가상 엔지니어링과 모델 기반 개발에 CAE를 활용하는 방법
디지털화 기반의 제조산업 혁신 전략
최근 디지털화가 화제가 되고 있지만 제조업의 디지털화는 1980년대 중반부터 이미 시작되었다. 예를 들어 2D 도면, BOM(Bill of Material), 서표 등의 디지털화는 상당한 효율 향상 효과를 가져왔다. 다음으로 1995년경부터 설계의 3D화가 시작되어, 21세기에 들어서는 3D 도면의 일반 보급이 전 세계에서 시작된다. 이 3D 도면에 의해 ‘도면대로의 제조’가 가능하게 되어, 세계적으로 형상 품질의 균등화와 표준화가 진행되고 우리나라의 제조 품질 우위가 사라지기 시작했다.
또한 형태 및 제어 알고리즘을 포함한 기능 성능을 디지털로 표현할 수 있는 가상 모델은 그 자체가 제품 자체의 현실적인 성능을 보여주기 때문에, 기존의 현실적인 제품과 같은 비즈니스 대상이 되었다. 제조 비즈니스 모델의 변화도 이미 시작되었다.
■ 오재응
LG전자 기술고문, 한양대학교 명예교수
가상 엔지니어링
디지털화, 3D 도면화의 보급 후 2010년경부터는 자동차 산업을 중심으로 부품과 모듈의 형상을 표현하기 시작했다. 3D 모델과 기능을 표현하는 시뮬레이션 모델의 융합된 가상 (사실상) 모델을 기반으로 새로운 개발 및 제조 시스템의 보급 전개가 시작되었다.
기존의 개발·제조 흐름
제품 개발·제조에서는 기획/브랜드 단계, 구상 설계 단계, 상세 설계 단계를 거쳐 양산 검토, 세일즈 전개 검토의 흐름이 존재한다.(그림 1) 각 기술자, 전문가에 의해 단계마다 제품의 사양이 숙성 최종적으로 사양이 결정되고 양산된 후 각 고객에게 제품이 전달되었다. 기존에 초기 검토·설계 단계의 기획/브랜드, 구상 설계의 공정은 콘셉트나 목표 등을 정합하는 주요 목적으로 영업, 경영, 기획, 제품 개발 각 전문 분야의 리더 등을 중심으로 회의실에 모여 과거 데이터, 시장의 요망 등을 고려하여 기획/브랜드, 구상을 결정했다.
그림 1. 기존 제품 개발의 흐름
그 후 구체적인 형상이나 기능 설계를 실시하는 상세 설계로 옮겨, 프로토타입을 이용한 실험을 중심으로 한 검증을 반복한다. 이 단계에서는 CAE(Computer Aided Engineering) 기술도 이용하면서, 물건(실기) 베이스에서의 사양의 검증과 구조도 포함한 보증을 중심으로 행해진다. 이 때문에 큰 공수와 기간이 필요하지만, 이 상세 설계 단계가 없으면 제품의 설계·제조로 진행되지 않았다. 여기서는 제품 사양 숙성과 구조 현장과의 맞춤형이 행해져 구조의 효율화도 고려되어, 코스트 경쟁력이 높은 우리나라 품질의 제품이 태어나는 우리나라의 것 만들기의 기반이 되었다.
새로운 개발·제조의 흐름의 성립
제품을 시장화하는 방법과 흐름은 유럽에서 시작하여 세계의 제조업을 크게 변화시키고 있다. 종래는 회의실에서 이루어진 제품의 개념, 기본 기능 사양의 목표 등을 결정하는 초기 검토·설계 기획/브랜드, 구상 설계 단계에서 설계의 전 사양, 제조 검토 전 요건이 정해지는 기술과 환경이 움직이기 시작했다.(그림 2) 이것이 가상 엔지니어링이다.
그림 2. 가상 엔지니어링의 제품 개발
가상 엔지니어링에서는 부품 및 모듈의 형상을 표현하는 3D 모델과 기능을 표현하는 시뮬레이션 모델을 융합한 가상 모델이 기획/개발/제조/영업/마켓/서비스 및 공급업체 간에 공유되고, 설계 및 구조의 상세한 모든 사양과 모든 요건의 검증을 정확하게 실시하는 기술과 환경이 제공된다. 여기에서 이루어지는 것은 물건 대신 가상 모델을 이용한 정합의 일종이라고 생각하면 알기 쉽다.
이 가상 모델을 통해 개발하는 모습은 모델 기반 개발이라고도 불린다. 이 모델 기반 개발에 대해서는 우리나라의 모델 기반 개발과는 정의의 범위가 다르다고 생각되므로 그 상세에 대해서는 다음에 설명한다. 가상 모델을 연계한 개발 플랫폼은 기획/개발/제조/영업/마켓/서비스 등 각 분야의 기술과 콘셉트를 각 분야를 초월한 융합을 실시하는 개발·제조 기반의 개혁을 전 세계에 가져오기 시작했다.
새로운 엔지니어링 환경의 성립
CAE와 CAD/CAM의 연계
설계 및 제조 CAD/CAM과 실험 대신 해석하는 CAE는 21세기에 들어설 때까지 연계되지 않았으며, CAD/CAM 분야와 CAE 분야는 각각 다른 디지털 환경이 존재했다. 따라서 설계에서 CAE를 활용하는 설계 검토를 실시하기 위해서는 설계자 이외에 CAE 기술자가 대응하는 것이 주를 이루었다. 그러나 대부분의 설계 현장에서는 설계와 CAE에 의한 설계 사양 검토의 동기화가 어려운 상태가 계속되고 있었다. 21세기가 시작된 2001년에는 자동차 산업에서 범용 CAD 시스템 상에서 CAE 해석을 할 수 있게 되어, CAD 환경과 CAE 환경이 연계되었다. 이 때부터 분리된 CAE에서 CAD/CAM/CAE을 연계한 공통 디지털 환경/설계/분석/제조 협력 체제가 시작되었다.
데이터, 모델과 연계
CAE 해석은 당초 강도/강성/NV(소음·진동) 분야가 중심이었지만, 그 후 차량 전체의 거동, 차체 주위의 유체 해석 등 모든 CAE 분야를 설계 단계에서 해석할 수 있게 된다. 많은 분야에서 CAE 해석 기술이 넓어졌기 때문에 해석, 제조 등 모든 분야의 검토를 설계자가 실시하는 것이 아니라, 설계 단계에서 해석 부문이나 제조 부문 등의 엔지니어가 설계와 동기화된 검토를 가능하게 하는 환경 기술과 매니지먼트 기술의 연구가 시작되었다. 특유라고 불린 협업이 가상 환경에서 광범위하게 이루어지게 되었다고 말할 수 있다.
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작성일 : 2025-02-04