3D 모델과 시뮬레이션

설계자들과 시뮬레이션 전문가들은 수 년 전부터 3D 모델로 작업을 진행하고 있다. 저장한 데이터와 정보들은 설계를 넘어 이미 여러 어플리케이션에 사용하고 있다. 잠재적인 고객, 서비스 기사, 플랜트 운영자 그리고 제조사들은 증강 현실과 시스템 시뮬레이션을 조합하여 신속한 작동 개시, 시간 절감과 결정 그리고 정비 지원 등 완전히 새로운 가능성을 열고 있다.

슈테파니 미헬 & 슈테파네 이타세

지난 30년 간 설계 분야에서도 커다란 변화가 있었다. 1980년대에 최초의 CAD 소프트웨어 제조업체가 컴퓨터 지원 시스템으로 설계가들의 작업을 수월하게 만들었을 당시 이러한 시스템을 처음 접한 사람들은 크게 고무되었다. 이때만 해도 3D 모델이나 CIM은 생각조차 할 수 없었지만 컴퓨팅 능력이 증가하면서 새로운 많은 것이 변화되었다. 1990년 대 업그레이드된 하드웨어 덕분에 많은 소프트웨어로 3D 모델을 구성할 수 있게 되었다. 그때까지는 이러한 기술이 과학이나 기술 분야에 국한되어 있었지만, 영화 산업이나 광고 산업이 발전하면서 설계된 제품에 보다 정확하고 사실적인 시뮬레이션을 위해 사용되었다. 자동차 업계에서는 (가상)충돌 테스트에서 더미를 대체하고 있는 추세이다. 3D 모델은 이른바 ‘최신 기술’이지만, 디지털화와 컴퓨팅 능력이 향상되면서 그 가능성도 더 많이 열리고 있다. 인더스트리 4.0 과정에서 디지털 3D 모델이나 그 데이터는 점점 설계를 벗어난 다른 영역으로 나아가고 있다. 설계는 이제 모델을 이용하거나 새로운 사업 모델을 개발하기 위한 바탕이나 원천에 불과하게 되었다.

기계 모델이 완벽한 머시닝 사이클을 시뮬레이션하다

프레스 라인 계획의 데이터를 다른 목적에도 사용할 수 있다.

한 걸음 더 나아가 오늘날은 복잡한 3D 모델 또는 디지털 트윈을 사용하여 컨트롤 유닛이나 주변 장치와 연결하여 기능을 미리 점검하고, 작동 개시를 가속화하여 전체 머시닝 사이클을 분석한다. 이를 위해 최종 제품이 반드시 있어야 할 필요는 없게 되었다. AP&T 프레스 제조업체는 기계가 설계되기 전 작년 말부터 이미 시뮬레이션 작업을 시작하였다. 오퍼 단계에서 고객이 요청하는 성형 시스템 이미지를 만들 수 있다. 시뮬레이션 프로그램은 생산 공정을 시각화하고 사이클 시간과 생산 능력을 계산한다. “뛰어난 시뮬레이션은 수백만 달러 규모의 생산 시설 투자에서 투자의 안전을 보장하고 그 결정을 쉽게 내릴 수 있도록 도와줍니다.“ (마그누스 스벤닝슨, AP&T 기술 판매 디렉터)

Siemens가 개발한 Process Simulate라는 소프트웨어는 주로 자동차 분야에서 사용하고 있다. 스웨덴의 린쾨핑에 위치한 딜러 Summ Systmes는 Siemens와 함께 AP&T의 특별한 요건에 맞추어 Discrete Event Simulation(이벤트 종속 시뮬레이션)을 위한 방법을 개발하였다. “우리는 생산 공장의 기계들이 가상 제어시스템을 통해 서로 통신하는 시뮬레이션을 개발하였습니다. 이를 통해 프로세스 중에 간혹 나타나는 병목 현상을 미리 감지할 수 있습니다. 이는 시간을 기반으로 하는 종래의 시뮬레이션에서는 불가능한 일이었습니다.“ (안드레아스 바크텔, AP&T 시뮬레이션 엔지니어)

시뮬레이션 프로그램을 통해 고객별 생산 시스템을 보다 신속하게 개발할 수 있게 되었다. 3D 레이아웃은 Process Simuate에서 CAD 형식으로 내보내거나 그 반대로 방향으로 보낼 수 있고, 시뮬레이션 프로그램에서 간혹 조정도 가능하다. 이 프로그램은 가상 작동 개시를 위한 준비가 되어 있다. 생산 시스템이 공장에 납품되면 바로 기계 작동에 사용할 수 있다. PLC(시스템의 제어 시스템)에 로드된 디지털 트윈을 작성하고, 기계가 시뮬레이션과 정확하게 똑같이 작동할 수 있어 시간이 절약된다.

시뮬레이션을 통해 프레스 라인의 생산 능력이 증대된다

프레스 시뮬레이션은 작동을 보다 빨리 개시할 때에 무엇보다 도움이 된다.

프레스 제조업체 Schuler도 다양한 응용 분야에서 자사의 시스템에 대해 시뮬레이션 기술을 이용하고 있다. “프레스 라인의 생산 능력은 공구와 공작물을 포함하여 모든 움직이는 부품을 시뮬레이션하면 최대 20%까지 증대할 수 있습니다. 실제 시스템에서 오랜 시간이 걸리던 테스트의 대부분이 필요 없게 되어 비용을 1/5로 줄일 수 있었고, 고객에게 이익으로 돌아왔습니다.“ (Dr. 슈테판 아놀드, Schuler 기술 책임자)

프레스 제조사는 부품 제작의 공정을 디지털로 예측하고 컴퓨터에서 계획하여 시뮬레이션한다. 시장 조사와 공작물 방향성에서 툴링과 공구 설계, 프레스 운동 및 자동화 장치에 이르기까지 모든 과정을 디지털로 묘사하여 처음부터 프레스 라인을 효율성에 맞게 조정한다. “하나의 프레스 단계에서 그 다음 단계로 부품을 공급하는 크로스바 피더의 움직임이 정확하게 조정됩니다. 마치 주자들이 정확한 순간에 바통을 넘겨주는 것과 유사합니다. 이 부분에서도 작은 차이들이 모여 시간을 절약하고 출력을 증가시킵니다.“ (슈테판 아놀드)

고객의 기계에 가상 모델 연결하기

레고든, 다른 장난감이나 모터 사이클이든 상관없이, 판독 가능한 코드와 적절한 앱을 사용하면 카탈로그에 있는 제품에 살아있는 생명을 불어넣을 수 있다.

디지털 모델은 Schuler 지원 시스템에도 사용한다. 스마트폰 앱인 Smart Assist는 중요 포인트를 확인하고 플런저와 트랜스퍼의 모션 곡선을 자동으로 계산하여 프레스 셋업 시 고객을 지원한다. 공급과 반출을 포함하여 기계는 고객의 공장에만 잘 맞으면 됩니다. Trumpf는 증강 현실 툴을 개발하였다. 이 툴은 Trumpf 시스템의 3D 모델을 고객의 환경에서 1:1 축적으로 시각화하여 계획 오류를 줄일 수 있다. 이 기술은 기계 공학에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 잠재적 고객의 취향을 새로운 제품으로 바꾸는 보편적인 마케팅 도구이기도 하다.

Lego는 증강 현실을 통해 레고 카탈로그와 해당 스마트폰 앱의 제품을 생생하게 전달하기 위해 PTC의 Thingworx를 이용한다. 자동차 제조에서는 부분적으로 반대 방향으로 작업이 이루어진다. 이 경우는 모델 변경 빈도가 높고 모델 당 생산 개수가 적기 때문에 생산이 보다 유연해져야 한다. 따라서 뷔르츠부르츠 대학 컴퓨터 과학 연구소의 안드레아스 뉘히터 교수는 모델 변경을 준비하기 위해 생산 라인의 디지털화에 대한 Volkswagen AG의 프로젝트를 진행하였다. 3D 스캐너가 작업 진행 중인 제조 프로세스를 캡처하고, 가상 생산 라인을 이용하여 궁극적으로 새로운 모델 생산을 위해 제조 라인을 어떻게 변환해야 하는지를 미리 시뮬레이션하였다.

인더스트리 4.0 과정에서 기계 또는 플랜트 모델의 정보와 데이터를 사용할 수 있는 가능성은 여전히 있다. 예를 들어 3D 모델을 실제 시스템 데이터에 연결할 수 있다. 드레스덴의 Systema Systementwicklung Dipl.-Inf. Manfred Austen GmbH는 플랜트 통합, 프로세스 자동화, 예측 유지보수와 같은 일반적인 생산 환경의 모든 프로세스를 묘사하는 완전 자동화된 3D 공장 모델을 개발하였다. 공장을 지능적으로 제어할 수 있으며 비용과 노력도 낮출 수 있다. 가상 공장은 전형적인 생산 환경의 프로세스에 대한 상세한 시뮬레이션을 실시간으로 전달한다. 지능형 컨트롤은 내부 프로세스에 영향을 미치고 새로운 컨트롤 로직을 사전에 가상으로 테스트할 수 있다. 미래에는 산업 생산이 증강 현실에 의해 확장될 것으로 예상되고 있다. Systema는 증강 현실을 이용하여 원격 생산 사이트를 한 지점에서 제어하거나 기계 데이터를 관찰자의 시야에 직접 투사한다.

가상 환경에서 디지털 시스템 모니터링

서비스 기술자는 태블릿의 시스템의 디지털 3D 모델(여기서는 펌프 어플리케이션)을 이용하여 어디에 문제가 있고 어떻게 제거하면 되는지를 알 수 있다.

PTC의 가상 현실 플랫폼인 Vuforia는 이미 유사한 가능성을 제공하고 있다. Thingworx Studio를 사용하여 제조 기업들에게는 완전히 새로운 가능성이 열렸다. 프로그래밍 지식없이 3D CAD 모델, 회사 시스템에 있는 데이터, 텍스트 지침, 애니메이션 그리고 실시간 센서 데이터가 통합되는 가상 환경을 만들 수 있다. PTC 자체는 사용자가 지능형 네트워크 환경에서 제품을 더욱 잘 개발하고 유지 및 운영할 수 있는 „경험“을 제공한다.

한 가지 예시로 National Instruments의 Ian Fountain과 Osisoft의 Enrique Herrera가 PTC Liveworx 2016에서 Flowserver 펌프 어플리케이션을 사용하여 시연하였다. 이러한 시스템은 고장으로 인해 크게 손상될 수 있는 위험한 영역, 즉 광산 배수, 석유 화학 또는 지역 에너지 등의 파이프 라인 등에 사용한다. 시연 어플리케이션에는 데이터 생성을 위한 센서와 데이터 분석을 위한 하이 퍼포먼스 컴퓨터를 추가로 제공하였다. 셀프 러닝 플랫폼 Thingworx Analytics를 통해 데이터를 자동으로 평가하고 대시보드로 출력한다. 시스템은 기계 상태가 정상인지, 어느 시기에 문제가 발생할 수 있는지를 체크하여 실시간으로 오류를 알려준다. 유지보수 기술자가 외출한 경우 태블릿의 앱을 통해 시스템의 가상 모델을 사용하고, 유지보수와 수리에 대한 정보는 물론 기계 데이터도 받을 수 있다.

가상 세계에서 환자의 건강을 돌보다

의료진은 인간화된 가상 3D 모델을 통해 전문적인 수술을 시뮬레이션하고 진단 방법을 결정할 수 있다.

Dassault Systèmes은 „Living Haert Project“에서 세계 최초로 인간 심장의 실제적인 3D 시뮬레이션 모델에 중점을 둔 다른 길을 보여주었다. 이 프로젝트는 3D Experience 플랫폼의 시뮬레이션 어플리케이션을 이용하여 개발하였다. 이 프로젝트의 배경은 전세계적으로 사망자의 30%가 심혈관 질환으로 인한 것이라는 점에 기인하였다. 개별적인 진단과 치료가 질병의 확산 저지를 촉진할 수 있으나, 이에 필요한 인간의 현실적인 3D 모델이 아직 없었다. 연구자들은 의료기와 장치들 상호 작용에서 인간의 행동을 제한적으로만 예측할 수 있다. 인간화된 가상 3D 모델을 통해 환자의 심장이 광범위한 수술에 대해 어떻게 반응하는지 시뮬레이션할 수 있다. 이는 환자와 의료진 모두에게 불확실성을 덜어줄 것으로 예상된다. 이러한 이유로 Dassault Systèmes는 45명의 참가자와 협력하여 3D 모델을 만들었다. 이 모델은 심장의 전기적, 기계적 거동을 생생하게 묘사한다. Living Heart 모델은 잘 정의된 심장의 해부학적 세부 정보와 대동맥궁, 폐동맥, 대정맥과 같은 근위부 혈관 시스템을 포함하고 있다. 심장 모델의 역동적인 반응은 현실적, 전기적, 구조적, 유동적인 법칙의 적용을 받는다. 심장 초음파 검사, MRI, CT 영상을 심장 연구로부터 얻은 데이터와 연계하여 개인화된 3D 심장 시뮬레이션으로 추가의 침습 진단법을 사용하지 않고 환자의 심장을 분석할 수 있다. 외과 의사, 심장 전문의는 이 가상 의료기기를 사용하여 치료 방법, 치료 접근법과 수술 방법을 결정할 수 있다. 정확하게 말해 가상 환경에서 가상 의료기를 이용하여 이루어진다. 이 과정은 기술 개발이나 설계와 유사할 수 있지만 여기서 다루는 것은 생명이며 생존이다. ”시뮬레이션 기술의 발전에 대해 익히 알고는 있었지만, 심장 전문의이며 선생으로서 저는 Living Heart 프로젝트가 시작되기 전까지 마주하게 되는 질문에 답을 얻을 것이라고 확신하지 못했습니다.“(로버트 슈벵엘, Brown University (Rhode Island/USA) Alpert Medical School 임상 조교수)

무한한 컴퓨팅 능력뿐만 아니라 기술 가능성은 오늘날 디지털 3D 모델 사용에 있어서 믿을 수 없을 정도로 폭넓은 스펙트럼을 제공하고 있다. 물론 게임 산업이 동력이 되기는 하였으나, 제조 산업도 이러한 혜택을 볼 수 있고, 인더스트리 4.0 및 디지털 팩토리 방향으로 한 걸음 더 나아갈 수 있다. 그럼에도 여기에서 가장 기본은 3D CAD 모델이다.