3D, 혁신의 시작
3D의 역할과 제조업에서의 필요성
<이미지: ChatGPT>
DX 및 AX 구축의 방법론 중 하나인 디지털 트윈 기술의 핵심구성요소인 3D 설명, 기능과 필요성에 대한 내용입니다.
3D의 D는 'Dimension'입니다. 우리나라말로 3차원입니다.
공간좌표개념으로 본다면 X(좌, 우), Y(상, 하)에 Z(높이)가 붙여 입체적으로 보이는 것입니다.
그러면, 제조공장에서의 3D는 어떤 용도로 활용되고 있는지 3가지로 본다면
첫 번째, 제품 또는 설비등의 제작용 도면입니다. 3D를 구상해서 2D로 상세화 해서 가공, 조립에 사용됩니다.
두 번째, 검증용입니다. 제품 개발 시 활용되는 해석, 간섭, 충돌 등의 시뮬레이션을 위한 것입니다.
예를 들자면 무선 청소기를 사용할대 사람 팔의 근력과 각도를 검증해서 최적 무게와 형태를 확인할 수 있고, 설비에서 제품을 포지셔닝할 때 2점, 3점, 4점 고정 방법을 모델링 및 시뮬레이션하여 최적 고정점을 찾을 수 있습니다.
마지막 세 번째, 가시화용입니다. 흔히 말하는 모니터링용입니다.
우리가 살고 있는 공간에 구성되어 있는 모든 물체를 입체적으로 표현하여 좀 더 가시성을 확보하는 것으로 모니터링 대상에 대해 명확하게 식별할 수 있게 보이게 하는 것입니다.
설계자는 설계 초기 단계에서부터 관련 부서(원)의 협업을 통해 작업을 진행하게 되는데 3D를 통하여 협업 작업이 원활하게 이루어지고 있습니다. 즉 완성품이 나오지 않으면 다른 부서(원)로부터 의견을 반영이 힘들었던 2D CAD 이전의 제품 또는 설비 개발 프로세스와 3D CAD를 이용한 제품 또는 설비 개발 프로세스를 비교해 보면 3D 프로세스가 완성 후에 발생하는 설계변경이 대폭 감소했다고 보시면 됩니다.
기술적인 용어로 동시공학에 있어서 프런트 로딩의 효과로 정리됩니다. 요약하면 설계(개발) Lead Time이 줄어듭니다. 더불어 '3D로 표현된 구성 모델'은 공통의 목표를 가지고 있는 구성원들이 이해하기 쉽고 누가 보아도 동일하게 정확히 이해할 수 있습니다.
만약, 2D 도면을 보실때 배우지 아니하면 등각 투상법을 보고 전체 형상을 어떻게 상상하시겠습니까?
그리고, 설계의 결과물인 '도면'에서 2D와 3D의 의미는 다릅니다.
2D 설계에 의한 '도면'은 설계 프로세스에 있어 최종적 산물임과 동시에 유일한 설계정보전달 수단이고, 수작업 설계를 컴퓨터로 설계 효율성을 높인 것입니다. 이로 인해 설계자 또는 전문가가 아니며 이해할 수 없고 문제발견을 못하거나 늦어지는 경향이 매우 높습니다.
그러나, 3D 설계에서는 설계정보 전달의 주역은 '3D CAD 데이터'이며 '도면'은 보조의 수단에 지나지 않습니다. '3D CAD 데이터'의 장점은 설계 결과를 공통적으로 동일하게 정확히 이해할 수 있는데 이를 동시공학 측면에서 3D CAD는 '도면'이 아닌 '3D CAD 데이터'가 커뮤니케이션 도구로서 큰 의미를 갖습니다.
이렇게 보면 제조업에서 3D가 확산되고 중요한 부문이라고 볼 수 있는데 현실적으로 전문가가 많은 시간을 가지고 특별한 용도로만 사용되고 있는 실정입니다.
잠깐, 3D 모델링에 대해 부연 설명하면, 3D 모델링을 위해선 구현이 가능한 소프트웨어라 필요하고 통상 'CAD'라고 말합니다.
CAD는 'Computer Aided Design'의 약자로써 치수 기반의 설계입니다.
예전 종이 위에 컴퍼스, 자, 제도펜을 이용하여 도면을 그린 것을 컴퓨터를 이용해서 설계를 하는 것으로 애니메이션, 영화, 게임 그래픽 등에 활용됩니다. 단지, 3D 모델링 작업은 제품/설비 설계와 같이 실제 제작을 목적으로 하지 않고 가상(Virtual) 환경에 표현하는 것이기 때문에 CG(Computer Graphics)라고 하는데 구분해서 이해가 필요합니다.
현실적으로 제조업에서 설비, JIG 등 필요에 의해서 개발한 것은 차후에 동일 사양으로 나갈 보장도 없고 특히, 큰 Project의 경우는 3D CAD를 이용하여 전체 프로세스의 단축을 기하지 않고 손에 익숙한 2D CAD를 사용하는 것이 현실입니다.
만약 제조자원(라인, 설비, JIG)등 설계 시 3D CAD를 사용하면 3D 설계작업에 많은 시간을 빼앗기고 납기에 압박을 받고 더불어 많은 시간이 걸려 3D CAD 데이터가 다른 프로젝트에 재사용되는 보장도 없을 것입니다.
이런 이유로 2D CAD에서 3D CAD로의 전환이 힘들 수밖에 없는 현장의 모습입니다.
3D CAD로 정적 · 동적 특성, 열변형 해석, 간섭/충돌 검증은 할 수 있으나 다른 부문의 3D CAD를 활용하지 않으면 동시공학의 효과가 나올 수 없습니다. 즉, 설계가 3D CAD로 개발되었는데, 타 부서가 3D CAD를 조작 및 활용할 수 없다면 효용성이 하락합니다.
H/W, S/W 측면에서 사내 전체의 인프라와 프로세스가 구축되어야 3D CAD의 효과가 발휘되고, 이를 활용하기 위해 3D CAD 작업의 용이성도 중요합니다.
이러한 요구 및 필요성으로 3D 모델로부터 2D로 변환을 간편하게 생성할 수도 있으며 제조자원(설비, JIG) 제작에 필요한 부품 업체에서 2D 데이터에서 3D 데이터를 제공하고 있습니다.
아직까지는 2D로 설계 환경이 이루어지고 있으나 향후 빠른 시간 내에 3D로 대체될 것이며 이에 준비를 하지 않으면 기술적, 효율적, 요구사항 대응 측면에 뒤떨어질 수가 있습니다.
실물과 거의 흡사한 3D로 보이면 사람들이 보기 쉽다는 효과 외에 미래 공장 구축에 핵심 기술로 여겨지고 있는 디지털 트윈의 가장 기초적인 구성 요소입니다.
예를 들어, 3D로 설계된 공장과 실제 공장이 시스템적으로 연결되어 있다면 실제 공장에서 고장이 발생된 설비의 데이터를 받아 가상(PC) 환경에서의 3D로 설계된 설비를 구동시켜 현상과 원인을 찾아 개선안을 실시간으로 보내준다면 현장에서 해결할 때 발생하는 시간적, 효율적 측면의 Loss를 절감할 수 있습니다.
또한, 가상과 실제공장이 시스템적으로 연결된 다면 사무실에서 실제 공장을 보는 것처럼 모니터링 할 수 있고 시각적으로도 현장에서 볼 수 없는 문제점을 사전 발견 할 수 있습니다.
그리고, 설비 동작검증 시 'C' 또는 'PLC'로 프로그래밍한 내용을 확인하고 싶다면 실제 설비를 동작시켜 확인하는 것이 일반적이지만 현재는 가상(PC) 환경에서 검증을 할 수 있으므로 이를 실제와 거의 동일하게 확인하려면 3D 모델링이 되어야 합니다.
아직까지 '3D'를 왜 하느냐는 사람들이 있을 겁니다. 이에 대해 감히 제가 말씀드리고 싶은 것은 미래 공장을 말하는 스마트 팩토리, 자율제조공장 구현을 위해 필요 없을 까요? 아마도 시대 및 시장의 요구에 따라 3D를 넘어 더 고급진 기술을 원하고 필요하게 될 것입니다.
지금이라도 3D에 대한 개념 및 필요성을 정의하고 이에 맞는 프로세스, 시스템 그리고 인프라를 구축과 함께 인력양성을 통하여 미래 공장 구현에 뒷받침되었으면 합니다.
< 용어 >
· 동시공학(Concurrent Egineer): 제품의 기획에서부터 개발, 제품 준비까지의 일련의 프로세스를 관계자 전원이 정보를 공유하면서 동시병행적으로 진행함으로써 개발 기간의 단축을 꾀하는 설계 방법론
· 프런트 로딩(Front loading): 개발을 되도록 빠른 단계에서 될 수 있는 한 많은 문제를 해결하여 후공정에서의 문제 발생 빈도를 줄임으로써 되돌아오는 것을 감소시켜 개발 효율을 향상하는 방법
