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‘시뮬레이션 기반 제품 개발’과 DfAM – 알테어의 Inspire

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설계와 해석업무가 분리된 대부분의 기업에서는 설계 이후 해석 프로세스가 오래 걸려서 실제 문제를 해결함에 있어 비효율적인 상황이 발생하는 경우가 많다. 그래서 설계자가 설계단계에서 해석을 병행해야 한다는 주장은 오래전부터 꾸준히 제기되었으나 막상 설계자가 해석 소프트웨어를 사용한다는 것은 너무 어렵게 느껴질 수밖에 없었다.

시뮬레이션 기반의 제품 개발
알테어의 ‘시뮬레이션 기반의 제품 개발’은 제품 개발 초기 단계에서부터 쉽고 정확한 시뮬레이션을 적용하여 제품 개발 기간을 단축하고 제품 품질 향상을 추구한다. 알테어의 SolidThinking™ Inspire 플랫폼은 알테어 HyperWorks™ 제품들을 설계자의 업무 용도에 적합하게 단순화 및 자동화하여 패키징한 형태로 제공한다. 기존 프로세스에서는 설계 결과가 구조적인 조건을 만족하는지 시뮬레이션을 통해 검토해야 했지만, 초기 컨셉 설계단계에서 Inspire Platform을 이용하면 주어진 조건에 맞는 최적의 형상을 컨셉 설계 단계에서 확인할 수 있어 제품 개발 프로세스를 단축할 수 있다. 또한 컴퓨팅 파워가 계속 향상되고 있는 덕분에 설계자들이 사용하고 있는 하드웨어 환경에서도 충분히 해석 소프트웨어를 사용할 수 있는 수준까지 와 있는 것도 설계 단계에서 해석 적용을 가능하게 해 주는 환경적인 변화이다. 이러한 시뮬레이션 기반의 제품개발을 컨셉 개발 단계에서부터 적용하면 제품의 성능, 제조 가능성 등을 초기 단계에서 확인하고 문제를 개선할 수 있어 제품 개발에 소요되는 시간과 비용, 재료 및 제품 중량을 효율적으로 절감할 수 있다.

적층 제조를 위한 인스파이어
인스파이어 플랫폼은 현재 위상 최적화 및 구조해석, 동역학 해석뿐만 아니라 주조, 압출(금속/폴리머) 그리고 프레스 등 다양한 공정에 대한 해석 기능을 함께 제공하며 사출 및 적층 제조에 대한 해석 기능이 추가될 예정이다. 특히 위상 최적화 부문에 있어서 장기간 다양한 산업군에서 검증된 솔루션으로 알려진 OptiStruct 솔버를 적용하고 있으며 제조 공정 조건을 반영한 최적화 결과의 도출이 가능하다.
인스파이어의 위상 최적화는 재료를 공간상에 어떻게 분포시켜야 가벼우면서도 강한 구조를 만들 수 있는지 시뮬레이션하는 것이다. 패키지의 공간, 제조 제약 조건 및 적층 조건을 고려할 때, 강성을 최대화하거나 질량을 최소화하거나 고유 주파수 범위를 대상으로 하는 등 사용자 정의 기준을 충족하는 이상적인 형태를 생성하는 것이다. 위상 최적화 시 적층 제조나 주조 등에 해당하는 공정 변수를 줄 수 있어 원하는 공정에 맞는 최적화 결과를 도출해 준다.

폴리넙스(PolyNURBS) 기능
폴리넙스란 적층 제조를 위한 설계에 소요되는 시간을 단축시켜주는 기능이다. 위상 최적화의 결과물은 보통 표면이 거친 형상을 가진 형태이다. 이를 넙스(NURBS) 지오메트리로 변환함으로써 설계자와 엔지니어들이 부드럽고 연속적인 솔리드 형상을 만들 수 있게 해준다. 기존의 캐드 모델링보다 훨씬 빠르게 최적화된 결과로부터 정확한 지오메트리를 생성할 수 있도록 해주는 유용한 기능으로 ACIS, IGES, Parasolid, STEP, STL을 지원해 최적화된 결과를 바로 3D 프린터로 전송하여 제작할 수 있다.

보통 위상 최적화의 결과물은 이렇게 거친 표면으로 나타나기 마련이다.
보통 위상 최적화의 결과물은 이렇게 거친 표면으로 나타나기 마련이다.
PolyNURBS Fit 기능으로 자동으로 조금 더 부드럽게 만들어 준다.
PolyNURBS Fit 기능으로 자동으로 조금 더 부드럽게 만들어 준다.
최종적으로 프린트가 가능한 부드러운 지오메트리를 보다 쉽게 생성해 준다.
최종적으로 프린트가 가능한 부드러운 지오메트리를 보다 쉽게 생성해 준다.

오버행 쉐이프 컨트롤(Overhang Shape Control)
적층 공정에서 서포트가 전혀 없이도 출력이 가능한 형상은 이상적이다. 그러나 대부분의 형상들은 서포트가 필요하다. 인스파이어에서는 이러한 적층 공정의 제한 사항을 반영하여 오버행 앵글이라는 기능으로 서포트를 최소화하거나 전혀 없이도 출력이 가능한 형상을 제시한다. 장비 및 재료의 유연성을 반영하여 오버행 앵글과 적층 방향에 따라 각기 다른 최적화 형상이 생성된다. 이때 주의할 것은 서포트를 줄이는데 너무 치중하면 위상 최적화 효과가 떨어지는 상황이 발생할 수 있으므로 여러 가지 조건을 균형있게 비교할 수 있어야 한다.

인스파이어의 위상 최적화 및 오버행 쉐이프 컨트롤 프로세스

원본 디자인(좌), 위상 최적화를 위해 최적화할 공간을 확보하여 설계 영역을 설정했다.(우)
원본 디자인(좌), 위상 최적화를 위해 최적화할 공간을 확보하여 설계 영역을 설정했다.(우)
오버행 Method에 따라 위상 최적화 결과에 차이가 발생했다. 왼쪽은 서포트를 최소화하는 방안의 형상, 오른쪽은 강력하게 제한하여 서포트가 필요없는 형상이다.
오버행 Method에 따라 위상 최적화 결과에 차이가 발생했다. 왼쪽은 서포트를 최소화하는 방안의 형상, 오른쪽은 강력하게 제한하여 서포트가 필요없는 형상이다.
적층 방향 변경에 따른 효과의 차이다. Z축으로 적층 해 올라간 것(좌)과 각도를 90도로 회전하여 적용한 경우(우)의 최적화 결과는 달라진다.
적층 방향 변경에 따른 효과의 차이다. Z축으로 적층 해 올라간 것(좌)과 각도를 90도로 회전하여 적용한 경우(우)의 최적화 결과는 달라진다.
오버행 앵글 제한을 바탕으로한 시뮬레이션 결과를 비교해 만들어진 최종 결과물이다.
오버행 앵글 제한을 바탕으로한 시뮬레이션 결과를 비교해 만들어진 최종 결과물이다.

래티스 최적화 (Lattice Optimization)
적층 제조시 래티스를 패턴으로만 생성하는 것이 아니라 구조적인 특성을 고려한 래티스 구조를 생성해 준다. 이 경우 구간별로 사이즈가 다른 최적화 된 래티스가 생성된다. 구조 해석 결과를 3D로 확인할 수 있고 STL 형식의 파일로 추출해 3D 프린팅에 활용할 수 있다.

위상 최적화 결과 도출된 결과물(좌)에 래티스 최적화 기능으로 구조 해석을 거친 래티스가 부가되었다. (우)
위상 최적화 결과 도출된 결과물(좌)에 래티스 최적화 기능으로 구조 해석을 거친 래티스가 부가되었다. (우)
인스파이어의 래티스를 확대해 보면 크기와 분포가 다르다는 것을 확인할 수 있다. 래티스 최적화의 결과이다.
인스파이어의 래티스를 확대해 보면 크기와 분포가 다르다는 것을 확인할 수 있다. 래티스 최적화의 결과이다.

합리적인 라이센스 제공
알테어는 특허를 가지고 있는 독특한 라이선스 방식을 제공하는데 HyperWorks 제품뿐만 아니라 솔리드씽킹 제품에도 2019년부터 적용되고 있다. ‘유닛기반 레벨링 라이선스’ 방식으로, 일반적으로 유닛/토큰 방식의 라이선스를 적용하는 경우 솔버를 사용할 때 마다 유닛/토큰 수가 합산되는 스태킹(Stacking) 방식이 사용되지만, 알테어 제품은 동일한 장비에서 여러 솔버를 실행하는 경우 가장 높은 레벨에 해당되는 유닛의 수만 카운트 되는 레벨링(Leveling) 방식을 적용한다. 한국알테어 솔리드씽킹사업팀 유은하 이사는 “알테어의 레벨링 방식 라이선스는 사용자 입장에서 효율적인 라이선스 관리와 최고의 ROI를 보장하기 때문에 업계에서 좋은 반응을 얻고 있다”라고 말했다.

한국알테어 솔리드씽킹사업팀 유은하 이사
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About 이상준 기자

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