첨단 시뮬레이션 소프트웨어, 제품 설계 및 제조 효율성 향상

제품 복잡성, 경량화, 첨단 소재, 새로운 제조 방법과 같은 까다로운 문제와 씨름할 때, 오늘날의 제조 엔지니어들은 이러한 과제에 대한 해결책을 시각화하기 위해 고충실도 시뮬레이션을 점점 더 많이 사용합니다. 최신 시뮬레이션 소프트웨어는 고급 CAE 패키지와 NC 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 제품 설계와 성능을 개선하는 단서를 제공할 뿐만 아니라, 이를 달성하는 가장 효율적인 방법을 결정하는 데 도움을 줍니다.

적층 제조(AM)와 같은 새로운 제조 공정은 제조업체에게 다른 문제를 제시하며, 시뮬레이션은 어떤 솔루션이 가장 잘 작동하는지 미리 결정할 수 있습니다. 많은 시뮬레이션 소프트웨어 패키지는 이제 적층 전용 시뮬레이션을 제공하여 적층 제품이 제작되는 적층 공정을 조명하는 동시에, 전통적인 절삭 금속 가공 공정을 더 효율적으로 만드는 방법을 시각화하는 데 도움을 줍니다.

복잡성 문제 해결

이산 제조에서 제품 개발 엔지니어는 엄청난 도전에 직면합니다. 자동차부터 항공기, 거대한 선박과 중장비에 이르기까지 모든 것이 산업용 사물인터넷(IIoT)을 위한 전자 시스템을 프로그래밍하는 수백만 줄의 코드를 포함합니다.

"우리가 보는 더 큰 트렌드는 제품 복잡성의 증가입니다." 지멘스 PLM 소프트웨어(플라노, TX)의 글로벌 시뮬레이션 제품 마케팅 디렉터 라비 샨카르(Ravi Shankar)는 기계 부품의 전자장치 수준 증가에 주목하며 말했습니다. "이를 주도하는 것은 디지털 트윈과 모델 기반 엔지니어링입니다."

자율 주행 차량과 드론은 시뮬레이션 소프트웨어 시스템을 필요로 하는 복잡한 시스템의 최신 예라고 샨카르는 말했습니다. "자동차 연비와 배출가스에 초점이 맞춰지면서 경량화와 생성적 설계의 사용이 증가하는 것도 보았습니다." 그는 덧붙였습니다.

지멘스는 최근 자사의 심센터(Simcenter) 시뮬레이션 솔루션과 새로운 센서 기술을 통합한 자율 주행 자동차 솔루션을 도입했습니다. 3월 시카고에서 열린 지멘스 US 혁신의 날에서, 회사는 타스 프리스캔(Tass PreScan) 가상 센서 이미지와 멘토 DRS360 플랫폼을 사용하여 센서 융합 및 처리를 위한 알고리즘 개발을 자동화하는 시스템을 공개했습니다.

"첫 번째 트렌드는 물리 기반 세계 모델과 물리 기반 센서 모델을 생성할 수 있다는 것입니다." 타스 인터내셔널(Tass International, 스테노벤베그, 네덜란드)의 제품 디렉터 마르테인 티데만(Martijn Tideman)은 말했습니다. 이 회사는 작년 지멘스에 인수되었습니다. "이 모델들은 실제 카메라, 레이더, 라이다에서 온 것처럼 고충실도 인공 센서 정보를 생성할 수 있습니다. 이러한 인공 데이터를 차량 내 처리 장치(예: DRS360)에 공급하면, 단 1마일도 주행하지 않고 차량 내 하드웨어/소프트웨어를 평가할 수 있습니다."

또 다른 핵심은 자동화된 주행 시뮬레이션 소프트웨어가 고성능 클러스터(HPC)에서 실행되도록 하는 것이라고 티데만은 말했습니다.

"이 클러스터들은 많은 시뮬레이션을 병렬로 실행할 수 있어 가상 평가/검증 프로세스를 가속화합니다. 주말 동안 백만 가상 마일을 주행할 수 있기를 원합니다."

"자동화된 주행 시뮬레이터는 맵 임포터와 같은 다양한 다른 하드웨어 및 소프트웨어 모듈과 연결되어 가상 도로 네트워크를 자동 생성하거나, 차량 동역학 시뮬레이션 도구와 연결되어 차량이 제어 동작에 올바르게 반응하는지 확인해야 합니다." 그는 설명했습니다. "시뮬레이션 도구 간의 인터페이스는 점점 더 표준화되고 있습니다." FMI/FMU(기능 모의 인터페이스/기능 모의 단위) 등이 그 예라고 티데만은 덧붙였습니다.

파괴적 시뮬레이션

몇 가지 핵심 지원 기술이 제조에서 시뮬레이션이 적용되는 방식에 영향을 미치고 있습니다. "수많은 기술적 개발이 지속적으로 진화하고 개선되고 있지만, 소수는 시뮬레이션 역량이 사용되는 위치, 방식, 주체를 근본적으로 파괴할 잠재력을 가지고 있습니다." 오토데스크(Autodesk Inc., 샌라파엘, CA)의 제조, 건설 및 생산 부문 제품 전략 및 관리 수석 매니저 세스 A. 힌드만(Seth A. Hindman)은 말했습니다.

"무어의 법칙은 대부분이 상상한 것보다 훨씬 더 오래 사실로 유지되었습니다. 처리 능력의 지속적인 발전으로 믿을 수 없을 만큼 강력한 하드웨어가 매우 낮은 가격에 접근 가능해졌습니다. 광범위한 광섬유 네트워크 개발과 결합되어, 기업들은 자체 인트라넷 속도를 초과하는 외부 컴퓨팅 리소스에 연결될 수 있습니다." 힌드만은 말했습니다. "버스트 용량, 탄력적 컴퓨팅, 구성 가능한 HPC[고성능 컴퓨팅]는 기업이 제품을 엔지니어링하고 제조하는 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 제품이 수많은 애플리케이션과 환경에서 어떻게 수행될지 진정으로 이해하기에 충분한 분석을 실행할 수 있게 하기 때문입니다."

제조업체들은 메쉬 의존 분석에서 벗어나고 있다고 힌드만은 말했습니다.

"3D 설계 데이터의 보편적인 특성은 네이티브 설계 데이터와의 연관성에서 이익을 얻을 수 있고 더 이상 메쉬에 의존하지 않는 시뮬레이션 도구에 대한 수요를 지속적으로 압박해 왔습니다. 이는 일반적인 워크플로에서 생산성을 증가시킬 뿐만 아니라, 시뮬레이션 역량의 혜택을 볼 수 있는 대상을 확대합니다. 자연스러운 하향 압력은 더 견고하고 직관적이며 기존 CAE 요구 사항에서 벗어난 솔루션을 만들도록 합니다. 장기적 잠재력은 솔루션과의 상호작용을 단순화하고 힘든 작업을 자동화할 수 있게 한다는 것입니다."

시뮬레이션을 '업프론트(upfront)'로 가져오려는 CAE 내 오랜 관점은 이제 목표 기반 분석(objective-based analysis) 개념으로 대체되고 있다고 힌드만은 덧붙였습니다. "업프론트 시뮬레이션이 강력하지만, 여전히 당신이 설계한 것을 테스트한다는 전통적인 관례에 의존하는 반면, 당신이 정의한 목표를 충족하는 설계 탐색을 주도하는 것과는 다릅니다." 그는 말했습니다. 오토데스크는 현재 생성적 설계(generative design)를 엔지니어링 시장에 도입하고 있다고 힌드만은 덧붙였으며, 이는 오토데스크 퓨전 360 얼티밋(Fusion 360 Ultimate)에서 방금 사용 가능해졌습니다.

"우리의 생성적 설계 기술은 시스템에 의해 목표 영감을 받은 설계가 생성되도록 하여, 설계 공간의 광범위한 탐색을 촉진하고 통찰력 기반의 트레이드오프를 가능하게 합니다." 힌드만은 말했습니다. "엔지니어의 주요 임무는 역사적으로 작동하는 설계를 만드는 것이었습니다. 생성적 설계를 사용하면 모든 결과가 기본 요구 사항을 성공적으로 충족하므로, 의사결정과 트레이드오프가 핵심 비즈니스 이니셔티브 수준으로 격상됩니다."

적층 공정 시뮬레이션

적층 개발은 제조 산업을 계속 흥분시키고 있으며, 많은 시뮬레이션 개발자들이 최근 자사 시뮬레이션 소프트웨어의 새로운 또는 향상된 적층 전용 버전을 출시했습니다.

예를 들어, 4월 19일 시뮬레이션 개발사 앤시스(Ansys Inc., 캐논즈버그, PA)는 금속 AM 공정을 위한 시뮬레이션을 제공하는 새로운 애디티브 프린트(Additive Print) 및 애디티브 스위트(Additive Suite) 솔루션을 출시했습니다. 이 솔루션은 사용자가 경량의 복잡한 금속 부품을 프린트하고 미세 구조 특성과 거동을 분석할 수 있게 한다고 합니다. 앤시스는 이것이 설계 제약을 제한하고, 낭비를 줄이며, 프린트 시간을 단축함으로써 AM 비용을 줄이는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다.

앤시스의 완전한 적층 시뮬레이션 워크플로는 고객이 부품을 프린트하기 전에 제품 설계를 가상으로 테스트할 수 있게 한다고 회사 측은 말했습니다. 소프트웨어는 프린트 공정 이전에 시뮬레이션을 통합하여, 엔지니어가 설계 단계에서 부품의 성능을 설계, 테스트, 검증할 수 있게 하며, 물리적 시행착오의 높은 비용을 크게 줄입니다.

AM은 제조의 게임 체인저라고 앤시스의 적층 제조 디렉터 브렌트 스터커(Brent Stucker)는 말했습니다. "의료 기기는 환자 맞춤형 형상으로 생산될 수 있습니다. 많은 구성 요소의 예비 부품 재고는 과거의 일이 될 것입니다. 교체 부품이 주문될 때 생산될 수 있기 때문입니다." 스터커는 언급했습니다. "석유 및 가스 산업과 같은 극한 환경에서 작동하는 제품은 새로운 [더 내구성 있는] 하이브리드 재료 조성으로 생산될 수 있습니다. AM이 제공하는 기하학적 복잡성은 수십 개의 구성 요소를 더 가볍고 높은 성능의 단일 구성 요소로 통합할 수 있음을 의미합니다."

스터커는 AM에서 일반적으로 엔지니어링 시뮬레이션 사용자가 아니었던 설계자와 기계 작업자가 이제 복잡한 프린팅 공정을 이해해야 한다고 언급했습니다.

"기계 작업자들이 특정 기계 설정이 서포트 제거 전후 부품 변형을 어떻게 초래할지, 과도한 변형이 파우더 스프레딩 메커니즘이 부품을 치게 할지(소위 블레이드 크래시)에 대해 단순한 추측 이상을 원한다는 것을 보고 있습니다." 그는 말했습니다. "설계자가 DfAM[Design for AM]을 할 때도 상황은 비슷합니다. 그들이 설계한 부품이 성공적으로 프린트될지, 된다면 그 구성 요소의 특성이 무엇인지 알고 싶어 합니다."

"시뮬레이션은 적층 공정을 이해하는 힘을 설계자와 작업자의 손에 쥐어줍니다." 그는 덧붙였습니다. "그렇기 때문에 우리는 비엔지니어도 며칠 내에 도구를 사용할 수 있도록 독립형 프린트 공정 예측 도구인 앤시스 애디티브 프린트를 개발했습니다."

시뮬레이션 소프트웨어가 설계된 구조가 현장 운영 중 서비스 조건에서 견딜 수 있도록 보장하는 데 성공적으로 사용되어 왔지만, 복잡한 하중, 재료, 물리학에 의해 끊임없이 도전받고 있다고 다쏘시스템(Paris)의 시뮬리아 전략 이니셔티브 디렉터 수バム 세트(Subham Sett)는 지적했습니다. "시뮬레이션 소프트웨어는 이제 산업 성장을 가속화하기 위해 모든 측면에 대한 예측을 제공하는 다중 물리학 및 다중 스케일 솔루션 제공 추세에 있습니다. 예를 들어 자동차 산업에서 시뮬레이션 소프트웨어는 멀티바디 다이내믹스, 소음 및 진동, 충돌 안전성에서 비정상 흐름에 이르기까지 다중 물리학 문제와, 재료 설계, 다중 스케일 재료 업/다운 스케일링, 서브스트럭처에 이르는 다중 스케일 문제를 해결하는 데 사용되고 있습니다."

AM 공정으로부터 결과적인 형상을 예측하는 능력을 추가하는 것은 제조 시뮬레이션에서 가장 흥미로운 새로운 개발 중 하나로 꼽힙니다. 세트는 말했습니다. "스캔 경로, 재료 특성, 기계 및 레이저 특성을 고려하여, 부품이 프린트되는 동안 열과 중력으로 인한 부품 변형을 정확하게 예측할 수 있습니다."

적층 공정을 시뮬레이션하면 빌더가 공정을 더 정확하게 예측하고 제어할 수 있게 하여, 층별 적층 부품 빌드 공정에서 오류가 발생하는 것을 방지합니다.

지멘스의 샨카르는 지난해 NX 적층 모듈로 추가된 적층 공정 시뮬레이션이 제조업체가 제조 결과를 예측할 수 있게 한다고 말했습니다.

"레이어를 생성할 때 많은 것을 알아야 합니다: 냉각하는 데 얼마나 걸리는가? 부품의 보이드[빈 공간 또는 포켓]는 무엇인가? 시뮬레이션은 보이드와 제품의 잔류 응력을 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다." 그는 말했습니다. 시뮬레이션은 또한 제조업체가 공정을 표준화하는 방법과 제품이 어떻게 수행될지 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.

지멘스는 현재 위상 변화를 동반한 적층 공정과 부품 냉각 방식 같은 문제를 연구하고 있습니다. 일부 경우 계산 집약적 특성으로 인해 HPC가 사용됩니다. "계산이 종종 마비될 수 있습니다. 큰 모델을 풀려고 한다면 [HPC가] 매력적입니다." 샨카르는 말했습니다.

적층과 관련하여 오토데스크는 솔루션 포트폴리오를 계속 확장하고 있다고 힌드만은 말했습니다. "넷팹(Netfabb) 포트폴리오에 가장 최근 추가된 것은 오토데스크 생성적 설계 기능의 포함입니다. 앞서 언급했듯이 생성적 설계는 시스템에 의해 목표 영감을 받은 설계가 생성되어 설계 공간의 광범위한 탐색을 촉진합니다. 시스템이 능동적 참여자로 작동할 수 있는 핵심 요소는 적층 제조 공정을 인식하도록 가르쳤다는 것입니다. 따라서 3D 프린팅에 최적화된 결과를 생성합니다."

3월 넷팹 얼티밋(Ultimate) 릴리스로 오토데스크는 기존 독립형 넷팹 로컬 시뮬레이션(Local Simulation) 제공 외에 통합 공정 시뮬레이션 기능을 도입했습니다. 힌드만은 두 넷팹 버전 모두 이제 다음을 포함한다고 말했습니다: 갇힌 파우더, 핫 스팟/스코칭, 융합 부족 같은 효과에 대한 향상된 예측; EDM 부품 제거와 열처리의 영향 같은 추가 공정 에뮬레이션; 오토데스크의 선택적 탄력적 컴퓨팅 서비스 성능 향상; 넷팹 얼티밋에 공정 분석 기능 도입; 시뮬레이션 주도 보상된 부품 프리폼을 원래 지오메트리와 교체하는 간소화된 기능.

오토데스크는 또한 넷팹과 파워밀(파워밀 얼티밋) 포트폴리오와의 파트너십을 통해 다축 로봇 제어 전문성을 활용하여 직접 에너지 증착(DED) 공정에 대한 지원을 출시했습니다.

"이는 고속 증착 제조 중 예외적으로 큰 변형과 실패 가능성을 예측하는 또 다른 기능을 추가합니다." 힌드만은 말했습니다. "기업들이 금속 적층 제조를 수용함에 따라, 그들이 직면하고 극복해야 할 공통된 위험이 있습니다." 그는 금속 파우더 베드 퓨전 프린터 운영의 가장 일반적인 과제는 다음과 같다고 덧붙였습니다: 부품 변형, 워페이지(프린트된 부품이 허용되지 않으며 리코터를 손상시킬 수 있음); 열 응력 유도 실패/파쇄(프린트 중 부품이 파손되어 리코터를 손상시킬 수 있음); 서포트 실패(부품에 너무 많은 응력이 축적되어 빌드 플레이트와 부품 사이의 연결이 끊어져 부품이 허용되지 않게 되고 리코터가 부품과 충돌할 수 있음); 다양한 재료 특성(부품에 눈에 보이는 결함이 있거나 예상대로 성능을 발휘하지 못함).

NC 공정 시각화

NC 시뮬레이션 및 검증 공정에서 AM은 CGTech(어바인, CA)의 베리컷(Vericut) NC 시뮬레이션 소프트웨어 같은 시스템 개발자들에게 핵심 개발 영역으로 남아 있습니다. 최근 베리컷 적층 모듈(Vericut Additive module)을 추가했습니다. "적층 제조는 제조 분야에서 가장 뜨거운 트렌드 중 하나로 남아 있으므로, 시뮬레이션 소프트웨어는 이를 따라잡기 위해 노력합니다." CGTech 베리컷 제품 매니저 진 그라나타(Gene Granata)는 말했습니다.

"기계를 구동할 동일한 NC 코드를 시뮬레이션할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 것은 CNC 장비를 보호하고 가게에서 첫 시도부터 품질 좋은 부품을 만드는 가장 좋은 방법입니다."

복합재료에서 눈에 띄는 최신 트렌드 두 가지는 그래픽 디스플레이에 대한 집중과 공작물의 정확한 표현이라고 그라나타는 언급했습니다. "그래픽 개선이 단순한 미적 개선처럼 보일 수 있지만, 복합재료 조각의 순형상(net shape)을 정확하게 예측하고 시각화하는 것에서 실제 엔지니어링 이점이 있습니다. 제조업체들은 부품의 최종 형상과 품질을 예측하기 위해 소프트웨어에 더 많이 의존하기 시작했습니다." 그는 말했습니다. "완성된 공작물의 고해상도 디스플레이로 엔지니어들은 가장 관심 있는 특징을 더 높은 충실도로 조사할 수 있게 됩니다."

시뮬레이션 소프트웨어는 공장 생산성을 향상시키는 중요한 공정 평가 및 최적화 도구를 제공한다고 그는 덧붙였습니다. "효율적인 툴패스를 생성하기 위한 새로운 선택지가 정기적으로 시장에 등장하지만, 실제로 얼마나 잘 작동할까요? 포스트 프로세싱된 G-코드 툴패스로 구동되는 시뮬레이션 소프트웨어는 기계 런타임의 '진실'을 드러냅니다." 그라나타는 말했습니다. "이는 NC 프로그래머와 제조 엔지니어가 다양한 가공 방법을 판단하여 궁극적으로 부품을 만드는 가장 효율적인 방법을 선택할 수 있도록 돕습니다."

자동화, 가공 최적화, 기계 유연성은 스프링 테크놀로지스(Spring Technologies, 케임브리지, MA)가 NC시뮬(NCSimul) 및 옵티툴(Optitool) 소프트웨어 개발에서 추진하는 핵심 영역이라고 스프링 테크놀로지스 제너럴 매니저 실베르 프로이시(Silvere Proisy)는 말했습니다.

시장이 더 자동화된 프로세스를 요구함에 따라, NC시뮬은 더 많은 자동화를 개발하고 있다고 그는 말했습니다. "CAM 소프트웨어에서 NC시뮬로 전송된 데이터로부터 자동으로 검증되었으며, 시뮬레이션 결과는 최종 보고서로 프로그래머에게 이메일을 통해 전달됩니다. 사용자는 더 이상 소프트웨어와 상호작용할 필요가 없으며, 원격 서버에서 모두 실행될 수 있습니다."

옵티툴을 통한 CNC 가공 최적화가 개선되었다고 그는 말했습니다. "이제 두 수준의 최적화를 제공합니다: 하나는 에어 커팅 감소, 소재에서의 이송 속도를 변경하지 않고 모든 접근 및 후퇴 모션 최적화; 두 번째 수준은 학습 모드 최적화로, 칩 두께나 칩 흐름 등 9가지 절삭 매개변수를 기반으로 소재 절삭 이송을 조절하되 원래 이송과 속도를 손상시키지 않습니다."

기계 유연성은 NC시뮬 4CAM 옵션으로 세 번째 개발 초점입니다. "제조 회사가 몇 분 안에 한 기계에서 다른 기계로 작업을 변경할 수 있게 하고, CAM 소프트웨어에서 부품을 재프로그래밍할 필요 없이, 이것이 우리가 혁명이라고 부르는 것입니다." 프로이시는 말했습니다. "초기 G-코드를 읽고 새로운 코드를 자동으로 재작성합니다."