클라우드 기반의 시뮬리아 솔루션으로 제품 개발 시간 감소 및 품질 향상

생체 의료용 초탄성 금속 소재 회사인 티니코는 전력 핵심 소재인 니티놀 소재의 기술 자립화를 위해 3D익스피리언스웍스(3DEXPERIENCE Works) 기반의 비선형 해석 솔루션인 시뮬리아(SIMULIA)를 도입하였다. 티니코는 현업의 역량개발을 통해 안전성에 민감한 의료기기에 대해 선도적으로 제품 설계를 검증하는데 시뮬리아를 활용하고 있다. ■ 자료 제공 : 다쏘시스템코리아

초탄성 금속 소재 개발 위한 테스트 필요

티니코는 생체 의료용 초탄성 금속 소재 회사이다. 형상 소재 합금인 ‘니티놀’ 소재를 국산화한 티니코는 2011년 강앤박메디컬로 시작해 2020년 티니코로 상호를 변경하였다. 2020년 6월부터는 전력 핵심 소재 자립화 기술 개발에 목표를 두고 산업용 및 의료용 형상기억합금 소재를 활용한 제품 제조에 나서고 있다. 

온도에 따라 형상이 복원되는 초탄성 소재는 외력을 가해도 원상태로 복원되는 고무줄 같은 금속 소재이다. 초탄성 소재는 물성 자체가 일반적이지 않은 데다 안전성에 민감한 의료기기에 사용되는 만큼, 복잡한 설계와 검증 단계가 필수적으로 필요하였다.

그림 1. 척추 고정기기 및 의료 임플란트 적용사례

이러한 의료기기의 개발 과정은 많은 위험 요소를 내포하고 있으며, 실제 건강과 직결된다는 점에서 다른 공산품과 달리 안전을 위해 엄격한 개발 과정이 필요하다. 또한, 제품을 사용한 이후에도 인체에 어떠한 영향을 줄 수 있는지에 대해 사전에 다양한 방법으로 파악하고 점검해야 한다. 때문에, 의료기기에는 제품 개발 과정에 임상시험(안전성 및 유효성) 등 여러 단계가 필수적으로 포함된다. 

추가적으로, 인체 삽입용 ‘TiNi’계 형상기억합금 제품은 인체에 삽입되는 임플란트 제품이어서, 문제가 발생할 경우 원인 분석이 매우 어렵고 개인의 신체 특성에 따른 최적 제품 설계에도 어려움도 제기되어 왔다.

티니코는 기존에 솔리드웍스를 통해 설계 업무를 진행하였다. 설계 과정에서 시제품을 만들거나 공공기관이나 연구소에 평가를 의뢰하고 진행된 피드백을 통해 제품의 완성도를 높이는 과정을 거쳐오고 있었다. 이러한 업무 프로세스에서는 솔리드웍스를 통해 초기 설계를 빠르게 진행할 수 있었지만, 의료기기의 특성상 엄격한 임상시험과 검증이 필수적이었기 때문에 외부에 테스트를 진행하는 경우 한 달 이상의 기간이 걸리고 이는 개발 비용의 상당한 부분을 차지하였다. 이런 테스트 과정이 수차례 반복되어야 했기 때문에, 정량적 지표를 달성하는데 많은 어려움이 있었다. 

특히, 티니코가 주로 다루는 니티놀 재질은 일반 금속과 다르게 고무줄처럼 늘이면 원래대로 돌아오는 복원력을 가지고 있다. 이는 니티놀이 변형량을 가지고 있기 때문인데, 이 재질을 기반으로 제품을 설계할 경우 이론적으로 통상 8%의 변형량 비율을 산정하게 된다. 하지만, 제품이 인체에 삽입하는 시술에서는 실제로 8%의 변형량이 반영될지 확인하기 어렵고, 이를 구조적으로 미리 검토하는 것 또한 어려운 부분이었다.

그림 2. 니티놀 재질 스텐트(stent)의 다양한 시술 적용 사례

제품 평가를 위해 시뮬레이션 솔루션 도입

티니코는 이러한 다양한 문제들을 해결하기 위해 설계된 제품의 안전성과 유효성 평가를 할 수 있는 시뮬레이션 도구가 있어야 한다는 결론을 얻고, 2019년부터 관련 솔루션의 도입을 추진하였다. 

2020년에는 본격적인 도입에 나서면서, 여러 상용 해석 솔루션 중 다쏘시스템의 시뮬리아(SIMULIA) 제품을 최종 선정하게 되었다. 티니코는 SIMULIA(Structural Mechanical Engineer) 솔루션이 니티놀 제품의 거동 및 유효성을 파악하고 기하학적 비선형 성과 재료학적 비선형이 공존하는 비선형 초탄성 문제를 해석을 통해 해결할 수 있을 것으로 보았다. 뿐만 아니라 시뮬리아가 멀티 스텝 및 열 응력 해석 등 여러 환경 조건을 고려한 다양한 해석 등을 지원하며, 솔리드웍스와 통합되어 사용자의 편의성 부분에서도 적합하다고 판단했다. 

티니코의 강지훈 대표는 “타 해석 제품과 비교한 결과, 초탄성 비선형 해석 결과에서 성능 차이가 났다. 또한, 합리적인 가격도 시뮬리아 솔루션을 선택한 이유 중 하나”라고 설명했다. 

추가적으로, 솔리드웍스 공인 리셀러인 메이븐의 지원을 받아 해석 솔루션을 초기에 정착시키는 과정을 큰 무리 없이 진행할 수 있었다. 이를 통해 실제 업무에서 시뮬리아를 이용한 초기 설계 모델의 해석 결과를 검토하고 제품 설계에 즉각적으로 반영하였고, 관련 모델 변경사항이 선순환 적용되어 비용 및 시간을 줄일 수 있었다. 

강지훈 대표는 “우리는 이러한 과정을 통해 새로운 플랫폼을 도입하면서 즉각적인 생산성을 확인할 수 있었다”라고 시뮬리아 솔루션 도입의 장점을 설명했다.

그림 3. 골절환자의 뼈 CT 사진 및 물성 정보를 적용한 해석 결과

재료 정보, 인체 모델, 클라우드의 활용 

티니코의 경우 일반적인 제조회사와는 다른 설계 특징을 가지고 있다. 수백에서 수천 개의 파트를 포함하는 대형 장비와 달리, 임플란트는 파트 수는 적지만 인체에 삽입된다는 특징이 있다. 이를 해석의 관점에서 보면, 사람마다 뼈 자체에도 부분적으로 물성 정보가 다르기 때문에 이를 적용하는 것은 일반적인 금속 재질과 크게 차이가 난다. 

실제 사람 뼈의 물성치는 약 20만 개에서 30만 개 노드까지 각각의 물성 정보를 반영하게 되면 실제 결과의 차이를 좁힐 수 있다, 이러한 복잡한 물성을 갖는 재질 시뮬레이션이 실현되면 수술 전 사전 시뮬레이션은 물론 환자 개인당 맞춤형 서비스도 가능해지며, 이를 통해 최적의 제품 설계가 가능해진다. 

그림 4. 동물 시편을 이용한 제품의 시험평가 과정

그림 5. 시뮬리아를 통한 해석 결과 분석

티니코의 허인혁 연구원은 “인체 의료기기를 만드는 만큼 비선형 해석 시 인체 모델도 정확하게 적용해야 한다. 시뮬리아는 인체에서 추출된 정확한 재질 정보를 적용할 수 있고, 멀티 스텝 해석을 통해 시술 조건을 그대로 적용할 수 있어 제품 개발이 용이했다”고 전했다. 다시 말해 시뮬리아를 활용한 제품의 설계뿐만 아니라, 시술 시에 발생할 수 있는 다양한 문제를 사전에 예측할 수 있게 되어 제품 개발에 혁신적인 도구로서 사용할 수 있게 되었다는 것이다.

또한, 클라우드 솔루션인 시뮬리아를 활용하면 언제 어디서나 협업이 가능한 체계가 마련된 것도 이번 해석 솔루션 도입을 통해 얻은 성과로 볼 수 있다. 티니코 내부의 개발자는 물론 외부에 있는 의료인들이 비대면으로 플랫폼에 접속해 제품에 대한 의견을 공유하고, 제품에 대한 피드백을 진행할 수 있어 효율적인 협업이 가능해졌다. 또한, 데이터의 정리 및 전달에 걸리는 시간도 줄일 수 있었다. 

그림 6. 니티놀 재료를 이용한 멀티 스텝 해석

강지훈 대표는 “클라우드 환경에 대한 두려움도 솔루션 도입에 큰 문제가 되지 않았다. 시뮬리아는 다쏘시스템이 보장하는 보안 인증과 외부 기관 인증을 받았으며, 특히 보안은 실무자가 데이터를 서버에 안전하게 저장하는 방식이기 때문에 기존보다 훨씬 체계적이고 분실 위험이 없다고 느꼈다”고 말했다. 시뮬리아에서 생성되는 해석 데이터는 다쏘시스템의 클라우드 데이터 센터에 암호화를 거쳐 저장되며, 권한 설정이 가능해 외부와의 협업에서도 보안이 제공된다. 

그림 7. 클라우드 플랫폼을 통해 웹 브라우저에서 해석 결과 공유

그림 8. 통합 워크플로를 통한 3D 모델 자동 업데이트 

소재 원천기술 확보와 함께 글로벌 기업으로 도약 추진

시뮬리아를 도입하면서 티니코는 실제 재료의 구성과 물리적 환경을 가상으로 구현한 테스트를 통해 재료의 물성이 가지는 특성을 감안해 압력, 비틀림, 원형회복 등을 예측할 수 있게 되었다. 그리고 온도, 습도 등 다양한 외부 환경에서 제품이 가지는 변형 등을 미리 예측해 볼 수 있었다. 이전에는 각각의 재료를 바탕으로 일일이 시제품을 만들어 제품이 사용자에게 미치는 영향과 자체 완성도, 결함 여부 등을 물리적으로 테스트해야 했다. 

현재는 솔리드웍스를 활용하여 다양한 아이디어를 포함하는 신제품을 설계하고 시뮬리아를 통해 다양한 해석을 진행해 봄으로써, 끊임없는 혁신과 기술 개발로 바이오 임플란트를 전문적으로 제조하는 기업으로서 원천기술을 획득하고 있다.

무엇보다 설계 효율성과 시간을 절약함으로써 다양한 아이디어를 발굴하고 제품에 적용할 수 있는 계기를 마련할 수 있었다. 물론 다양한 시뮬레이션을 통해 제품 요구 조건과 아이디어를 발굴하기 위한 설계자의 능력 향상이 큰 소득이었다는 것이 티니코의 설명이다.

티니코는 시뮬레이션을 통해 끊임 없는 혁신과 기술 개발로 바이오 산업의 발전에 기여하며, 경쟁력 있는 생체 의료용 초탄성 금속소재 회사로 자리잡았다. 티니코는 앞으로 재료에 대한 원천기술 확보를 통해 글로벌 기업으로 새롭게 도약할 계획이다.

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