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제조업 르네상스를 위한 제너레이티브 디자인 – 오토데스크의 AI 기반 설계 솔루션

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오토데스크의 적층 제조에 대한 전략은 기존 제조 방식에서 지원했던 것과 크게 다르지 않은 ‘End to end 솔루션’ 제공이다. 제너레이티브 디자인에서 시작해, 적층 제조 공정에서 필요한 빌드 준비 단계와 설계 최적화 단계, 그리고 사전 시뮬레이션 단계, 또한 적층이 끝난 후의 측정 및 후가공까지 설계부터 제조의 끝단까지 오토데스크의 제품으로 모두 지원한다는 것이다. 오토데스크의 다양한 솔루션들을 연결하여 ‘하이브리드 제조 환경’을 구축할 수 있다는 것이다.

제너레이티브 디자인

오토데스크코리아 김동현 대표는 지난 7월 16일 열린 미디어 데이에서 “오토데스크는 자동화 시대를 이끌 4차 산업 혁명 기술이 반영된 다양한 솔루션을 제공하고 있다.”라고 밝히며, “특히 오토데스크의 제너레이티브 디자인은 인공지능 기반의 설계 기술로 사용자가 입력하는 조건에 따라 수백, 수천 가지의 설계 디자인 옵션을 제시한다. 입력 값에 맞는 단순 디자인이 아닌, 인간이 생각할 수 없는 상상 이상의 새로운 설계 옵션을 만들어 낸다. 기존 설계 방식과 달리 초기 디자인 설계가 필요하지 않으며, 설계자가 원하는 가공 방법, 소재 등을 반영해 여러 결과물을 마련할 수 있다. 이를 통해 작업 효율성과 생산성을 높여준다.”라고 말했다.

김동현 오토데스크코리아 대표는 “제너레이티브 디자인 기능을 가진 Fusion 360 등의 솔루션을 통해 자사의 비전인 Future of Making(제작의 미래)을 실현하고, 정부의 제조업 르네상스 촉진을 돕고자 한다”라고 말했다. (사진 제공_오토데스크코리아)
김동현 오토데스크코리아 대표는 “제너레이티브 디자인 기능을 가진 Fusion 360 등의 솔루션을 통해 자사의 비전인 Future of Making(제작의 미래)을 실현하고, 정부의 제조업 르네상스 촉진을 돕고자 한다”라고 말했다. (사진 제공_오토데스크코리아)

김 대표는 “국내 시장에서 Fusion 360의 인기가 눈에 띄게 늘고 있다. 실제 월별 사용자가 최근 2년 사이 5배나 증가한 5천여 명을 넘었다. Fusion 360 핵심 기능인 제너레이티브 디자인의 국내 도입도 이와 함께 점차 증가할 것으로 전망한다”라고 말했다.

전통적인 제조 프로세스에서는 보통 컨셉 설계를 한 후 몇 개 정도의 안을 가지고 상세 설계를 거쳐 제조 가능성 또는 성능, 요구사항에 대한 검증을 거친 후에야 생산이 가능하다. 따라서, 현실적으로 초반 컨셉 설계 단계에서 검토할 수 있는 디자인은 몇 개에 불과할 정도로 매우 한정적이다. 이를 극복하기 위해 많은 엔지니어링 기업들이 초기 설계 단계에서 부터 구조 검증이나 제품 요구 사항 만족 여부를 확인 할 수 있는 기법을 도입하려고 노력하고 있다. 제너레이티브 디자인이 바로 이 부분을 해소해 준다.

제너레이티브 디자인을 제조 프로세스에 녹여 넣게 될 경우, 종전에는 몇 개에 불과했던 컨셉 디자인을 설계자가 생각하지 못했던 형상이라든가 제조 방법 등에 대한 검증 과정과 함께 컴퓨팅 파워를 이용해 다양하게 생성한다. 더구나 이 과정에서, 전통적인 프로세스에서는 많은 시간이 소요되었던 검증 과정을 이미 거쳤기 때문에 전체 제조 프로세스를 크게 줄일 수 있는 것이다.

GM은 자동차 메이커 중에 적층 제조를 가장 빨리 도입하고 활발하게 사용하는 기업이다. 3D 프린터를 포함해 50대가 넘는 고속 시제품 제작 장비를 가지고, 10여 년간 25 만개의 시제품을 생산해 왔다. GM은 오토데스크의 Fusion 360에서 제공하는 제너레이티브 디자인 기술을 활용해 안전벨트 브라켓을 경량화하는 데 성공했다. 이를 통해 무게는 40% 줄이고 강도는 20% 개선했다. 또한, 8개의 부품을 1개로 통합했는데, 이를 통해 부품 조립에 따르는 품질 이슈 및 부품 관리 포인트를 줄이는 효과를 얻을 수 있었다.

GE는 제너레이티브 디자인과 적층 제조 방식 사용해 8개의 부품을 1개로 통합했다. 이 과정에서 40% 더 가벼워지고, 20% 더 강해진 부품을 얻을 수 있었다.
GE는 제너레이티브 디자인과 적층 제조 방식 사용해 8개의 부품을 1개로 통합했다. 이 과정에서 40% 더 가벼워지고, 20% 더 강해진 부품을 얻을 수 있었다.

 

제너레이티브 디자인 사례
WHILL사는 전동 휠체어 제작 기업이다. 경량화를 주목적으로 오토데스크의 제너레이티브 디자인을 사용했다. Fusion 360에서 제너레이티브 디자인 통한 제조 방식은 적층제조를 비롯, 다이케스팅, 2.5 축, 3축 , 5축 밀링 등 총 5가지를 지원한다. WHILL은 전동 휠체어 구동축 체결 부를 제너레이티브 디자인으로 수정했다. 설계자가 작업한 종전 설계 방식의 결과 5.7로 다소 과했던 안전계수를 제너레이티브 디자인에서는 3으로 적절하게 설정한 후 2축, 3축 가공 옵션을 설정해 실행했다. 설계자가 설계할 때보다 설계 시간은 1/10밖에 걸리지 않았지만 제너레이티브 디자인으로 도출된 결과물은 무게, 가공 시간 등을 고려하여 최적의 선택을 할 수 있는 다양한 옵션을 도출해 주었다.

3축 옵션이 중량 감소는 가장 컸지만, 가공 시간이 길었다. 이렇듯 제너레이티브 디자인은 제조사의 상황에 맞게 결정할 수 있는 대안을 제시해 준다. (단, Fusion 360 상에서 이런 리포트 뷰를 제공하지는 않는다.)(위) WHILL 사는 오토데스크의 제너레이티브 디자인을 이용해 구동 부품의 경량화를 시도했다.(아래)

위상 최적화 VS 제너레이티브 디자인
위상 최적화(Topology Optimization)는 형상을 기반으로 하중의 경로를 바탕으로 수행된다. 설계된 형상에서 불필요한 형상을 제거하는 소위 ‘살 빼기’ 전략이다. 이를 위해서는 반드시 초기 설계 모델이 필요하다. 반면 제너레이티브 디자인은 구속 조건 또는 경계 조건을 기반으로 형상을 생성한다. 따라서 초기 설계 모델이 필요 없다. 응력 분포를 고려하는데, 경계조건을 크게 잡은 후 응력 분포의 크기에 따라 형상을 가감해 나가는 방식을 사용한다. 또한, 기본 형상이 없기 때문에 모든 응력을 검토할 수 있어 최적화의 정확도가 매우 높다. 반면 위상 최적화의 경우는 주어진 형상 외에서 받을 수 있는 응력에 대한 검토가 불가능하다.

위상 최적화(좌)는 하중의 경로를 기반으로 작성된다.반면 제너레이티브 디자인(우)은 응력의 분포를 고려, 재질의 특징에 따라 응력 크기에 따라 형상을 가감해 나간다.
위상 최적화(좌)는 하중의 경로를 기반으로 작성된다.반면 제너레이티브 디자인(우)은 응력의 분포를 고려, 재질의 특징에 따라 응력 크기에 따라 형상을 가감해 나간다.

적층 제조를 위한 디자인 최적화
제너레이티브 디자인으로 생성된 형상 중 3D 프린팅이 필요한 부분은 Netfabb을 통해 적층 제조 프로세스로 완성할 수 있다. Netfabb은 래티스 생성과 위상 최적화를 위한 디자인 최적화 도구를 포함하고 있어 작업자가 선택한 형상과 소재의 물성치와 함께 견고함과 유연성과 같은 요구사항은 유지하면서 무게를 가볍게 만들 수 있도록 최적화된 형상을 생성한다. 자유 형상의 원본 메쉬 파일을 경계표현(B-REP) 모델로 변환하고 STEP, SAT, IGES 등 범용 CAD 포맷으로 만들 수 있다. Netfabb은 국내 설계 현장에서 사용하는 거의 모든 CAD 포맷을 불러와 편집 가능한 STL 파일로 변환해준다.

한번의 작업으로 여러 묶음의 파일을 Netfabb에 가져옴과 동시에 메쉬 결함을 분석하고 자동으로 리페어 할 수 있다. 이 메쉬 분석과 자동리페어 기능을 통해, 형상을 출력 가능한 방수구조로 만들고, 구멍을 메우며, 메쉬의 중복을 알아서 제거해 준다. 또한 메쉬를 재생성하여 출력될 파트의 해상도를 높일 수도 있다.

시뮬레이션
프로세스 시뮬레이션의 경우, Netfabb은 금속기반의 해석을 지원하고 있으며, 적층 방식 중에는 PBF, DED 방식을 지원하고 있다. 출력으로 넘기기 이전에 실제 출력 시간보다 훨씬 더 짧은 시간 안에 적층 공정에서 발생하는 다양한 실패 요인을 예측하는 시뮬레이션이 가능하다.

시뮬레이션 결과에 기반하여 모델을 자동으로 보완하여 실제 출력 시 원하던 형상대로 결과물이 나오도록 변형된 디자인을 STL 형태로 생성한다. 이 보완 모델에 추가로 서포트나 오리엔트를 변경한 후 시뮬레이션을 하거나, 원본 CAD 형상과 비슷하게 나올 때 까지 수정 작업을 계속 반복할 수도 있다. 이 과정은 시행착오를 줄여 오랜 작업 시간과 비싼 소재 비용을 절감해 준다.

빌드 준비
해석까지 완료된 파트를 분석해 서포트가 필요한 영역을 자동으로 감지하고 준비 시간과 재료 소모를 최소화할 수 있도록 서포트를 생성한다. 자동패킹 기능은 3D프린팅의 효율을 높이기 위해, 빌드 플랫폼에 여러 파트를 최적으로 배치하기 위한 기능이다. 슬라이스 파일을 프린터에 직접 내보내기 전에 3D 모델을 일정 두께를 가진 레이어 혹은 기타 3D 파일로 변환해 준다.

후가공 까지 지원
금속 적층 제조를 통해 출력된 제품이 완제품으로 사용되기 위해서는 CNC를 통한 절삭 가공 또는 측정 작업과 같은 후가공 작업이 필요하다. 오토데스크는 CAM 솔루션인 POWERMILL, 측정 지원 솔루션인 POWERINSPECT을 통해 후가공 솔루션을 제공하고 있다.1908_22

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About 이상준 기자

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