3D CAD와 Pro/Engineer의 특징 WooCheul Park, Dept. of Vehicle Engineering, Kangwon National University, 1 1 장 3D CAD와 Pro/Engineer의 특징 학습목표 본 장에서는 산업계에서 설계의 중요성이 점점 강조되고 있는 가운데 왜 3차원 CAD (이후 3D CAD) 가 그 역할을 담당해야 하는지에 대해 서술하고 3D CAD란 무엇인지에 대해 알아보고자 한다. 그 내용 으로서는 2차원의 한계와 3차원의 장점에 대해 서술하며 동시공학에 대해 대략적으로 서술함으로써 3D 의 중요성을 강조하고, Pro Engineer wildfire를 소개한다. 1.1 3D CAD의 개요 1.1.1 서론 설계란 상당히 여러 갈래에 걸친 작업의 총칭이며, 단순한 도면 작성 작업이 아니다. 만들어진 제품 이 고객의 요구 품질을 만족하는지, 제조공정에서 만들기 쉬운지, 부품은 조달하기 쉬운지, 점포에 진열 하여 팔 수 있는지, 사용자에 의해 정말로 사용하기 쉬운 제품인지, 시장에 나와서 품질문제를 일으키지 않는지, 환경에 대해 우수한지, 분해하기 쉬운지 이들의 항목을 하나하나 해결해 가는 것이 설계의 본연 의 역할이다. 이만큼 여러 갈래에 걸친 작업을 한 사람의 설계자가 숙달하기는 힘들다. 결국 설계란 영 업, 기획, 설계, 자료, 제조, 서비스 등 많은 부서의 멤버에 의한 공동 작업이라 하겠다. 3차원 설계(이후 3D 설계)란 “제품 모델” 혹은 “3D 모델”이라 불려지는 가상의 제품을 컴퓨터 상에 서 만드는 작업이며, “도면”작성을 최종 목적으로 하는 2차원 설계(이후 2D 설계)와는 근본적으로 성격 이 다르다. “3D 모델”은 실제의 제품과 같은 형상과 질감을 가지며 필요에 따라서 디스플레이 상에서 보 고 싶은 각도까지 자유롭게 회전시켜 검토할 수 있다. 이것은 “3D 모델”이 누구에 있어서도 이해하기 쉽고 또한 누가 보아도 같게 정확히 이해할 수 있는 것을 의미하고 있다. 즉, 설계자는 개발의 초기 단 계부터 많은 사람 혹은 많은 부서의 협력을 얻어가면서 작업을 진행하게 되었다. 결국 공동 작업이 일 찍부터 개시할 수 있게 되었다는 것이다. 그 결과 시작품이 완성한 후가 아니면 다른 부서로부터의 의견을 반영하는 것이 곤란했던 2D CAD 이전의 제품 개발 프로세스와 비교하여 3D CAD를 이용한 제품 개발 프로세스에서는 시작품의 완성 후 에 발생하는 설계변경이 대폭으로 감소했다. 즉 동시공학(Concurrent Engineer; 제품의 기획에서부터 개발, 제품 준비까지의 일련의 프로세스를 관계자 전원이 정보를 공유하면서 동시 병행적으로 진행함으로써 개발 기간의 단축을 꾀하는 설계 방법론)에 있어서의 프런트 로딩(front loading; 개발을 되도록 빠른 단계 에서 될 수 있는 한 많은 문제를 해결하여 후 공정에서의 문제 발생 빈도를 줄임으로써 되돌아 오는 것 을 감소시켜 개발 효율을 향상시키는 방법)의 효과이다. 이와 같이 3D CAD는 개발 리드 시간(lead time)의 단축에 극히 큰 효과를 발휘함으로써 국내외를 불 문하고 상당수의 기업에서 사용되고 있다. 1.1.2 기업에 있어서의 제품 개발 프로세스와 3D CAD의 역할 가격 파괴에 의한 제품단가의 저하, 그것에 동반한 국내 제조업의 공동화 등, 제조업을 둘러싼 경영 환경은 점점 어려움을 더해 가고 있다. 더구나 시장이 성숙하고 고객이 제품을 선택하는 눈이 한층 까 다로워지고 있는 현재 기업은 고객에 만족감을 주는 제품을 끊임없이 시장에 제공하지 않으면 안되며,
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3D CAD와 Pro/Engineer의 특징
WooCheul Park, Dept. of Vehicle Engineering, Kangwon National University, 1
1 장 3D CAD와 Pro/Engineer의 특징
학습목표
본 장에서는 산업계에서 설계의 중요성이 점점 강조되고 있는 가운데 왜 3차원 CAD (이후 3D CAD)
가 그 역할을 담당해야 하는지에 대해 서술하고 3D CAD란 무엇인지에 대해 알아보고자 한다. 그 내용
으로서는 2차원의 한계와 3차원의 장점에 대해 서술하며 동시공학에 대해 대략적으로 서술함으로써 3D
의 중요성을 강조하고, Pro Engineer wildfire를 소개한다.
1.1 3D CAD의 개요
1.1.1 서론
설계란 상당히 여러 갈래에 걸친 작업의 총칭이며, 단순한 도면 작성 작업이 아니다. 만들어진 제품
이 고객의 요구 품질을 만족하는지, 제조공정에서 만들기 쉬운지, 부품은 조달하기 쉬운지, 점포에 진열
하여 팔 수 있는지, 사용자에 의해 정말로 사용하기 쉬운 제품인지, 시장에 나와서 품질문제를 일으키지
않는지, 환경에 대해 우수한지, 분해하기 쉬운지 이들의 항목을 하나하나 해결해 가는 것이 설계의 본연
의 역할이다. 이만큼 여러 갈래에 걸친 작업을 한 사람의 설계자가 숙달하기는 힘들다. 결국 설계란 영
업, 기획, 설계, 자료, 제조, 서비스 등 많은 부서의 멤버에 의한 공동 작업이라 하겠다.
3차원 설계(이후 3D 설계)란 “제품 모델” 혹은 “3D 모델”이라 불려지는 가상의 제품을 컴퓨터 상에
서 만드는 작업이며, “도면”작성을 최종 목적으로 하는 2차원 설계(이후 2D 설계)와는 근본적으로 성격
이 다르다. “3D 모델”은 실제의 제품과 같은 형상과 질감을 가지며 필요에 따라서 디스플레이 상에서 보
고 싶은 각도까지 자유롭게 회전시켜 검토할 수 있다. 이것은 “3D 모델”이 누구에 있어서도 이해하기
쉽고 또한 누가 보아도 같게 정확히 이해할 수 있는 것을 의미하고 있다. 즉, 설계자는 개발의 초기 단
계부터 많은 사람 혹은 많은 부서의 협력을 얻어가면서 작업을 진행하게 되었다. 결국 공동 작업이 일
찍부터 개시할 수 있게 되었다는 것이다.
그 결과 시작품이 완성한 후가 아니면 다른 부서로부터의 의견을 반영하는 것이 곤란했던 2D CAD
이전의 제품 개발 프로세스와 비교하여 3D CAD를 이용한 제품 개발 프로세스에서는 시작품의 완성 후
에 발생하는 설계변경이 대폭으로 감소했다. 즉 동시공학(Concurrent Engineer; 제품의 기획에서부터 개발,
제품 준비까지의 일련의 프로세스를 관계자 전원이 정보를 공유하면서 동시 병행적으로 진행함으로써
개발 기간의 단축을 꾀하는 설계 방법론)에 있어서의 프런트 로딩(front loading; 개발을 되도록 빠른 단계
에서 될 수 있는 한 많은 문제를 해결하여 후 공정에서의 문제 발생 빈도를 줄임으로써 되돌아 오는 것
을 감소시켜 개발 효율을 향상시키는 방법)의 효과이다.
이와 같이 3D CAD는 개발 리드 시간(lead time)의 단축에 극히 큰 효과를 발휘함으로써 국내외를 불
문하고 상당수의 기업에서 사용되고 있다.
1.1.2 기업에 있어서의 제품 개발 프로세스와 3D CAD의 역할
가격 파괴에 의한 제품단가의 저하, 그것에 동반한 국내 제조업의 공동화 등, 제조업을 둘러싼 경영
환경은 점점 어려움을 더해 가고 있다. 더구나 시장이 성숙하고 고객이 제품을 선택하는 눈이 한층 까
다로워지고 있는 현재 기업은 고객에 만족감을 주는 제품을 끊임없이 시장에 제공하지 않으면 안되며,
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신제품 개발은 지열해 지고 있다. 이와 같은 상황 가운데 고객에 만족감을 줄 수 있는 매력적인 신제품
을 개발하기 위한 제품 개발 프로세스를 갖고 있을지 어떨지 기업이 Mega-selection 시대에 살아남을 수
있을지 어떠한지를 결정하는 열쇠가 된다고 해도 과언이 아니다. 그림 1.1에 예전의 자동차나 가전제품
등의 개발에 사용되는 전형적인 제품 개발 프로세스의 한 예를 나타낸다.
제품 개발 프로세스 중 처음의 프로세스는 제품 기획이다. 가장 먼저 시작되는 프로세스이므로 그
다음의 공정에 주어지는 영향은 대단히 크다. 아무리 물건을 값싸고 잘 만들어도 점포에 진열하여 팔리
지 않으면 불량품을 만들고 있는 것과 마찬가지 이다. 고객에 만족감을 줄 수 있는 제품을 끊임없이 시
장에 제공하기 위해서 제품 기획의 역할은 상당히 크다고 할 수 있다. 여기서는 소비자 설문 조사의 결
과, 불만사항 정보 등의 소비자 목소리를 얼마나 제품기획에 반영할 수 있을까가 중요한 열쇠이다. 또한,
설계 단계 이후가 되어 기획 변경을 하지 않으면 안될 사태가 발생하면 지금까지의 모든 작업을 수정하
지 않으면 안되게 되어 납품 지연 등의 치명적인 문제와 결부되지 않을 수 없다. 이러한 문제를 일으키
지 않기 위해서도 제품 기획 프로세스에 있어서는 제품 기획, 개발, 영업, 제조, 자료 등의 담당자 전원
이 지혜를 짜내어 모든 각도로부터 검토하고 확실한 제품 개념(concept)을 만들어 내는 것이 중요하다.
제품 개념이 결정된 후에 제품의 개념설계에 들어가지만 여기서 중요한 포인트는 제품 개념을 실현
하기 위한 여러 과제를 잘 해결해야만 하는 기술적 과제, 가격다운, 제조나 분해, 서비스 용이도, 환경에
의 배려 등이다. 개념설계는 다른 말로 구상설계라고도 하며 설계자가 가장 솜씨를 뽐낼 수 있는 곳이
며, 이 단계에서 제품 개념을 실현하기 위한 제품 구조나 구체적인 동작원리, 기구 등의 대부분이 결정
된다. 또한, 제품의 근본적인 성능이나 품질은 거의 이 단계에서 결정될 수 있다고 해도 좋다.
개념 설계의 다음 프로세스는 상세설계라 한다. 이 단계에서는 제품 강도나 부품간의 간섭체크, 그
위에 제품이나 서비스의 편리성 등도 고려한 제품의 구체적인 설계가 행해진다.
상세설계가 끝난 단계에서 제품 설계는 종료되지만, 이것으로 바로 제품 생산에 옮기는 것은 아니
다. 제품을 얼마나 만들지를 생각한 생산 준비 공정을 거쳐서 비로소 제품의 양산이 가능하게 된다, 생
산 준비 단계에서는 일반적으로 금형의 제작, 공정설계, 치공구 설계 등의 작업이 이루어진다. 또한, 많
은 기업에서는 제품 설계와 생산 준비의 프로세스 사이에 실제로 시작품을 만들어 문제가 없는지를 확
인하는 작업이 행해져 왔다. 시작품을 만들어 보고 문제가 발견되면 설계의 수정을 행하게 된다. 기술
시작이나 양산 시작이라 불려지는 이와 같은 시작품 제작은 대부분 기업에서 관례적으로 행해 왔다. 그
러나 3D CAD의 시대에 들어서 이 시작에 대한 사고 방식은 계속해서 크게 변화하고 있다. 결국 시작품
을 만들지 않고 3D 모델을 이용하여 여러 종류의 검증을 행하는 비시작이라는 사고방식이 점차 주류가
되고 있다.
제품 개발 프로세스의 개념에 대해 서술했지만, 제품 개발이란 기업의 많은 부서 간에 걸친 많은
활동의 총칭이며 결코 설계자가 혼자서 행하는 작업은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 즉 3D
CAD에 의해 제품 개발 프로세스에 가져올 수 있는 개발기간 단축, 품질 향상 등의 혜택은 단지 설계자
가 3D CAD를 사용하는 것에 의해 이루어지는 것은 아니고 많은 부문간에 걸친 제품 개발 프로세스 전
체 가운데 3D CAD 데이터가 커뮤니케이션 도구로서 유효하게 활용됨으로써 이루어진다는 것을 이해해
야 한다.
1.1.3 3D 설계란
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기계설계에 있어서의 가장 큰 변화는 3 D CAD의 대두이다. 3D CAD가 일반화 됨에 따라 종래의
기계설계의 이미지는 크게 변화하고 있다. 2D CAD까지의 시대(도면을 수작업으로 하던 시대 포함) 있어
서의 기계설계란 소위 도면을 출력하는 것이 최종 목표라고 해도 좋았다. 그러나 3D CAD시대의 기계설
계는 도면 출력에 주안을 두지 않고 오히려 컴퓨터에 의해 제품을 만드는 것에 주안을 두고 있다.
3D 설계에 의한 “도면”과 2D 설계에 의한 “도면”이 갖는 의미는 근본적으로 다르다. 2D 설계에 의
한 “도면”은 설계 프로세스에 있어서의 최종적 산물임과 동시에 유일의 설계정보 전달(communication)
수단이다. 2D CAD는 어디까지나 손으로 하던 도면 작성이라는 비효율적인 작업을 컴퓨터를 이용하여
효율성을 높인 것에 지나지 않는다. 2D 설계 프로세스에서는 “도면”이 유일의 정보전달 수단이기 때문에
문제의 발견이 늦어지는 경향이 있으며 효율이 나쁜 개발과 생산이 될 수 밖에 없다,
한편 3D 설계에서는 설계정보 전달의 주역은 “3D CAD 데이터”이며 “도면”은 보조의 수단에 지나지
않는다. “3D CAD 데이터”의 장점은 설계 결과를 정확히 이해할 수 있는 것이다. 즉 동시공학(concurrent
engineering)을 추진해 가는 과정에서 3D CAD는 필수 불가결한 도구이며, “도면”아닌 “3D CAD 데이터”가
커뮤니케이션 도구로서 큰 의미를 갖는 것이다. 표1.1은 2D CAD 와 3D CAD를 비교한 것이다.
표 1.1 2D CAD와 3D CAD의 비교
기능 2D CAD 3D CAD
Concurrent Engineer 대응
간섭 체크
디자인 평가
조립성 평가
조작성 평가
해석(강성, 열 변형, 진동)
CAM 대응
2차원 도면 출력
입력성(입력시간)
총 개발시간
가전제품이나 IT관련 제품과 같이 양산효과가 크며, 제품의 사용 수명(life cycle)이 짧은 제품들은 제
품 개발 단계에서 동시 공학의 기법을 사용하지 않고서는 제품 개발의 경쟁에서 이길 수 없다. 역으로
수주 제품의 경우는 상대의 의향에 따른 세상에 하나밖에 없는 것을 만들어 내는 것이 숙명이며 더구나
한번 개발한 것은 가까운 미래에 같은 사양이 수주가 있다는 보장이 없다. 특히 규모가 큰 수주 제품의
경우는 동시공학의 효과가 나타나기 어렵고 제품 개발에 있어서는 3D CAD를 이용하여 전체 프로세스의
단축을 꾀하는 것이 아니고 입력작업이 용이한 2D CAD에서 설계의 효율성을 꾀하고 있는 것이 현실이
다. 만약 수주 제품에 3D CAD를 적용하면 그 때마다 설계 부분의 3D 설계작업에 많은 시간을 빼앗기고
후 공정의 기간을 압박하며 결과적으로 납기가 지연될 수 밖에 없다. 더구나 많은 시간을걸려 작성한
3D CAD 데이터가 장래 재사용될 수 있다는 보장도 없다. 이러한 관점에서 보면 현재로서는 3D CAD를
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채용하는 장점은 적으며 2D CAD의 이용이 당분간 이어질 것으로 생각된다.
또한, 단순히 3D CAD를 도입하는 것만으로는 효율이 오를 턱은 없는 것도 인식해 두어야 한다. 예
를 들어 설계 부분만 3D CAD를 도입했다고 하면 확실히 정/동특성 해석이나 열변형 해석에 위력을 발
휘하고 간섭체크, 조작성 체크나 디자인 체크에서는 유효하다. 그러나 동시공학을 적용하는 것이 본래의
목적이며, 타 부문도 연루된 3D CAD 활용을 꾀하지 않으면 가장 중요한 동시공학의 효과도 반감된다.
예를 들어 설계가 3D CAD로 개발되었는데, 사내의 타 부서가 3D CAD의 설비가 없거나 3D CAD를 조작
할 없다면 동시 공학은 성립하지 않으며, 고객에게 사용할 수 있는 프레젠테이션 도구도 될 수 없다. 또
한 외주 업자를 포함하여 3D CAD 데이터를 제작과정의 CAM에 얼마나 빈번하게 사용하는지를 검토하
지 않으면 생산 공적의 효율화를 꾀할 수 없다. 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 사내 전체의 인프라를
구축하여야 진정한 3D CAD의 효과가 발휘된다고 할 수 있다.
그러나 수주제품이라 해도 설계의 효율화는 피할 수 없는 과정이며 동시공학의 설계기법은 도입할
수 밖에 없게 된다. 이 때문에 제품의 표준화, 부품의 공통화를 도모하고 물건을 만드는 방법을 양산품
에도 가깝게 3D CAD 데이터를 유용하는 등의 궁리가 필요하며 이것이 고객의 이점에도 연결되게 될 것
이다. 또한 3D CAD의 입력 작업의 용이성도 큰 주제가 될 것이다.
이와 같은 필요성에 의해 최근 3D CAD의 조작성 향상은 눈부시며 복잡한 부품의 경우는 2D 도면
을 그리기보다 3D 모델로부터 2차원화 하는 편이 간편하게 도면을 생성할 수 있는 경우도 나타나고 있
다. 또한 구입 제품에 있어서도 종래 전자 카탈로그로서 2차원 데이터 형식을 제공해온 메이커가 3D
CAD 데이터의 제공을 계속 원하고 있다.
2D CAD는 수주제품 분야에서는 현재 주류라 할 수 있으나 언젠가 3D CAD로 교체될 것이며 그 시
기는 기업마다 혹은 제품마다 다르다고 생각된다.
1.1.4 3D CAD가 제품 설계에 가져온 것
전 절에서도 3차원 설계는 컴퓨터 속에서 가상의 제품(digital mock-up)을 만들어 가는 설계수법이며
종래의 도면을 중심으로 한 설계와는 크게 다른 것을 설명하였다. 본 절에서는 3D CAD에 의한 가전제
품의 구체적 설계 사례를 이용하여 3D CAD 시스템이 제품과 제품 개발 프로세스의 양자에 가져온 몇
가지 변혁에 대해 서술한다.
1.1.4.1 3D CAD가 제품 개발 프로세스에 가져온 변혁
(1) 3D CAD 데이터를 이용한 대규모 어셈블리 제품의 간섭체크
산업기기와 같이 다수의 부품으로 구성된 대규모 어셈블리 제품은 다수의 설계자들의 분업화된 작
업으로 설계가 진행된다. 이 때문에 서로의 설계 결과가 간섭하지 않도록 설계자 사이의 조정을 꾀하는
것은 설계의 효율화에 있어서 상당히 중요한 문제이지만 종래의 도면 베이스 설계에서는 설계 단계에서
간섭 문제를 발견하는 것은 상당히 어렵고 실제로 시작품을 제작하고 난 후에야 문제가 발견되는 것이
일반적이었다. 이런 경향은 대규모의 어셈블리일수록 많이 나타나게 되지만, 반대로 대규모 어셈블리일
수록 시작 경비와 시간은 매우 중요한 문제이기 때문에 효율화에 대한 요구는 절실하게 된다.
이런 점에서 3D CAD는 컴퓨터 상에서 실제의 것처럼 취급하기 때문에 대규모 어셈블리 제품의 간
섭체크는 상당히 큰 효과를 발휘한다. 일본에서는 자동 판매기의 경우 3D 설계의 도입에 의해 최초의
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실기 시작단계에서의 간섭문제가 대폭으로 감소하고 개발기간 단축이나 경비 절감에 큰 효과를 얻었다
고 한다. 또한 거대한 어셈블리인 자동차나 항공기 개발에 있어서도 3D CAD시스템은 상당히 큰 효과를
보고 있다. 예를 들어 국제적인 팀에 의해 개발된 여객기 B777의 개발에 3D CAD시스템이 큰 역학을 했
다는 것은 유명한 사례이다. 이런 B777의 개발 사례는 단지 설계단계에서의 실수를 줄였다는 것뿐만 아
니라 국적이 다른 기업들의 협업에 의한 동시공학이 실현되었다는 점에서 의미하는 바가 크다 할 수 있
다.
Fig. 1 3D CAD의 활용 예
(2) 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 설계 평가
1.1.2항에서 서술했듯이 제품 만들기의 처음 단계에 있어서의 설계, 즉 개념설계(혹은 구상 설계,
conceptual design) 단계에서 소비자들의 감성을 고려한 차별적인 요구사항을 받아들이는 민첩 생산(agile
manufacturing)을 고려할 필요가 있다. 더구나 생산 가옥에 있어서의 가공성, 조립성, 분해성, 지구환경을
고려한 재생성, 재활용성 등 생산가공의 시뮬레이션을 행하여 컴퓨터상에서 모든 생산에 관한 상황을
가상현실(VR; virtual reality)적으로 시뮬레이션 하여 가공의 곤란한 부분이나 간섭에 의해 조립 불가능한
부분을 미리 체크하는 것 즉, 설계리뷰(design review)를 행하는 것에 의해 프런트 로딩이 되며 동시공학
을 실현하며 더구나 설계품질(DQ; design quality)이 향상된다.
이를 위해서는 지금까지와 같이 한 사람의 우수한 설계자가 설계하는 것은 이미 불가능하며 그를
위해 수많은 사람의 설계자가 협조하여 설계를 행하는 협조 설계(collaborative design)가 필요하게 되고
있다. 설계의 영역을 포함한 공정 계획, 작업계획, 생산계획, 판매계획, 설비계획, 설비 스케줄 등 생산에
관련된 모든 사항을 고려하여 컴퓨터 속에서 시뮬레이션 할 수 있다면 최종적으로 가상 공장(virtual
factory)가 완성된다.
CAE의 역할은 이 단계에 있어서 중요하다. CAE에서 가능한 해석으로서는 철탑, 교량 자동차 등의
구조해석, 디스크 드라이브 장치, 선박, 자동차 등과 같은 구조물의 진동 해석, 밸브, 베어링, 기어 등에
의한 구동계의 동특성 해석이 있으며, 이들은 모두는 응력이나 변형을 포함한 구조해석이나 기구해석이
다. 또한, 금형설계에 있어서는 형틀에 부가된 하중으로부터 응력과 처짐의 관계를 구함으로써 형틀의
구조해석을 하며, 냉각, 유동, 게이트의 위치에 따른 수지의 유동 현상을 해석하여, 싱크 마크(sink mark),
웰드 라인(weld line) 등을 사전에 검증할 수 있다. 이와 같이 CAE를 활용하여 구조해석으로부터 유체해
석(CFD; Computer Fluid Dynamics)까지 폭넓은 해석과 시뮬레이션을 할 수 있다.
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Fig.2 CAE의 응용 예
이 밖에도 엔진의 연소해석, 냉장고 안의 냉기의 순환을 입자 운동으로 바꿔 가시화 한다든지 물체
주위의 흐름의 분포, 특히 물체 후방의 유체 속도분포 등을 속도 벡터의 보드 그래프로서 가시화하여
시뮬레이션을 행한 예, 또한, 보일러의 전열해석, 건축물의 내진해석, 터빈 디스크의 회전체 해석이나 날
개 사이의 유동 해석, 제어계 해석, 메카트로닉스 해석, 요소 해석, 충돌 해석, 전자기 해석, 또는 단조에
있어서의 변형해석이나 가공시의 처짐이나 응력분포, 그리고 제품의 처짐이나 응력분포, 로봇의 동적 거
동의 해석 등 각각의 분야에서 개발이 이루어지고 있다. 이와 같은 시스템을 완성시키기 위해서는 몇
가지 문제점이 있다.
우선 CAE로부터 CAD 그리고 CAM 각각의 영역에서는 문제가 없어도 CAE/CAD/CAM 사이의 호환
성에 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 다른 CAD 시스템 사이의 데이터 교환을 위한 표준 코드로
IGES(initial graphic exchange specification)가 있다. 그리고 CAD/CAM 시스템 사이의 데이터 교환을 위한
STEP(standard for the exchange of production model data)이 ISO TC184/SC4(산업 자동화 시스템/제품 모델 데
이터의 외부 표현) 등에 제정되어 있다. 그러나 모든 시스템의 통합화를 도모하기 위해서는 인공지능(AI;
artificial intelligence)의 도입이 필요하다.
Fig.3 CAD를 이용한 설계 및 제작
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Fig. 4 설계과정에서의 CAD/CAE의 활용
(3) RP의 활용
지금까지 서술했던 것과 같이 3D 데이터를 이용한 여러 종류의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 설계 결
과를 평가할 할 수 있게 되었다. 그러나 CAD는 디지털 실물 크기 모형(digital mock-up)을 실행하여 실물
의 이미지를 만들어 설계 검토를 할 수 있지만, 모니터 화면에서만 확인할 수 있다는 단점이 있다. 인간
의 본성은 촉감을 중요시 하는 경향이 있으므로 CAD에서의 일시적인 이미지만으로 만족하지 못하며,
실물을 계속해서 직접 만져 보려는 욕구가 있다. 컴퓨터 내에 구축한 3D 모델을 흡사 2D CAD의 도면데
이터를 플로터로 인쇄하는 것처럼 실체의 모델로써 취해 내고자 하는 요구도 보다 강하게 나타나고 있
다. 이러한 요구에 대해 3D 플로터라고도 하는 급속 모델 제작법이 실용화되고 있다. 이들을 총칭하여
쾌속 조형법 혹은 급속 조형법(rapid prototyping; 약칭 RP )이라 부른다. 급속 조형법은 문자에서 언급하고
있다시피, “제품 개발에 필요한 시제품을 빠르게 제작할 수 있도록 지원하여 주는 전체 시스템”을 말한
다.
1970년대 이후 제품의 디자인과 설계가 컴퓨터 기반으로 이동하며 3차원 CG/CAD/CAM/CAE 소프트
웨어의 급성장에 따라, 지난 1988년 미국 3D Systems 회사의 SLA (StereoLithography Apparatus) 시스템이
상용화에 성공한 이후로 급속한 발전을 이루고 있다. 현재 상용화되고 있는 대부분의 RP에는 여러 방법
이 제안되고 있지만, 기본적으로는 3D 데이터를 이용하여 복합재료를 한층 한층 쌓아서 시작품을 만들
어 낸다. 이때 사용하는 재질 수지의 종류 및 고형화 방식 혹은 커팅 방식 등에 따라 제작 프로세스상
의 차이가 있다. 이와 같은 기술적 제작 프로세스 및 재질의 특징에 의하여 시제품의 물리적, 공학적 특
성에 차이를 보이고 있으며, 각기 고유 특성에 적합한 적용분야에 적용되고 있다.
급속 조형의 가정 큰 장점은 제작하고자 하는 시작품을 직접 형상 모델로부터 단 한번에 만들어 낸다
는 것이다. 따라서 공정계획, 소재를 다루기 위한 특정 장치, 가공 작업장 사이의 운반 등과 같은 것이
필요 없다. 하지만, NC가공과 비교해 볼 때, 급속 조형의 주요 단점은 사용할 수 있는 재료가 현재는 특
정 재료로 국한되어 있다는 것이다. NC공작 기계는 금속을 포함하여 대부분의 산업용 재질을 가공할 수
있다. 그러나 급속 조형을 통해 만들어진 제품은 주로 시작품이나 다른 제조공정을 위한 패턴으로 사용
되는 서이 대부분이다.
3D CAD와 Pro/Engineer의 특징
WooCheul Park, Dept. of Vehicle Engineering, Kangwon National University, 8
Fig. 5 광조형 방식의 급속조형기(출처: http://images.pennnet.com/articles/lfw/thm/th_175676.gif)
1.1.5 3D CAD와 동시 공학
1980 년대에 들어서면서 여러 제조 기업들은 그들의 신제품개발 업무를 근본적으로 과거와는 다른
방식으로 수행해야 한다는 필요성을 느끼게 되었다. 이러한 배경에는 신제품의 수명이 점점 짧아지는
추세와 함께 각종 기술(제품기술, 생산기술, 관리기술)이 급속히 발전하면서, 각 기업은 조직규모가 거대
화 되고, 글로벌화됨에 따라 새로운 형태의 제품개발업무가 나타나기 시작했기 때문인 것으로 보인다.
이러한 상황에서 1982 년 미국 국방성 산하의 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 제
품개발과정에서의 동시성(Concurrency)향상을 위한 방법을 모색하기 시작하였으며, 그 후 1986 년 미국
IDA(the Institute for Defense Analyses)에 의하여 동시공학(Concurrent Engineering)이라는 단어가 탄생하게 되
었다. 동시공학에 대한 여러 정의가 있지만, 흔히 많이 인용되는 IDA 의 용어 정의에 의하면 동시공학은
제품설계를 할 때, 제조 및 사후지원 업무까지도 함께 통합적으로 감안하여 설계를 하는 개념이다. 이러
한 동시공학 개념의 설계에 의하면 제품개발 담당자는 개발 초기 시점부터, 그 후속 공정이라고 할 수
있는 생산, 판매, A/S 및 폐기에 이르는 전체 과정을 감안하여 제품개발업무를 수행해야 한다. 흔히, 이
러한 후속공정에 대한 고려가 사전에 이루어 질 수 있기만 하면, 여러 가지 설계 대안 중에서 최적의
답을 발견하는데 큰 도움이 될 수 있다. 즉, 설계 초기단계에서는 개발 담당자가 비교적 다양한 선택 대
안을 가지고 있지만, 시간이 흐르면서 양산단계로 옮아갈수록 선택의 대안은 점점 줄어들면서, 그와 함
께 변경에 따른 비용도 막대하게 소요된다. 그러므로, 기본적으로 동시공학에서 추구하는 사상은 선택의
폭이 넓은 개발 초기단계에서 제품의 생산성, 품질, 원가 등에 대한 검토과정을 거치도록 함으로써, 가
능하면 설계변경이라는 시행착오를 줄이면서 경쟁력 있는 제품을 개발해 보고자 하는 것이다.
일반적으로 물건을 만드는 경우, 순서에 입각해 작업을 수행한다. 순서에 입각하는 것은 각각의 분
할이 명확해져, 작업을 효율적으로 추진할 수 있기 때문이다. 또한 이와 같은 순서화에는 작업 도중에
문제가 발생한 경우, 문제를 발생시킨 단계에 까지 거슬러 올라가 작업내용을 분석함으로써 다시 한번
작업을 체계적으로 개선 할 수 있다. 이러한 작업순서를 “설계 프로세스(design process)”라고 부른다.
설계 프로세스를 간단히 나타내면 아래와 같다.
-. 설계작업은 우선 개념설계로부터 시작해 기본 설계와 상세 설계를 거쳐 마지막으로 생산설계를