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Function Driven Generative Design – 다쏘시스템의 DfAM, 제너레이티브 디자인

‘Function Driven Generative Design (기능 기반 생성적 설계)’라고 부르는 다쏘시스템의 제너레이티브 디자인은 위상 최적화와 경량화 설계가 가능하도록 설계 툴에 해석 기능을 추가하여 설계자의 해석 역량을 강화하고, 분리된 설계 및 해석 부문 간의 협업이 가능한 스마트 엔지니어링 환경을 구축한다는 접근이다. 이때 적층 제조뿐만 아니라 주조나 절삭 가공 등 이제까지 모든 인더스트리를 대표했던, 즉 대량 생산이 가능한 전통적인 제조 방식에 대해서도 경량화 및 최적화가 구현된 제너레이티브 디자인을 가능하게 해야만 한다는 것이다.

설계자가 특정 부품을 어떤 방법으로 제작할지 미리 정해 놓고 제너레이티브 디자인 프로세스를 수행할 수 있고 또한 각각의 제조 방식에 맞게 최적화된 결과를 리포트로 확인할 수 있으며 이에 대한 비교 분석을 통해 최종 디자인 안을 결정할 수 있다. 적층 제조를 사용했을 때, 절삭 가공을 이용할 때 또는 주조 방식으로 금형을 만들어서 제작했을 때에 각 중량, 강성 및 신뢰성 등 주요 설계 KPI에 대해 가상 검증(Virtual Validation)이 가능하다.

다쏘시스템에서 CATIA(카티아) 브랜드를 총괄하고 있는 박경호 이사는 “항공 및 방산 분야를 필두로 자동차, 선박, 산업 장비 등 ‘제품 경량화’에 대해 고민하지 않는 분야는 단 한 군데도 없다. 사람의 머리로 구현할 수 있는 경량화나 최적화의 범위는 너무나도 극명한 데 반해, 제너레이티브 디자인은 구현에 대한 한계가 존재하지 않는다. 따라서 이제까지는 몰라서 할 수 없었다면 앞으로는 경쟁에 뒤처지지 않기 위해서 모든 설계자나 엔지니어들이 사용해야 하는 기술이 제너레이티브 디자인이다.”라고 말했다.

국내에서는 항공 및 방산 분야에서 이미 사용하고 있고 자동차나 산업용 장비 부문에도 활발하게 적용을 검토하고 있다. 해외에서는 국내보다 더욱 다양한 적용 사례를 가지고 있는데 금형 경량화, 툴링 지그 최적화 및 엔진 실린더헤드 등 수많은 사례가 축적되고 있다. 각 상황에 맞게 어떤 방식이 최적의 제조 방법이 될지에 대해 설계 초기 단계부터 쉽게 비교 선택이 가능했다는 것이 국내외 사례들의 공통점이라고 박경호 이사는 말했다.

‘Function Driven Generative Design’ 프로세스는 적층 제조 뿐만 아니라 전통 제조 방법에 대한 최적화 결과를 리포트로 확인할 수 있으며 이에 대한 비교 분석을 통해 최종 디자인 안을 결정할 수 있다. 적층 제조를 사용했을 때, 절삭 가공을 이용할 때 또는 주조 방식으로 금형을 만들어서 제작했을 때에 각 중량, 강성 및 신뢰성 등 주요 설계 KPI에 대해 가상 검증이 가능한 것이다.
‘Function Driven Generative Design’ 프로세스는 적층 제조 뿐만 아니라 전통 제조 방법에 대한 최적화 결과를 리포트로 확인할 수 있으며 이에 대한 비교 분석을 통해 최종 디자인 안을 결정할 수 있다. 적층 제조를 사용했을 때, 절삭 가공을 이용할 때 또는 주조 방식으로 금형을 만들어서 제작했을 때에 각 중량, 강성 및 신뢰성 등 주요 설계 KPI에 대해 가상 검증이 가능한 것이다.
사례의 경우 중량 감소와 재료 감소량 모두 적층 가공의 경우가 가장 우월했다. 단, 적층 가공 시 고가의 소재 비용과 상대적으로 오래 걸리는 제조 사이클 타임 등을 감안하여 의사 결정이 이루져야 할 것이다.
사례의 경우 중량 감소와 재료 감소량 모두 적층 가공의 경우가 가장 우월했다. 단, 적층 가공 시 고가의 소재 비용과 상대적으로 오래 걸리는 제조 사이클 타임 등을 감안하여 의사 결정이 이루져야 할 것이다.

‘MODSIM’을 구현하는 제너레이티브 디자인
최근 제품 개발의 복잡도가 증가하고 제품 개발 사이클 또한 줄어들고 있다. 하지만 설계자보다 해석 엔지니어가 턱없이 부족한 것이 현실이다. 반면 설계 초기에 검증해야 할 신뢰성 항목은 너무나도 많다. 그럼 해석 엔지니어를 설계자 수 만큼 늘리면 이 문제가 해결될 것인가에 대한 박경호 이사의 대답은 단호하게 ‘No’였다. 그는 “이제까지 설계자들에게 해석(CAE)이란 너무 어렵고 전문적이어서 나의 일이 아니라는 인식이 강했다. 또한 해석 엔지니어들에게 설계는 미완성 상태인 데다 변경이 너무 많아 오히려 해석 결과를 실제 시험 결과에 맞춰 가는 것이 현실이었다.”라며 “하지만 해석 검증 없는 설계는 모래성과 같고. 해석은 3D 모델 없이는 불가능하므로 이 두 부문을 어떻게 조화롭게 조율하느냐가 모든 기업에게 큰 과제다.”라고 말했다.

CATIA의 제너레이티브 디자인은 CAD에서 해석을 동시에 진행한다는 MODSIM 컨셉을 현실로 만들어준다. 화면은 CATIA에서 제너레이티브 디자인 단계에서 해석을 하는 장면.
CATIA의 제너레이티브 디자인은 CAD에서 해석을 동시에 진행한다는 MODSIM 컨셉을 현실로 만들어준다. 화면은 CATIA에서 제너레이티브 디자인 단계에서 해석을 하는 장면.

최근 엔지니어링 분야에서 ‘선행 해석’의 개념이 강조되고 있는 것도 이런 현실을 반영한 것인데, 이제는 설계자들도 해석 역량을 갖춰야 한다는 것이 R&D 센터의 경쟁력 확보를 위한 올바른 방향이라고 보는 시각이 확산되고 있기 때문이다. 모델링(Modeling)과 해석(Simulation)의 결합을 의미해 ‘MODSIM’이라고 불리는 이 ‘선행 해석 기반 설계’의 개념은 설계 초기 단계부터 해석을 함께 수행하는 것으로, 이를 통해 부문 간의 단절이나 누락이 없는 진정한 엔지니어링 프로세스가 정착되고 설계 품질 강화 및 납기 단축이 가능해질 수 있다.

또 다른 다쏘의 제너레이티브 디자인 사례다. 항공기 부품에 대해 구속 조건을 부여한뒤(위) 밀링과 주조, 그리고 적층 가공 각각의 공정을 감안한 최적화 결과를 도출했다(아래).
또 다른 다쏘의 제너레이티브 디자인 사례다. 항공기 부품에 대해 구속 조건을 부여한뒤(위) 밀링과 주조, 그리고 적층 가공 각각의 공정을 감안한 최적화 결과를 도출했다(아래).

“제너레이티브 디자인이야말로 강력한 MODSIM 솔루션이다. 단순히 형상만을 만들어 주는 것이 아니라 ‘경량화’ 및 ‘최적화’ 등의 기능을 내재한 제너리에티브 디자인은 차세대 엔지니어링의 토대가 될 것이다. 이런 이유로 제너레이티브 디자인은 특정 제품이나 인더스트리에 국한된 것이 아니고 모든 산업 분야와 제품에 대해, 모든 설계자들이 설계 초기부터 수행해야 하는 필수 프로세스로써 전사 설계 표준 가이드라인으로 갖춰야 하는 절차라고 생각한다.”라고 박경호 이사는 말했다.

다쏘시스템의 CATIA 브랜트 총괄 박경호 이사는 제너레이티브 디자인이 차세대 엔지니어링의 토대가 될 것이라고 보고 있다.
다쏘시스템의 CATIA 브랜트 총괄 박경호 이사는 제너레이티브 디자인이 차세대 엔지니어링의 토대가 될 것이라고 보고 있다.

단절 없는 적층 제조 프로세스 제공
적층 가공의 경우는 기존 전통적인 제조 방식보다 최적화에 대한 자유도가 훨씬 높기 때문에 설계자는 더욱 혁신적인 경량화나 최적화를 수행하는 것이 가능하다. 여기서 중요한 것은 앞으로는 설계자들의 감이나 경험에 의존하는 설계가 아니라 인공지능 기반 머신러닝을 활용한 컴퓨팅 파워를 사용함으로써 제너레이티브 디자인을 쉽고 빠르게 수행할 수 있다는 것이다. 특히 여러 개의 부품으로 구성된 어셈블리를 하나 또는 몇 개의 부품으로 통합하여 최적의 디자인 안을 구현할 수 있기 때문에 개발 소요 시간 단축, 중량 저감으로 비용 절감까지 가능한 획기적인 차세대 설계 방법론이라고 할 수 있다.

그러나, 실제 현장에서 개별 솔루션을 사용해 적층 가공을 위한 위상 최적화를 진행하는 과정을 보면, 설계자가 미완성된 초기 설계 데이터를 ‘변환’해서 해석 엔지니어에게 전달하고 해석 엔지니어는 별도의 소프트웨어를 구동해서 최적화를 수행한다. 이후 해석 엔지니어는 최적화 결과물을 ‘이미지 파일’ 형태로 설계자에게 전달하고 설계자는 이를 보고 재설계를 한다. 문제는 이 과정에서 단계마다 데이터를 변환해야 하고 데이터 변환 시 손실이 발생하며 해석 결과를 보고 재설계를 해야 하는 부분은 장기간이 소요되어 비효율적이다.

반면 다쏘시스템의 제너레이티브 디자인은 3DEXPERIENCE 플랫폼 내에서 운용되어 설계자가 설계 도중 데이터 변환 없이 설계툴인 CATIA에서 최적화를 수행할 수 있다. 또한 데이터 변환 없이 자동으로 메쉬를 생성하거나 시뮬레이션 검증이 가능하다. 제너레이티브 디자인 기능은 CATIA 버전 6에서부터 가능하다. 적층 가공 옵션을 사용할 경우 금속 및 비금속 모두 적용 가능하며 현재는 FDM, PBF, DED(파우더 또는 와이어), ME(솔리드 메탈) 방식을 모두 지원한다. 빌드를 위한 준비 작업으로 각 적층 방식에 대한 최적의 적층 가공 경로를 찾아주고 냉각 스트레스를 줄이며 파트 레이아웃을 설정하고 서포트 구성을 최적화해주는 등의 일련의 적층 제조 프로세스가 3DEXPERIENCE 플랫폼 내 DELMIA와 SIMULIA 솔루션을 통해 지원된다.

delmia

적층 가공시 빌드를 위한 준비 작업부터 적층 가공 경로 선택, 서포트 구성을 최적화 등의 과정이 DELMIA(위)와 SIMULIA(아래) 솔루션을 통해 진행된다.
적층 가공시 빌드를 위한 준비 작업부터 적층 가공 경로 선택, 서포트 구성을 최적화 등의 과정이 DELMIA(위)와 SIMULIA(아래) 솔루션을 통해 진행된다.
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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.