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통합검색 "특집"에 대한 통합 검색 내용이 171개 있습니다
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금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용 (1)
고부가가치 다물리 바이오닉 형상 구현 사례 : 우주발사체 MOV 하우징 개발   캐드앤그래픽스 2021년 5월호의 특집기획에서 ‘금속적층제조에서 시뮬레이션 도출 설계를 통한 부가가치 창출 방안’에 대해 소개했다. 이에 이어서 이번 호부터 3회에 걸쳐 금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용에 대해 설명한다. 이번 호에서는 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 ‘Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징’의 DfAM 적용 사례에 대해 소개한다. ■ 유병주 | 태성에스엔이 금속적층제조(DfAM) 연구소 소장이다. 구조해석 분야의 오랜 경험과 통찰력을 바탕으로 금속적층제조 분야의 설계, 해석 및 3D 프린팅 소재, 제품에 대한 연구를 총괄하며 다양한 국책지원사업에 참여하고 있다. 홈페이지 | www.tsne.co.kr ■ 전효승 | 태성에스엔이 DfAM 연구소 선임연구원이다. 다양한 적층제조 관련 교육과 DfAM 및 제조 성공사례를 만들며 DfAM의 표준을 제시하고 있다. 홈페이지 | www.tsne.co.kr   1908년 포드 모델 T부터 시작되어 약 100년간 제조산업을 지배하고 있는 소품종 대량생산과 그로부터 파생된 여러 제조방법은 저렴한 가격으로 제품을 생산하여 공급함으로써 획기적인 소비시대를 열었다. 대량생산 방식에는 항상 같은 종류의 제품을 생산하므로 공장은 정하여 놓은 한 가지 작업만을 수행하는 단능적 기계장치가 순차적으로 배치되어 제조가 이루어지며, 이에 따라 작업자의 기능도 단능공적이다. 또한 제품의 모양도 이러한 제조방법에 생산 가능한 형상으로 한정되어 점점 바이오닉한 형상과 멀어져 왔다. ‘규격화된 중간재를 이용하라, 이를 가장 간단하고 효율적으로 가공하라(예 : 상하운동을 하는 프레스 금형), 가공이 가능한 형상으로 설계하라, 기존 가공이 불가능한 형상은 쪼개어 각자 생산한 후 다시 조립하라’가 대량생산이 설계자에게 가르치는 것들이다. 이러한 전통적 기계제조 방법에서 부가가치를 논하고 바이오닉 형상 구현을 논한다는 것은 앞뒤가 맞지 않다. 대량의 단능적 설비와 저렴한 인건비의 단능공을 많이 보유한 개발도상국으로 제조산업이 이전되는 것은 너무나 당연하다. 이러한 상황에서 우리는 북미와 유럽의 제조업체들이 다능적 설비를 이용하여 다품종 소량생산을 통한 고부가가치 제조산업에 눈을 돌리는 것을 주목해야 한다. 다능적 설비의 대표적인 예가 3D 프린팅 장비이며, 이미 한국에서도 세계 유수의 3D 프린팅 장비가 제법 많이 설치되고 있다. 하지만 이를 운용할 작업자와 설계자가 반드시 다능공(Multi Capacity Engineer)이 되어야 한다는 것을 간과하고 있다. 다능공이 다능적 설비를 정확하게 이해할 때 비로소 바이오닉 형상 구현에 따른 고부가가치 제품을 개발할 수 있다는 것을 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징의 DfAM 적용사례를 통해 소개하고자 한다.   1. MOV 밸브 하우징의 DfAM 적용 사례 한국항공우주연구원은 1989년 설립 이래로 발사체에 대한 다양한 마일스톤을 세워왔으며, 최근에는 국내 독자 기술로 개발한 우주발사체인 누리호 및 차세대 발사체의 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 우주발사체를 궤도에 올리기 위해 추력을 발생시키는 부분이 엔진 부분이다. 우주발사체의 엔진은 연소기에 연료와 산화제(산소)를 같이 공급하여 연소를 진행하여 추력을 얻는 Gas-Generator Cycle의 원리를 이용한다. Main Oxidizer Valve(MOV)는 이러한 Gas-Generator Cycle에서 산소가 희박한 고고도에서도 원하는 비추력을 얻기 위해 연소기로의 산화제의 공급을 제어한다.(그림 1) 이때 주로 발사체에서는 액체 산화제(Liquid Oxygen : LOX)를 사용하기 때문에 MOV는 -183℃까지도 내려가는 극저온 환경에서 안정적이어야 한다. 더불어, 우주발사체가 발사되어 추진되는 동안에 엔진에서 발생하는 진동을 견뎌야 한다. 따라서 MOV는 이러한 극저온 및 진동에 대한 극한의 조건에 대한 신뢰성이 필수적이다.   그림 1. 발사체 엔진(왼쪽)에 위치한 Main Oxidizer Valve(왼쪽 하단) 및 엔진을 구성하는 Gas-Generator Cycle(오른쪽)  
작성일 : 2021-06-01
[캐드앤그래픽스 설문조사] 산업 전반에서 코로나19의 영향 속에 프로세스 변화에 대한 부담도 커져
2020년 한 해는 ‘코로나19로 시작해 코로나19로 끝났다’고 해도 지나치지 않을 정도로, 사회와 산업 전반에 걸쳐 코로나19가 큰 영향을 주었다. 제조와 건축 등 산업 분야의 엔지니어링 영역에도 코로나19는 주요한 이슈가 되었다. 캐드앤그래픽스가 2021년 2월 한 달간 진행한 ‘2020 캐드앤그래픽스 독자 설문조사’에서는 글로벌 팬데믹이 산업 분야 및 엔지니어링 업무에 끼친 영향에 주목한 응답자가 많았다.   2020년 CAD/CAM/PLM/BIM 관련 분야의 가장 큰 뉴스는 어떤 것이라고 생각하십니까? 작년 한 해의 주요한 뉴스로 ‘코로나19의 글로벌 팬데믹과 이에 따른 산업 위축’(51.7%)을 꼽은 응답자가 절반을 넘었다. 사회 전반에 큰 영향을 준 코로나19가 제조, 건축 등 거의 모든 산업 경기를 위축시켰다는 것을 많은 사람이 체감할 수 있었다는 의미로 해석된다. 이외에는 ‘자율주행/전기자동차를 위한 설계·시뮬레이션·제조 기술 도입’(11.4%)과 ‘스마트 건설/스마트시티를 위한 설계·시뮬레이션·건설 기술 도입’(10.6%) 등 산업별로 진행된 디지털화 이슈에 대한 주목도가 높았으며, 정부의 ‘한국판 뉴딜’ 정책과 산업계의 대응도 8.8%의 응답을 받아 적지 않은 관심을 보였다.     코로나19가 엔지니어링 업무에 어느 정도 영향을 주었다고 보십니까? 설계/해석/시각화 등의 엔지니어링 업무를 진행하는데 있어 코로나19가 얼마나 영향을 주었는지 물어보았다. ‘영향이 없었다’를 1점, ‘큰 영향을 주었다’를 5점으로 놓고 설문을 받은 결과 평균점수는 3.5점으로, 전반적으로 영향을 주었다는 응답이 많은 것을 알 수 있었다. ‘영향이 없었다’는 응답자는 전체의 3.4%인 반면 ‘큰 영향을 주었다’는 응답자는 17.7%로 나타나, 상대적으로 코로나19가 엔지니어링 업무에 영향을 주었다는 인식이 높았다.     응답자의 산업 분야별로 코로나19의 영향에 차이가 있는지도 알아보았다. 전체 응답자의 코로나19 영향 평균점인 3.5점을 기준으로 살펴본 결과, 모든 산업군에서 코로나19의 영향이 큰 것으로 나타났다. 이 가운데 소프트웨어/IT 서비스/SI, 그래픽, 메디컬 산업에서는 큰 영향을 받았다는 응답이 상대적으로 많았다. 한편 건축/건설/토목, 플랜트, 조선 산업에서는 영향이 적었다는 응답 비율이 다른 분야에 비해 높았다.     코로나19가 본격화된 이후 엔지니어링 업무에서 클라우드 활용이 얼마나 늘었습니까? 엔지니어링 소프트웨어 영역에서 클라우드는 상대적으로 느리게 도입되어 왔지만, 코로나19로 원격/재택업무와 비대면 협업이 늘어나면서 클라우드에 대한 도입이 늘어날지에 대해 여러 전망이 나오고 있다. 이와 관련해 코로나19의 본격화 이후 설계, 해석, 데이터 관리 등의 엔지니어링 업무에서 클라우드 활용이 늘었는지를 물었다. ‘클라우드 활용이 전혀 늘지 않았다’부터 ‘업무 전체에 클라우드를 사용하게 되었다’까지 5점 척도로 조사한 결과 전체 응답자의 평균값은 2.9로 중간을 조금 넘는 수준이었다. 항목별로는 코로나19 이후 클라우드를 업무 전체에 사용한다는 응답이 6.5%인 반면, 클라우드 활용이 전혀 늘지 않았다는 응답은 19.8%로 나타났다.     2021년 제조, 건설 분야의 경기에 대해 어떻게 전망하십니까? 올해 제조 및 건설 분야의 전망에 대해서는 ‘많이 성장할 것’이라는 응답이 18.7%, ‘소폭 성장할 것’이라는 응답이 33.4%로 나타났다. 절반이 넘는 52.1%의 응답자가 성장세를 전망한 것은 작년 코로나19로 인한 전반적인 침체가 올해는 호전될 것이라는 기대가 높은 것으로 보인다. 한편 ‘전년과 비슷할 것’이라는 응답은 32.7%, ‘전년보다 좋지 않을 것’이라는 응답은 15.2%로, 지난 해 조사와 비교하면 줄었다.     ■ 더 자세한 내용은 캐드앤그래픽스 2021년 2월호의 '2020 캐드앤그래픽스 독자 설문조사' 특집기사에서 볼 수 있습니다.
작성일 : 2021-03-31
VPD와 MBSE의 적용 Ⅱ
디지털 트랜스포메이션 기반 VPD 프로세스 구축 및 MBSE의 도전과 응용 (3)   다양한 산업 분야의 기술과 제품 개발에서 CAE(Computer Aided Engineering) 기술이 폭넓게 쓰이고 있다. 한편으로 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것으로는 제품의 요구 성능을 충족하는 것이 어려우며, 전체 시스템의 성능 파악 및 품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다. 캐드앤그래픽스 2021년 1월호의 특집기획에서 디지털 제품 개발 기술로서 VPD(가상 제품 개발)와 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)의 개념에 대해 소개했는데, 이번 호에서는 지난 2월호에 이어 VPD 및 MBSE를 어떻게 제품 개발에 적용할 수 있는지에 대해 살펴본다.   ■ 오재응 | LG전자 기술고문이며, 한양대학교 명예교수이다.   1. MILS와 HILS 환경구축 HIL(Hardware-in-the-Loop) 시뮬레이션은 실시간 시뮬레이션의 한 유형이다. HIL 시뮬레이션을 사용하여 컨트롤러 설계를 테스트한다. HIL 시뮬레이션은 컨트롤러가 실제 가상 자극에 실시간으로 어떻게 반응하는지 알아보는 것이다. HIL을 사용하여 물리적 시스템(플랜트) 모델이 유효한지 확인할 수도 있으며, 플랜트 모델의 가상 표현과 컨트롤러의 실제 버전으로 실시간 컴퓨터를 사용한다. <그림 1>은 일반적인 HIL 시뮬레이션 설정을 보여주고 있으며, 데스크톱 컴퓨터(개발 하드웨어)에는 컨트롤러 및 플랜트의 실시간 지원 모델이 포함되어 있다. 개발 하드웨어에는 플랜트에 대한 가상 입력을 제어하는 인터페이스도 포함되어 있다. 컨트롤러 하드웨어에는 컨트롤러 모델에서 생성된 컨트롤러 소프트웨어가 포함되어 있다. 실시간 프로세서(대상 하드웨어)에는 플랜트 모델에서 생성된 물리적 시스템에 대한 코드가 포함되어 있다.     그림 1. MBD 프로세스 진행에서의 HILS   MBD(Model-Based Design)를 수행할 때 HIL 시뮬레이션을 사용하여 컨트롤러의 설계를 테스트한다. <그림 2>는 HIL 시뮬레이션이 MBD 설계-실현 워크플로에 적합한 위치를 보여준다. 검증에는 실제 플랜트 하드웨어를 사용하여 실제 상황이나 환경 프록시(예 : 압력 챔버)에서 컨트롤러를 테스트하는 것이 포함되며, 물리적 시스템(플랜트)에 실제 하드웨어를 사용할 필요가 없다. 따라서 모델을 사용하여 플랜트를 표현할 수 있도록 함으로써 HIL 시뮬레이션은 비용과 실용성 측면에서 이점을 가지고 있다. HIL 테스트를 사용하는 동기는 HIL 시뮬레이션이 검증 테스트에 비해 비용을 절감하는 몇 가지 영역이 있다. HIL 시뮬레이션은 설계 변경과 관련하여 비용이 적게 드는 경향이 있다. MBD 워크 흐름도에서 검증보다 일찍 HIL 시뮬레이션을 수행할 수 있으므로 프로젝트 초기에 문제를 식별하고 재 설계할 수 있다. 문제를 조기에 발견하면 다음과 같은 이점이 있다. 첫 번째로는 팀이 변경을 승인할 가능성이 더 높고, 두 번째로 설계 변경의 구현 비용이 적게 든다. 스케줄링 측면에서 HIL 시뮬레이션은 자체적으로 실행되도록 설정할 수 있으므로 검증보다 비용이 적게 들고 실용적이다. HIL 시뮬레이션은 비정상적인 이벤트에 대한 컨트롤러의 응답을 테스트하기 위한 검증보다 더 실용적이다. HILS(Hardware-in-the-Loop System)는 다양한 과학 및 기술 분야에서 사용된다. 자동차 애플리케이션의 맥락에서 시스템 검증 및 검증을 위한 가상 차량을 제공한다. 엔진 관리 시스템의 성능 및 진단 기능을 평가하기 위한 차량 내 주행 테스트는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들고 재현할 수 없는 경우가 많기 때문에, HIL 시뮬레이터를 사용하면 개발자가 품질 요구사항과 출시시간 제한을 준수하면서 새로운 하드웨어 및 소프트웨어 자동차 솔루션을 검증할 수 있다. 일반적인 HIL 시뮬레이터에서 전용 실시간 프로세서는 엔진 역학을 에뮬레이트하는 수학적 모델을 실행한다. 또한 I/O 장치를 사용하면 차량 센서와 액추에이터(일반적으로 높은 수준의 비선형성을 나타냄)를 연결할 수 있다. 테스트중인 ECU(Electronic Control Unit)는 시스템에 연결되고, 시뮬레이터에서 실행되는 일련의 차량 조작에 의해 자극된다. 이 시점에서 HIL 시뮬레이션은 테스트 단계에서 높은 수준의 반복성을 제공한다. 문헌에서 몇 가지 HIL 특정 애플리케이션이 보고되고 특정 목적에 따라 단순화된 HIL 시뮬레이터가 구축되었다. 예를 들어 새로운 ECU 소프트웨어 릴리스를 테스트할 때, 개방 루프에서 실험을 수행할 수 있으므로 여러 엔진 동적 모델이 더 이상 필요하지 않다. 이 전략은 제어된 입력에 의해 ECU 출력의 분석으로 제한된다. 이 경우 Micro HIL 시스템(MHIL)이 더 간단하고 경제적인 솔루션을 제공한다. 모델 처리의 복잡성이 감소하기 때문에 풀 사이즈 HIL 시스템은 신호 발생기, I/O 보드 및 ECU에 연결할 액추에이터(외부 부하)가 포함된 콘솔로 구성된다. 복잡한 프로세스 시스템 및 실시간 임베디드 시스템의 개발 및 테스트에 사용되는 기술은 ① 전기 인터페이스를 통해 루프에 실제 구성 요소를 시뮬레이터에 추가하여 순수 실시간 시뮬레이션과 다른 점은 실시간 환경의 동작을 재현, ② 이 구성 요소는 전자 제어 장치 또는 실제 엔진일 수 있음, ③ 다양한 종류의 HILS, 전자, 기계, 센서 및 액추에이터의 시뮬레이션을 실현할 수 있음, ④ MILS/HILS 환경 구축으로 제어 대상(플랜트) 모델 개발을 지원한다. 1D CAE의 제어 대상 모델의 개발도 필요하다. 1D CAE는 동적 수식 모델을 이용한 초기설계(개념 설계 등) 검토를 의미하며 보통의 CAE 해석은 다르다. MBD용 제어 대상 모델과 1D CAE용 제어 대상 모델은 동일한 모델이 되는 경우도 있지만, 목적의 차이에 따라 다른 모델이 되는 경우가 많다. MBD용 제어 대상 모델은 실제 기계와의 일치도(절대 값)가 우선되어 설계 파라미터가 모델에 남아있을 필요는 없지만, 1D CAE 용 제어 대상 모델은 설계 파라미터가 모델에 남아 있을 필요가 있고 실기에 대해 경향이 일치하도록 하는 절대 값으로서 일치도는 우선 되지 않았기 때문이다. MBD 용으로 모터 모델에서 특징적인 기술로 자기장 분석의 결과를 포함시켜  빠르고 정확한 모터 모델을 제공할 수 있다. 제어 대상 모델의 개발에는 시뮬링크(Simulink)뿐만 아니라 매스웍스(MathWorks)의 심스케이프(Simscape)와 모델리카(Modelica)계 도구(Amesim, SimulationX, MapleSim 등), VHDL-AMS 지원 도구(Simplorer 등)에 의해 처리될 수 있다.
작성일 : 2021-03-03
디지털 트랜스포메이션, 글로벌 팬데믹이 가져 온 제품 개발 패러다임의 변화
2020년은 ‘코로나19로 시작해 코로나19로 끝난 한 해’라는 이야기가 적잖게 들린다. 그만큼 코로나19의 글로벌 대유행은 국내외를 가리지 않고 사회와 산업 전반에 큰 충격을 주었다는 의미이기도 할 것이다. 충격은 변화로 이어졌고, 엔지니어링 소프트웨어 분야도 예외가 아니었다. 제조 및 건축 산업의 침체로 투자가 위축되고, 이동제한과 재택근무가 확산되면서 소프트웨어의 도입과 사용 패턴이 달라졌다. 이런 가운데 엔지니어링 소프트웨어 업계에서는 변화에 대응하기 위해 다양한 고민과 솔루션을 찾는 모습을 보였다. 디지털화 또는 디지털 트랜스포메이션(digital transformation)이라는 큰 방향은 지속되었지만, 속도는 빨라지고 범위는 넓어졌다. 클라우드나 인공지능, 빅데이터 등의 기술 도입도 조금씩 본격화되는 모습을 보였다.   클라우드, 유연성과 속도로 위기에 대응한다 제조와 건축 분야는 다른 IT 산업과 비교하면 클라우드 전환이 늦은 산업군으로 꼽혀 왔다. 설계뿐 아니라 생산과 건설이라는 물리적인 과정까지 복잡다단하게 얽혀있다는 점과 함께, 민감한 기업 자산에 대한 ‘보안’의 이슈도 클라우드 도입의 걸림돌이었다. 하지만 변화는 천천히 진행되어 왔고, 코로나19로 갑작스럽게 다가온 비대면 상황에서 효과적인 해결책으로 여겨지면서 클라우드 전환 속도가 더욱 빨라졌다.   ▲ 리스케일은 현대·기아차의 클라우드 시뮬레이션 환경을 구축할 계획이다.   작년에는 리스케일(Rescale)과 현대기아자동차가 시뮬레이션 중심의 클라우드 기반 디지털 R&D 환경 구축에 나서고, 아마존 웹 서비스(AWS)와 삼성엔지니어링이 EPC 협업 설계 및 데이터 레이크(data lake) 환경을 만드는 등 국내서도 변화의 움직임이 감지되고 있다.   ▲ 설계 데이터를 클라우드에 모으고 인사이트를 얻을 수 있게 한 삼성엔지니어링의 데이터 레이크 프로젝트   하드웨어 및 소프트웨어 인프라의 관점에서 클라우드는 속도와 유연성을 강점으로 내세우는 모습이다. 이전에는 설계자를 몇 명 늘릴지에 대한 계획을 마련하고, 여기에 맞춰서 소프트웨어 라이선스를 추가로 확보하거나 하드웨어 인프라를 늘리는 작업을 몇 개월 전부터 준비하는 것이 일반적인 기업의 프로세스였다. 하지만, 클라우드는 변화의 속도가 빨라지고 예측이 불가능해지는 상황에서 빠르게 대응하는 것이 가능하다는 점을 내세우고 있다. 주요 글로벌 소프트웨어 업체들은 저마다 클라우드 포트폴리오의 확대 또는 궁극적으로 자사 솔루션의 완전한 클라우드 전환이라는 그림을 그리고 있다. 다쏘시스템은 클라우드 기반의 3D익스피리언스 플랫폼(3DEXPERIENCE platform) 위에서 자사의 소프트웨어 제품군을 앱 형태로 제공한다는 전략을 꾸준히 진행하고 있다. 작년에는 설계 솔루션인 솔리드웍스까지 클라우드 플랫폼과 연결하면서, 궁극적으로 풀 클라우드 CAD로 간다는 전략을 소개했다. 다쏘시스템은 자사 소프트웨어의 클라우드 버전을 속속 내놓으면서 라인업을 확대하고 있다. 또한 AWS와 협력을 통해 제조산업의 클라우드 전환 속도를 더욱 높인다는 계획이다.   ▲ 다쏘시스템은 3D익스피리언스 플랫폼 기반의 클라우드 CAD를 확대할 계획이다.   오토데스크는 퓨전 360(Fusion 360)과 BIM 360 등의 클라우드 솔루션을 내놓은 이후 클라우드 전략의 비중을 늘리고 있다. 퓨전 360은 개념설계-상세설계-설계검증-제조, 가공 및 측정까지 클라우드 위에서 통합하는 방향으로 나아가고 있다. 작년에는 CAM 솔루션인 파워밀(PowerMill)과 적층가공 최적화 솔루션 넷팹(Netfabb)까지 퓨전 360과 통합했다. 또한, 오토데스크는 BIM 360을 포함해 건설 생애 주기 전반에 걸친 데이터 연결을 클라우드 기반에서 지원하는 ‘오토데스크 컨스트럭션 클라우드(Autodesk Construction Cloud)’를 내놓았다.   ▲ 퓨전 360과 넷팹의 통합은 적층제조와 설계의 통합을 강화할 전망이다.   PTC는 2019년 클라우드 CAD인 온쉐이프(Onshape)에 이어 작년에는 클라우드 PLM 개발사인 아레나 솔루션즈(Arena Solutions)를 인수했다. 이를 통해 SaaS(서비스형 소프트웨어) 기반의 CAD 및 PLM 포트폴리오를 갖추고 미드마켓 시장을 공략한다는 것이 PTC의 계획이다. 뿐만 아니라 온쉐이프, 아레나 솔루션즈, AR 솔루션인 뷰포리아(Vuforia)를 합쳐 SaaS 사업부를 확대했고, 온쉐이프의 아키텍처를 기반으로 전체 솔루션의 SaaS화를 추진한다는 아틀라스 플랫폼(Atlas platform) 비전을 선보였다.   ▲ 2019년 PTC가 인수한 온쉐이프는 SaaS 아키텍처의 기반이 될 전망이다.   지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 로코드(low-code) 애플리케이션 플랫폼인 멘딕스(Mendix)를 기반으로, 자사의 소프트웨어 포트폴리오인 엑셀러레이터(Xcelerator)의 PLM, MES, IoT 등을 모두 클라우드 아키텍처에서 구동할 수 있게 한다는 전략을 소개했다. 여기에 더해 PLM인 팀센터 X(Teamcenter X)와 3D 디자인의 협업 검토가 가능한 팀센터 셰어(Teamcenter Share) 등 클라우드 기반 솔루션을 확대할 계획이다.   ▲ 지멘스의 클라우드 PLM 솔루션 팀센터 X   CAE 분야에서는 대규모의 시뮬레이션을 효과적으로 수행할 수 있는 HPC(고성능컴퓨팅) 인프라 측면에서 클라우드의 이점에 주목하기도 한다. 제품의 복잡도가 증가하면서 빠른 개발 사이클에 대응하기 위해 대규모의 인프라를 유연하게 확보하고 사용할 수 있는 클라우드 HPC가 필요하다는 시각이다. 앤시스는 마이크로소프트 애저(Microsoft Azure) 기반의 앤시스 클라우드(ANSYS Cloud)를 꾸준히 강화하면서, 앤시스 메커니컬(ANSYS Mechanical)과 플루언트(Fluent)를 시작으로 HFSS, SIwave 등 지원 솔루션의 범위를 꾸준히 넓히고 있다. 알테어는 라이선스 활성화 및 소프트웨어를 다운로드하는 통합 포털 사이트 알테어 원(Altair One)과 다양한 소프트웨어를 유연하게 사용할 수 있는 유닛 기반 라이선스를 내세웠다. 또한, HPC 솔루션 기업인 유니바(Univa)와 엑셀러스(Ellexus)를 인수하고 HPC 워크로드 관리와 모니터링, 최적화 등을 지원하는 솔루션 포트폴리오를 확보했다.   제조산업 안팎을 아우르는 디지털 스레드의 확장 기존에는 설계, 시뮬레이션, 제조, 서비스 등 각 영역별로 디지털화가 진행되어 왔다면, 이제는 전체 제품 사이클에 걸쳐 디지털 데이터의 매끄러운 흐름을 갖추고, 이를 활용해 기업 전반에서 디지털화의 효과를 극대화한다는 뜻에서 ‘디지털 스레드(digital thread)’라는 개념이 주목을 받는 모습이다. 엔지니어링 소프트웨어 분야에서는 디지털 스레드에 대해 ‘하나의 데이터 소스’를 기반으로 디지털 모델을 생성하고, 이 디지털 모델을 가상 테스트나 시뮬레이션으로 검증하며, 생산을 위한 데이터로 활용한다는 관점에서 접근하고 있다. 제조에서 끝나지 않고 판매나 서비스 단계까지 디지털 제품 정보의 활용을 확장하는 한편, 전체 데이터와 프로세스를 관리하고 조율하는 것까지 큰 그림을 그리고 있는 것이다. PTC는 CAD와 PLM뿐 아니라 IoT(사물인터넷), AR(증강현실)로 포트폴리오를 넓히고, 제조업의 디지털 트랜스포메이션을 위한 전체 루프 사이클을 관리할 수 있다는 점을 내세우고 있다. 여기에 로크웰 오토메이션과 협력을 통해 설계부터 운영, 유지보수 및 최적화까지 모든 라이프사이클 단계에 걸쳐 디지털 스레드 솔루션을 확장하는 움직임을 이어가고 있다. 오토데스크는 제조와 건축 분야의 융합(컨버전스)을 내세우고 있다. 퓨전 360에서 선보인 제너레이티브 디자인(generative design) 기술을 건축 분야에 접목해 최적의 인테리어 구성을 인공지능이 자동으로 만들어 낼 수 있도록 하고 있다. 그리고 모듈러(modular) 공법, 프리패브리케이션(prefabrication), DfMA(Design for Manufacturing and Assembly) 등 제조 분야의 제조 기술을 건축 분야에 접목하는 시도 역시 진행 중이다. 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 제품(Product)·생산(Production)·성능(Performance)의 디지털 트윈이라는 포괄적인 디지털 트윈 전략을 내세우고 있다. CAD와 시뮬레이션, 공장의 모델링 및 시뮬레이션, IoT 등 각 분야의 기술과 솔루션을 연동함으로써 제품의 개발과 생산, 사용까지 아우르는 디지털 스레드를 구현한다는 전략이다. 또한, 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링) 및 MBST(모델 기반 시스템 테스팅)에 대응하면서 디지털 제품 개발을 위한 다분야의 기술 연계를 강화하고 있다. 멘토(Mentor)를 지멘스 EDA(Siemens EDA)로 개편하고 회로 설계를 위한 P&R 솔루션 업체 아바타(Avatar), 화학 시뮬레이션 업체 컬기(Culgi) 등을 인수하면서 디지털 제품 개발 포트폴리오를 꾸준히 확장하는 모습이다.   ▲ 알테어는 에스엔위즈 인수 이후 발포성형 해석 솔루션 '인스파이어 폴리폼'을 출시했다.   CAE 분야에서는 제품 개발 단계의 시뮬레이션을 넘어 생산 공정에 대한 시뮬레이션으로 디지털 프로세스를 확장하고 있다. 이에스아이, MSC소프트웨어, 오토폼엔지니어링 등 여러 CAE 소프트웨어 업체가 포밍이나 웰딩 등 공정의 시뮬레이션 소프트웨어를 제공하고 있다. 인스파이어(Inspire)를 중심으로 매뉴팩처링 소프트웨어 라인업을 강화하고 있는 알테어도 작년에 국내 기업인 에스앤위즈를 인수하면서 폴리우레탄 발포 성형 해석 솔루션을 추가했다.   ■ 자세한 내용은 '2020 국내 엔지니어링 소프트웨어 시장조사' 특집기사에서 볼 수 있다.
작성일 : 2021-02-24
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작성일 : 2021-02-08
VPD와 MBSE의 적용 Ⅰ
디지털 트랜스포메이션 기반 VPD 프로세스 구축 및 MBSE의 도전과 응용 (2) 다양한 산업 분야의 기술과 제품 개발에서 CAE(Computer Aided Engineering) 기술이 폭넓게 쓰이고 있다. 한편으로 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것으로는 제품의 요구 성능을 충족하는 것이 어려우며, 전체 시스템의 성능 파악 및 품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다. 캐드앤그래픽스 2021년 1월호의 특집기획에서 디지털 제품 개발 기술로서 VPD(가상 제품 개발)와 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)의 개념에 대해 소개했는데, 이번 호에서는 VPD 및 MBSE를 어떻게 제품 개발에 적용할 수 있는지에 대해 살펴본다. ■ 오재응 | LG전자 기술고문이며, 한양대학교 명예교수이다.   1. 최근의 기술·제품 개발을 둘러싼 환경 최근 다양한 산업 분야의 기술·제품 개발에서 CAE 기술의 활용은 익숙한 것이 되어 있다. 반면 기술·제품이 급속히 다양화 및 복잡화 하고 있는 요즈음, 지금까지와 같이 각 기능 부품에 대해 개별적으로 CAE를 적용하는 것만으로는 기술·제품으로의 요구 성능을 만족하는 것이 매우 어려워지고 있다. 따라서 기술·제품을 구성하는 전체 시스템을 파악한 성능·품질 향상에 대한 해결책이 요구되고 있다. 특히 제품 개발 프로세스 정립의 효과는 시스템이 고기능이 되고 복잡해지면 질수록 개발 과정의 빠른 시기부터 시스템에  숨겨진 결함을 찾아내는 것은 어렵다. 잘 알려진 바와 같이, 대부분의 결함은 개발 초기 설계 단계까지의 사이에 만들어지고 버리지만, 그들은 그 시점에서는 발견되지 않고 테스트 단계에서 장애로 처음 발견되는 것이다. 이들 장애는 제품의 제조단계에서 장애로 시작하여 처음으로 검출되는 것이 된다. 그리고 만일 이들의 장애가 제품의 제조단계로 진행될 때까지 검출되지 않으면 출하 후에 시장에서 처음으로 발견되면 커다란 문제가 된다. 만약 제품이 대량 생산되어 있다고 하면, 그 대책에는 막대한 비용이 들고 큰 손실을 발생할 수 있는 가능성이 있다. 따라서 잘 알려진 MBSE의 도입 효과는, 결함을 조기 발견하는 것에 의해 제품화 기간을 단축하고 개발 비용을 줄이고 출시에 걸리는 시간을 단축하는 것이다. 예를 들면 미국의 어떤 방위 시스템 개발 회사는 시스템 엔지니어링을 도입하여 제품화 시간을 40% 단축했다는 보고도 있다. 또한 응용 프로그램의 신뢰성과 안전이 개선되었다. 다양한 기업에서 하드웨어와 소프트웨어 파트의 공급을 받고 있는 기업의 경우, 키가 되는 것은 서브시스템 사이의 인터페이스를 명확히 하는 것이다. 여기에서는 개발 초기에 실행 가능한 프로토타입 모델 실행을 통해 인터페이스의 결함을 조기에 발견하고 있다. GM(지엠)의 개발자는 모델을 사용하여 내장되어 있는 시스템 간의 상호 작용을 시각화하고 시뮬레이션을 통해 모델 테스트를 실시했다. GM은 보통 5년이 걸릴 신차 개발을 불과 29개월 만에 완료하는 것이다. 특히 가전 제품의 개발 기간이 비교적 짧고, 최근에는 설계가 국제적으로 분산되어서 진행되고 있다. 이러한 환경에서 결함의 발견이 지연됨에 따라 설계의 재 작업은 비용 및 납품 일정에 미치는 영향이 크고, 결함의 원인에 대해 초기 단계에서 대응하는 것이 필요하다. 서브시스템과 모듈이 완성되어 통합하여 검증하는 단계에서 조정 가능한 부분의 부분적인 수정을 한 것이 비용적으로 맞지 않는 경우가 많다. 따라서 어떤 모듈 설계에 필요한 그 외부 환경이 되는 경계 조건을 가상으로 설정한 후에 사전에 기능의 수준을 검증을 수행하는 것이 중요한 포인트가 된다 그림 1. MBD 적용에 대한 정확도 및 계산시간, 설계자유도에 대한 충실도
작성일 : 2021-02-01
[공문] CAE 컨퍼런스 2020(11/13) 업체참가 검토의 건
안녕하세요? 올해도 새로운 컨셉으로 CAE 컨퍼런스 2020 행사를 준비하고 있습니다. ​ 올해는 수원으로 지역을 변경해 새로운 유저를 만날 수 있는 장을 마련할 계획으로 11월 13일(금) 수원컨벤션센터에서 행사를 준비하고 있습니다. ​ ​ CAE 컨퍼런스 2020는 ‘디지털 트랜스포메이션을 위한 시뮬레이션 기술과 트렌드’를 주제로, 국내 CAE 산업의 활성화와 시장 확대를 위해 리더 기업을 초청, 밸류 있는 참가자를 확보하고자 합니다. ​ 이를 통해 참가업체와 참석자 모두에게 실질적인 가치를 제공하고, 코로나 상황에서 대면 참여가 어려운 현실을 고려해 사후 온디맨드 영상 서비스를 통해 온오프 행사로 진행하여 좀더 많은 참가자를 확보할 예정입니다. ​ ​ * 지난 행사 기사 참고 2019 컨퍼런스(기사) https://www.cadgraphics.co.kr/newsview.php?pages=news&sub=news01&catecode=2&num=66066 2019 컨퍼런스(특집) https://www.cadgraphics.co.kr/newsview.php?pages=lecture&sub=lecture01&catecode=7&num=66068 ​ ​ [일정 안내] ​ 행사명: CAE컨퍼런스 2020 - 디지털 트랜스포메이션을 위한 시뮬레이션 기술과 트렌드 (안) 일 시: 2020년 11월 13일(금), 오후 12시 ~ 오후 6시 (오전 10시 ~ 12시, SMATEC 2020 전시회 참가) 장 소: 수원컨벤션센터 (신분당선 광교중앙역 부근) 주 최: 캐드앤그래픽스 주 관: CAE 컨퍼런스 준비위원회 후 원: 한국산업마케팅연구원, 대한기계학회, 한국과학기술정보연구원, 한국계산과학공학회, 한국기계산업진흥회, 한국산업지능화협회, 한국CDE학회 (안) ​ 1. CAE 컨퍼런스 2020 참가 검토의 건 / 참가 접수 마감 • 참가 신청 접수 [1차 마감] 2020년 9월 18일(금) 까지 [최종 마감] 2020년 10월 5일(월) 까지 ​ • 발표 신청 접수 [1차 마감] 2020년 9월 18일(금) 까지 [최종 마감] 2020년 10월 5일(월) 까지 * 상세한 내용은 첨부해 드린 공문을 참조하시기 바랍니다. ​ 2. CAE 컨퍼런스2020 발표자 및 내용 추천 / 마감일 10월 5일(월)까지 컨퍼런스에서 짚어주었으면 하는 내용이나 주제, 발표자로 추천하고 싶은 분이 있으면 추천 바랍니다. ​ 3. 참고로 CAE 공급 업체의 발표 참가 유료로 진행됩니다. ​ 많은 관심과 참여를 부탁드립니다. 감사합니다. ​ ------------------------------------------ CAE 컨퍼런스 사무국 문의 : 02-333-6900 메일 : cae@cadgraphics.co.kr ​ ​ #CAE컨퍼런스2020 #CAE컨퍼런스  
작성일 : 2020-09-18
글로벌 3D 프린팅 산업 동향 및 트렌드
3D 프린팅은 적층제조(Additive Manufacturing: AM), 쾌속조형(Rapid Prototyping: RP) 등 다양한 이름으로 불리고 있고, 사용 목적에 따라 의미를 분리하여 사용되기도 하지만, 여기서는 같은 의미로 ‘3D 프린팅’이라는 용어로 사용하기로 한다. 3D 프린터는 재미 있는 부분이 있다. 어떤 사람은 도깨비 방망이처럼 뚝딱하면 뭐든지 만들어진다고 신기해하고, 어떤 사람은 이미 한물갔다는 식으로 쓸모없다고 말하기도 한다. 2013년 버락 오바마 미국 대통령이 재선 연설에서 3D 프린터를 언급한 이후, 3D 프린터에 대한 엄청난 관심이 거대한 파도처럼 우리나라뿐만 아니라 전세계적으로 밀려왔지만, 몇 년 후 그 버블은 거의 꺼져버린 것 같아 보인다.  거대한 파도가 밀려오거나 파도가 잔잔하거나 바다 속은 항상 평온하게 물이 흐르고 있듯이, 3D 프린팅 산업은 버블이 꺼진 이후에도 계속 발전하고 있었다. 3D 프린터 판매는 증가하고, 새로운 기술이 등장하고, 새로운 업체들은 계속 진입하고 있었다. 이러한 최근 몇 년간의 3D 프린팅 산업 동향과 트렌드를 살펴보기로 하자.   3D 프린터 판매 동향 3D 프린팅(적층제조) 산업은 매년 성장을 거듭하고 있다. 홀러스 리포트(Wohlers Report)에 따르면, 지난 31년간 전세계 3D 프린팅 매출 성장률은 26.7%에 이르고 있다. 최근 2016년에서 2019년까지 4년간의 성장률은 23.3%이며, 2019년 전세계 3D 프린팅 매출은 전년 대비 21.2% 성장한 118억 달러로 발표하였다. 폼넥스트(Formnext) 전시회는 매년 독일 프랑크푸르트에서 개최되는데, 폼넥스트 2019 전시회는 3D 프린팅 역사상 가장 큰 단일 전시회로 기록되었다. 최근 몇 년동안 3D 프린팅 산업의 버블이 꺼지며 일반 대중의 관심에서 멀어지고 있는것 같지만, 일반소비자용이 아닌 산업용 장비로서 3D 프린팅 산업은 꾸준히 성장을 하고 있다. 폼넥스트를 포함하여 미국과 유럽의 대표적인 3D 프린팅 전시회은 매년 규모를 키우고 있으며, 대다수의 전문가들은 3D 프린팅 산업의 성장과 활용 분야의 확대가 지속될 것으로 예측하고 있다.    다양한 플레이어들의 3D 프린팅 업계 진입 투톱체제에서 멀티플레이어 체제로 변화 3D 프린터 제조업체의 쌍두마차로 오랫동안 3D 프린팅 업계를 이끌어온 스트라타시스와 3D시스템즈의 시장 점유율은 최근 5년 사이에 눈에 띄게 감소하였다. 홀러스 리포트에서 발표한 2015년과 2019년도의 3D 프린터 마켓 셰어 데이터에 따르면, 스트라타시스는 2015년 41.1%에서 2019년 16.6%로 감소하였고, 3D시스템즈는 같은 기간에 15.3%에서 10.3%로 감소하였다.      스트라타시스와 3D시스템즈는 지금도 3D 프린터 업계를 대표하는 업체이지만 시장 점유율이 감소세를 보이고 있는 원인 중 하나는, 전세계적으로 다양한 업체들이 3D 프린팅 시장에 진출하여 성장을 한 것이 아닐까 한다. 뛰어난 아이디어와 기술력으로 무장한 스타트업을 비롯해 GE, HP, 제록스(Xerox) 같은 대기업들도 3D 프린팅 산업에 뛰어들면서 점점 더 경쟁이 치열해지고 있다. 기존 강자인 스트라타시스와 3D시스템즈 같은 회사들은 시장을 지키고자 노력하고 새로 진입한 업체들은 생존과 성장을 위해 노력하면서, 전체 3D 프린팅 시장 규모는 성장하고 있다.        기존 대기업의 3D 프린팅 업계 진입 HP는 3D 프린터 제조에 많은 관심을 보여왔고 3D 프린팅 업계 진입 전에 여러가지 루머를 낳기도 했지만, 2016년 12월 자체 3D 프린터 개발과 함께 3D 프린팅 사업에 대한 장단기 계획과 대담한 포부를 내비쳤다. GE는 금속 3D 프린터 제조업체인 콘셉트 레이저(Concept Laser)와 아르캠(Arcam)을 인수합병하여 GE 애디티브(GE Additive)라는 조직을 신설하였고, 금속 3D 프린팅 분야에만 집중하고 있다. 세계 최고의 화학회사중 하나인 BASF(바스프)도 3D 프린팅 산업을 위한 새로운 조직을 신설하였으며, 이노필(Innofil), 스컬프티오(Sculpteo) 같은 회사들을 인수합병하는 등 3D 프린팅 회사에 대한 투자와 협업을 진행하고 있다. 제록스는 이들보다 조금 늦게 3D 프린팅 업계 진출을 선언하였다. 3D 프린팅 전시회에 참가하며 본격적인 비즈니스를 준비하고 있다. 제록스는 HP를 인수합병하려는 시도를 하다가 코로나19 등의 영향으로 인수포기를 선언하기도 하였다. 이렇게 대기업들이 3D 프린팅 산업계로 진출했다는 것은 3D 프린팅 산업의 성장 가능성에 대한 긍정적인 신호로 받아들일 수 있다. 시장 점유율이 독보적이던 두 회사의 영향력이 감소하고, 신규 진입하는 회사들이 증가하고, 전체 시장규모도 성장하는 추세가 천천히 진행되어 왔다. 현 시점에 이러한 것들을 한번쯤 짚어보고 갈 때가 된 듯 싶다.   소재업체의 사업 확장 화학산업은 장치산업이며 기간산업의 측면이 있어서 대형 화학회사들의 규모는 상당하다. 앞에서 언급한 BASF 역시 100년이 넘는 역사를 자랑하며 2019년도 매출이 593억 유로(약 80조 원)에 이르는 대기업이다. BASF는 빠르게 변화하는 3D 프린팅 시장에 대응하기 위해 빠른 의사결정과 애자일 스타트업처럼 운영할 BASF 3D Printing Solutions GmbH라는 회사를 신설하고, 인수합병과 투자 및 협업 활동을 활발하게 진행하고 있다. 2019년말에는 프랑스의 3D 프린팅 서비스 업체인 스컬프티오를 인수합병하였고, 이는 소재 이외의 다른 3D 프린팅 분야로 사업확장을 시도하는 것으로 보인다. 2019년에는 포워드 AM(Forward AM)이라는 자체 브랜드를 론칭하였다.     헨켈(Henkel)은 록타이트라는 기존의 브랜드를 활용하여 3D 프린터 레진 소재와 여러 후가공 장비를 개발하고, 관련 서비스들을 제공하고 있다. 에센티움(Essnetium) 역시 폴리머 소재 업체이지만, 고속 FDM 방식의 3D 프린터를 개발하여 주목을 받았다.    계속되는 투자 및 협업사례 데스크톱 메탈(Desktop Metal)은 2019년초 1억 6000만 달러의 추가 투자를 포함해 총 4억 3800만 달러를 투자받았고 기업가치는 약 15억 달러 정도로 평가받고 있다. 속도가 빠른 3D 프린터로 유명한 카본(Carbon)도 2019년에 2억 6000만 달러 이상의 펀딩을 받았고, 마크포지드(Markforged)도 8200만 달러를 투자받았다. 이외에도 에센티움이 BASF와 머티리얼라이즈(Materialise)로부터 2200만 달러를 투자받았고, 미국의 라이즈 3D(Rize 3D)는 1500만 달러를 투자 받는 등 유망한 스타트업을 중심으로 투자는 계속 이루어지고 있다. 에어버스와 파순 테크놀로지스(Farsoon Technologies)는 파트너십을 맺고 일반 항공기용 폴리머 소재 개발에 나섰으며, BASF와 임파서블 오브젝트(Impossible Objects)도 파트너십을 맺고 투자를 하였다.  HP는 스페인의 바르셀로나에 미식축구 경기장 3배 크기의 3D 프린팅 및 디지털 제조센터를 개소하였고, 올리콘(Oerlikon)도 미국 노스 캐롤라이나에 최신 시설을 오픈하였다.    3D 프린팅 서비스 업체의 서비스 확장 3D허브스(3Dhubs)는 초기에 3D 프린팅 서비스만 제공하였지만, 서비스 범위를 확장하여 CNC 머시닝 서비스, 판금 제조, 사출성형 서비스를 제공하고 있다. 조메트리(Xometry), 스컬프티오 등 일부 규모가 있는 3D 프린팅 서비스업체도 3D허브스와 같이 처음에는 3D 프린팅 서비스로 출발했다가 영역을 넓혀서 전통 제조 서비스까지 제공하는 경향을 보이고 있다. 회사의 제조 철학과 맞고 역량이 된다면, 3D 프린팅 서비스 뿐만 아니라 산업계에서 수요가 더 많은 전통 제조 영역으로 서비스를 확장하고 있는 추세이다. 아이머티리얼라이즈(i.materialise)와 셰이프웨이즈(Shapeways)같은 업체들은 여전히 3D 프린팅 서비스만 제공하고 있다.서비스의 범위는 다르지만, 3D허브스부터 셰이프웨이즈까지 여기서 언급한 모든 회사의 공통점은 온라인 기반으로 서비스를 제공하고 있다는 것이다. 그리고, 서비스 제공 범위가 특정 지역에 국한되지 않고, 대부분 글로벌 서비스를 제공하고 있다.    시제품에서 생산으로 3D 프린팅의 영역 확장 3D 프린터 제조업체들은 3D 프린터를 시제품이 아닌 최종 생산품 용도로 쓸 수 있도록 계속 노력해오고 있다. 신제품을 개발 및 생산하는 전체 비용에서 제품 디자인 및 시제품 제작에 5~10% 정도가 소요되고, 제품 생산에 90~95%의 비용이 든다고 한다. 현재의 3D 프린터 기술로 연속 대량생산을 하기에는 부족한 것이 현실이지만, 3D 프린터 제조업체의 입장에서는 많은 비용이 책정되는 생산 공정에 3D 프린터를 투입하기 위해 노력할 수 밖에 없는 것이다. 하지만 현재의 기술력으로도 우주항공, 자동차, 의료 등의 분야에서는 최종 생산품 용도로 3D 프린팅을 사용하는 사례가 꾸준히 나오고 있다. 성공적인 사례로 많이 인용되는 GE의 리프 엔진(LEAP engine) 연료노즐은 3D 프린팅을 활용하여 20개의 부품을 하나로 통합하였고, 이를 통해 25%의 무게 감소와 5배의 강도 강화를 이루었다. 미국 앨라배마에 있는 GE공장에서 2015년부터 2018년까지 3만 개의 노즐을 생산하였다.   ▲ GE의 리프 엔진 노즐 3만 개 생산 기념   BMW는 i8 로드스터(i8 Roadster) 자동차의 윈도우 가이드 레일(window guide rail)을 3D 프린터로 출력한 부품을 사용하여 경량화하였다.   ▲ BMW의 i8 로드스터   최종 생산품 용도로 3D 프린팅된 부품이 전년 대비 22.5% 성장한 14억 5000만 달러 정도 된다고 홀러스 리포트는 분석하고 있다. 금속 3D 프린터 출력물이 최종 생산품으로 사용이 가능한 것은 금속 출력물의 물성이 전통 제조방식으로 제작한 것과 비교해 손색이 없고, 툴링 과정이 필요없으며, DfAM(Design for Additive Manufacturing)같은 디자인 기법을 사용하여 경량화를 할 수 있기 때문이다. 우주항공, 의료, 자동차 산업에서 복잡한 구조에 소량생산 품목이고 가격이 고가인 제품이나 부품의 경우는 3D 프린팅을 사용하는 것이 경쟁력이 있다.   3D 프린팅을 위한 디자인, DfAM 3D 프린터를 활용하는데 있어서 DfAM의 중요성은 여러 해 전부터 계속 강조되어 왔다. 생산을 위한 디자인(DfM: Design for Manufacturing)이라는 개념에서 발전한 DfAM은 3D 프린팅의 장점을 잘 살릴 수 있는 디자인이다. 구체적인 기술요소로는 위상 최적화(topology optimization) 과 격자무늬 구조(lattice structure)를 꼽을 수 있다. 사용자는 부품이나 제품의 성능 목표치를 만족하면서 경량화와 부품 단일화(part consolidation)라는 이점을 얻을 수 있다. 3D 프린터가 생산용도로 활용되기 위해서 필요한 요소 중 하나가 DfAM일 것이다. GE, BMW 등 해외 업체들은 DfAM 기법을 적용한 디자인을 3D 프린터로 출력하여 최종제품으로 사용하고 있다.    금속 3D 프린팅의 현황 폴리머 소재를 사용하는 3D 프린터가 전체 3D 프린터 시장의 가장 큰 부분을 차지하고 있는 것이 현실이지만, 금속 3D 프린팅은 최근 몇 년 사이에 많은 관심을 받아왔고 3D 프린팅 시장에서 가장 성장률이 가파른 분야였다. 지난 2~3년간 가파른 성장의 여파인지 2019년 금속 3D 프린터 성장률은 약간의 숨고르기를 하는 양상을 보이고 있다. 전년 대비 1.3% 성장률에 그치고 있는데, 일시적인 포화현상으로 보는 시각도 있다.  폴리머 소재를 사용하는 3D 프린터의 출력물은 전통적인 제조방식의 생산품과 품질면에서 차이가 나지만, 금속 3D 프린터 출력물의 물성치는 전통적인 제조방식의 그것과 비교하여 비슷하거나 더 좋은 경우도 있다. 이러한 점이 금속 3D 프린터가 주목을 받는 이유일 것이다. 오랜 기간동안 파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 3D 프린터가 시장에서 주류를 이루어왔지만, 최근에는 데스크톱 메탈이나 마크포지드 등의 회사가 FDM 방식을 활용하여 금속 필라멘트로 출력하고, 디바인딩(debinding)과 소결(sintering) 과정을 거치는 방식의 금속 3D 프린터를 출시하였다. HP에서도 새로운 방식의 금속 3D 프린터인 HP 메탈 젯(HP Metal Jet) 프린터를 출시할 예정이라고 지난 2018년에 발표하였다.    ▲ HP 메탈 젯 3D 프린터   이렇게 다양한 방식의 금속 3D 프린터가 등장하였고, HP, 데스크톱 메탈, 마크포지드와 같은 새로운 금속 3D 프린터 제조사가 시장에 진출하였으며, 벨로3D(Velo3D)는 금속 3D 프린터로 출력할 때 획기적으로 서포트의 양을 줄이는 프로세스를 선보이기도 하였다. 금속 3D 프린터 시장에 신규 진입하는 이러한 업체의 제품이 시장에서 인정받고 계속 성장해 나갈지는 지켜보아야 할 것이다.   ▲ 벨로3D의 서포트프리(SupportFree) 출력물   3D 프린팅과 이기종 기술의 협업 인공지능(AI), 머신러닝(machine learning) 등의 기술은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 3D 프린팅 분야도 예외일 수 없다. MIT 출신들이 만든 잉크비트(Inkbit) 3D 프린터는 다중 소재를 사용할 수 있고, 사람의 눈 역할을 하는 비전 시스템과 머리 역할을 하는 머신러닝 기능을 탑재하여 통합하였다. 비전 시스템은 출력물의 각 레이어를 스캔하고 디자인 데이터와 비교하여, 불일치하면 그 다음 레이어에서 잘못된 점을 수정하고 보정하는 기능을 가지고 있다. 3D 프린터에서 반복 발생하는 에러는 머신러닝이 학습을 통해서 해결할 수 있다. 이 프린터의 머신러닝은 실수를 통해서 계속 배워나갈 것이므로, 출력을 할 수록 기능은 더 좋아지고 출력 실패율은 낮아질 것이다.    ▲ 잉크비트 3D 프린터   오토데스크의 AI 기반 제너레이티브 디자인(generative design) 소프트웨어는 사람이 디자인에 필요한 제약사항들을 제공하면, 클라우드 컴퓨터상의 인공지능이 수백 개에서 수천 개의 디자인을 제공해주며, 사람이 수정할 사항을 제시하면 인공지능은 다시 새로운 디자인을 제시해준다. 이런 식으로 사람과 인공지능이 협업하여 원하는 디자인을 만들어간다. 엔지니어 또는 디자이너와 인공지능이 함께 디자인과 설계를 하는 것이다. GE는 미국에서 3D 프린팅에 블록체인 기술을 적용한 특허를 출원하였다. 컴퓨터에서 디자인과 설계를 하므로 설계 데이터는 디지털 데이터로 저장된다. 디지털 데이터의 특성상 복사, 배포, 편집 및 악의적인 위변조도 가능하다. 3D 프린터의 사용이 늘어날 수록 데이터 보안의 필요가 커질 것이다. 이러한 위변조 방지 및 이력관리를 위해서 블록체인 기술을 사용하겠다는 것이다. 4차 산업혁명의 키워드 중 하나가 여러 기술의 융합이다. 3D 프린팅도 이러한 트렌드에 맞추어 인공지능, 블록체인, 바이오, 빅데이터, IoT(사물인터넷) 등의 기술과 융합하여 발전해 나갈 것이다.   ■ 송인보 3D 프린팅 관련 기술, 업계 제품 정보, 비즈니스 정보, 활용사례 등 정보를 전달하는 3D그루를 운영하고 있다. 다양한 3D 프린터와 3D 스캐너를 판매하고 3D 프린터 컨설팅, 강연, 교육을 하고 있다. 3D 프린팅 인적자원개발 협의체 운영위원으로도 활동하고 있다.   캐드앤그래픽스 2020년 7월호 특집기사에서 적층제조 트렌드와 기술에 대한 더 많은 내용을 볼 수 있습니다.  
작성일 : 2020-07-17
금속 적층제조 기술의 새로운 물결: 금속 적층제조 방식의 원리와 장단점 비교
금속 적층제조 기술은 대부분 금속 분말을 아토마이저 방식 등으로 급랭하여 구형화된 분말을 대부분 사용한다. Powder Bed Fusion(PBF)과 Directed Energy Deposition(DED) 방식이 대표적으로 널리 사용되며, 박판 기반형은 산업에서 활용도가 매우 낮다. PBF 방식은 금속 장비 중 판매 비율이 90% 이상 차지하고 있는데, 이는 부품의 복잡한 형상 구현이 가능하고 경량화하기에 유리한 방식이기 때문이다. 그러나 최근 합금화된 금속 와이어를 사용하거나(w-DED) 수지와 금속 분말을 혼합하여 필라멘트를 기본 소재로 하는 Material Extrusion(ME) 방식, 그리고 금속 분말을 일정한 두께로 도포하여 바인더를 선택적으로 뿌리는 방식인 바인더 제팅(Binder Jetting) 방식 등이 여러 회사에서 개발되어 시판 또는 출시를 앞두고 있다.   PBF 외 금속 적층의 새로운 트렌드 금속 적층 장비는 레이저, 전자 빔(Electron Beam), 플라즈마 등의 에너지를 사용하여 금속 분말 또는 금속 와이어를 직접 용융시켜 3차원 형상을 제작한다. PBF 방식은 복잡한 형상의 구현이 가능하여 우주항공, 메디컬, 자동차 부품 등에 다양하게 사용되고 있다. PBF 방식은 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고, 레이저 또는 전자빔을 설계 도면에 따라 선택적으로 조사한 후, 한 층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. PBF 방식은 SLS(Selected Laser Sintering) 또는 SLM(Selected Laser Melting), DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어도 혼용되고 있으나 그 원리는 동일하다. DED 방식은 금속 분말을 주로 이용하나 최근 와이어를 사용하는 방식도 보급되고 있다.    와이어를 활용하는 DED 기술 DED 기술은 kW급의 집속된 열 에너지를 사용하여 소재의 용해 및 응고 과정을 통해 3차원 형상을 구현하는 적층기술이다. 즉 레이저빔과 같은 고에너지원의 조사(照射)에 의해 모재 표면에 형성된 용융풀(melt pool)에 외부로부터 분말 소재를 공급하여 급속용융과 응고과정을 거쳐 모재 표면에 새로운 층을 만들고, 이 층을 CAD 데이터로부터 산출된 공구 경로에 따라 반복적으로 적층하여 조형하는 기술이다.  와이어를 이용하는 w-DED 기술은 용접의 원리와 같이 와이어를 용융시켜 용융풀을 형성한 후 기계 가공으로 마무리하는 방법이다. 와이어를 사용하는 경우는 시간당 적층 속도가 대단히 빨라 독일, 미국 등에서 다양한 장비와 제품들이 시도되고 있다. PBF에 비교하여 형상 자유도가 떨어지는 단점이 있지만, 소재 가격도 분말에 대비하여 저렴하고 절삭가공에 비해 저비용으로 부품 생산이 가능하여 방산부품이나 우주항공 분야에서 성공사례가 잇따라 보고되고 있다. DED 기술의 최대 장점은 금속 제품의 조직이 치밀하여 강도 및 연신율 등 기계적 물성이 매우 우수하다. 그러나 복잡한 오버행(over-hang) 구조는 불가능하며, 내부의 중공화가 부분적으로 가능하여 경량화와 구조강성 향상을 위한 적층제조의 장점을 극대화하기는 어려운 단점이 있다.   그림 1. w-DED 방식으로 제작된 하우징. 형상 자유도에는 한계가 있으나 소재 가격이 저렴하고 적층속도가 빠르다.(Formnext 2019의 Gefertec 부스)   Binder Jetting 최근 금속 분말에 바인더를 선택적으로 분사하여 부품을 제조하는 BJ(Binder Jetting) 방식이 선보이고 있다. 이 기술은 엑스원(ExOne), 데스크톱 메탈(Desktop Metal), 엑스젯(Xjet), GE 애디티브(GE Additive) 등 무려 58개사에서 개발 중에 있다. 최근 플라스틱 장비의 대표주자인 HP와 스트라타시스(Stratasys)에서도 개발을 마무리하고 시판 예정으로 있어, 금속 장비 시장의 변화가 예상되고 있다. 이러한 BJ 방식은 전통적인 MIM(Metal Injection Molding: 금속사출성형)과 유사한 형태지만 금형이 필요 없다. MIM의 기본 원리는 바인더와 금속 분말 혼합물을 금형에 주입하여 탈지 후 소결하는 과정을 거친다. 이에 반해 BJ는 5~20㎛ 정도의 분말을 베드에 도포하고 노즐에서 액상 바인더를 레이어마다 선택적으로 분사한 후에 각 레이어마다 열을 이용하거나 별도의 오븐에서 경화한다. 성형 단계 이후에는 MIM과 마찬가지로 탈지(debinding)와 소결(sintering) 과정을 거쳐 최종 부품이 형성된다.  이 공정으로 적용될 수 있는 부품은 생산개수가 많은 소형 제품에 적용될 가능성이 매우 높아 전통적인 분말야금이나 MIM을 대체할 가능성이 높다. 그러나 소형 부품이 아닌 경우 탈지 과정에서 내부기공이 다수 존재하며, 고온/고압 등의 극한 환경에 적용되는 부품의 경우 기계적 강도값이 낮아 엔지니어링 부품에는 많은 한계가 있을 것으로 보인다.  PBF와 같이 금속 분말의 형상과 크기에 민감하지 않고, 고가의 레이저 소스가 필요 없어 장비 가격이 저렴하고, 부품 개당 제조 시간이 단축되어 대량 생산시 양산 가능성은 대단히 높을 것으로 보인다.   그림 2. Metal Injection Molding의 공정. BJ 기술을 활용하면 금속 분말에 선택적으로 바인더를 분사하여 금형 없이 대량생산이 가능해진다.   그림 3. BJ 방식으로 제작된 부품. 한 개의 베드에서 수십 개의 부품 제작이 가능하다.(Formnext 2019의 HP 부스)   Material Extrusion 이 방식은 ABS나 PLA 필라멘트를 사용하는 FDM 방식과 원리는 동일하다. 재료는 금속과 수지의 혼합물을 사용하는 MIM 방식과 유사하며, 통상 20%의 열가소성수지와 80%의 금속 분말을 혼합하여 압출 방식으로 제조된다.  이 방식은 데스크톱 메탈과 마크포지드(Markforged) 등에서 개발한 바 있으며 소재 형태나 적층 방식에는 약간의 차이가 있다. 수지와 혼합된 금속 필라멘트 또는 6mm 봉재는 적층시 필라멘트에 연성을 부여하기 위해 별도의 예열이 필요하고, 서포트를 위해서 세라믹 재료를 동시에 압출하기도 한다. 적층이 완료되면 탈지와 소결 과정을 거쳐 최종 제품이 완성된다. 소재 가격이 다소 고가인 것이 단점이나, 장비 구조가 단순하고 서포트 절단 과정이 쉽다. 기존 PBF에서 적층하기 힘든 자성소재나 구리 등과 같은 고열전도율 소재의 부품 개발이 보다 쉬울 것으로 여겨진다. 이 방식은 BJ와 마찬가지로 소결 과정에서 수축에 따른 기공 및 형상 정밀도에는 문제가 있으나 기능성 시제품, 지그&픽스처, 소형 금형 제작에는 활용될 가능성이 매우 높다.   맺음말 전세계 장비 판매량은 비교적 정밀하고 형상 자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많다. PBF 방식의 경우 우주항공 분야 및 의료, 산업용 부품에 널리 사용되고 있으나, 장비 및 분말 가격이 다소 높고 적층 속도가 낮아 산업화의 걸림돌이 되고 있다. 와이어를 사용하는 경우  PBF 분말 소재 가격의 절반 수준으로 방산 부품이나 중대형 산업용 부품에 활용될 가능성이 높다.  BJ와 ME의 경우 대형 제품을 제작하기에는 탈지와 소결 공정에서 수축이 일어나고 내부 기공이 문제가 되나, 강도가 중요시되지 않는 각종 지그나 자동차 부품 제작에는 대단히 유리할 것으로 보인다. 따라서 장비의 선택은 각 장비의 장단점과 대상 부품을 선정하여 신중하게 고려해야 것이다. 우리나라 기업과 정부가 3D 프린팅 산업이 본격적으로 뛰어든 것은 불과 6년 남짓한 짧은 역사를 가지고 있다. 많은 전문가들이 적층제조 산업은 기술 출현기를 넘어서 대량생산을 위한 전환기에 있으며, 10년 내 3D 프린팅 기술로 만든 제품이 광범위한 부품에 적용되는 ‘안정기’가 도래할 것으로 예상하고 있다. 우리나라가 선진국과 기술격차가 크다고 하지만 아직 선점되지 않은 많은 분야가 존재한다. 기술 선점이 가능한 유망 기술 분야에 정부의 정책 노력과 더불어 기업의 역량이 집중된다면, 3D 프린팅 산업의 저성장을 넘어 한국이 3D 프린팅 강국으로 올라설 날도 멀지 않을 것이라 기대해 본다.     강민철 3D프린팅연구조합 상임이사     캐드앤그래픽스 2020년 6월호 특집기사에서 적층제조 트렌드와 기술에 대한 더 많은 내용을 볼 수 있습니다.
작성일 : 2020-06-08