첨단 시뮬레이션 도구로 생산 효율성 마스터하기

시뮬레이션 도구들이 제조사의 공정 최적화를 훨씬 쉽게 만듭니다. NC 금속 절삭 시뮬레이션부터 3D 설계, 공장 플로어 이미징까지 생산 전체 경로 시각화. 오늘날 시뮬레이션 도구로 툴패스 설계자와 제조 엔지니어는 NC 툴패스가 어디서 충돌할지 정확히 보고 즉석에서 수정 가능, 금속 절삭 프로세스 시뮬레이션과 검증 대폭 가속.

시뮬레이션 시스템 최신 변화 중 일부는 빌더들이 급속 프로토타이핑과 생산 부품 적층 제조에 채택하는 급성장하는 적층 제조 공정에 적용되는 새 기능들. 새로운 NC 시뮬레이션 소프트웨어가 이러한 적층 공정 수용하도록 개조되어, 프로토타이핑과 생산 금속 부품 제작 모두에서 적층의 레이어별 공정으로 부품 제작에 소요되는 시간 계산·시뮬레이션이 훨씬 단순해짐.

보다 전통적인 절삭 가공에서도 제조사들은 하이엔드 시뮬레이션 도구로 부의 확산, 즉 '민주화'와 시뮬레이션 사용 확산(컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 포함, 보통 고도로 훈련된 전문가 주로 사용)을 제조 설계/생산 체인 전반으로 확산하는 지속적 트렌드에 집중.

적층과 절삭 시뮬레이션

CGTech(캘리포니아 어바인) Vericut과 Spring Technologies(보스턴) NCSimul 등 최신 NC 시뮬레이션·검증 도구들이 전통적 가공과 거의 같은 방식으로 적층 공정 시뮬레이션·검증 위해 적층 기능 추가.

"적층 제조는 최신 트렌드로, 점점 더 많은 제조사가 이 방식을 역량 카탈로그에 포함시키고 있습니다."라고 CGTech Vericut 제품 매니저 진 그라나타는 말했습니다. "CGTech는 현재 GE, 다쏘 항공, 마작, 셰필드 대학, 코네티컷 첨단기술센터[CCAT] 등 기술 파트너들과 협력해 올해 말 출시 예정인 Vericut 8.1에 탑재될 AM 모듈 협업·배양 중입니다."

새 Vericut은 클라우드에서 다운로드한 데이터로 최적화된 툴패스 사용. "최신 Vericut 소프트웨어 릴리스 8.0.2에서 Force '물리 기반' 툴패스 최적화 모듈 업데이트, 이제 클라우드 기반 툴링에서 입력값 직접 수신, 최적화 설정 간소화하는 여러 새 기능 혜택."라고 그라나타는 언급. "NC 프로그램이 마주치는 절삭 조건 미세 분석으로 Force는 NC 프로그램이 안전한 힘이나 전력 한도 초과하지 않는 최적 이송률과 이상적 칩 두께 갖도록 보장. 이는 생산성을 엄청나게 향상시킵니다."

새 Vericut 기술 개선사항에는 Vericut 8.0.2에서 100개 이상 사용자 요청 반영으로 설정 간소화와 사용자 경험 개선, 공구 수명 연장, 고비용 기계 스핀들 손상 방지. "구체적 개선에는 Force 최적화 모듈 내 업데이트, Tool Manager가 공구 사용·성능 가용 데이터 더 많이 임포트, Vericut Drill and Fastener[VDAF] 시뮬레이션 제품이 업데이트된 그래픽 사용자 인터페이스[GUI] 혜택."라고 그라나타 추가. "이 모든 향상은 고객이 NC 코드를 가능한 효율적으로 검증·최적화하도록 돕기 위함."

적층 시뮬레이션은 상대적으로 새롭지만 제조 고객에게 큰 가능성 보인다고 Spring Technologies 개발사 NCSimul Machine과 관련 시뮬레이션 제품 총괄 매니저 실베르 프로이지는 말했습니다. "적층용으로 기계 움직임 시뮬레이션하고 금속 레이어링에 필요한 시간 계산합니다."라고 프로이지는 말했습니다.

Spring Technologies는 주로 금속 적층 제조 공정에 집중했다고 프로이지는 언급, 항공우주/방위 분야 티어 1·티어 2 공급사(엔진·랜딩기어 빌더 포함)와 협력해 회사 NCSimul 소프트웨어 내 역량 활용해 이들 적층 공정 시뮬레이션 개발.

어떤 제조 공정이든 시뮬레이션은 필수적이며, Spring의 NCSimul 4CAM 소프트웨어로 제조 운영은 쇼플로어에서 큰 유연성 얻습니다. NCSimul 장점 중 하나는 사용자가 실제 G코드로 제조 절삭 또는 적층 공정 시뮬레이션 가능하고, 해선 안 될 절삭이나 이동 있으면 되돌아가 프로세스 재구축 용이. "프로세스 재시작 필요 없이 시뮬레이션 '즉석에서' 편집해 부품 재구축 가능."라고 그는 말했습니다.

적층 게임에 뛰어드는 다른 시뮬레이션 소프트웨어 공급사들로는 소프트웨어 거물 다쏘시스템(파리)과 Siemens PLM Software(텍사스 플라노).

다쏘의 AM 분야 진입에는 클라우드와 온프레미스 버전 모두 제공되는 Additive Manufacturing Engineer 포함, 제조사가 AM 공정 준비·검증 가능. 소프트웨어는 모범 사례 아카이빙으로 재사용 가능하게 하고, 부품 위치 자동 최적화, 적층 공정 다양한 전략 개발로 사용자 시간 절약.

3DExperience 2017x 릴리스는 설계, 시뮬레이션, 제조를 훨씬 더 높은 통합 수준으로 혁신한다고. 새로운 Function Generative Designer 역할로 설계자가 기능 명세(3D 엔벨로프, 로딩 시나리오, 소재, 중량 감축 목표, 희망 제조 공정) 제공하면 버튼 하나로 시뮬레이션 실행해 최적화된 컨셉 형태 생성. 이는 설계자와 엔지니어가 밀링, 주조, 단조 등 전통적 제조 공정 대비 적층 제조 유연성 활용 가능하게 함. 적층 제조용 새 디지털 제조·생산 역할 2개로 파우더 베드 퓨전과 산업용 3D 프린팅 셋업·공정 정의·최적화, 레이저 경로 프로그래밍.

2017년 1월 Siemens AG(뮌헨)와 적층 개발사 Materialise NV(벨기에 루벤)가 Siemens PLM NX 소프트웨어와 Materialise 기술 AM 분야 통합 협력 파트너십 발표. 계약하에 회사들 Materialise 기술 NX CAD/CAM/CAE 소프트웨어에 통합, 파우더 베드 퓨전과 소재 분사 3D 프린팅 공정용 CAD 모델 정확 설계 가능. 결과 소프트웨어는 완전 3D 프린팅 부품 제작 프로세스 30% 이상 가속화한다고 회사들 발표.

이 거래는 적층 제조를 고객 주류 생산 관행으로 만드는 데 거대한 도약 의미한다고 Siemens PLM Software 제조 엔지니어링 소프트웨어 수석부사장 즈비 포이어는 성명에서 말했습니다. "지금까지 적층 제조 공정은 제조사가 두 별도 시스템으로 작업 필요 — 하나는 제품 설계, 다른 하나는 그 설계를 3D 프린팅용으로 준비. 두 시스템 간 데이터 변환 이슈와 연관성 부족으로 시간 소모적이고 오류 발생 쉬운 공정. 이 이슈들 제거로 적층 제조를 보편적으로 인정받는 생산 도구로 확대 채택 돕습니다."라고 포이어 말했습니다.

NX가 이제 Materialise Magics 3D Print Suite 기술 활용, 엔드파트 제조용 일반적으로 채택된 AM 공정들(파우더 베드 퓨전, 소재 분사 포함) 가능하게 해 AM의 프로토타이핑에서 풀스케일 제조 기술로 진화 더 가속화 약속. 솔루션은 NX를 Materialise 격자 기술, 서포트 구조 설계, 3D 네스팅, 빌드 트레이 준비, 적층 제조용 빌드 프로세서 프레임워크 기술과 심리스하게 연관성 있게 링크. 데이터 변환, 변환 제거, 디지털 제품 설계 모델 변경이 3D 프린트 작업에 자동·연관적으로 반영. 결과: 더 높은 모델 정확도, 더 높은 품질, 훨씬 더 빠른 설계-생산 프로세스.

대중과 CAE 공유

최신 시뮬레이션 트렌드 중 CAE 도구들(전산유체역학(CFD), 유한요소해석(FEA), 위상 최적화 포함) 더 넓은 채택이 제조 운영에 진전 시작, CAE 전문가 외 더 많은 엔지니어들이 이런 시뮬레이션 기술 위력 활용.

"제조 전반에 영향을 주는 일부 트렌드들이 시뮬레이션 소프트웨어에도 반영됩니다. 적층 제조와 관련 시뮬레이션 기법, 위상 최적화, 제품 측면에선 복합재 시뮬레이션 포함."라고 Siemens PLM Software 글로벌 시뮬레이션 제품 마케팅 디렉터 라비 샹카르는 언급. "적층 제조는 다양한 전통 제조 공정용 툴링 생성에도 함의. 또한 시뮬레이션 기법들이 조립 시뮬레이션, 로보틱스 시뮬레이션, 자재 흐름 시뮬레이션, 인간 시뮬레이션과 인체공학 등 제조 공정에도 적용."

시뮬레이션은 잠재적 문제 훨씬 조기 탐지 가능하게 해 기업이 발생 전 문제 회피 가능, 샹카르 언급. "이는 제조 다운타임 감소, 더 빠른 처리 가능, 공구 수명·사용 증가, 자재 비용 절감으로 생산성에 직접 영향."

디지털화 프로세스는 좋은 적층 제조품 만들기 필수적, 샹카르 추가. "Siemens는 설계, 시뮬레이션, 적층 제품 생산 간소화 위한 여러 이니셔티브 보유."라고 말했습니다. "최근 제너레이티브 설계 혁신 포함, NX 사용 설계자가 위상 최적화 기법으로 경량 유기적 형태 생성, Convergent Modeling로 설계 다듬기, 제조 공정 구동. 비슷하게 복합재용으로 Siemens는 복합재 레이업 최적화, 드레이핑 공정과 부품 영향 시뮬레이션, 경화·스프링백 효과 시뮬레이션 등 솔루션 제공."

CAD/CAM 연구기관 CIMdata Inc.(미시간 앤아버)가 몇 년 전 시뮬레이션 연구에서 '민주화'라 묘사한 CAE 도구 민주화에 진전 있었지만, 그런 시뮬레이션 채택 더 진전시키기엔 아직 갈 길 멀다, 샹카르에 따르면. "일부 기업들이 시뮬레이션 기술 채택 선도하는 것 확실히 보지만, 사용 확대와 이 기술들 가치를 제조 엔지니어에게 가져오기 위한 많은 잠재력도 봅니다."라고 샹카르 추가. "시뮬레이션 기술들이 구조 해석, 금형 흐름·냉각 시뮬레이션, 복합재 제조 등 사용되지만, 대부분 여전히 전담 시뮬레이션 전문가들이 수행. 그래서 CAE 민주화가 진행 중이지만 아직 완전 잠재력엔 미치지 못했다고 믿습니다."

최적화된 드릴링

비싸고 내식성 소재 가공은 드릴에 극히 가혹, 도르트문트 공과대학(독일 도르트문트) 연구진이 Ansys Inc.(피츠버그) 유체 흐름·구조 해석 도구로 공정 냉각수 흐름 분포 분석해 더 긴 공구 수명 달성한 최근 연구.

도르트문트 공대 기계가공기술연구소(ISF)에서 디르크 비어만 교수 주도 연구팀이 초합금 Inconel 718용 드릴 수명 연장 방법 분석. 이 합금의 낮은 열전도도는 큰 열량을 외부 방법으로 보링 존에서 빼내야 함 의미, 아니면 공구 변형. 이는 열악한 보어 품질이나 카바이드 드릴 비트 파손 초래. 절삭존 온도 낮추려 50m/min 미만 상대적 낮은 드릴 속도 사용하지만 액체 냉각수 여전히 필요. 냉각수 필요 곳으로 유도 위해 랜드(드릴 비트 단단한 나선 패턴) 안 두 미세 채널로 펌핑.

드릴 구조, 냉각수, Inconel 공작물 간 복잡한 상호작용 이해 위해 ISF 팀이 Ansys 시뮬레이션 도구로 유체-구조 상호작용(FSI) 분석 수행해 공정 최적화. 완전한 유체 메쉬 생성, 엔지니어들이 Ansys CFX 전산유체역학(CFD) 소프트웨어로 유체 영역 냉각수 분포 모델링. 팀은 CFX 계산된 냉각수 힘을 추가 경계 조건으로 Ansys Mechanical 사용해 FSI 분석 완성. 모든 다른 CFD와 Mechanical 시뮬레이션 포함해 ISF가 4주 내 계산 분석 완료. "Inconel 합금 드릴링은 급속 마모와 기계 공구 손상 방지 위해 신중 관리."라고 비어만 언급. "팀이 냉각 공정 수정해 공구 수명 약 50% 개선."

디지털 팩토리 검증

적층과 CAE 발전 외에 제조사가 공장 플로어 레이아웃 빠르게 설계해야 할 필요성 그 어느 때보다 큼. Cenit North America(미시간 오번힐스) FastSuite Edition 2 같은 새 디지털 제조 시뮬레이션 도구들이 제조사 공장 레이아웃 설계와 사전 모든 제조 공정 검증 돕고, 프로세스 가속화와 설계 최적화.

"IoT나 인더스트리 4.0은 제조 플로어 근간을 흔드는 급진적 변화 의미합니다. 디지털 팩토리 소프트웨어와 3D 도구들이 그 변화 주도."라고 Cenit North America 선임 계정 매니저 리 밴 에브리는 언급. "디지털 팩토리 소프트웨어가 기업들이 스마트 제조에 효율적으로 진입하도록 돕습니다. 요즘 소프트웨어는 모든 CAD 시스템과 호환되고 어떤 제조사 로봇·기계와도 작동해야. 이는 점점 더 다양하고 복잡·요구 많은 고객 관계에 필수 전제조건."

오늘날 3D 기반 시뮬레이션 소프트웨어로 프로세스와 생산 작업 시각화·검증 가능, 밴 에브리 언급. "생산 공장은 드물게 백지에서 구축되지만, 생산 가동 중 재계획되는 경우가 많음. 가상 공장과 모델 플랜트가 실제 생산 시스템 정확한 표현 — 기하학적·운동학적뿐 아니라 제조 유닛 논리적 행동과 제어 측면에서도 — 이면 민첩하고 자기조직화된 생산 유닛 보장."

"디지털 팩토리로 시뮬레이션 기반 솔루션 없인 너무 비싸거나 불가능한 새 제조 공정, 플랜트 컨셉, 기술 구현 가능." 추가. "로봇 애플리케이션 더 많이 쓰일수록 — 단순 핸들링 작업뿐 아니라 복잡한 생산 단계도 — 프로그래밍·시뮬레이션 도구 이점 더 큼. 소프트웨어 솔루션들이 이런 복잡한 애플리케이션 길 이끌며, 운영자에게 필요 프로그래밍·시뮬레이션 환경 제공해 이전엔 수동 티칭으로 표현되거나 필요 공정 품질 안 보이던 애플리케이션 가능하게."

카탈로그 3D CAD 컴포넌트로 빠른 레이아웃 빌드 후 스크립트·매크로 프로그래밍해 자재 흐름과 셀 행동 시뮬레이션하는 대신, FastSuite Edition 2는 메카트로닉 컴포넌트와 리소스 레이아웃 정의에 사용하고 동시에 생산 아일랜드 논리적 회로도 정의, 밴 에브리 설명. "이 방식으로 시뮬레이션과 실제 행동 일치 보장 — 시뮬레이션이 PLC 프로그래밍 때 쓰인 같은 논리 기반하므로 나중 실제 시스템 행동과 대응."

Cenit 새 FastSuite 소프트웨어가 프로젝트별 새 컴포넌트 레이아웃 통합용 사용자 친화적 기능 제공, 밴 에브리 말함. "이 프로세스는 프로그래밍 지식 없는 사용자도 빠르고 쉽게 완료 가능해야."

소프트웨어 인프라는 개방 표준 기반, AML(Automation Markup Language)을 시스템 모델 기술 언어로 일관 사용 등, 밴 에브리 말함. 이는 표준화된 시스템 중립적 완전 시스템 데이터나 장비 데이터(운동학적·논리 정의 포함) 교환으로 엔지니어링 파트너와 훨씬 단순 상호작용 가능하게. 추가로 PLC Open으로 첫 시뮬레이션 개념 기반 시스템 로직이 나중 PLC 프로그래밍에도 사용 가능. 소프트웨어는 컨트롤이 시뮬레이션 데이터 쓰고 3D 시각화가서 시뮬레이션 데이터 읽는 공유 메모리 사용.

"롤 헤밍, 실링, 접착, 도장 같은 생산 공정은 소량 배치 오거나 엔지니어링 변경으로 새 오프라인 프로그램 로봇 셀 업데이트 필요할 때도 효율적으로 운영되려면 가상 프로그래밍·시뮬레이션 환경 필요."라고 밴 에브리 진술. "또 현대 디지털 팩토리 이점 보이는 측면: CAD 데이터뿐 아니라 엔지니어링 제공 메타데이터(패스너 등용) 재사용이 매번 생산에서 재정의하는 것보다 훨씬 효율적."

생산 측면에선 Line Designer가 NX 소프트웨어에서 생산 라인 레이아웃 설계·시각화용 첨단 애플리케이션, Siemens의 샹카르 말함. "통합 Siemens PLM Software 플랫폼으로 엔지니어가 설계된 레이아웃을 제조 계획과 쉽게 연관 가능. Line Designer로 설계된 레이아웃이 Tecnomatix 소프트웨어로 제조 공정 검증에 사용 가능. Process Simulate 애플리케이션으로 광범위 로봇 애플리케이션 검증 가능, 셀 검증과 로봇 배치 최적화 포함 완전 생산 시스템 시뮬레이션. 생산 공정 시뮬레이션으로 최적 제조 공정 정의 가능."