1. 제품 설계를 3D로 시뮬레이션

 

제품 설계의 3D화는 CAD 소프트웨어를 사용하는 설계 3D화가 진행되고 있다. 그것을 가지고 3D 설계를 사용하는 제품 개발 단계에서 힘/구조/열/유체 등의 시뮬레이션을 진행하는 CAE 및 VR상에서 여러 사람이 설계를 확인하거나 원격으로 확인하는 프로세스가 실행되었다. 이로 인해 시제품 및 실험 횟수를 줄여 개발의 리드타임을 단축시킬 수 있게 되었다.

 

제품이 시스템과의 연계를 포함하여 복잡해지면서 니즈와 기술의 변화 속도가 빨라짐에 따라 라이프사이클이 단축되었고, 디지털 트윈에서의 시뮬레이션이 꼭 필요하게 되었다.

또한 탈탄소가 요구되는 상황에서, 에너지를 최소화하기 위해 어떻게 경량화할 수 있을지, 환경 부담이 적은 소재를 사용할 때의 성능을 검토하는 데 있어서도 시뮬레이션이 중요하다. 이러한 제품 설계의 디지털 트윈화가 모든 항목의 디지털화의 기반으로서 중요한 역할을 한다.

 

1-1. 제품 설계에서의 재활용 플라스틱 활용 시뮬레이션

 

지속가능성을 담보하려면 설계 시 어떤 소재를 활용할 것인지도 중요하다. 예를 들어, 자동차를 비롯하여 많은 업계에서 중요하게 생각하는 재활용 플라스틱의 활용을 검토하는 경우에도 디지털 트윈이 효과를 발휘한다.

재활용 플라스틱을 활용하는 경우, 제품 라이프사이클의 CO2 배출 등 환경에 미치는 영향은 긍정적이라 보여진다. 하지만 이것은 비용 및 품질과 맞바꾼 결과다.

 

순환 경제를 실현하기 위해 재활용/재생품의 활용이 중요해지는 상황에서, 이러한 트레이드 오프를 잘 짜내면서 의사결정을 할 것인지가 중요하다.

다쏘시스템은 제품의 라이프사이클을 소재/설계/제조/사용에서 폐기까지를 라이프사이클로 보고, 각각의 영향력을 모델화하여 시뮬레이션함으로써 의사결정을 지원하는 버추얼 트윈(디지털 트윈)을 제공한다.

 

<그림1> 제품 설계 시 재활용 플라스틱의 활용을 검토하는 영향 시뮬레이션

자료 : Dassault Systèmes

 

1-2. 3D 프린터/공작기기 연계

 

제조업에서는 시제품/설계를 통해 프로토타입을 만들어 보고, 설계의 이미지를 입체적으로 확인하여 개선해 나갈 때 3D 프린터를 사용해 왔다. 실제 제조 시에도 소량/맞춤 제품이나 점검/보급 부품 등을 제조할 때 3D 프린터를 활용한다.

 

항공기 등의 수주 제조 산업에서는 실제로 3D 프린터로 만든 부품을 탑재하고 운항한다. 이러한 3D 프린터 및 공작 기계(CNC 가공기기)를 활용할 때 인풋하는 것은 3D 설계 데이터다. 3D 데이터와 기기가 있으면, 어느 정도의 제조를 할 수 있다. 이렇듯 제조는 빠르게 민주화되고 있다.

 

1-3. 생성형 AI의 등장으로 주목받게 된 제너레이팅 디자인

 

지금까지는 설계할 때 엔지니어의 숙련된 경험이 필요했지만, 설계가 3D화되어 파라미터 관리가 가능해지고 있어, 이들 조합하는 AI(인공지능)에 의한 최적의 자동 설계가 제조업 및 건설 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 이것은 제너레이팅 디자인이라 불리며, 많은 업계에서 적용되고 있어 생성형 AI(Generative AI)가 주목받고 있는 상황에서, 다시금 주목받게 된 유스케이스다.

 

설계 목표 및 기능, 공간 조건, 재료, 제조 방법, 비용 제약 등의 파라미터를 소프트웨어에 입력하는 설계안을 자동으로 생성한다. 고급스러운 느낌이나 강력함 등의 이미지에 근거한 설계 제안도 할 수 있다. 자동차나 가전제품 등의 폭넓은 영역에서 활용된다.

 

아래 이미지는 GM에 의한 자동차 부품의 제너레이팅 디자인 사례다. 3D 프린터를 통해 기존처럼 개별 부품을 조립하는 것이 아니라 처음부터 최종 형태를 만들어 낼 수 있게 되어, 복잡한 형태도 제조할 수 있게 되었다.

이러한 3D 프린터의 특성을 고려하는 최적의 설계/형태를 AI가 자동으로 제안한다. 기존 기술로는 불가능하거나 숙련된 엔지니어라 해도 상상할 수 없었던 설계를 제안하거나 설계 프로세스를 대폭 단축시킬 수 있다.

 

<그림2> 디지털 트윈을 활용하는 조달 효율 향상

자료 : Autodesk

 

제품 설계의 3D화는 조달의 효율을 높인다. 대형 생산재 판매 회사 미스미는 3D 설계 데이터를 업로드하면 AI가 즉시 그 형태를 확인하고 몇 초 만에 조달품의 견적을 내는 meivy를 전개하고 있다. 그리고 생산 측과도 연계하고 있다.

업로드된 설계 데이터를 가지고 공장에서 일하는 공작 기계, 검사기기 등을 활용하는 프로그램을 자동으로 생성하여 직접 제조와 연결 지음으로써 조달품의 견적부터 제조까지 대부분을 자동화하고 있다.

 

2. 공장의 라인 시뮬레이션/점검

 

생산 라인의 설계/검토에 있어 디지털 트윈이 널리 활용되고 있다. 지금까지 제조 라인은 생산 기술 부문의 숙련된 엔지니어가 2D 화면이나 테스트에 바탕을 둔 경험과 노하우에 근거하여 검토되었다.

따라서 생산 기술 엔지니어는 라인 구상을 시각화하기 어려웠으며, 사전에 제조 라인의 정량적인 생산성 시뮬레이션이나 간섭 확인 등을 숙련자의 노하우에 의존할 수밖에 없었다.

 

그런데 3D 모델의 라인 시뮬레이터를 활용하면 검토 단계에서부터 모두가 볼 수 있는 형태로 시각적으로 라인 구상을 형상화하여 각 조직/협력 회사와 공유하고 의논한다. 제조 공정에서는 실제 공장을 가동하거나 변경하지 않고 공장의 설계나 시운전, 개선 시뮬레이션을 할 수 있어 정량적인 시뮬레이션도 할 수 있다.

또한 이러한 시뮬레이션 결과를 실제 기기의 컨트롤러와 연동시켜 동작하게 할 수 있다. 그러한 동작 결과를 시뮬레이션에 피드백하는 등의 순환도 가능하다.

 

<그림3> 제조 라인의 디지털 트윈 시뮬레이션

자료 : Siemens

 

또 이러한 실물 크기의 시뮬레이션 결과를 메타버스 공간상에서 재현한 후 헤드셋을 착용하고 작업자로서 그 안에 들어갈 수도 있다. 그렇게 하면 실제 작업 상황 및 작업 부담 등을 직접 체험할 수 있다.

또한 앞서 기술한 설계된 제조 라인/기기의 디지털 트윈을 한 쌍으로 묶고 가동 IoT(사물 인터넷) 동작 데이터를 연결 지어 원격으로 감시하거나 예지 보전하는 데 활용할 수도 있다. 설비 점검에 대한 자세한 지시는 AR을 활용한다.

 

<그림4> 제조 라인 VR(실제로 사람이 실물 크기의 라인에 들어가 확인 가능)

자료 : Siemens

 

지금까지도 제조 및 기기/설비 등의 디지털 트윈화/시뮬레이션은 이루어져 왔지만, 현재는 ‘사람의 디지털 트윈화’도 가능하다. 인간의 동작 모델을 활용하여 조작성을 분석하고, 인간공학을 활용하여 특정한 자세의 부담을 분석하거나 근골격 장애 등 장기적인 부상이나 통증의 리스크를 시뮬레이션하기도 한다.

 

헤드셋을 쓰고 신체 센서를 장착하여 여러 사람이 3D 라인상에서 아바타가 되어 제조 라인의 상세한 작업을 확인할 수 있다. 제조 라인은 키나 체격에 따라 움직임이 다르다. 센싱 디바이스를 통해 자신의 체격을 재현한 아바타를 검증할 수 있기 때문에 실제 환경에서 사람이 움직이기 편한 라인이 무엇인지 검토할 수 있다.

 

기업계에서는 이전부터 현장에 있는 사람들이 알아서 깨닫고 자율적으로 개선할 수 있도록 하는 인간을 중심으로 하는 자동화를 중요시해 왔다. 이러한 기술과 기업의 강점/철학을 살려 ‘인간 중심’의 디지털화를 추진해야 한다.

 

<그림5> 메타버스에서의 제조업 라인 검증

자료 : Siemens

 

3. 디지털 생산 지시

 

맞춤화 및 다품종 소량 생산 등, 생산 형태가 다양해지면서 디지털 트윈을 통해 제조 작업자에게 지시를 내리려는 경향이 생겨났다. 셀 생산에서 설계 3D 정보에 근거한 작업 지시를 AR 글래스 등을 통해 지시하는 경우도 있다.

 

이미 설계 정보에 근거하여 3D 작업 지시를 자동으로 생성하는 시스템이 존재한다. 히타치제작소의 오미카 사업소에서는 ‘조립 내비게이션’ 시스템을 통해 작업을 지시하고 있으며, 이 시스템은 다른 회사에도 판매되고 있다.

 

조립 내비게이션 시스템은 부품의 속성 정보 및 조립 노하우를 첨가한 완성품 설계 데이터(3D CAD 데이터)를 통해 설계/제조 정보를 읽어 들여 3D 조립 작업 매뉴얼을 자동으로 생성하는 시스템이다.

기존의 2D 모델 작업 매뉴얼은 ‘읽어 들인 작업에 숙련되기까지 10년이 걸린다’고 여겨지는 등 숙련도에 따라 작업의 질이 달라졌다. 하지만 이 조립 작업 매뉴얼을 3D 내비게이션으로 디지털화하면, 숙련되기까지의 시간을 크게 단축하고, 작업의 품질을 표준화 및 유지할 수 있다. 설계 부문과 제조 부문의 횡단적인 연계를 실현한 좋은 사례다.

 

<그림6> 조립 내비게이션 시스템

자료 : Hitachi