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2023 하노버 산업박람회에서 롤랜드 부시(Roland Busch) 지멘스 CEO는 올라프 숄츠 독일 총리를 지멘스 부스로 초청해 회사의 핵심 가치에 대해 논의하는 시간을 가졌습니다. 더 밝은 미래를 위한 혁신을 향한 지멘스의 끊임없는 노력을 강조하며, 사진 왼쪽 하단에 전시된 제너레이티브 설계 및 적층 제조 로봇 배터리 그리퍼라는 놀라운 기술에 주목했습니다. 이 최첨단 부품은 세상에 긍정적인 영향을 미치는 선구적인 솔루션을 개발하려는 지멘스의 헌신을 잘 보여줍니다.
작은 감축 – 큰 비용 절감
로봇 그리퍼와 같이 겉보기에 아주 기본적인 부품이 독일 총리에게 프레젠테이션할 만한 가치가 있는 이유는 무엇일까요? 그것은 바로 숫자의 문제입니다. 그리퍼 설계를 개선하면 로봇 한 대당 연간 최대 3톤의 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다. 산업용 로봇 부문은 연평균 11%씩 빠르게 성장하고 있습니다. 2021년 현재 매년 50만 대 이상의 새로운 로봇이 배치되고 있으며, 2022년에는 전 세계적으로 약 350만 대의 로봇이 배치될 것으로 예상됩니다. 로봇 팔의 평균 무게는 약 1톤이고, 함께 제공되는 그리퍼의 무게는 약 21kg이라고 생각하면 그 규모를 파악할 수 있습니다. 평균 무게가 12kg인 배터리를 들어 올리는 역할을 하는 그리퍼는 그 자체로 보면 별것 아닌 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 로봇 팔을 1년 동안 지속적으로 작동하면 약 5.6톤의 이산화탄소를 배출합니다. 기존 로봇 전체로 확대하면 그 영향은 엄청나게 커집니다. 전체 로봇의 2%에 불과한 로봇 그리퍼의 무게만 대폭 줄일 수 있다면 어떨까요?
기존 로봇만큼 기능적일 뿐만 아니라 훨씬 덜 복잡한 로봇 그리퍼를 설계할 수 있다고 잠시 상상해 보세요. 이 그리퍼는 일반적으로 사용되는 30개의 알루미늄 또는 강철 부품에서 84% 감소한 5개의 탄소 저감 PA 12(나일론 12) 부품으로만 구성될 것입니다. 뿐만 아니라 무게도 90% 더 가벼워집니다. 그리고 이 첨단 그리퍼는 한 달이 넘는 긴 리드 타임 대신 단 2일 만에 생산할 수 있습니다. 환상처럼 들릴지 모르지만 실제로는 그렇지 않습니다. NX™ 소프트웨어의 제너레이티브 엔지니어링을 사용하면 이러한 가능성을 지금 바로 실현할 수 있습니다.
낡은 방식에서 벗어나 – 설계, 구축 및 테스트
디자인 프로세스의 뿌리로 한 걸음 돌아가 봅시다. 인류 역사의 대부분을 통틀어 최근까지만 해도 디자인의 검증은 실제 환경에서 직접 테스트를 통해 제조한 후에야 가능했습니다. 성공적인 디자인을 위해서는 제조 가능성, 심미성, 기능성의 삼박자가 항상 가장 중요했으며 이 세 가지 측면을 모두 만족해야 했습니다.
당연히 부품의 제조 가능성을 보장하는 것이 실현 가능성을 보장하기 위한 초기 관심사였습니다. 그러나 이로 인해 시공 후 설계에 기능이 부족하다는 사실을 깨닫고 다시 공사를 시작하기 전에 설계를 수정해야 하는 안타까운 일이 종종 발생했습니다. 기능적인 문제를 해결한 후에도 디자인이 미적 요구 사항을 충족하지 못한다는 사실을 깨닫게 되면 이러한 과정이 반복되는 것입니다. 자원과 시간이 얼마나 낭비되는지!
새로운 – 시뮬레이션 드라이브n 디자인
이러한 과제에 대응하여 디자이너와 엔지니어가 혁신을 이루고 기능적 요구사항을 보다 효과적으로 충족할 수 있도록 지원하는 새로운 시뮬레이션 기반 설계 기법이 등장했습니다. 가장 눈에 띄는 발전 중 하나는 입력 경계 조건과 주어진 설계 공간을 기반으로 최적의 재료 분포를 반환하는 기술인 토폴로지 최적화입니다. 아무리 강력하더라도 이러한 새로운 솔루션은 종종 복잡하고 최적화 이론에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 따라서 대부분 응력 엔지니어를 대상으로 하며 디자이너의 초기 단계 설계에는 적합하지 않았습니다. 또한 이러한 도구는 결과 형식이 설계 프로세스와 호환되지 않아 설계 지침을 제공하는 데만 사용할 수 있었으며, 결과를 CAD 형식으로 재구성하려면 상당한 수작업이 필요했습니다.
전통적인 디자이너와 새롭게 부상하는 메이커 사용자 페르소나는 CAD 시스템에 통합된 디자이너 중심 솔루션에서 많은 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 도구는 특히 초기 설계 단계에서 직관적이고 사용하기 쉬워야 하며, 사용자가 구조 최적화 및 분석에 대한 깊은 이해 없이도 올바른 결정을 내릴 수 있도록 지원해야 합니다. NX 토폴로지 옵티마이저는 NX 플랫폼에 원활하게 통합된 NX 네이티브 제너레이티브 엔지니어링 솔루션으로서 이러한 격차를 해소합니다.
NX 토폴로지 옵티마이저
NX 토폴로지 옵티마이저의 주요 장점 중 하나는 업스트림 및 다운스트림 연결성입니다. 즉, 입력 요구 사항을 변경해도 기존 결과가 중단되지 않고 그에 따라 업데이트됩니다. 마찬가지로 토폴로지 최적화 결과를 수정해도 기존 다운스트림 작업을 방해하지 않고 클릭 한 번으로 업데이트됩니다. 또한 이 솔루션은 GPU 가속화를 통해 기존 CAE 기반 토폴로지 최적화 솔루션과 비교할 수 없는 속도를 제공합니다.
NX 토폴로지 옵티마이저가 생성한 결과 포맷은 매끄러운 바디로, NX 환경 내에서 쉽게 편집할 수 있어 NX 에코시스템 내의 모든 다운스트림 작업에서 사용할 수 있습니다. NX에서 제너레이티브 디자인을 활용하면 기존 설계 프로세스와 관련된 문제와 한계를 효과적으로 제거하여 효율성과 혁신을 향상시킬 수 있는 기반을 마련할 수 있습니다.
간소화를 위한 제너레이티브 디자인 개발
그렇다면 어떤 이점이 있을까요? 설계자와 엔지니어링 관리자가 제너레이티브 디자인 솔루션에 투자해야 하는 이유에 대한 정확한 해답을 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 적층 제조 비즈니스 개발 전문가인 데니스 니어(Dennis Nier)가 제시합니다. “설계자에게 제너레이티브 설계는 안전 계수 내에서 전체 경량 부품을 간단히 생성하므로 초기 단계에서 모든 세부 사항을 설계하고 계산할 필요가 없습니다.”
제너레이티브 디자인은 설계 반복 프로세스를 간소화하여 설계 대안을 빠르게 탐색하고 창의력을 강화할 수 있습니다. “엔지니어링 관리자에게 제너레이티브 디자인에 대한 투자는 제품 개발 주기 단축, 재료 사용량 감소, 제조 비용 절감, 순 제로 목표와 같은 회사 지침 충족과 같은 실질적인 이점으로 이어집니다.”라고 Dennis Nier는 덧붙여 설명합니다.
최종 부품의 복잡성은 어떨까요? 디자이너가 걱정해야 할 부분일까요? Dennis는 “여기서 복잡성에 대해 이야기하고 싶지도 않습니다. 제너레이티브 디자인을 사용하면 컴포넌트의 모양이 달라집니다. 지오메트리가 더 유기적이고 더 이상 일반적인 직각과 블록을 포함하지 않게 될 것입니다.” NX 토폴로지 옵티마이저는 제조 인식 솔루션으로, 소위 형상 제약 조건을 최적화에 포함함으로써 감산 또는 적층 제조 등 의도한 방식으로 제조 가능한 설계를 반환합니다.
“모든 것이 연관되어 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “설계를 변경하면 변경 사항이 제너레이티브 디자인 지오메트리를 통해 자동으로 확장됩니다. 덕분에 디자인 반복 작업이 훨씬 빨라졌습니다.” 결과물 형식의 이점에 대해 Dennis는 “NX 컨버전트 바디 덕분에 다른 솔루션처럼 모든 것을 수동으로 리모델링할 필요 없이 유기 구조를 직접 추가 처리하여 3D 프린터로 전송할 수도 있습니다.”라고 말합니다. 따라서 처음에는 복잡해 보였던 작업이 훨씬 더 쉽고 효과적으로 이루어집니다.
디자이너들이 흔히 걱정하는 또 다른 문제는 제너레이티브 디자인 솔루션의 학습 곡선입니다. “모든 이점을 고려할 때 Siemens NX의 제너레이티브 디자인 기능을 익히는 데 걸리는 시간은 분명 충분한 가치가 있습니다. 방법론만 익히면 보통 반나절이면 잘 작동합니다.”라고 Dennis는 말합니다. “NX 토폴로지 옵티마이저는 솔루션이 NX에 완전히 통합되어 있어 익숙한 사용자 인터페이스에서도 사용할 수 있기 때문에 배우기 쉽습니다.”라고 그는 이어서 설명합니다. “이 솔루션은 Sketch 또는 Edge Blend와 같이 잘 알려진 기능처럼 작동하며 NX 파트 내비게이터의 한 요소입니다. 유기적인 지오메트리가 성장하는 것을 보는 재미도 있으니 꼭 사용해 보시기 바랍니다.”
마지막으로 NX의 완전한 통합에 대해 어떻게 생각하는지 물어보았습니다. “절대적인 장점입니다.”라고 그는 말합니다. “제너레이티브 디자인 전후의 프로세스 단계를 최적으로 효율적으로 사용할 수 있습니다. 최적화를 위해 NX Motion에서 올바른 로드 케이스를 결정하는 것부터 NX 성능 예측기를 사용한 최종적인 간단한 설계 검증까지. NX 디자인 스페이스 익스플로러로 최적의 설치 위치를 찾고, NX CAM 또는 NX 적층 가공 빌드 준비로 제조를 위한 형상을 준비합니다.”
요약
결론적으로, NX 토폴로지 옵티마이저는 전체 엔드투엔드 Siemens Xcelerator 포트폴리오를 구성하는 많은 퍼즐 조각 중 하나로, 기존의 설계 제약에서 성능 중심의 결과물로 초점을 전환합니다. “NX 토폴로지 옵티마이저를 사용한 제너레이티브 설계는 복잡성을 단순화하여 업무를 더 쉽고 효과적으로 만들어 줍니다.”라고 Dennis Nier는 적절하게 표현했습니다.
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