사람이 하던 지루한 결정, 이제 컴퓨터가 대신합니다


아래 내용은 솔리드웍스 및 스트라타시스에 대한 정보를 제공하는,
미국 블로그 ‘The CAPINC 블로그’에 소개된 인스파이어 기사 내용입니다.


  알테어솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)와 같은 형상 최적화 패키지 소프트웨어 덕분에 새 뼈 형상과 같은 복잡한 구조물 디자인에 소요되는 시간을 절약할 수 있습니다. CAD에서 구성한 초기 모델을 불러온 후, 움직이면 안 되는 부위(볼트 체결부, 구멍 등)를 지정하고, 하중을 결정해주면 소프트웨어가 수천 번의 반복 계산을 통해 가장 적은 질량으로 주어진 하중을 견딜 수 있는 새 뼈 모양의 형상을 찾아 만들어줄 것입니다. 쿼드콥터의 지지대를 예로 들어보겠습니다.

  먼저 최적화할 일반적인 모양의 구조물을 불러오게 되며 이 부품에서 최적화를 위한 영역은 빨간색으로, 최적화 대상이 아닌 부분은 회색으로 정의했습니다.

evolution_featured-625

  그리고 회색부분에는 구조물에 작용하는 하중/경계조건을 설정하였으며, 최적화 대상이 되는 빨간색 영역으로 하중이 전달되도록 모델을 구성했습니다.

evolution_featured-565

  인스파이어가 어떤 부분을 제거하고 어떤 부분을 남길지 결정하는 기준은 모델에 설정된 하중/경계조건입니다. 최적화 소프트웨어에서는 하중이 많이 작용하지 않는 부분은 최대한 제거하면서 강도를 유지하도록 최적화를 진행하게 되며, 아래 그림은 초기 최적화 단계를 거친 결과물입니다.

evolution_featured-565

  이 그림은 인스파이어의 최적화 결과물이며, 특히 엔진 지지부 아래는 새 뼈 형상으로 결과가 산출되었습니다.

evolution_featured-565

  디자이너가 이런 형상을 만들어내기 위해서 시간을 투자했을까요? 물론 아닙니다. 이 형상은 하중을 견딜 수 있는 최적의 경량 구조인데 어떻게 이런 최적화가 가능할까요?

  사용자는 인스파이어에서 사출성형의 방향이나 압출성형의 방향을 기준으로 최적화하도록 설정할 수 있습니다. 다음 그림은 압출성형 과정에서 상하 방향으로 금형을 탈거할 수 있도록 조건을 부여하여 결과를 산출한 것입니다.

evolution_featured-565

  위에서 보게 되면 무게를 최소화하는 것뿐만 아니라 한 방향으로 이루어지는 압출성형 작업을 고려하여 최적화했다는 것을 알 수 있습니다.

evolution_featured-565

  이 결과가 보여주는 의미의 핵심은 무엇일까요? 사람의 힘만으로 작업하여 이런 형상의 지지대를 만들어 낼 수 있었을까요? 아마도 불가능에 가까운 일이 될 수도 있을 것입니다.

  그렇다면 디자이너가 시간을 들여서 하중이 작용하는지 확인하고, 합당한 컨셉를 결정하기 위해 다섯 개의 다른 조건들을 하나하나 시도해야 할까요? 그럴 필요가 없게 하는 것이 바로 최적화 소프트웨어의 개념입니다.

  사람은 그저 어떻게 하면 공간을 효율적으로 활용할 지에 대해서만 정하면 되고, 디자인은 컴퓨터가 하게 됩니다. (압출옵션에서 부하를 받는 부분과 지지 부분이 더 단단하게 고정되기 위해 몇 가지 옵션을 쓰면 무게가 조금 늘어나는 것을 확인할 수 있습니다.) 여기서 요점은, 사람은 블로그에 기사를 쓰는 것처럼 사람이 할 일을 하고, 똑같은 강도의 부하를 견딜 수 있으면서 무게를 절감하기 위해 27번이나 50번, 혹은 100번의 다른 방법으로 확인해보는 지루한 과정은 컴퓨터가 한다는 것입니다.

  인스파이어는 위의 과정을 15분 만에 해결했고, 그 결과 아래 보이는 약간 복잡한 형상이 나왔습니다.

evolution_featured-565

  이 결과는 앞서 말한 ‘더 복잡한 것을 해결하기 위해 인간은 더 많은 시간을 들여야 한다’는 두 번째 규칙을 반증했습니다.

어떤 모양이든지 가공할 수 있을까요?

  동그란 구멍이나 직선과 같이 가공소에 의뢰하기 쉽기 때문에, 사람들이 평면에서 가장 많이 디자인하는 모양부터 살펴보겠습니다. CNC머시닝의 발달로 가공 제한이 줄어든 이래로, CAD에서 만든 복잡한 3D 형상의 물체를 밀링머신으로 바로 만들 수 있게 되었습니다.

3DP-opt-3_qrwajy

CNC머신이 밀링으로 터빈 로터를 만드는 모습.
엔드밀의 컴퓨터조작이 가능한 이래로 터빈의 형상을 복잡하게 생성할 수 있습니다.

  아직도 몇 가지 제한은 있습니다. 예를 들어 엔드밀이 중간 부분에서 꺾여 들어가야만 만들 수 있는 내부구멍은 최첨단 CNC머신을 혼란스럽게 합니다.

evolution_featured-305

  구멍을 뚫고 각진 방향으로 또 구멍을 뚫어서 원하지 않는 구멍을 메우지 않는 한 그런 모양은 만들 수 없습니다. 하지만 이런 문제는 아래와 같은 간단한 모양을 가공하는데도 CNC머신은 더 많은 혼동을 하게 됩니다.

evolution_featured-305

  드릴의 모양과 구멍의 모양을 보면 왜 바닥에 평평한 구멍을 뚫을 수 없는지 알 수 있을 것입니다. 3D 프린트기술이 나오기 전, 사람들은 이런 모양을 피해서 디자인했습니다. 하지만 3D 프린터는 무엇을 해냈을까요? 3D 프린터는 재료를 얇은 층으로 원하는 부분에 쌓아서 만드는 방식으로, (나중에 깎아 버리는 지지대 부분을 우선 만든 후) 위에서 말한 “만들 수 없는” 디자인을 만들 수 있고, 다른 많은 것도 쉽게 만들 수 있습니다.

  이런 두 가지의 기술을 합친다면, 제작기계보다 더 큰 물체를 만들 수 있을 것 입니다.

새로운 가능성으로 본 새로운 세계

  인스파이어와 같은 형상 최적소프트웨어는 매우 유용합니다. 하지만 최적화된 형상이 아래 그림과 같이 첨단 CNC에서조차 만들 수 없는 모양이라면 무슨 소용이 있을까요?

evolution_featured-565

  하지만 인스파이어는 여러 가지 옵션을 가지고 있는데, 그 중 STL의 형태로 최적화할 수 있는 옵션이 있습니다.

evolution_featured-305

  그리고 STL은 대부분의 3D 프린터(글쓴이의 회사에서 팔고 있는 스트라타시스 제품과 같이)가 형상을 읽을 때 쓰는 형식과 일치합니다. 5년 이내에 디자이너들은 재료의 무게와 강도의 효율까지 고려해야 할 것이며, 이를 위해 사용하게 될 방법들은 다음과 같습니다.

  • 최적화하고자 하는 하중 지지부를 평범한 모양으로 생성합니다.
  • 인스파이어(혹은 비슷한 소프트웨어)를 이용해서 수백 가지의 컨셉 디자인을 비교해 하중이 가해지는 조건 중 극한의 상황에서 최고의 효율을 내는 콘셉트 디자인을 찾습니다. (또 각 변형에 대한 스트레스와 처짐을 얻기 위해 인스파이어 안에 있는 FEA분석을 실행할 수도 있습니다.)
  • 최적화된 형상으로 CAD 패키지를 이용해서 마무리작업을 해주거나 최종 콘셉트를 3D 프린터로 직접 뽑습니다. 스트라타시스가 만든 프린터는 3D 프린팅 재료 설명서에서 확인할 수 있듯이 열가소성 플라스틱으로 프린트할 수 있고, 일부 다른 프린터는 금속도 프린트할 수 있습니다.
  • 테스트해보고, 이 방법을 반복적으로 사용해, 느린 방법을 사용하는 경쟁 상대보다 더 빠르게 작업을 완료할 수 있습니다.

  ‘새로운 시대의 생산’ 온디멘드 웨비나를 통해 반복적인 최적화의 결과로 생성된 쿼드콥터의 지지대를 보고, 스트라타시스 Fortus 250에서 어떤 형상들이 프린트가 되는지 확인해보세요. 웨비나에서는 인스파이어 프로세스단계를 진행하고, 인스파이어 내에서 FEA를 실행해 디자인을 테스트해보며, 더 많은 변형물을 보여주고, 원래의 형상과 최적화한 형상이 무게, 강도 면에서 어떻게 다른지 비교해볼 것입니다.

  이런 발전된 생산방식을 5년 뒤까지 기다렸다가 사용할 필요는 없습니다. 지금 바로 혁신적인 새로운 디자인 시대를 열어보세요.

새로운 시대의 생산
SS_Assystem_3107152
여러분이 알고 있던 제조공정은 향후 5년간 모두 바뀔 것입니다. 이 온-디맨드 웹 세미나는 지난 수십 년 동안 사용했던 두 가지의 흔한 제조방식을 대체할, 미래의 새로운 제조공정 및 이미 대체되고 있는 방법들에 대해 심층적으로 알아볼 예정입니다.


[원문보기]