 3D모데링 데이터를 제작 


 Mimics의 인터페이스 화면을 아래 사진과 같이 살펴보실 수 있는데요, CT 영상이미지의 각 방향별 단층 이미지 3종류를 한 화면에서 볼 수 있으며, 주요 기능인 Segmentation이라는 기능을 통해 오른쪽 하단의 XYZ좌표가 있는 공간에 3D모델링 데이터를 최종 추출할 수 있습니다. 그럼 Mimics에서 주요 첫단계로 진행하는 3D모델링 데이터 제작에 기본이 되는 주요한 Segmentation 기능을 알아 볼까요!?   


Mimics 소프트웨어로 척추뼈를 3D모델링 데이터로 제작하는 (주)퓨전테크놀로지 S/W 총괄 "박하원 선임연구원" 

Mimics Software에서 불러오기를 한 넙다리뼈의 CT영상이미지 모습


■  Segmentation과 Thresholding 기능


*Mimics Segmentation 기능이란?


   Segmentation 작업은 2D기반의 CT, MRI 이미지로부터 3D모델을 구현해 주는 작업을 말합니다. 상세히 말씀 드리자면, CT, MRI 2D이미지 상에서 밀도의 차이에 따라 검정에서 회색 및 흰색으로 표현된 단층 이미지를 선택적으로 마스킹하여 그 해당 부분만을 3D모델링 데이터로 추출하는 작업을 말합니다. 




위 영상은 Mimics의 대표적인 Segmentation 기능의 튜토리얼 영상입니다. 영상을 통해 CT 이미지에서 선택한 부분이 3D 모델링 데이터화 되는 모습을 확인하시기 바랍니다.  


Mimics 에서 Thresholding 기능을 사용하여 원하는 부위를 선택하는 모습 


 Segmentation 메뉴 중 Thresholding 이라는 툴이 존재합니다. 해당 툴은 비슷한 HU값을 지닌 픽셀들을 자동으로 선택영역으로 잡아주는 기능입니다. 이를 통해 모든 같은 밀도로 표현된 뼈 전체를 선택하고 최종 3D모델링 데이터로 변환하라는 명령어인 Calculate 3D 작업을 마무리하면 최종 3D모델링 데이터를 확보할 수 있습니다.  


최종 확보된 넙다리뼈 3D 모데링 데이터 (STL) 


 인골 19점 중 하나인 넙다리뼈 실물 사진이 CT 촬영을 통해 2D 이미지화 되고, Mimics를 통해 비로소 최종 3D모델링 데이터로 변화되는 사진을 확인할 수 있습니다. 이렇게 추출된 3D모델링 데이터는 확장자 stl을 가진 메쉬 데이터로서 아래와 같이 수많은 삼각형이 모여 생성된 3D데이터입니다.  


빽빽한 삼각형이 밀집한 3D모델링 데이터 확대사진

Mesh 단순화 작업을 통해 삼각혀의 숫자를 줄고 데이터 용량을 줄인 모습



■  3D프린팅을 위한 데이터 최적화 작업


 위 두장의 사진 속 넙다리뼈 데이터의 차이점은 삼각형의 개수가 많고 적음의 차이입니다. 고해상도의 Micro CT로 촬영 후 Mimics로 추출한 3D모델링 데이터는 매우 고해상도로 조밀한 삼각형이 형태를 이룬 모습입니다. 고해상도지만 데이터의 용량이 매우 커 용량을 줄여 줄 필요가 있습니다. Mimics에는 Triangle Reduction이라는 기능을 활용하여 3차원 모델링 데이터의 표면 퀄리티는 잘 유지하되 삼각형의 갯수만을 줄여 거친 표면을 다듬어주면서도 디테일은 살리는 기능을 활용할 수 있답니다. 이를 통해 3D프린팅에 최적화된 삼각형의 개수를 가진 데이터를 확보합니다.


■  Materialise 3-matic으로 부분별 데이터 보정


 Mimics를 통한 3D모델링 데이터 추출작업이 마무리되면, 이제는 3-matic을 통해 STL데이터를 편집합니다. 3D프린팅 출력을 대비하여 데이터의 부분 부분 구멍이 아주 작게 뚫려 있거나 너무 일그러져서 복잡한 구조로 되어있는 부분들은 구멍을 메꾸어 주거나 일그러진 부분을 다듬어 줍니다. 


 더욱 중요한 작업으로는, Micro CT데이터로 얻은 3D모델링 데이터이다 보니, 데이터의 내부에 구멍이 존재할 수 있습니다. SLA 방식의 3D프린팅을 위해서는 Watertight(내부가 꽉찬) 상태로 데이터를 제작하여 내부에 출력 중 레진이 찰 수 없도록 해야 합니다.  혹은 내부를 비우고 한 부분에 구멍을 뚫어  출력 후 내부에 쌓인 레진을 털어 빼내 주어야 합니다. (구멍을 뚫은 부분은 추후 레진을 빼고 메꾸어 줄 수 있습니다) 하오나 복제품을 만드는 경우에는 구멍을 뚫고 메꾸는 작업을 통해 생기는 표면 결점이 없고 사실적으로 깨끗하게 출력되어야 하기에 Watertight(내부가 꽉찬) 상태의 데이터를 만들어 줍니다. 3-matic을 통해 내부를 꽉 채워 주는 작업을 진행합니다.


윗쪽 인골 뼈의 내부 단면을 보면, 아래쪽과 같이 내부가 비워져 있음  


3-matic으로 오른쪽 형상을 만들어 왼쪽 뼈 데이터와 결합시키는 작업을 진행

내부가 막힌 Watertight한 인골을 완성한 모습  



■  Materialise Magics로 데이터 치유(Fixing) 및 슬라이싱 진행


 (주)퓨전테크놀로지가 보유한 Qubea SLA450 라는 이름의 산업용 3D프린터 장비에 인골을 출력하기 위한 마지막 단계가 남았습니다. Materialise Magics 소프트웨어로 최종 STL 데이터를 불러와 삼각형이 비어있는 부분, 삼각형이 거꾸로 뒤집힌 부분, 삼각형이 서로 떨어져 있어 내부가 보이는 부분 하나하나를 Fixing(치유) 기능으로 개선해 나갑니다. 그리고 SLA방식의 3D프린터 출력을 위해 서포트*를 생성하고 3D모델링 데이터를 레이어별로 단면화 하는 슬라이싱 단계를 거쳐 출력 가능한 최종 파일을 만들어 냅니다.


Materialise Magics로 SLA 3D프린팅을 위한 서포트(푸른색)가 생성된 모습


 최종 파일은 Qubea SLA 3D프린터에 장착된 왼쪽 모니터 하단의 USB입력을 통해 파일이 전달되고 출력을 진행할 수 있습니다. SLA 3D프린터는 3D프린터 업계에서 가장 많이 활용되는 방식입니다. (*데스크탑 SLA와는 출력방식이 다른 산업용 SLA방식을 말합니다) 


광경화성 레진이 담긴 수조의 표면에 레이저를 선택적으로 조사하여 출력하는 Qubea SLA450 (빌드 사이즈 450 x 450 x 350) 



■  Qubea SLA 3D프린터로 19점의 인골을 출력하다


산업용 SLA 3D프린터는 광경화성 레진이 가득 담긴 수조 표면에 CO2레이저를 선택적으로 조사하여, 레이저와 맞닿은 부분만 선택적으로 경화되어지며 출력하는 방식입니다. 출력이 진행될 수록 수조안에 살짝 잠겨있는 빌드 플레이트는 계속적으로 하강하며 출력이 진행됩니다. 산업용 SLA 3D프린터는 다양한 물성치를 가진 ABS, 아크릴, PA와 비슷한 물성을 가진 재료를 사용하여 매우 매끄러운 표면조도와 매우 높은 정확도를 가지고 출력합니다.


익산 쌍릉 인골뼈를 복제하기 위해 SLA 3D프린터가 활용된 이유는 다음과 같습니다. SLA방식은 높은 디테일의 표면조도와 정밀도, 빠른 제작 속도와 가공에 용이한 출력물 강도까지 보유하고 있어, 인골 복제품 제작에 최적화된 장비로 선정되었습니다. (인골뼈 제작에 사용할 만한 대체 방식의 3D프린터로는 DLP방식, MJP방식, PLY방식 등이 있지만, 재료의 가격과 빌드 사이즈의 크기의 한계 등으로 비효율적이며 제작 시간이 더 많이 소요될 것으로 판단되어, 최종 SLA 3D프린터가 선정되었답니다!)


특히 SLA 방식의 3D프린터는 대형 빌드 플랫폼을 가지고 여러개의 인골을 한번에 제작할 수 있으며, 투명한 광경화성 수지를 사용하여 투명 출력물도 제작이 가능합니다.


(주)퓨전테크놀로지 BME 소프트웨어팀은 Qubea SLA 3D프린터를 활용하여 실제 뼈와 거의 흡사한 매우 높은 퀄리티의 인골 19점 복제품을 생산해 낼 수 있었습니다.


인골 19점 중 1개의 뼈를 출력한 모습. 뼈 하단의 기둥은 서포트입니다. 


 Qubea SLA 3D프린터로 출력한 뼈 모습입니다. 출력이 완료되면 빌드 플랫폼이 수조에서 꺼내집니다. 빌드 플랫폼 위에 붙어있는 출력물은 레진이 묻어 있는 상태이며 하단의 기둥과 같은 서포트가 붙어 있습니다. 출력물은 스크래퍼로 빌드 플랫폼과 분리하여 꺼내지고, 알코올이 담긴 통에서 씻겨 출력물 겉에 묻은 레진을 깔끔하게 제거하여 줍니다. 


이소프로필 알코올을 담은 초음파 세척기에서 출력물을 세척하는 모습 - 예시

뼈 출력물에 붙어있던 서포트를 제거하고 사포로 면을 갈아내어 표면을 마무리합니다.


알코올 세척이 완료되면 사진과 같이 서포트가 붙어있던 곳들을 사포로 문질러 표면을 정리합니다. (산업용 SLA 3D프린터의 출력물은 서포트를 제거한 후에 서포트 자국이 아주 작게 남아있을 수 있습니다. 사포로  살짝 문지른다면 금방 사라지고 이러한 작업을 후처리 작업이라고 합니다.)


Qubea SLA 3D프린터로 출력한 넙다리뼈 출력물 모습 

Qubea SLA 3D프린터로 출력한 정강뼈 일부


 인골 19점의 복제품을 3D프린팅으로 출력을 완료하고, 이제 인골과 흡사하게 보일 수 있도록 도색작업을 진행합니다. SLA 3D프린터에서 출력된 제품은 도색에 매우 용이합니다. 표면 조도가 매우 부드럽고 도색 용액을 잘 흡착하는 성질을 가져, 도색과 유광작업으로 최종 제품의 케이스를 제작하는 분들도 많습니다. 도색은 (주)퓨전테크노롤지 BME 소프트웨어팀의 박하원 과장이 직접 스프레이 도색과 붓으로 세밀한 부분을 표현하는 도색기법을 사용하여 최종 인골 복제품을 제작하였답니다.  


■  인골 복제 출력물 도색 과정을 진행 


도색 전 기본 베이스 색상을 잡기 위해 단일 색상의 스프레이로 출력물을 도포한 모습 

 실제 인골뼈를 비교해가며, 붓과 스프레이로 정교하게 채색을 진행 

스프레이와 아크릴 물감을 이용하여 도색을 진행 

작은 붓을 이용해 실제 인골과 비교해가며, 세밀한 부분까지 도색합니다. 

조금 더 디테일하게 완성되어 가는 모습 

흰색 스프레이와 붓도색으로 마무리한 익산쌍릉 인골 19점의 최종 3D복제품 

SLA 3D프린터의 정밀한 출력, 세세한 도색을 통해 완성된 인골 3D복제품 

출토된 인골 실제 넙다리뼈(왼쪽)과 3D프린팅으로 복제한 넙다리뼈(오른쪽)

완성된 최종 19점의 익산 쌍릉 인골뼈 3D복제품의 모습 


최종 완성된 익산 쌍릉 출토 인골 19점의 복제품의 모습입니다. Micro CT로 추출한 고화질의 Dicom 데이터를 기반으로 Mimics 소프트웨어를 활용하여 3D모델링 데이터를 확보하고, 3-matic 소프트웨어로 데이터 보정 및 내부채움을 하였습니다. 최종적으로 Magics 소프트웨어에서 SLA 3D프린팅을 위한 빌드 배치부터 서포트 설정과 슬라이싱을 진행하고, 산업용 Qubea SLA 3DPrinter(큐비아 SLA 3D프린터)로 정교하게 출력하였습니다. 아크릴 물감과 스프레이 도색을 통해 실제 인골뼈와 매우 흡사한 도색을 하여, 총 3개월의 작업 끝에 국제부여문화재연구소에 납품한 사례입니다.


 위 사례는 의료영상장치로부터 3D데이터를 확보하는 일부터 3D프린팅 및 도색까지 거의 3D프린팅 산업의 모든 기술력이 깃든 사례로서, 실제 산업에 3D프린터와 소프트웨어가 활용되는 모습을 잘 보여주는 사례입니다. 


PS. 익산 쌍릉에서 출토된 인골 분석결과 설명회 영상을 링크 드립니다. 긴 글 읽어 주셔서 감사합니다!

 


(주)퓨전테크놀로지는 산업용 3D프린터 판매사로서, 5년에서 최장 20년된 3D프린팅 업계 전문가들이 전문화된 시제품 제작 서비스와 바이오 메디컬 엔지니어링 3D설계 서비스를 진행하고 있습니다. 특히 (주)퓨전테크놀로지의 BME(Bio-Medical Engineering) 소프트웨어 팀은 의료영상데이터를 기반으로 3D모델링 데이터 설계를 담당하고 있습니다. Materialise사의 Mimics, 3-matic, Magics와 같은 전문 소프트웨어를 사용하여 고객의 요구사항을 철저히 해결하는데 모든 노력을 기울입니다. BME 3D모델링 서비스는 (주)퓨전테크놀로지가 국내 최고 솔루션 공급자입니다. 언제든지 연락 주시기 바랍니다.


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