바야흐로 3D 프린팅과 위상 최적화 시대


아래 내용은 시뮬레이션 및 엔지니어링 관련 소식을 다루는
미국의 웹사이트 ‘데스크탑 엔지니어링(Desktop Engineering)’에 실린 위상 최적화 관련 글입니다.



Autodesk-Inventor-shape-generator

오토데스크는, 오토데스크 인벤터 2016 R2에서 CAD 임베디드 위상 최적화 기능을 가진 Shape Genarator를 도입했다.
이미지 제공 오토데스크.

  여러 해 동안 설계 엔지니어들은 업무 훈련, 미학적 측면, 전문적인 노하우를 고려하여 제품의 초기 컨셉을 도출해내고 있다. 이후 도출된 아이디어들은 시뮬레이션과 물리적인 테스트를 거쳐 가장 적합한 형태로 모습을 드러낸다. 그러나 위상 최적화의 등장으로 인해 이런 작업 순서는 모든 것이 바뀌게 된다.

  스트레스, 하중, 물질 및 기타 제약 조건을 입력하여 엔지니어들은 최적화 소프트웨어에게 수학적으로 계산하여 최적화된 형상을 도출하도록 지시한다. 이 소프트웨어는 자동 지오메트리 생성 툴부터 고유의 모델링 로직이 있는 설계엔진까지 근본적으로 바꾸는 역할을 한다. 때때로 경험 많은 설계자들조차 이 소프트웨어가 제안하는 이른바 최적 형상의 우아함, 단순함 그리고 섬세함에 놀라곤 한다.

  이전에는, 설계자들의 일은 제품의 모양을 상상하고 완성하는 것이었다면, 이제는 위상 최적화를 이용해서 컴퓨터 지원 형상 탐색 과정 활용법을 배워야만 하는 시대가 됐다. 소프트웨어 활용에 대한 새로운 방식이다. “사용하다(use)”라는 동사는 이 의미를 정확하게 설명하지 못한다. 앞으로의 개념 설계 과정은 인간의 지성과 프로그래밍 코드, 또는 설계자와 소프트웨어가 서로 협력하여 진행될 것이다.

비대해진 뼈대 경량화하기

  자동차 엔진 룸에서, 위상 최적화 소프트웨어는 유한요소해석(FEA)이나 시뮬레이션 소프트웨어가 사용되는 것와 같은 원리(혹은 같은 솔버)로 사용된다. 예를 들어, 오토데스크 인벤터 2016 R2(2015년 9월 출시)의 Shape Generator 기능오토데스크의 나스트란 FEA 솔버에 의존한다. 또한 알테어의 최적화 패키지인 솔리드씽킹 인스파이어알테어의 옵티스트럭트 솔버를 활용한다. 옵티스트럭트 솔버는 알테어 하이퍼웍스 소프트웨어 제품군에 속해있는 제품이다.

  일반적으로 소프트웨어를 이용한 최적화 과정은 이렇다.
  (1) 소프트웨어는 FEA를 이용하여, “설계 영역”에서 스트레스와 하중을 정의한다. 이 설계영역은 형상 탐색을 위한 제약 조건으로 설계된 영역을 의미한다.
  (2) 스트레스와 상관없는 영역에서 물질을 제거함으로서 새로운 (경량) 형상을 추출해낸다. 이런 과정을 거쳐, 소프트웨어는 초과되는 물질 없이 예상되는 부하에 대응할 수 있는 충분한 구조적 강성을 보존한다.

하이브리드 최적화 접근법

  PADT(Phonix Anaalysis and Technologies)의 애플리케이션 엔지니어이자 고객지원 전문가인 마노즈 마힌드라는, 유튜브에 직원들을 위한 최적화 강의 영상을 올리고 있다. PADT는 엔지니어링 시뮬레이션과 고속 프로토타입 서비스를 제공하고 있는데, 앤시스의 대리점이기도 하다.

  마힌드라는 “3D 프린팅 기술은 격자 구조를 최적화와 지오메트리 모델링에 통합하는 중요한 원동력이 되었습니다. 이런 것들이 3D 프린터로 제작될 수 있기 때문이죠.” 라고 말한다. 멀지 않은 미래에, 두 가지 형태의 최적화 – 지오메트리를 활용해 초과 물질을 제거하는 것과 강성을 더하기 위해 유사 뼈 모양의 구조로 만드는 것 – 가 합쳐지게 될 것이다. 이런 조합은 컴퓨터를 이용한 설계에서도 이상적으로 나타나고 있다.

  2015년 2월에 출시된 알테어 옵티스트럭트의 최신 버전에는 격자 구조를 자동으로 도출하는 기능이 포함됐다. 알테어의 솔리드씽킹 인스파이어 부문 수석 애플리케이션 매니저 자이딥 반갈은 “향후 인스파이어 소프트웨어에도 격자 구조 해석 기능이 추가될 예정입니다. 격자 구조의 일정 부분과 일반적인 솔리드의 일정 부분이 형상의 결과로 나올 수 있으며, 궁극적인 설계의 목표가 바로 그것이기 때문입니다.” 이라고 말했다.

위상 최적화가 설계 엔지니어의 손에 쥐어지기 위해서는?

Altair-OptiStruct-lattice-structure

격자 구조 최적화는 알테어 옵티스트럭트 솔버의 한 부분이다. 향후 최적화 소프트웨어는 하이브리드 최적화 방법을 제공할 것인데, 최적화된 솔리드 지오메트리와 다양한 밀집도를 가진 격자 구조의 조합을 활용할 것으로 예상된다.
이미지 제공 알테어.

  예전부터 참신한 툴이나 새로운 방법은 소규모 그룹의 전문가들 사이에서 가장 먼저 인정을 받는다. 이 기술은 수 차례의 시행착오 단계를 거친 후의 성숙 단계를 통해 많은 엔지니어들에게 전파된다. 여전히 반갈과 그의 동료들은 위상 최적화가 반드시 설계 엔지니어의 손에 쥐어져야 한다고 확신하고 있다.

  반갈은 “전산유체역학(CFD) 또는 FEA는 작업흐름에 있어서 매우 성숙한 단계에 있지만, 위상 최적화는 아직 설계 엔지니어에게 생소합니다.” 라고 말한다. 단순한 사용자 인터페이스 뒤에 복잡한 위상 최적화를 숨기는 것이 방법이다. 반갈과 그의 동료들은 그 해답이 바로 솔리드씽킹 인스파이어라고 한다. 이는 많은 학습이 필요하지 않은 위상 최적화 패키지다.

코치의 중요성

  최적화는 자가 학습이 가능한가? 여러분은 수영을 배우는 것과 같이 스스로 소프트웨어에 빠져서 이를 배울 수 있는가? 물론 가능하다. 그러나 최선의 방법은 아니다. PADT의 마힌드란에 의하면 말이다.

  그는 “처음에는 전문가의 지도로 시작해야 한다고 생각합니다. 사람들은 자신이 씹어먹을 수 있는 것 이상으로 베어 뭅니다. 즉, 소프트웨어가 씹어먹을 수 있는 이상으로 말입니다. 달리기 전에 기는 것부터 차근차근 시작해야 합니다. 백만 단위의 메시 최적화부터 시작하지 말고, 처음에는 낮은 폴리곤 최적화부터 시작하는 것이 좋습니다.” 라고 권한다.

  디자이너와 엔지니어를 타겟으로 하는 소프트웨어 툴들은 보다 적은 인풋으로 보다 단순한 인터페이스의 경향을 보인다. 마힌드라는 “여러분은 최대한 실제와 같이 접근해야 합니다. 그러나 어떤 경우에는, 트레이드오프가 있다고 가정해야만 할 때가 있습니다.” 고 여전히 지적한다. 초보 사용자들에게는 전문가의 도움 없이 이런 트레이드오프를 이해하기란 어려운 일이다.

위상 최적화 시대의 도래

  예전의 제조방법은 대칭, 원형, 직사각형의 물체를 깎거나 금형을 설계하는데 사용됐다. 제품을 만드는게 단순할수록, 비용은 더 줄어든다. 그러나 컴퓨터를 이용한 지오메트리는 가끔 유기체 모양을 만들어낸다. 복잡한 비대칭 패턴과 불규칙한 모서리 그리고 화석같은 구조를 만든다. 이러한 모양은 기존의 기술과 물질로 만들다면 비용이 많이 들 것이다.

  마힌드라는 “만약 50%의 부분의 중량이 줄고, 100%의 제조 비용이 증가한다면, 이게 도움이 될까요? 중량을 줄이는 해법을 갖고 있다고 해도 그것은 모두에게 좋은 접근법은 아닐 것입니다.” 라고 말한다.

  솔리드씽킹의 인스파이어는 이런 딜레마를 옵션으로 처리한다. 선호하는 제조법을 규정함으로써, 인스파이어 사용자는 최적 구조를 제약하는 소프트웨어를 사용하여, 선택된 제조 방법과 호환이 가능한 지오메트리 요소로 만들어낸다.

  현재 기계, 인젝션 몰딩과 스탬핑과 같은 표준 제조 공정은 충분히 기술적으로 대량 생산이 가능하다. 그리고 이제 새로운 적층가공법, 특히 금속 프린터가 가능한 3D 프린터에 대해서도 형상 복잡성과 연계하여 비용을 절감할 수 있을 것이다.

  반갈은 “지금까지는 최적화된 위상이 자연(유기적) 형상이라면 인젝션 몰딩이나 기계로 만들지 못했었습니다. 하지만 3D 프린팅 기술로 이제 더 이상 제조상의 제약을 생각하지 않아도 됩니다.” 고 말한다.

  이런 발전은 제품의 외관을 보는 관점에 큰 변화를 가져다준다. PADT의 마힌드라는 “최적화된 형상이 비용이 많이 든다는 관점은 궁극적으로 사라지게 될 것입니다. 바로 3D 프린팅 때문입니다.” 라고 말한다. 그는 이어 “제품의 유기적 구조는 곧 닥칠 무엇이 될 것입니다. 금속 3D 프린팅은 앞으로 모든 엔지니어링 회사가 사용할 것이고, 그러한 형상들은 보다 널리 퍼져나가게 될 것입니다.” 라고 덧붙였다.

  그러나 위상 최적화가 소프트웨어를 대신하여 완전히 자동화된 공정이라고 생각한다면 오산이다. 여전히 엔지니어의 개입과 판단이 필요하다. 특히 제조 단계로 들어설 땐 더 그렇다.

  이제 CAD 소프트웨어를 칼이나 드릴처럼 쓰면 된다. 여러분은 어디를 자르고 어디를 뚫을지 결정만 하면 된다. 그러면 소프트웨어는 여러분이 시키는대로 한다. 또한 위상 최적화를 의사결정 과정의 파트너처럼 쓰면 된다. 그냥 “우리가 이 제품을 좀 더 날렵하게 하려면 어디를 뚫어야 하지? 뼈대의 어느 부분을 강화해야 더 튼튼해질까?” 라고 소프트웨어에 물어보면 된다. 제안된 최적화된 형상은 때로 여러분의 직관을 확인시켜 줄 것이다. 또는 여러분이 이전에는 전혀 생각하지 못했던 해결책을 제시하여 깜짝 놀래킬 수도 있다. 이는 보다 감각적인 설계 협업자이자 세련된 끌의 역할을 하게 될 것이다.

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