기하공차 해석을 위한 3D 모델링 기법

전통적인 2D 도면 기반의 기하공차(GD&T)는 정보 해석의 오해를 유발하고, 설계자의 의도와 측정자의 해석이 불일치하는 경우가 많았습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 CAD 기반의 3D 모델링과 함께 PMI(Product Manufacturing Information)를 활용한 3D GD&T 통합 모델링이 필수 전략으로 부상하고 있습니다. 기하공차 해석의 정확성과 효율성을 높이기 위해선, 기초적인 3D 모델링 기술을 넘어서 공차 정보가 일관되게 통합된 모델을 구성할 수 있어야 합니다. 본 글에서는 3D 기반의 기하공차 해석을 가능하게 하는 핵심 모델링 기법들을 소개합니다.

 

 

1. 3D GD&T의 핵심: PMI 기반 모델링의 이해

 1). PMI란 무엇인가?

PMI(Product Manufacturing Information)는 3D CAD 모델 내에 삽입되는 공차, 주석, 표면 거칠기, 용접 기호 등의 제조 정보입니다. 설계자, 제조자, 검사자 간의 해석 차이를 줄이고, 도면 없는 생산(Drawing-less Manufacturing)을 실현할 수 있게 합니다.

 2). PMI 기반 모델링의 장점

  - 2D 도면 생략 가능 → 해석 오류 감소

  - CAD, CAM, CMM 간 정보 연동 → 자동화 및 반복성 향상

  - 실시간 공차 시뮬레이션 가능 → 설계 단계에서 오차 예측

 3). 대표 사용 CAD 시스템

  - Siemens NX, CATIA, PTC Creo, SOLIDWORKS 등은 모두 3D GD&T PMI 기능을 지원합니다.

 

2. 기준면 정의: 정확한 기준 없이 해석도 없다

 1). 기준면(Datum)의 설정이 모델링의 핵심

3D 기하공차에서 기준면은 형상뿐 아니라 기능적 요구사항을 반영해 정의되어야 합니다. 예를 들어, 조립 시 상대 부품과의 접촉면이나 회전 중심이 되는 축 등이 기준면이 될 수 있습니다.

 2). 기준면의 우선순위 설정법

  - 주 기준면(Datum Feature A): 안정성과 반복 측정성 고려

  - 보조 기준면(Datum Feature B, C): 회전이나 위치 관계 설정

  - 복합 기준 구성(Datum Reference Frame): 실제 기능을 반영한 다중 기준 조합

기준면 설정이 잘못되면 해석 결과가 완전히 달라질 수 있으므로 CAD 모델링 시 구조적으로 기준면을 고정하고 식별 가능하게 지정해야 합니다.

 

3. 기능 기반 공차 기입: 형상보다 중요한 목적 중심 모델링

 1). 단순 형상 중심에서 기능 중심으로

3D GD&T에서는 단순히 치수를 기입하는 것이 아니라, 제품의 기능적 요구사항을 중심으로 공차를 정의해야 합니다. 예를 들어 구멍의 위치 공차는 조립 핀의 삽입 용이성과 정렬 정확도에 영향을 줍니다.

 2). 기능 중심 공차의 적용 사례

  - 위치 공차: 조립 정확도

  - 동심도 공차: 회전체의 진동 최소화

  - 평면도 공차: 접촉면 밀착 및 기밀 유지

 3). 공차 해석 시뮬레이션 도구 활용

3D CAD 프로그램은 공차 해석 시뮬레이션(Tolerance Stack-Up Simulation)을 지원하며, 허용 오차 내 기능 충족 여부를 예측할 수 있습니다. 이 기능을 활용하면 설계 단계에서 조기 품질 확보가 가능합니다.

 

4. 형상 공차와 표면 품질의 통합 표현

 1). 표면 거칠기와 GD&T의 통합 필요성

 제품의 기능은 단순한 형상만으로 판단할 수 없습니다. 표면 품질(거칠기), 표면처리 방식, 열처리 정보 등도 기능 수행에 필수 요소입니다. 3D 모델링 시 공차 프레임과 함께 표면 기호를 동기화하여 통합 관리하면, 제조 및 검사 단계에서 일관된 해석이 가능해집니다.

 2). 실무 팁

  - PMI로 삽입된 기호는 CAD와 측정 장비에서 직접 읽어 들일 수 있게 해야 합니다.

  - CAM 경로 및 CMM 측정 루틴 생성 시 자동 참조되도록 모델링 구조를 구성해야 합니다.

 

5. 협업을 위한 MBD(Model-Based Definition) 전략

 1). MBD란?

MBD는 3D 모델 자체가 도면과 제조 지시서를 모두 포함하는 개념으로, 설계부터 생산, 품질까지 모든 데이터를 일관되게 유지할 수 있습니다.

 2). MBD의 적용 장점

  - 도면 오류 방지

  - 설계자-제조자-검사자 간 해석 통일

  - 설계 변경 시 자동 반영 가능

  - 디지털 트윈 및 스마트 제조에 필수

 3). 실무 적용 전략

  - PMI 정보를 설계 단계부터 관리 기준으로 통합

  - MBD 표준 기반 템플릿 개발

  - 설계자 및 측정 담당자 간 교육 및 검증 절차 수립

 

6. 결론: 3D GD&T 모델링은 기하공차 해석의 미래

기하공차 해석을 위한 3D 모델링 기법은 단순한 시각화의 차원을 넘어, 제품 설계의 정확성과 일관성을 유지하는 핵심 전략입니다. PMI 기반 모델링과 기능 중심 공차 정의, 기준면 설정의 일관성, 그리고 MBD 시스템을 통한 협업은 기하공차의 완전한 해석과 적용을 가능하게 합니다. 앞으로의 설계 환경은 2D 도면을 넘어, 디지털 설계 기반의 해석과 검증 체계로 전환되고 있습니다. 이 흐름에 맞춰 설계자는 3D 기반의 기하공차 모델링 역량을 필수적으로 갖춰야 하며, 이는 설계 오류 감소와 제품 품질 향상으로 직결됩니다.