기계·시스템 엔지니어링의 자동화 및 디지털화 가능성 연구   이플랜(EPLAN)은 고객의 엔지니어링 현황을 보다 객관적이고 명확하게 이해하기 위해 고객의 사용 수준과 엔지니어링 효율화 수준에 대한 공통 평가 모델이 필요했다. 이는 최종적으로 고객의 엔지니어링 효율화를 이끌기 위한 것이다. 이 평가 모델은 모든 이해관계자들이 공통으로 이해할 수 있는 명확한 엔지니어링 프로세스 모델을 바탕으로 측정 지표가 정의되어야 하고, 지표 항목별로 표준 시간 또는 표준 비율이 정의되어야 한다.   ■ 장득현 | 이플랜소프트웨어앤서비스 상무, 기술 총괄 매니저 이메일 | chang.dh@eplan.co.kr 홈페이지 | www.eplan.co.kr   이플랜은 슈투트가르트 대학교 공작기계 및 제조 장치 제어 공학 연구소와 협업하여 ‘기계 및 시스템 엔지니어링 제조 산업에서의 자동화 및 디지털의 가능성에 대한 연구’를 수년간 진행하였다. 특히 제어 패널 제조를 하나의 예로 삼아 가치 사슬을 분석하였으며, 패널 제조의 프로세스 단계(그림 1) 중에서 ‘Order creation’ 및 ‘System Start-up’ 단계는 조사대상에서 제외되었다.   그림 1. 패널 제조의 프로세스 단계. 주문(Order creation) - 시스템 운전(System start-up)은 이번 연구에서 제외하였다.   패널 제조는 기본적으로 수작업이 많고, 단납기 및 다양한 모델 제조 등으로 인해 사업 환경이 더 어려워지고 있다. 이러한 이유로 패널 제조 업체는 요구 사항에 빠르고 유연하게 대응하고 기존 및 향후 과제를 효율적으로 관리해야 한다. 4차 산업혁명은 이러한 과제를 극복할 수 있는 다양한 기회를 제공한다. 이 연구의 목적은 ‘사용자 수준과 프로세스 효율화 수준을 객관적으로 평가하는 모델을 제시하고, 그 평가를 기준으로 앞으로 제어 패널을 어떻게 효율적으로 제조할 것인가’하는 것이다. 다양한 기계 공학 분야의 회사들이 이 연구에 참여하여 독일 공학 비즈니스의 광범위한 단면을 제공하였다. 매년 수십 개의 소규모 제조업체와 대기업이 본 연구에 참여하여 엔지니어링 프로세스에 대한 통찰력을 제공하였다. 이 연구에서는 참여 기업을 분류하고 설문지를 통하여 패널 제조에 대한 답변을 얻었다. 이는 <표 1>의 분류에 따라 ‘클래식’, ‘표준화’ 및 ‘자동화’로 구분된다. 이러한 분류는 설계/엔지니어링 영역뿐만 아니라 생산/조립 분야에도 적용한다.

제품 혁신 가속화 및 최상의 설계를 위한 크레오 7.0 (11)   이번 호에서는 크레오 파라메트릭 7.0(Creo Parametric 7.0)의 제너레이티브 디자인(GDX) 기능을 알아보자. ■ 김성철 | 디지테크 기술지원팀의 이사로 Creo 전 제품의 기술지원 및 교육을 담당하고 있다. 이메일 | sckim@digiteki.com 홈페이지 | www.digiteki.com   크레오 제너레이티브 디자인은 설계 요구 사항을 기반으로 최적화된 디자인을 자동으로 생성할 수 있는 기능을 제공한다. 지정한 하중, 제약 조건, 재료 및 제조 공법에 적합한 형상을 자율적으로 생성하고 경계 표현(B-rep)으로 변환할 수 있다. 크레오 7.0에서는 기존 제너레이티브 토폴로지 최적화(GEO)와 제너레이티브 디자인 확장(GDX)기능을 추가로 제공한다. 확장된 기능은 클라우드 기반 고속 컴퓨팅(HPC)과 인공지능(AI)을 활용하여 지정한 요구 사항 집합을 기준으로 조건이 조합된 다양한 형상을 생성하고 필요한 강도, 무게와 제조 등의 필터를 적용하여 조건에 적합한 형상을 빠르게 계산하고 찾을 수 있다. 크레오 제너레이티브 디자인을 사용하여 새로운 모델을 생성하는 방법을 알아보자.   1. 제너레이티브 모델 구성 제너레이티브 디지인을 위한 멀티 보디 구조의 기본 모델을 생성한다. 하나의 시작 형상과 다수의 보존된 형상으로 개별 보디를 생성하여 모델을 구성하고, 필요에 따라 제외된 형상의 보디를 추가로 지정할 수 있다.    

케이블링   이번 호에서는 크레오 파라메트릭(Creo Parametric) 어셈블리에서 3D 케이블 하네스를 정의하는 기본 단계인 케이블 경로 설정에 대해 설명한다. ■ 심미연 | 디지테크 기술지원팀의 부장으로 Creo 전 제품의 기술지원 및 교육을 담당하고 있다. 이메일 | mysim@digiteki.com 홈페이지 | www.digiteki.com   케이블링 모듈을 사용하여 어셈블리에서 3D 케이블 하네스를 정의할 수 있다. 케이블링에서 기계 설계의 개발과 동시에 케이블에 대한 경로를 설정할 수 있고, 2D 도식 솔루션을 사용하여 전기 시스템을 설계할 경우 도식에서 논리 데이터를 가져와 3D 하네스의 생성을 자동화할 수 있다. 크레오 파라메트릭 케이블링에서는 3D 케이블 하네스를 정의하는 절차와 와이어와 케이블의 경로를 설정하고 케이블링 프로젝트를 관리하는 방법에 대한 정보를 제공한다. 케이블링 환경, 도구 및 기술 사용에 대한 정보를 제공한다.     케이블링 모드로 들어가려면 응용 프로그램 → 케이블링을 클릭한다. 케이블링 작업에 들어가기 전에 케이블링에서 사용되는 기본 용어에 대해 설명한다.

프로세스 매개변수 및 시뮬레이션   파워밀 애디티브(PowerMill Additive)는 절삭가공과 적층가공을 결할한 하이브리드 가공을 위해 툴패스를 생성할 수 있는 파워밀(PowerMill)의 플러그인이다. 이번 호에서는 파워밀 애디티브의 연재 마지막 회로, 프로세스 매개변수 설정과 넷팹 시뮬레이션(Netfabb Simulation)으로 툴패스를 내보내 시뮬레이션하는 과정을 살펴본다. 연재에 쓰인 예제 파일은 CAD&Graphics 홈페이지의 자료창고에서 받을 수 있다.   ■ 이경하 | 한국델켐 기술개발본부 수석 컨설턴트로 델켐 프로덕트의 기술지원 및 교육, 파워밀 실무 능력 시험 출제 및 채점, NCS(국가 직무능력 표준) 교재 및 교육 콘텐츠 개발 업무를 담당하고 있다. E-mail | gelma@delcam.co.kr   1. 프로세스 매개변수 프로세스 매개변수(프로세스 파라미터)는 툴패스를 따라 개별 점에 연결된 관련 값이 있는 사용자 정의 속성이다. 이를 통해 적층 공정에 대한 지침을 툴패스를 따라 개별 지점에 적용할 수 있다. 프로세스 경로를 사용하여 툴패스를 따라 언제라도 재료의 적층을 제어한다. 예를 들어, 이송 속도를 줄여 더 많은 재료를 적층하거나, 대기 명령을 포함하여 계속 진행하기 전에 재료를 식힐 수 있다. 사용자 정의 속성을 기계 조작으로 해석하도록 포스트 프로세스를 구성해야 한다. 툴패스는 기본 파워밀 매개 변수로 생성된다. 툴패스를 따라 언제든지 프로세스 매개변수 ‘레시피’를 사용하여 기본값을 무시할 수 있다. 방법에는 다음과 같은 정보가 포함된다. ■ 방법 이름 ■ NC 프로그램의 작업과 관련된 태그 ■ 매개 변수가 부착 된 공구 경로의 위치 ■ 태그와 관련된 값   2. 프로세스 매개 변수 방법 정의 프로세스 파라미터는 적층 경로를 따라 발생하는 것을 제어하는데 사용된다. 프로세스 매개 변수는 ‘키-값’ 쌍으로 구현된다. 포스트 프로세서로 전달되는 메타 데이터이다. 참고로, 키는 포스트 프로세서 내부에 있어야 한다.   프로세스 매개 변수를 정의하는 방법은 두 가지가 있다. ‘사용자 정의’ 매개 변수를 사용하면 툴패스를 시작하기 전에(예 : 출력 파일 헤더의 일부로) 프로세스 정보를 출력할 수 있다. ‘포인트 매개 변수’는 ‘진행 중인’ 수정을 가능하게 하기 위해 프로세스 경로를 툴패스를 따라 개별 지점에 연결하는 수단이다. DED PMA는 포인트 매개 변수가 툴패스를 따라 배치되는 방법을 정의하기 위한 매개 변수화된 방법을 제공한다.    

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례 최근의 에너지 발전 트렌드는 탄소배출권 및 정부의 탈원전정책과 맞물려 급속히 신재생에너지 분야로 전환되고 있다. 신재생에너지는 화석 연료를 사용하지 않는 생산설비로서 다양한 분야가 존재하지만, 이번 호에서는 친환경 바람을 에너지원으로 이용할 수 있는 풍력발전기에 관해서 다루고자 한다. ■ 김상민 | 태성에스엔이에서 유동해석 매니저로 근무하고 있으며, 다양한 유동해석 기술 지원 및 교육, 프로젝트 진행 업무를 담당하고 있다. 이메일 | ksm@tsne.co.kr 홈페이지 | www.tsne.co.kr 풍력발전기는 바람에 의해서 날개를 회전시켜 생산된 기계적 에너지를 전기로 전환하여 에너지를 생산하는 구조이다. 따라서 지속적인 양질의 바람을 얻을 수 있는 위치 선정이 매우 중요하다. 풍력발전기를 설치할 수 있는 위치는 크게 지상과 해상으로 구분할 수 있다. 지상발전은 초기 설치 비용과 유지보수 비용이 비교적 저렴하다는 장점이 있지만, 지속적으로 양질의 바람을 얻기 힘든 점과 민원 등의 단점이 있을 수 있다. 그에 반해 해상 풍력의 경우 초기 생산비용은 지상풍력에 비해 높지만, 지속적으로 양질의 바람을 얻을 수 있고 대규모의 단지를 구성하여 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다. 그 외에 어족자원의 군락지 역할 및 관광시설로도 이용될 수 있는 장점이 있다. 그림 1. 지상/해상 풍력발전기 앤시스 플루언트(Ansys Fluent)에서는 다양한 방법으로 회전체 해석을 수행할 수 있다. 대표적으로 주변의 유체를 회전시켜 정상상태 해석을 수행하는 Multiple Reference Frame(MRF)과 실제 회전체를 회전시켜 비정상 상태 해석을 수행하는 Sliding Mesh Method(SMM) 방법을 들 수 있다. 그림 2. 앤시스 플루언트의 회전체 해석 방법 이러한 방법들은 실제 결과와 비교하여 비교적 유사한 결과를 도출할 수 있지만, 실제 회전체를 모델링해야 하는 어려움이 있다. 회전체는 형상이 복잡한 블레이드(blade)를 포함하고 있기 때문에, 과도한 격자 수 사용과 해석시간 증가가 단점으로 작용할 수 있다. 따라서 다수의 회전체를 포함하고 있는 풍력발전단지에 대한 해석을 수행하기 위해서는 다른 접근 방법이 필요하다. 플루언트에서 제공하고 있는 가상 블레이드 모델(Virtual Blade Model: VBM)은 실제 블레이드 형상 대신 Rotor disk fluid zone(두께가 얇은 실린더 영역)을 생성하여 SMM/MRF 방법에 비해 적은 격자 수로 해석 수행 시간을 줄일 수 있는 특징이 있어, 대규모 풍력단지 해석에 적합한 방법이 될 수 있다.  

애니메이션 활용하기   이번 호에서는 크레오 파라메트릭 7.0(Creo Parametric 7.0)에서 애니메이션(Animation)을 활용하는 기능에 대해 알아보자. 애니메이션 기능은 분해, 스냅샷, MDO에서 가져오기 등 세 가지의 뷰 조건을 활용하여 쉽고 빠르게 동영상을 생성할 수 있다. 특히 분해 뷰를 활용하여 원하는 상태의 애니메이션 컷을 빠르게 생성할 수도 있다. ■ 박수민 | 디지테크 기술지원팀의 대리로 Creo 전 제품의 기술지원 및 교육을 담당하고 있다. 이메일 | smpark@digiteki.com 홈페이지 | www.digiteki.com 1. 크레오 파라메트릭 7.0의 애니메이션 기능 애니메이션 작업을 하기 위해 응용 프로그램 → 애니메이션을 선택한다.   애니메이션 작업 화면으로 전환하면 상단에 작업 기능들이 배치되어 있고, 왼쪽 상단에는 현재 모델의 트리, 왼쪽 하단에는 애니메이션 트리가 배치되어 있다. 애니메이션 기능들을 살펴보자.  

적층가공 툴패스 레이어 파워밀 애디티브(PowerMill Additive)는 절삭가공과 적층가공을 결할한 하이브리드 가공을 위해 툴패스를 생성할 수 있는 파워밀(PowerMill)의 플러그인이다. 이번 호에서는 파워밀 애디티브에서 적층가공 툴패스의 레이어 관련 작업에 대해 살펴본다. 연재에 쓰인 예제 파일은 CAD&Graphics 홈페이지의 자료창고에서 받을 수 있다. ■ 이경하 | 한국델켐 기술개발본부 수석 컨설턴트로 델켐 프로덕트의 기술지원 및 교육, 파워밀 실무 능력 시험 출제 및 채점, NCS(국가 직무능력 표준) 교재 및 교육 콘텐츠 개발 업무를 담당하고 있다. E-mail | gelma@delcam.co.kr 1. 레이어 및 레이어 밴드 추가 툴패스는 레이어로 생성된다. 각 물리 계층의 재료는 기존 계층 위에 연속적으로 적층된다. 열 특성과 같은 적층 재료의 동적 속성을 처리하기 위해 개별 레이어의 두께를 조정할 수 있다. 레이어 밴드는 여러 기능에 대한 공통 레이어 색인을 만드는데 사용된다. 이를 통해 서로 다른 피쳐의 툴패스를 그룹화할 수 있다. 이 경로는 베이스 면 위의 다양한 두께 범위로 재료를 적층한다. 툴패스가 초기에 계산될 때, 각 서피스는 베이스 면 위의 연속적인 패스에 따라 레이어 밴드로 인덱스된다. 이 상태에서 각 레이어 밴드 두께 및 인덱스는 물리적 층의 두께 및 인덱스에 대응한다.   툴패스를 계산한 후에는 레이어 밴드의 두께를 수정하고 공통 베이스 서피스를 기준으로 다시 인덱싱할 수 있다. 이는 다양한 양의 물리 계층을 포함하는 각 레이어 밴드를 초래한다.  

MPT의 원리 및 주요 기능   MPT(Melting Pool Tomography)는 금속 3D 프린터의 가공 검사 시스템으로, 측정 원리는 가공 시 스캐너로부터 레이저가 조사된 후 레이저가 금속 파우더를 용융시킬 때 발생하는 빛(Melting Pool의 반사광)을 역으로 감지해 밝기의 강약을 측정하는 것이다. 이번 호에서는 MPT의 원리와 주요 기능에 대해 소개한다.   ■ 주승환 | 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 과기부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다. 이메일 | jshkoret@naver.com 홈페이지 | www.kamug.or.kr   PBF(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 적층공정 중 가공물의 형태, 밀도 등의 변수들을 모니터링할 수 있는 방법 중 대표적인 것이 X-ray(엑스레이) 검사 방법이다. 하지만 X-ray 검사는 금속 합금의 원소 성분의 밀도 및 원자번호가 증가함에 따라 X-ray로 검사 가능한 에너지의 한도가 커져 수백만 볼트 이상으로 촬영해야 한다. 이러한 문제를 가진 X-ray 방식은 검사시간이 느리고 많은 금액이 필요하며, 방사선차폐 시설이 필요하다. 또한 복잡한 내부 기하학적인 구조를 가진 출력물을 완전히 검사하는 것이 매우 어렵고, 금속 3D 프린터의 적층가공 시 금속 파우더에 고출력 Ytterbium-Fiber 레이저를 조사하여 실제 금속 파우더의 Melting이 정확하게 진행되고 있는지 확인이 불가능하다. 이에 대한 해결 방안이 MPT(Melting Pool Tomography)이다. PBF 공정 기준으로 레이저가 한번 지나갈 때 보통 20~60μm 두께 정도 용융되는데, 공정 조건에 따라 용융 부족(Lack of Fusion)과 과용융(Over-melting)이 발생할 수 있다. 이는 품질과 제품의 구조적 성능에 문제를 발생시킬 수 있다.  파우더가 용융되면서 적층될 때 여러 가지의 인자들이 영향을 준다. 레이저의 파워, 소재별로 흡수 가능한 최대 에너지, 레이저의 직경, 용융 온도 등에 따라 레이저에 의한 용융 상태를 평가해 볼 수 있다. 또한 이러한 용융상태(멜트풀 : Melt Pool)를 기반으로 하는 공정의 평가가 가능하며, 적층가공 시 레이저의 방향 및 조건에 따라 소재의 구조적인 물성 변화를 통해 예측이 가능하다. MPT 방안은 레이저별로 진행되는 금속 3D 프린터 공정에서 각 레이저에서 발생하는 에너지를 모니터링하고 이를 3차원으로 구성하여 전체 적층가공물을 확인할 수 있다. 실시간 모니터링과 동시에 결과물에 대한 품질 보증을 제공하는 시스템이 MPT이다.   1. MPT의 원리 및 특징    MPT는 ‘High-speed camera(고속도카메라)’와 ‘Photodiode sensor(포토다이오드 센서)’ 총 2가지의 센서를 이용한다. 그레이 스케일(Gray Scale)과 컬러(Color)로 이미지가 생성되며 분석 알고리즘에 의해 크기 데이터를 판별해낸다.   그림 1   고속 카메라의 영상처리에는 CPU의 병렬처리(Parallel processing)를 이용해 수천장의 이미지 분석과 데이터를 빠른 속도로 취득할 수 있다.   그림 2. High-speed Camera로 감지한 멜팅풀의 크기(컬러 변환)

효율적인 전장 설계 방법론 - 표준화 및 설계 자동화   이번 호에서는 전장 설계 표준화와 설계 자동화 방법에 대해 전장 설계 전용 CAD인 솔리드웍스 일렉트리컬(SOLIDWORKS Electrical)의 관점에서 알아보자. ■ 이유철 이메일 | Yoochul.LEE@3ds.com 홈페이지 | https://www.3ds.com/ko 다쏘시스템코리아의 인더스트리 프로세스 컨설턴트이며, 다쏘시스템의 클라우드 플랫폼인 3DEXPERIENCE WORKS의 디자인&엔지니어링 영역과 온프레미스 제품인 SOLIDWORKS Electrical 및 SOLIDWORKS PCB의 기술 영역을 담당하고 있다.   제조업에서 분업화와 자동화를 가능하게 했던 전기 기술의 도입은 오늘날 그 역할이 더욱 중요해지고 있다. 하지만 다른 기술 분야에 비해 전기 설계의 여건이 비교적 좋지 않으며 그 발전 속도 또한 매우 더딘 것이 오늘날의 현실이다. 과거부터 오랜 기간 동안 그래픽 기반의 2D CAD에 의존한 도면을 그리고 있고, 도면 작성을 포함한 설계 검증이나 그 외 전장 시스템의 신뢰성을 점검하는 작업 또한 전적으로 수작업에 의존하고 있다. 전기 기술에서 그 가지가 뻗어나간 전자 회로 분야나 제어 프로그래밍 분야 설계 환경의 급격한 발전과 견주어 볼 때, 전기 설계는 아직 20세기의 방식에서 좀처럼 변화가 없는 상황이다. 이러한 현상은 결국 현장에서 빈번하게 발생하는 와이어/케이블의 오배선이나 스펙 오류처럼 기초 수준의 시스템 구성 실수에서 그 원인을 확인할 수 있다는 안타까운 결과를 초래하게 되었다. 이번 호에서는 이러한 전장 설계 환경의 문제점을 효율적으로 변화시키기 위한 전장 설계 방법론에 대해 살펴보고자 한다. 그래픽 기반의 수작업 회로도 그리기가 아닌 데이터 기반의 진정한 전장 시스템 설계 방식을 통해 이러한 효율화 방안을 시작할 수 있다. 전장 설계는 그리는 것이 아니라 데이터를 구성하고 계획하는 것이므로, 이러한 데이터 기반의 설계를 통해서 기존에 수작업으로 진행해야만 했던 많은 부분을 자동화할 수 있다. 이번 호에서 다룰 첫 번째 주제는 설계 자동화 이전에 반드시 선행되어야 할 표준화이다. 이러한 표준화는 전장 프로젝트의 전체 구성과 도면에 표현되는 심벌, 배선 간격, 넘버링, 폰트 형식 등에 이르기까지 어떤 작업자가 전장 시스템을 설계했다고 하더라도 그 도면을 해독하고 소비하는 사용자라면 누구나 이해할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 좁게는 프로젝트 유관 부서의 작업자부터 넓게는 전세계 어느 사용자라도 전기 기술에 대한 지식이 있는 사람이라면 누구나 이해할 수 있도록 하여, 시스템 전체 도면에 대한 품질을 높일 수 있다. 또한 이번 호에서 소개할 시스템간의 연계를 유연하게 하여 설계 자동화를 가능하게 하고 설계 방식을 지속 가능하게 하는 것에도 그 목적을 가진다. 두 번째 주제는 표준화 이후에 이루어질 데이터 기반의 설계 자동화이다. 이러한 자동화 방법은 근본적으로 모듈화 설계 기법에 근간을 두고 있다. 설계 자동화 방법의 도입은 전장 시스템의 품질을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 설계 시간을 단축시키는 데에도 혁신적으로 기여할 수 있다. 도면은 엔지니어의 생각을 표현하는 도구일 뿐 도구를 만드는데 많은 시간을 투자하는 것은 비효율적이며, 설계자의 의도가 그대로 반영된 제품의 품질을 높일 수 있는 작업에 더 많은 시간을 투자하는 것이 시장 경쟁에서 승리할 수 있는 차이를 만드는 방법이다. 이번 호에서는 그 작은 차이를 만들어 경쟁에서 승리하는 방법을 전달하겠다.   1. 설계 표준화 - 모듈화 설계 방법론 표준화는 모듈화 기반 설계의 기초단계이다. 모듈화 기반 설계는 사상이 반영된 시스템의 구조화를 통해 시작할 수 있다. 시스템의 구조화는 다양화되는 고객의 요구에 대응하기 위한 개념으로 시작되었다. 다양한 고객의 요구에 따라서 시스템의 다양성을 갖출 필요가 있고 재활용성을 높이기 위해 기 사용된 데이터를 통합할 필요가 있는데, 이 모듈화와 통합화는 서로 상대적인 개념을 갖고 있기 때문에 각각의 과정 중 상호 간 충돌이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제시된 방법론이 바로 시스템의 구조화이다. 시스템 구조화는 궁극적으로 모듈화와 통합화를 함께 추진할 수 있는 시작이 된다.  시스템의 구조화는 통상적으로 대상을 정의하는 기준에 따라 3가지 관점으로 전개할 수 있는데, 장치 간 기능 구성을 나타내는 기능적 관점(=), 각 장치의 물리적 위치를 나타내는 위치 관점(+), 그리고 설계 상에 표현된 장치를 나타내는 제품 관점(-)이다. 국제 표준 IEC 81346-1에서는 관점에 따라 대상을 구분하는 이러한 구조화 전개 방법론이 포함되어 있다.   그림 1. IEC 81346-1 시스템 구조화 방법