[CAE] 신속하게 제품을 개발하는 방법

신속 제품 개발(Rapid Product Development, RPD)을 위한 ‘개발 과정’과 ‘개념 설계’의 효율성은 컴퓨터의 비용, 속도와 직접 관련이 있다. 컴퓨터가 더 빠르고 저렴해지면서 컴퓨터는 더욱 강력한 용도로 사용하였다. (1) 의사소통, (2) 시각화, (3) 시뮬레이션에 컴퓨터를 사용하여 효율적인 RPD 전략을 구현할 수 있었다.
 
(1) 의사소통(communication) 방법의 개선은 동시(concurrent) 및 협업(collaborative) 기술의 인기를 반영했다. 설계팀은 공급업체, 고객, 내부 지원팀 및 동료 설계팀과 연락하면서 상세하고 정확한 데이터를 공유할 수 있었다.
 
(2) 시각화(visualization)의 발전으로 기술자는 형상과 부품의 상호 작용을 더 잘 이해할 수 있었다. 스프레드시트나 잘 구성된 수식들이 가치 있는 설계 데이터를 제공할 수 있지만, 가상공간에서 개념(concept)을 검토하는 기능은 다양한 설계 변수를 결정할 때 원인과 결과에 대한 소중한 통찰력을 제공할 수 있었다. 3D 솔리드 모델링으로 구현한 가상세계에서 일하는 기술자가 파일에 “여기에 섞는다. (Blend Here)”라는 메모를 넣지는 않을 것이다. 제조업체는 제조하기 어려운 부품을 사진 같은 이미지로 볼 수 있고, 더 나은 제작 방법을 계획할 수 있었다.
 
(3) 시뮬레이션(simulation) 도구는 많은 회사에서 제품의 개발주기를 획기적으로 단축했다. 형태, 조립성 및 기능 등을 3차원 가상공간에서 바로 확인할 수 있었다. 또한, 실사 렌더링은 하나의 실제 부품을 생산하기 전에 마케팅에 활용할 수 있었다. 시뮬레이션으로 계산한 부품이나 제품의 응력과 변위는 실험이 매우 어렵고 엄청난 비용이 필요한 극한 상황뿐만 아니라 작동 조건에서도 검토할 수 있었다. 설계변경의 요청이나 현장에서의 수리비용을 줄일 수 있도록 잠재된 실패 요인과 막대한 비용 절감 방안을 개발과정 초기에 식별할 수 있었다.

 그래서 신속한 제품 개발에 필요한 의사소통, 시각화 및 시뮬레이션 기능을 제공하는 세 가지 기술이 등장했다. 이 기술이 바로 솔리드 모델링(3D CAD), 유한요소해석(FEA) 및 쾌속 조형(Rapid Prototyping, RP) 시스템이다.
 
설계 기술자는 3D CAD로 파트와 어셈블리를 솔리드 모델로 설계하여 ‘시각화’와 ‘의사소통’ 관점에서 모호하지 않은 방법으로 신속하게 아이디어를 표현할 수 있다. 팀원은 조립성, 제작 가능성 및 “모양과 느낌(look and feel)”을 알 수 있도록 ‘시뮬레이션’으로 검증할 수 있다. 이 솔리드 모델은 부품이나 제품의 기본 데이터로써 상세도 작성, 문서화, 시제품 개발, 해석, 제조 및 마케팅과 같은 모든 다른 소프트웨어에서 다시 사용할 수 있다.
 

 
RP는 ‘가상’ 세계와 ‘실제’ 세계를 연결한다. 기술자가 몇 시간 만에 부품의 3D “프린트”를 만들 수 있는 시점까지 기술이 발전했다. 기술팀과 영업팀은 개념 설계의 세밀한 변경사항을 검토하고, “실시간”에 가깝게 제안 사항을 시제품에 적용할 수 있다. 솔리드 모델은 다양한 기능을 사용하여 많은 데이터를 전달할 수 있지만, 회의 참가자에게 모니터와 마우스를 모두 가져다줄 수는 없을 것이다. 하지만 RP로 제작한 시제품은 회의 참석자의 수많은 질문에 바로 답할 수 있다.
 

 
이론적으로 계산한 변형 결과로 형태와 조립성은 확인할 수 있지만, FEA는 변형 형상과 조립성에 초점을 맞춘다. 제품 개발을 시작하는 단계에서 응력, 변형, 온도 및 진동 응답 또는 유체 유동 특성을 이해하는 것은 분명히 ‘시뮬레이션’만 구현할 수 있는 것이다. 형상을 바꾸면서 여러 번 설계를 반복하는 것은 갑자기 새로 설계하거나 수많은 시제품을 다시 만드는 과정을 현저하게 줄일 수 있다. 오늘날의 소프트웨어는 검토 중인 부품의 렌더링(rendering)이나 동영상으로 시각화하고, 소통할 수 있도록 기술자의 능력을 크게 향상시킨다. 누군가 설계변경을 요구하면, 수식으로 가득 찬 논문이 관리자나 제조 기술자의 주의를 끌지는 못하겠지만, 중요한 위치나 비틀어진 부품을 몇 배 변형시키고, 빨간색으로 정확한 위치를 보여주는 3차원 모델은 실제 결과와 정확성에 상관없이 사람들을 앉아서 집중하게 만들 수 있다.
 

 
기술자 대부분은 RPD의 가치와 그 과정을 실현하는 모든 기술의 중요성을 인식할 것이다. 하지만 기업은 이 기술을 다양한 수준으로 받아들였다. 이런 기술의 수용이 기업의 발전과 비례하지 않는다는 점이 매우 흥미롭다. 
 
이런 도구의 도입 수준이 느리다는 것은 기존의 설계팀이 익숙한 개발 과정에서 벗어나는 것을 꺼린다는 것을 알 수 있다. 지금까지 설계팀의 주요 데이터는 ‘도면’이나 ‘시제품’이었지만 이것은 전체 개발 과정의 일부분일 뿐이다. 대부분 회사에서 사용되는 전통적인 제품 개발 주기가 시간이 지날수록 짧아지면서, 선택한 설계안의 성능을 오랫동안 공학적으로 판단하는 과정을 점점 제외하였다. 오늘날에도 많은 전문기술 산업 회사는 “최상의 추측(best guess)” 설계를 적용하고, 가능하다면 재설계의 위험을 감수할 것이다. 이것은 실험과 시제품 제작을 줄이기 위해 초기에 공학적 판단이나 해석을 확장하면서 초기 시제품 제작을 지연하는 것보다 이미 언급한 바로 그 효과 때문에 더 매력적으로 보인다. 
 
초기 설계는 제품을 중심으로 진행되었다. 여기에서 설계팀의 주된 임무는 ‘배치(layout)’를 확인하고 ‘도면(drawing)’을 작성하는 것이다. 구조 성능이 명확하게 문제가 될 때, 도면 작성 단계에서 계산, 해석 또는 보수적인 설계로 해결할 수 있다. 부품과 제품의 실제 성능은 일반적으로 시제품 제작과 실험 단계까지 파악할 수 없다. 이 단계에서 아무런 문제가 발생하지 않으면 설계는 그냥 받아들여지고 완료된 것으로 간주한다. 시간과 예산이 허락한다면 일정과 비용을 다 쓸 때까지 시행착오를 거쳐 어느 정도의 최적화가 수행된다. 시제품이 실험 단계에서 실패하면, 기업은 대개 되도록 작은 변경으로 문제를 해결하기 위해 분투한다. 이 단계에서 FEA가 종종 도입된다. 그러나 기술자의 손은 다른 부품이나 진행 중인 다른 부품의 설계 때문에 제한된 설계에 묶여 있을 것이다. 진정한 최적화는 제한된 상황 때문에 이 단계에서는 매우 어려우며, 이러한 제한으로 요구되는 설계변경이 가장 비용 효율적이지 않을 수 있다. 
 
제품 개발 과정의 후반에 상대적인 설계변경 비용이 가장 큰 이유는 기업이 설계에 대한 투자를 이해하는 수준이 너무 낮기 때문이다. 더 많은 제품 개발 사이클이 필요할수록 예산과 실제 개발 비용의 차이가 점점 벌어질 것이다.
 
선행 예측 분석이나 시뮬레이션의 가치는 지식 격차를 줄이고 제품 개발 주기의 후반에서 시간과 비용을 절감할 수 있는 잠재력이 있다는 것을 분명히 알아야 한다. 계획된 실험은 더 신속하고 적은 비용으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 시뮬레이션은 기술자가 실제 환경에서 해결하기에는 너무 비용이 많이 드는 설계 옵션이나 극단적인 하중에 대한 시나리오를 탐구할 수 있다. 복잡한 플라스틱 부품의 시제품 가공 비용을 검토하면 적합한 설계 옵션의 가치를 디지털 방식으로 간단하게 확인할 수 있다. 이 개정된 개발 과정으로 지식의 격차나 투자와 이해의 불확실성을 바로 마무리할 수 있다.