솔리드씽킹 인스파이어를 이용한 경량화 접근!

국제 천문학계에서는 2015년 국제 빛(Light)의 해를 맞이하여 광자의 생성, 제어, 검출에 대한 연구에 주력할 예정이라고 합니다. 한편 공학계에서는 2015년을 경량화(Lightweighting)의 해로 정하여 경량화를 고려한 최고의 제품개발에 초점을 맞출 예정입니다. 고성능 망원경을 통하여 환상적인 우주의 모습을 관찰하는 것처럼, 여러분들은 경량화를 지원하는 소프트웨어를 통하여 엄청난 최적화 결과들을 경험하게 될 것입니다.

기존 자동차, 항공우주산업의 경량화 목적은 연비개선으로, 이미 많은 성과를 이루고 있지만 다른 산업분야에서는 아직도 개선의 여지가 많이 있습니다. 경량설계는 원재료의 무게를 줄이거나 효과적인 대체 경량재료의 채용을 통하여 비용과 유지비를 절감하면서 오히려 기계적 성능은 향상시키는 것입니다.

현재는 경량화를 지원하는 많은 소프트웨어가 있고 또 많은 경량화 기법도 존재합니다. ‘데스크탑 엔지니어링(Desktop Engineering)’에서는 경량화와 관련된 3개의 주요기업(솔리드씽킹, 넷파브, 오토데스크)을 취재한 결과를 정리하였습니다.

* 컨셉 단계의 설계 가이드

컨셉 단계에서의 훌륭한 설계는 이후 기계 엔지니어가 진행하는 본 설계와 생산과정을 용이하게 해 줄 뿐 아니라 해석자의 수고도 획기적으로 줄여줄 수 있습니다.

여러분들은 도면을 그리기 전에 형상, 사이즈, 구조를 어떻게 최적화 할 것인가를 고민하게 되며 그 과정에서 실 사용에서 문제가 없으면서 재료비가 최소화 되었는지에 대한 확신이 부족할 수도 있습니다. 어쨌든 이런 과정을 거쳐서 여러분들은 정확한 도면 치수를 부여한, 그리고 생산과정에서 문제가 없는 설계를 시도하게 될 것입니다. 이런 고민에 도움을 줄 수 있는 소프트웨어로 알테어사의 ‘솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)’가 있으며 이 소프트웨어는 컨셉 설계단계의 경량화/최적화에 특화된 툴 입니다.

솔리드씽킹의 글로벌영업 부사장 제이슨 나폴리타노(Jason Napolitano)인스파이어는 상세설계를 위한 CAD 툴이 아니라 컨셉 설계를 위한 툴이라고 얘기합니다. 즉, 인스파이어는 설계 초기단계에 사용되어 경량화 설계패턴을 파악하고 이를 다시 상세 설계에 반영하게 됩니다. 하지만 본 설계에서 완성된 도면은 다시 FEA에서 검증하게 된다고 말합니다. 그러나 인스파이어를 통한 해석에서도 최적화 방향 설정을 위한 무게 최소화, 강성 최대화 같은 방안의 신뢰성 있는 검토가 이루어질 수 있다고 합니다.

지멘스 사의 PLM 모듈인 파라솔리드3D(parasolid)와 옵티스트럭트의 최적화 엔진을 사용하는 알테어사의 인스파이어는 설계 초기단계에 초기 형상 중, 불필요한 부분을 제거할 수 있도록 지원하는 역할을 하며, 특히 옵티스트럭트는 20년의 역사를 가진 대단히 훌륭한, 검증된 툴이라고 제이슨 나폴리타노(Jason Napolitano)는 이야기 합니다. 그는 이제까지 CAE 기술은 해석 엔지니어가 사용해 왔으나 인스파이어는 설계자가 유용하게 사용할 수 있도록 쉬운 인터페이스를 가지게 된 것은 큰 의미가 있다고 말합니다.

네번째 릴리즈버젼인 ‘인스파이어 2014’는 기존 CAD 파일을 불러 올 수도 있고, 최적화 영역을 극대화 하여 제품개발에 반영할 수 있는 기능을 제공하게 되었습니다. 솔리드씽킹의 수석 연구 엔지니어인 자이딥 뱅갈(Jaideep Bangal)은, 다음의 예를 통해 이를 설명하고 있습니다. “만약 여러분이 자동차 엔진 룸 내의 꺾여진 좁은 공간 내에서 마운팅 브라켓을 설계해야 한다고 생각해 보십시오. 여러분들은 그 좁은 공간 내에서 경량 설계를 진행해야 합니다.” 여기에 대해서 그는 인스파이어가 해답을 줄 수 있다고 이야기 합니다.

인스파이어는 CAD 형상에 실 작용하중을 가하거나 구속조건을 부여하여 필요 없는 필렛이나 작은 구멍을 부품에서 제거할 수 있도록 해줍니다. 이 과정에서 요구되는 강성, 고유진동수 등을 만족하는 최적의 형상의 산출이 가능합니다. 또한 ‘인스파이어 2014’는 부품의 이동과 변형을 수치적으로 제한할 수 있는 기능, 집중 질량 생성 기능도 포함되어 있습니다.

인스파이어는 주어진 하중조건을 변경하면 자동적으로 최적화 해석이 수행되어 최적 결과를 산출할 수 있습니다. 다양한 비쥬얼 옵션을 통하여 사용자는 변형, 응력치 등을 손쉽게 파악할 수 있도록 해 주며 아울러 인스파이어에서 산출한 최적결과들은 바로 CAD에서 사용할 수 있도록 ‘핏(fit)’이라는 새로운 기능도 제공하고 있습니다.

‘인스파이어 2014’는 생산과정을 고려하지 않은 최적화 결과를 제공하는데 이 부분은 설계자(해석자)가 생산과정에서 적용되는 스탬핑, 단조공정 등을 고려하여 설계 형상을 다시 결정해야 합니다. 다음 버전에 탑재될 새로운 기능은 부품 재료에 따른 원가 분석기능이 도입되며 이전 버전과 마찬가지로 PC와 Mac에서 모두 실행이 됩니다.
(편집자의 말: 한 제조업체에서 ‘인스파이어’를 어떻게 사용하는지 알고 싶으시면, ‘In Search of the Perfect Snowmobile Design’ 글을 참고하십시오.)

* 경량화 과정에서 무엇이 문제인가

경량화가 중요한 이슈가 되면서 예전의 볼륨(꽉찬 솔리드) 형태의 구조물은 하니콤과 같은 구조로 바뀌고 있으며 최적화 툴을 통해서 이러한 최적화를 논리적으로 진행할 수 있게 되었습니다. 이와 같은 최적화는 두 가지 단계로 구분될 수 있는데, 첫 번째는 최적형상을 산출하는 것이며, 두 번째는 3D프린트를 이용하여 부품을 제작하는 것입니다. 하지만 3D프린트를 사용한 부품제작은 보다 향상된 성능의 3D프린터가 필요할 수도 있습니다. 그리고 첫 번째 단계의 형상/구조최적화에서 공기가 잘 통과하는 구조가 필요하다면 넷파브(netfabb)의 ‘실렉티브 스페이스 스터럭쳐(Selective Space Structures)’와 같은 특정 소프트웨어의 도움이 필요할 수도 있습니다.

Inspire_2014(1)▲ 인스파이어를 사용한 파일 드라이버 브라켓(pile driver bracket)의 최적화 수행 흐름
(이미지 제공 솔리드씽킹(solidThinking))

기존과 동일한 재료를 사용하더라도 3D프린트를 이용하면 예전에는 불가능했던 형상 제작을 가능하게 해주어, 척추 이식물이나 혁신적인 가구, 자동차/항공기 부품을 더 강하고 가볍게 제작할 수 있게 되었습니다. 아울러 이 과정에서 부품에 유연성을 부여하거나 공기에 의한 냉각성능 검토 등을 추가적으로 구현할 수도 있게 되었습니다.

Inspire_2014(2)▲ 인스파이어를 이용하여 최적화 된 경량화 보철다리. (이미지 제공 솔리드씽킹(solidThinking))

넷파브(netfabb 3S)는 솔리드 형태의 구조물을 단 몇 초 만에 불러와서 내부 구조를 작은 크기의 박스형상 혹은 복셀(voxel)타입으로 분해하여 다시 형상을 구성합니다. 이때 내부 미소 구조는 사용자가 다양하게 지정할 수 있으며 이 결과는 STL파일 등으로 변환이 가능합니다. 아울러 내부를 텅 빈 구조로 정의할 수도 있습니다.

넷파브 비즈니스 개발 매니저인 울프 린드(Ulf Lindhe)“이 과정은 상당 부분 자동화 되어 있으며 2가지 타입의 구조로 정의 됩니다. 즉, 구조 내부의 부피를 채우는 볼륨 구조와 셀 표면을 한 겹의 층(layer)로 감싸는 구조로 이루어 진다.”고 말합니다. 특히 경량화와 강도성능에 직접적인 영향을 미치는 구조물 내부의 유닛 셀(unit cell)은 여러 가지 타입으로 적용이 가능하며 그 크기와 비율은 사용자가 정의할 수 있습니다.

Inspire_2014(3)▲ 넷파브의 실렉티브 스페이스 스터럭쳐(selective space structures) 소프트웨어로 표면과 내부구조를 구성하여 3D프린트로 제작한 실린더 헤드 형상(기존형상(좌), 경량화 구조(우)). 이 과정에서 기존 5.1kg에서 1.9kg으로 중량 감소(우측그림 내부구조 참조). 경량화 구조에서 내부 표면적이 823cm3에서 10,223cm3으로 증가하여 냉각효과 증대. (이미지 제공 넷파브)

넷파브로 구성한 경량화 구조는 수 백만의 유닛 셀을 포함하고 있으며 사용된 재료는 기존 재료와 다른 새로운 재료가 사용되었습니다. 이 경량화 구조는 다시 3D프린트로 제작하여 시험을 하거나 해석을 통하여 최종적으로 최적화된 경량 구조를 산출하게 된다고 린드(Lindhe)는 이야기 합니다.

위에 예로 든 경량화 된 실린더 헤드는 무게가 5.1kg에서 1.9kg으로 62% 감소하고 내부 표면적이 823cm3에서 10,223cm3으로 증가하여 하였습니다.
(편집자의 말: 3D 프린팅을 통한 더 많은 경량화의 사례를 원하시면, ‘3D Printing Takes Off’와 ‘3D Printing Advances Design’ 글을 참고하십시오.)

* 신속한 최적화 결과 평가

오토데스크(Autodesk)에서 제조산업 전략과 마케팅을 맡고 있는 비크램 베단담(Vikram Vedantham)“컨셉 설계단계에서 어떤 설계 인자가 바뀌었는지를 시각적으로 인지하는 것은 힘들며, 이 부분은 해석자의 도움이 필요하다”고 이야기 합니다. 오토데스크(Autodesk)는 공기유동 효과를 파악할 수 있는 툴(Autodesk FlowDesign), 그리고 소성을 고려한 생산성을 계산하는 툴(Autodesk Simulation DFM)을 이미 제공하고 있습니다. 아울러 ‘오토데스크 시뮬레이션 메카니컬 2014(Autodesk Simulation Mechanical 2014)’을 통해서 파라메트릭 디자인 스터디(Parametric Design Studies)를 사용, 선형 정적 응력해석이 가능해졌습니다.

Inspire_2014(4)▲ 오토데스크의 파라메트릭 디자인 스터디(Parametric Design Study in Autodesk Simulation Mechanical SW)를 이용한 설계 최적화 흐름도. 목표는 자동차 휠 허브의 경량화(응력저감).
사용자는 형상 변화에 따른 응력 변화결과를 쉽게 인지 할 수 있음. (이미지 제공 오토데스크(Autodesk))

베단담(Vedantham)“시뮬레이션 메카니컬(Simulation Mechanical)을 이용하면 이와 같은 일련의 최적화(경량화)를 연속적이고 통합적으로 구현할 수 있다”고 말합니다. 만약 사용자가 설계 최적화를 수행하고자 하면 설계 형상에서 형상변수(치수), 구속조건 등을 지정하여 최적화를 하게 되며, 이 결과로 경량화 된 최적 구조를 얻을 수 있고, 응력, 변위, 재료 등의 여러 변수를 이용할 수 있으며, 설계, 최적화(해석)가 동시에 이루어지게 됩니다.

오토데스크(Autodesk)의 제품관리 및 디지털 시뮬레이션 디렉터인 데릭 쿠퍼(Derrek Cooper)“이런 최적화 툴은 사용자가 사용하기 쉬워야 한다”고 하며 파라메트릭 디자인 스터디 에디터(Parametric Design Study editor)를 해석자가 아닌 설계자에게 먼저 소개하였습니다. 데릭 쿠퍼(Derrek Cooper)는 “최적화가 새로운 것은 아니며, 중요한 것은 이런 툴을 빨리 현업에 보급하고 잘 사용할 수 있도록 하는 것이 관건이다.” 라고 이야기 합니다.

해석이 처음 수행되면 먼저 스터디(Design Studies)의 버튼을 클릭하여 치수, 재료의 타입과 해당 값을 포함한 모델의 모든 파라미터를 창을 통해 확인하게 되고 사용자는 버튼을 이용하여 디자인 영역과 파라미터의 최대/최소 범위를 지정하게 됩니다. 그리고 이런 수치들은 데이터 셋으로 지정하여 최적화 과정을 자동화 할 수도 있습니다.

예를 들어, 하나의 부품에서 서로 다른 2가지 곡률을 가지는 부분이 있는데 작은 곡률이 3가지, 큰 곡률이 4가지라면 모두 12가지의 형상 조합이 만들어지게 됩니다. 사용자는 이 12가지 조합의 해석결과에서 원하는 결과만 선택하여 검토할 수 있습니다. 즉, 예를 들어 응력치가 20psi보다 작은 결과 들만 선택하여 볼 수 있다는 것입니다. 이런 필터를 이용하게 되면 최적화 작업시간을 줄일 수 있고, 아울러 업무효율은 높일 수 있게 됩니다.

파리메트릭 디자인 스터디 변수처럼 재료의 선택도 변수화 할 수 있으며, 사용자는 오토데스크의 재료 데이터베이스를 통하여 최적의 재료를 선택할 수 있습니다. 풀 버전의 데이터베이스(Autodesk Inventor Eco Materials Advisor)에는 3,000개의 물성치가 포함되며 이를 이용한 다양한 해석이 가능합니다.

아울러 사용자는 인벤터(Inventor)를 통하여 개선된 설계도면을 엑셀 스프레드 시트나 다른 프로그램을 이용하여 검토할 수도 있습니다. 관련한 데모 자료들은 http://goo.gl/B7AqaU에 있는 오토데스크 시뮬레이션 TV(Autodesk Simulation TV)를 통해 확인 할 수 있습니다.
(편집자의 말: 시뮬레이션 보편화에 대해 자세히 알고 싶으시면, 컴솔(COMSOL) CEO인 스벤테 리트마크(Svante Littmarck)가 저술한 ‘월간 논평’을 확인해 보세요.)

* 향후 최적화 툴의 변화

앞으로 설계/해석 소프트웨어는 좀더 자동화된 DOE툴을 통하여 유기적이고 통합적인 최적화 기능을 제공하게 될 것이며, 다양한 재료의 선택도 가능하게 될 것 입니다. 자동차산업 하나만 보더라도 2025년까지 엄청난 연비 향상을 달성하게 될 것입니다. 오토데스크(Autodesk)의 베단담(Vedantham)은 “최적화의 가장 중요한 요소는 경량화이며, 향후 3년간 괄목할 만한 성장이 있을 것이다.” 라고 강한 자신감을 나타냈습니다.

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