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제2단원. 기계설계 기초 이론과 CAD 모델링

🏁 동기유발: 왜 ‘기계제도’와 ‘표준’이 중요한가?

상상을 해봅시다. 당신은 설계자가 되어 항공기에 들어가는 엔진 부품을 설계합니다. 그런데 설계도를 보던 다른 부서의 엔지니어가 묻습니다.
“이 치수는 밀리미터야? 인치야? 공차는 ±0.1이야, 아니면 ±0.01?”

기계 설계에서 도면은 하나의 ‘공통 언어’입니다. 누구나 동일한 기준으로 해석할 수 있어야 실제 생산이 가능하고, 품질 문제가 발생하지 않습니다.
기계제도법과 국가/국제 표준 규격(KS, ISO 등)은 이 언어의 문법과 철자를 정해주는 역할을 합니다.

💡 기계제도법은 산업의 언어이며, 표준은 세계 공통의 약속이다.

"기계설계의 세계로!"

기계설계는 단순한 도면을 그리는 작업이 아닙니다. 이는 실제로 사람들이 사용하고, 자동차, 비행기, 로봇, 심지어 우주선에 이르기까지 우리가 생활하는 모든 것들을 만들어내는 핵심적인 기술입니다. 이번 단원에서는 그 중요한 첫걸음을 내딛게 될 것입니다. 바로 CAD(Computer-Aided Design)를 사용하여 기계 부품을 설계하고, 실질적인 3D 모델을 만드는 과정입니다.

이 과정을 통해 여러분은 "내가 설계한 부품이 실제로 사용될 수 있다"는 경험을 하게 될 것입니다. 기계설계가 어떻게 산업에서 실용적인 기술로 활용되는지 배우고, 자신만의 디자인을 만드는 데 필요한 능력을 키울 수 있습니다.

"실제 산업에서 사용되는 설계도면과 3D 모델링"

여러분이 배울 기계설계와 CAD 모델링 기술은 실제 산업에서 사용되는 중요한 도구입니다. 예를 들어, 방위산업체에서 사용하는 부품이나 항공기, 자동차의 각종 부품들은 모두 CAD를 통해 설계되고, 3D 모델링을 통해 제작됩니다.

여러분은 이 단원에서 "현실 세계에서 직접 사용되는 기술"을 배우게 됩니다. 예를 들어, "군용 드론의 부품 설계"를 실제 사례로 다루어보면, 여러분은 그 기술을 배우고 실제 산업 현장에서 일어나는 일들을 상상하며 더욱 흥미를 느끼게 될 것입니다. 실습을 통해 이러한 부품들을 자신만의 3D 모델로 변환하는 작업은 기계설계 기술을 직접 손에 익히는 경험을 제공합니다.

"2D 도면을 3D 모델로, 그리기만 해도 완성!"

2D 도면을 그리고, 그것을 바탕으로 3D 모델을 만드는 과정은 마치 퍼즐을 맞추는 것과 같습니다. 처음엔 평면에서 시작하지만, 점차 입체적인 모델로 완성되는 과정을 통해 마치 디지털 세계의 건축가처럼 느낄 수 있습니다.

2D 도면 작성을 통해 기계 부품의 형태를 정확하게 정의하고, 그 도면을 바탕으로 3D 모델링을 해본다면, 그 설계가 실제로 어떻게 구현될 수 있는지 직관적으로 이해하게 됩니다.

여러분이 CAD 소프트웨어를 통해 만든 3D 모델은 바로 "디지털 세상의 설계자"가 된 것과 같습니다. 한 번의 실습을 통해, 여러분은 "기계 부품을 실제로 설계하고 제작하는 기초를 배우고 있다"는 사실을 자랑스럽게 느낄 수 있습니다.

"나만의 부품을 설계하고, 실제로 사용할 수 있는 모델 만들기!"

여러분은 이번 단원에서 "나만의 부품을 설계하는 기회"를 얻게 됩니다. 기계설계의 핵심은 단순히 주어진 도면을 그리는 것이 아니라, "문제를 해결하는 방식으로 설계하는 것"입니다.

예를 들어, 여러분이 설계한 부품이 실제 조립체의 일부분으로 사용될 수 있다고 상상해보세요. 그런 경험은 여러분에게 큰 자부심을 줄 것입니다. CAD 모델링을 통해 여러분은 단순히 설계를 배우는 것이 아니라, 실제로 "자신이 설계한 부품이 작동하는 모습을 볼 수 있는" 기회를 얻게 됩니다.

"3D 모델로 창의적인 설계를!"

CAD 모델링을 배우면서 가장 중요한 점은 "창의력"입니다. 기계설계는 단순히 기술적인 작업만을 의미하는 것이 아니라, "새로운 해결책을 찾고, 기존 문제를 혁신적으로 해결하는 과정"입니다. 여러분은 CAD를 통해 디자인을 수정하고, 여러 방식으로 새로운 방법을 시도하면서 자신만의 독창적인 해결책을 찾아나갈 수 있습니다.

기계설계의 중요성: 이 단원에서는 기계설계가 실제로 산업 현장에서 어떻게 활용되는지에 대해 배웁니다. 여러분이 설계한 모델이 실제로 사용될 수 있다는 점에서, 학습의 의미와 목적을 더욱 분명하게 느낄 수 있습니다.
실습을 통한 성취감: 2D 도면을 작성하고, 이를 바탕으로 3D 모델을 만드는 실습을 통해, 자신의 설계 결과물을 눈으로 확인하며 성취감을 느낄 수 있습니다.
창의력 발휘: CAD 모델링은 단순히 기술적인 능력만을 요구하지 않습니다. 창의력과 문제 해결 능력을 기를 수 있는 중요한 과정입니다.

📚 2. 학습 목표

기계제도의 정의 및 필요성을 설명할 수 있다.	●
기계제도 관련 KS, ISO 표준의 개념과 종류를 이해할 수 있다.	●
CAD 프로그램을 활용한 2D/3D 기본 도면을 작성할 수 있다.	●
파트 도면과 조립도면의 차이를 이해하고 기본 모델링 실습을 할 수 있다.	●

학습 시작하기 전 여러분에게 질문

"왜 우리는 기계설계 기술을 배워야 할까요?"
"내가 만든 부품이 실제로 중요한 기계의 일부로 사용된다고 생각해보세요. 어떤 기분이 들까요?"
"3D 모델링을 통해 내가 만든 부품이 실제로 작동하는 모습을 상상해본 적이 있나요?"

🧾 3. 이론 학습

3.1 기계제도란?

기계제도란 기계 부품이나 제품을 정확히 제작하거나 조립할 수 있도록 도면에 필요한 정보를 기호와 규격에 따라 표현하는 기술입니다.
도면을 해석하는 능력은 설계자, 생산자, 검사자 간의 오해를 방지하며, 정확한 품질과 생산성을 유지하는 열쇠입니다.

3.2 기계제도법 및 표준 규격

기계제도는 기계 부품이나 기계 시스템의 설계도를 정확하게 표현하는 방법입니다. 이는 제품의 제작 및 조립을 위한 지침서 역할을 하며, 설계자가 의도한 대로 부품이 제작되도록 돕습니다. 기계제도에서 중요하게 다뤄야 할 표준 규격과 기법을 아래와 같이 소개합니다.

3.2.1 기계제도의 주요 기법

정투상도와 회전도:
- 기계 도면에서 가장 기본적으로 사용되는 것은 정투상도와 회전도입니다. 정투상도는 물체를 직접 정면에서 본 형태를 그린 것이며, 회전도는 물체를 회전시켜서 나타낼 수 있는 다른 시점의 모습을 그린 것입니다.
- 이를 통해 3D 물체를 다양한 각도에서 볼 수 있으며, 각 부품의 크기와 형태를 명확하게 전달할 수 있습니다.
치수와 공차:
- 치수는 부품의 크기와 형상을 정의하는 중요한 정보입니다. 정확한 치수 기입은 제품의 품질을 보장합니다.
- 공차는 제작 과정에서의 오차 범위를 설정하는 것으로, 부품 간의 맞물림이나 조합을 고려해 정확한 공차 범위를 설정해야 합니다.
기계부품의 표준화:
- 기계설계에서 사용되는 부품은 표준화된 규격에 맞춰 제작되며, 이는 대량 생산 및 수리에서 중요한 역할을 합니다.
- 대표적인 표준 규격으로는 ISO, JIS, ANSI 등이 있으며, 각기 다른 나라나 기업에서 채택한 기준에 맞는 설계를 해야 합니다.

3.2.2 기계설계 도면의 구성 요소

기본 도면: 기계 부품의 형상, 크기, 치수 등을 나타냅니다.
기호 및 선 종류: 각종 기계기호와 선 종류는 도면에서 특정 부품의 속성을 표현하는 데 사용됩니다.
기계적 특성: 물체의 표면 거칠기, 강도 등을 나타내는 기호도 도면에 포함됩니다.

3.3 기계제도의 표준 규격

▶ 대표적인 제도 기준:

KS (Korean Standards)	한국산업표준. 국내 산업에 적합한 제도 기준 제시
ISO (International Organization for Standardization)	국제표준화기구. 국제적인 통일 규격 제공
ASME	미국 기계학회 기준. 북미에서 주로 사용됨

▶ 주요 표준 내용:

치수기입법 (Aligned / Unidirectional)
공차 표시 (치수공차, 형상공차, 위치공차 등)
표면거칠기 기호
투상법 (제1각법, 제3각법)
※ 한국과 유럽은 보통 제1각법, 미국은 제3각법 사용

3.4 CAD 기초 도면 실습

CAD(Computer-Aided Design)는 컴퓨터를 이용한 설계 도구로, 2D 평면 도면부터 3D 입체 모델까지 자유롭게 표현할 수 있습니다.

3. CAD 기초 도면 실습 (2D/3D)

CAD(Computer-Aided Design)은 컴퓨터를 활용하여 도면을 그리거나 부품을 모델링하는 소프트웨어입니다. CAD는 기계설계에서 매우 중요한 도구로, 2D 도면을 작성할 때와 3D 모델링을 할 때 모두 사용됩니다.

▶ 2D 도면 실습 항목:

2D 도면 실습에서는 주로 평면도나 정투상도, 회전도를 그리는 연습을 합니다. 기계 부품의 2D 형태를 정확하게 그리기 위해서는 다음과 같은 CAD의 기본 도구를 사용할 수 있습니다:

선 그리기: 직선, 곡선, 다각형 등 기본적인 도형을 그리는 도구입니다.
치수 기입: 부품의 길이, 각도 등을 명확하게 나타낼 수 있습니다.
레이어 관리: 도면을 다양한 레이어로 구분하여 작업을 효율적으로 할 수 있습니다.
스케치: 2D 형태로 스케치를 작성한 후, 이를 바탕으로 3D 형태로 변환합니다.
압출 및 회전: 스케치한 형태를 압출하거나 회전시켜 3D 형태로 변환합니다.
조합 및 조립: 여러 개의 3D 모델을 합쳐서 조립 모델을 만듭니다.
원 (Circle), 호 (Arc), 치수 기입
도면층 설정과 주석 처리
정투상도 작성 (정면도, 평면도, 측면도)

▶ 3D 모델링 기초:

스케치 작성 → 돌출(Extrude), 회전(Revolve), 절단(Cut)
기초 부품 모델링: 볼트, 브라켓, 플레이트 등

💡 Fusion 360, SolidWorks, AutoCAD 등 프로그램은 도면 작업의 표준 도구입니다.

3.4 도면 해독과 파트·조립 도면 실습

3.4.1 도면 해독

도면 해독은 기계설계에서 중요한 능력 중 하나입니다. 기계 도면을 정확하게 해석하지 않으면 설계 의도에 맞지 않는 부품을 제작할 수 있기 때문에, 도면을 읽는 능력은 기계설계자의 필수 역량입니다.

1) 도면 읽기 기본

치수 및 각도 해석: 도면에서 제공되는 모든 치수와 각도를 정확히 읽고 해석해야 합니다.
기호와 노란색: 도면 상의 각종 기호와 색상은 부품의 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 표면 처리 방법이나 특수한 기능을 의미하는 기호들이 포함될 수 있습니다.

2) 부품 해석

도면에서 각 부품의 기능과 역할을 이해하고, 이를 바탕으로 제작해야 할 부품을 확인합니다. 여러 부품이 함께 조합되어 하나의 시스템을 이루는 경우, 각 부품이 어떻게 상호작용할지 이해하는 것이 중요합니다.

3.4.2 파트 및 조립 모델링 실습

이 실습에서는 개별 부품을 설계하고, 이를 조합하여 전체 시스템을 구성하는 방법을 배웁니다.

1) 파트 모델링

개별 부품 모델링: 개별 부품을 설계하고 이를 3D로 모델링합니다. 이 과정에서 다양한 CAD 도구와 기법을 활용하여 실제 부품을 설계합니다.

2) 조립 모델링

조립 모델링: 여러 개의 부품을 결합하여 전체 기계 시스템을 모델링합니다. 각 부품이 어떻게 상호작용하는지, 그리고 조립 시 발생할 수 있는 문제점을 미리 예측하여 설계합니다.

▶ 파트 도면

단일 부품을 표현
재질, 치수, 공차, 표면거칠기 등이 명확히 기재됨

▶ 조립 도면

여러 파트를 결합한 구조 표현
조립 순서, 볼트 결합 위치, 인터페이스 등 포함

▶ 실습 예시

플랜지 부품 모델링 → 구멍 뚫기 → 나사산 추가
브래킷 3D 모델링 → 조립 뷰 작성
도면치수 기준에 맞춰 도면 출력

✅ 4. 확인문제

기계제도가 필요한 이유는 무엇인가요?
제1각법과 제3각법의 차이를 설명하세요.
CAD에서 스케치 후 돌출 명령을 사용할 경우 어떤 결과가 나오는가요?
파트 도면과 조립 도면의 차이를 비교하여 설명하세요.

📝 5. 정답 및 해설

기계제도는 부품 제작 및 조립에 필요한 정보를 도면으로 정확히 전달하여 오해 없이 제품을 생산할 수 있도록 해주는 언어 역할을 한다.
제1각법은 정면도 기준으로 평면도는 아래에, 측면도는 반대쪽에 배치하며, 제3각법은 정면도 위에 평면도, 같은 방향의 측면도를 표시한다.
스케치된 도형이 선택된 방향으로 부피를 가지며 3D 형태로 돌출된다.
파트 도면은 단일 부품의 정보를 포함하며, 조립 도면은 여러 부품의 결합 구조와 인터페이스를 표현한다.

🔧 6. 활동 과제

💡 프로젝트 과제:

CAD를 활용해 ‘L형 브라켓’을 모델링하고 2D 도면과 조립 뷰를 작성하시오.
도면 출력 시 ISO 기준의 도면틀, 공차, 표면거칠기 기호를 포함하시오.
도면은 PDF 및 CAD 파일로 제출하고, 각 부품별 명칭표를 작성하세요.

⏭️ 7. 다음 차시 예고

제3단원. 방산부품 구조 분석 및 분해·조립 실습
다음 시간에는 실제 방산장비에 사용되는 기계 부품의 구조를 해석하고, CAD로 역설계한 뒤, 분해·조립을 통해 구조적 이해를 도모하는 실습 수업을 진행합니다.
관련 부품 예시: 드론 모터 하우징, 함포 트리거 부품 등

📎 부록 및 참고자료

국가기술표준원: https://www.kats.go.kr
ISO 공식 웹사이트: https://www.iso.org
로슬리 CAD 강의 블로그: https://rosly.tistory.com/167

✅ 1. 시각자료 구성안

아래는 교재에 삽입할 수 있는 시각자료 예시 목록입니다. 학생 이해도 향상과 직관적인 학습 경험 제공을 목표로 구성하였습니다.

구분시각자료 예시설명

📌 A. 개념도	기계제도 개념 맵	도면의 구성요소, 제도법, 공차, 표면기호 등을 연결한 마인드맵 형태 도해
📌 B. 제도법 비교	제1각법 vs 제3각법 투상법 예시 도면	같은 형상의 물체를 두 투상법으로 표현한 정면도·평면도·측면도 비교
📌 C. 도면 해석 예시	기본 부품 도면 (플랜지, 브래킷)	치수선, 중심선, 형상 기호, 공차, 표면거칠기 표시된 실제 KS/ISO 형식 도면
📌 D. CAD 인터페이스 스크린샷	Fusion 360 / AutoCAD 화면구성	기본 아이콘, 스케치 메뉴, 피처(Extrude 등) 위치 설명
📌 E. 2D → 3D 모델링 흐름도	스케치 → 돌출 → 조립 도식도	실제 부품의 모델링 과정 시각화 (도면-3D 모델 연결)
📌 F. 조립도 예시	조립된 기계부품 (예: 브래킷+볼트)	분해 보기, 번호표시, BOM 테이블 연계

🖼 필요시, 실제 CAD 기반으로 각 예시 이미지(도면 캡처, 3D 렌더링 등)도 제작해 드릴 수 있습니다. (추가 요청 시 반영 가능)

✅ 2. 활동 결과 예시 양식 (도면 제출 템플릿)

아래는 학생들이 과제 제출 시 사용할 수 있도록 구성한 템플릿 예시입니다. 학생들이 CAD 실습 과제를 정리·제출하는 데 일관성을 유지할 수 있도록 도와줍니다.

📂 CAD 모델링 활동 결과보고서

📄 기본 정보

이름:
학번 / 반:
제작 날짜:
모델링 부품명: (예: L형 브래킷)
사용 CAD 소프트웨어: (예: Fusion 360, AutoCAD, SolidWorks 등)

🔧 1. 도면 출력 이미지 (PDF 캡처)

정면도, 평면도, 측면도 포함 (ISO 기준 레이아웃)

📎 [첨부파일: 브래킷_도면.pdf]
📎 [첨부이미지: 브래킷_투상도_스크린샷.png]

🧱 2. 3D 모델 이미지

다양한 뷰 (등각, 투시, 단면) 포함

📎 [첨부파일: 브래킷_모델링.PNG]
📎 [첨부파일: 브래킷_렌더링뷰.PNG]

🔩 3. 조립도 예시 (해당 시)

조립 구조 설명:
예: “M8 볼트 2개를 사용하여 하단 플레이트와 상단 브래킷을 체결함”

📎 [첨부파일: 조립도_BOM포함.pdf]

📊 4. 부품 명세표 (BOM: Bill of Materials)

부품번호부품명재질수량비고

1	브래킷	알루미늄	1	-
2	M8 볼트	SUS304	2	조임용

💬 5. 모델링 과정 요약

스케치 작성 – 기준 평면에 직사각형 및 구멍 스케치
돌출 명령 사용 – 본체 두께 10mm로 돌출
패턴 생성 – 대칭구조 반복 생성
구멍 명령 및 치수 조정 – 위치 공차 포함하여 정확히 설계
렌더링 및 도면 출력 – ISO 표준 도면틀 삽입 후 출력

📝 6. 자기평가 및 피드백

어려웠던 점:
배운 점:
개선하고 싶은 점:
추가 학습 희망 내용:

✅ 1. CAD 실습용 정식 도면 예시 (KS 기준 준수)

✅ 2. 도면 부품에 대한 KS 비교표 (주요 규격 정리)

✅ 1. 정식 도면 예시 (KS 기준 적용)

아래는 예시 부품인 L자형 브래킷에 대해 KS 제도 기준에 따라 작성된 2D 도면의 설명입니다. 이 설명은 학생들이 실제로 도면을 해독하고 제작하는 훈련을 할 수 있도록 구성되어 있으며, Fusion 360 또는 AutoCAD 등을 통해 그대로 구현 가능합니다.

📘 도면명: L형 브래킷 (Bracket - KS B 1010 기반)

항목내용

제도법	제3각법 (KS B 0001 기준)
투상도	정면도, 평면도, 우측면도
치수단위	mm (밀리미터)
도면크기	A3 (ISO 297mm × 420mm)
비례축척	1:1
재질(Material)	SS400 (KS D 3503)
표면거칠기	Ra 6.3 (가공면)
치수공차	일반공차 ±0.2 mm (KS B 0420)
중심선 및 해칭	포함 (KS B 0101)
나사 구멍	M8 탭 (KS B 0222 기준 나사산 포함 표시)

📐 도면 주요 형상

형상: 두 개의 직각으로 연결된 판형 구조물 - 바닥 플레이트: 80mm × 50mm × 10mm - 수직 플레이트: 50mm × 50mm × 10mm - 연결부 내측에 R10 필렛 - 수직 플레이트에 M8 관통 구멍 2개 - 바닥 플레이트에 장공(슬롯) 2개

📷 예시 도면 구성안

상단 제목란 (도면번호, 작성자, 작성일, 재질 등)
치수기입선: KS B 0001에 따른 기준선·보조선·치수선 표현
중심선: 대칭 형상 중심선 삽입
표면거칠기기호: Ra 6.3 위치 지정
나사기호: M8 표시 + 나사깊이 및 탭기호 포함
치수공차: ±0.2 mm 기입
부품 번호표 및 명세표(BOM) 연동 가능

✍️ 이 도면은 실제 CAD 도면 파일(.dwg / .f3d)로 제작하여 제공 가능합니다. 필요 시 생성하여 드릴 수 있어요.

✅ 2. 도면 부품 KS 규격 비교표

아래는 수업 중 다루는 주요 부품 및 형상 요소에 대한 KS (한국산업표준) 비교표입니다. 학생들이 부품 설계 시 어떤 기준을 적용해야 하는지 이해하도록 돕습니다.

항목예시 부품명적용 KS 규격설명

🔩 나사	M8 육각 볼트	KS B 0222	ISO 나사산 형태 및 치수규격 포함
🧱 강판 재질	SS400	KS D 3503	일반 구조용 압연강재 – 기계부품에 자주 사용
📐 표면 거칠기	가공면 Ra 6.3	KS B 0161	도면상 표면기호 표현 방식 (삼각형/숫자)
🧩 공차	±0.2 mm	KS B 0420	일반공차 범위 – 공정에 따라 조정 가능
🔲 제도법	제3각법	KS B 0001	3각법 기본 도면 투영 방식 규정
🔘 치수기입법	기본치수 기준	KS B 0001	중심선, 기준선, 치수선 표기 방법
🔁 도면 크기	A3/A4 등	KS A 0001	산업 표준 도면 용지 규격
🔩 나사기호	M8 × 1.25	KS B 0222	미터 나사의 기본 치수 (호칭/피치 등)
🎯 구멍가공	H7/f7 끼워맞춤	KS B 0405	구멍-축의 공차 조합 (기계조립 기준)
🧱 하중부품	브래킷	KS B 1010	보통강 브래킷의 기계적 설계 기준 포함

📌 수업이나 프로젝트 활동 시에는 도면에 명확하게 “적용된 KS 규격”을 기입하도록 지도하는 것이 중요합니다.

✨ 활용 제안

학생들에게 도면의 각 요소별로 KS 코드 찾아보기 과제를 부여
CAD 실습 시 도면 좌측 하단에 KS 적용표 삽입 연습
실습 종료 후 “KS 비교 요약표”를 정리하는 워크시트 제공

📌 제작할 도면 기본 사양 확인

다음은 제작할 도면에 적용할 형상 및 제원입니다.

✅ 예시 부품: L형 브래킷 (L-shaped Bracket)