이 글에서는 3D 스캐닝과 설계, 3D 프린팅을 연계하여 바이애슬론 경기용 눈가리개를 개인 맞춤형으로 제작한 사례를 소개하고자 한다. 특히 선수의 안면치수 및 사격습관에 맞춰 눈가리개를 제작하였다. 서울과학기술대학교 박근 교수 연구팀에서는 대한장애인체육회 소속 바이애슬론 국가대표 선수들을 대상으로 맞춤형 눈가리개를 제작하여 지원하였고, 적용 결과 선수들의 경기력 향상에 기여할 수 있었다.

■ 박근 | 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과의 교수이다. 한국과학기술원 기계공학과 박사, 삼성전기 생산기술 연구소 책임연구원을 거쳤으며, 대한기계학회 총무이사 및 한국정밀공학회 편집이사를 지냈다. 연구 분야는 CAE, Material Processing(사출성형, 소성가공), 3D 프린팅 등이다.

동계 스포츠인 바이애슬론(biathlon)은 크로스컨트리와 사격을 합친 형태로 일정 거리를 크로스컨트리 주행한 후 사격을 실시하며, 사격 실패시 벌칙 주행이 추가되는 만큼 정확한 사격이 기록 단축에 중요한 요소로 작용한다. 일반적으로 사격시 소총 가늠자에 눈가리개를 부착하여 사용하는데, 눈가리개는 조준경을 제외한 주변의 시야를 차단하고 안정적인 조준이 가능하도록 보조하는 역할을 한다.

특히 크로스컨트리 주행을 마친 직후 호흡이 가쁜 상태에서는 안정적인 사격 자세를 취하기 어려워, 눈가리개에 안면을 고정할 수 있도록 보조해주는 설계가 필요하다.

바이애슬론용 눈가리개는 현재 기성품을 사용하거나 필름 형태의 제품을 사용하고 있다. 일례로 국가대표 유망주인 신의현 선수가 사용하고 있는 눈가리개는 플라스틱 판재를 수작업으로 구부리고 구멍을 뚫어 총기에 부착하고 있는 상태로(그림 2), 안면에 완전한 밀착이 되지 않고 바람에 흔들리는 문제가 있어 개선이 필요한 것으로 나타났다.

서울과학기술대학교 iCAE 연구실에서는 현재 산업통상자원부 지원 ‘개인맞춤형 스포츠/재활보조기구 제작을 위한 다중노즐방식 3D 프린터 및 고강도 플라스틱 소재 기술개발’ 연구과제를 수행하고 있으며, 이의 일환으로 2017년 9월부터 대한장애인 바이애슬론 국가대표팀을 선수들을 대상으로 맞춤형 눈가리개의 제작을 지원하고 있다. 특히 이 과정에서 선수들이 전지훈련 및 대회 참가를 위해 해외에 체류하다 일시적으로 귀국하는 시점을 이용하여 제작 지원을 하였으며, 3D 프린팅을 이용한 신속한 제작이 아니었다면 불가능했을 긴박했던 일정을 소개해본다.

2017년 10월 30일, 선수 5명(신의현, 이정민, 원유민, 권상현, 이승진)의 개인 맞춤형 눈가리개 제작을 위해 선수들의 귀국 시점에 맞춰 1차 미팅을 갖고 안면 형상에 대한 3D 스캐닝을 실시하였다.

3D 스캐닝은 서울과학기술대학교 공동실험실습관 시제품제작실에서 수행하였으며, 실제 경기에서 소총부 밀착시 발생하는 안면 윤곽 변형을 감안하기 위해 소총을 견착한 상태에서 스캐닝을 실시하였다. 또한 맞춤형 눈가리개가 부착되어야 하는 소총 가늠자의 조립부 치수도 측정하였다.(그림 3)

이후 3D 스캐닝 데이터를 기반으로 3차원 곡면을 생성하였고, 이때 미세한 굴곡이 발생한 부위(눈 주변 등)는 대체곡면을 사용하여 단순화를 시킨 후 위치별 특징곡선을 추출하여 3차원 곡면을 생성하였다. 생성된 3차원 곡면에 두께를 부여하여 입체형상을 생성한 후 소총 가늠자와의 조립을 위한 특징형상을 추가하여 최종 형상을 완성하였다.(그림 4)

5명의 선수들에 대한 개인맞춤형 눈가리개의 3D 설계를 바탕으로 3D 프린팅을 사용하여 시제품을 제작하였다. 이 과정에서 산업통상자원부 연구과제에 함께 참여하고 있는 큐비콘의 Cubicon Single 프린터와 티엘씨코리아의 PLA 소재를 사용함으로써, 순수 국산 기술을 적용하여 국가대표 지원을 위한 시제품을 제작하였다.

시제품을 제작한 후에 선수단과 시제품 검토 및 보완사항에 따라 수차례의 재설계 과정을 거쳐 선수단 출국 하루 전인 2017년 11월 9일에 5명의 국가대표 선수단에게 맞춤형 눈가리개를 전달하였다. 3D 스캐닝부터 설계, 프린팅까지 3명의 학생들(구본아, 김재은, 하연수)이 9일동안 최선을 다한 결과이다. 중간고사 기간에도 밤잠을 설치며 틈틈이 작업에 몰두한 학생들은 선수들이 시제품을 써보며 만족한다는 의견을 줬을 때 환하게 웃었다.

선수단은 전지훈련 기간동안 연구팀이 지원한 개인맞춤형 눈가리개를 착용하고 훈련을 실시하였으며, 2017년 12월 캐나다 캔모어에서 개최된 2017년 세계 장애인 노르딕스키 월드컵에 참가하여 맞춤형 눈가리개를 착용하고 경기에 임하였다. 그 중 신의현 선수가 바이애슬론 전 종목(3개)에서 은메달 1개, 동메달 2개를 획득하는 성과를 보였으며, 특히 신의현 선수는 이 대회에서 95%의 사격 적중률로 기존 본인의 성적(80~85%)에 비해 월등히 향상된 성과를 보였다.

캐나다 월드컵을 마치고 귀국한 신의현 선수가 눈가리개의 추가 수정을 요청하기 위해 2017년 12월 27일 연구실을 방문했다. 안면 전체를 밀착시키는게 아니고 이마 부위를 밀착시키는 본인의 눈가리개 견착 습관을 감안하여 조준부 각도 조절을 요청하였고(그림 8), 29일에 1차 검토 회의를 거쳐 2018년 1월 2일에 각도가 조절된 최종 제품을 전달하였다.(그림 9)

신의현 선수는 이후 출전한 독일 월드컵(2018. 1. 29)에서 은메달, 핀란드 월드컵(2018. 2. 5)에서 금메달을 획득하며, 평창 동계 패럴림픽에서의 메달 가능성을 높였다. 그리고 2018 평창 동계 패럴림픽에도 바이애슬론 종목과 크로스컨트리 종목에 출전하였다. 신의현 선수 외에도 이정민 선수와 권상현 선수가 맞춤형 눈가리개를 착용하고 동계 패럴림픽에 출전해 선전하였다.