산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2022.4 특집 요약 (p47~73)

‘한계 돌파’ 시뮬레이션
컴퓨터 성능 향상, 비용 절감 및 제품의 부가가치를 높이는 수단

컴퓨터의 성능 향상을 배경으로, 시뮬레이션은 제조 현장에서 한층 더 가까워졌다. 실험을 대체할 수 있어 비용 절감으로 이어질 뿐만 아니라, 제품의 부가가치를 높이는 수단으로 존재감이 높아지고 있다. 복잡해지는 제품 개발에서 컴퓨터의 힘을 빌리는 것은 지름길이라고 할 수 있을 것이다. 제조업에서의 시뮬레이션 활용 현장을 취재했다.

Part1. 총론
새로운 도전으로 '한계 돌파', 계산 능력 효과가 제조업으로 확대

제조업에 있어서 시뮬레이션은 그다지 새로운 것은 아니다. 최근 20년간 시뮬레이션은 연구기관이나 대기업뿐만 아니라, 중소기업에 있어서도 광범위하게 활용하기 쉬운 툴이 되었다. 닛케이모노즈쿠리가 실시한 설문조사에서는 응답자의 65.8%가 ‘시뮬레이션 활용이 확대되고 있다’고 답했다.

그 배경에는 끊임없이 진화하는 컴퓨터의 처리능력이 있다. 규모에 따라 다르지만 응력해석이나 유체 해석 등의 툴을 시험할 경우, 반드시 대규모 워크스테이션을 마련할 필요는 없어졌다. 클라우드를 통해 이용할 수 있는 툴도 등장하고 있다.

설계의 초기 단계부터 시뮬레이션을 부담 없이 활용할 수 있다면, 지금까지 할 수 없었던 검토가 가능해지거나, 생각지도 못한 아이디어를 얻게 되거나 또는 공수를 큰 폭으로 단축하는 등 새로운 부가가치를 제품이나 서비스에 포함시킬 수 있다. 기존 제조의 ‘한계’를 돌파하기 위한 툴이 될 수 있는 것이다.

-- 보다 고도의 시뮬레이션이 가능 --
시뮬레이션에 대한 장벽이 낮아지면서 사용이 쉬워짐에 따라, 보다 난이도가 높은 시뮬레이션 과제에 도전하는 기업들이 차츰 증가하고 있다. 예를 들면, 설계 조건에서 최적의 부품 형상 안건을 이끌어내는 ‘토폴로지 최적화’. 이 방법은 약 30년 전부터 알려져 있었지만, 최근에 들어 제품 설계에 적용한 사례를 공표해 기술력을 어필하는 기업들이 눈에 띄고 있다.

그 중 한 곳이 대형 베어링 제조업체인 일본정공(NSK)으로, 2021년 3월, 토폴로지 최적화를 통해 전동차용 베어링 제품을 개발했다고 발표했다. 일본정공이 토폴로지 최적화를 활용하게 된 것에는 ”(부품의) 강성을 높여 변형을 억제하는 방법에 한계를 느끼고 있었다”(일본정공 담당자)라는 배경이 있다.

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 이용한 경량화 또한 토폴로지 최적화를 활용한다면 그 효과를 한층 더 높일 수 있다. 도요타중앙연구소(아이치 현)는 탄소섬유의 배향(配向)과 부품의 형상을 동시에 도출해내는 ‘이방성(비등방성) 토폴로지 최적화 기술’을 개발해 시작품을 공표하고 있다.

시뮬레이션의 목적은 제품 설계 시의 검토 뿐만이 아니다. 이색적인 서비스를 제공하고 있는 곳은 공작기계 대기업인 DMG모리세이키(森精機). 절삭 가공의 테스트 컷을 시뮬레이션으로 대체하는 서비스를 2021년 2월에 개시했다.

하지만 아무리 컴퓨터 성능이 향상되었다고 해도, 개별 기업이 보유할 수 있는 계산 자원이나 인적 자원에는 항상 한계가 존재한다. 보다 큰 규모의 고정밀도 시뮬레이션에 대한 요구는 끊임없이 계속되고 있다. 이를 해결하기 위해 정부가 보유하고 있는 슈퍼컴퓨터로 성과를 올리고 있는 프로젝트가 각지에서 시행되고 있다.

“최근에는 비현실적이라고 여겨져 온 과제에도 임할 수 있게 되었다”. 이화학연구소의 슈퍼컴퓨터 ‘후가쿠(富岳)’를 사용한 실증 프로젝트를 통괄하는 도쿄대학 생산기술연구소 혁신적시뮬레이션연구센터의 가토(加藤)씨는 이렇게 말한다. 가토 씨 등은 약 5년 후의 실용화를 내다보고 압축기의 서지(Surge) 해석 등 대규모이면서 복잡한 시뮬레이션 과제에 임하고 있다.

시험적이기는 하지만, DMG모리세이키도 후가쿠를 사용해 테스트 컷의 시뮬레이션에 도전. 실제 가공에 8시간 걸리는 것을 10분만에 시뮬레이션 하는 성과를 올렸다.

-- 프로젝트 관리나 체제 수립도 중요 --
시뮬레이션을 통해 ‘한계를 돌파’한 제품 개발을 목표로 하는데 있어 필요한 것은 해석 기술의 향상이나 계산 능력의 확충만이 아니다. 툴을 잘 다룰 수 있는 인재와 뛰어난 프로젝트 관리, 타사와의 협조도 불가결하다.

최근 몇 년 간의 시뮬레이션 기술 개발 동향을 말하는데 있어 간과할 수 없는 것이 ‘모델 베이스 개발’에 대한 사고방식이다. 제품을 구성하는 부품이나 시스템을 컴퓨터 상의 ‘모델’로서 표현하고, 시뮬레이션을 통해 검증하는 것은 개발 효율 향상과 비용 절감을 기대할 수 있는 반면, 다수의 모델을 몇 번이나 작성해야 하는 번거로움이 있다.

자동차 관련 기업들은 공동으로 MBD추진센터를 설립해 각 기업들이 공통으로 사용할 수 있는 모델의 공통 룰을 확립해 협조 개발의 효율화를 추진하고 있다.

또한, 시뮬레이션의 활용을 확대해나가는데 있어 과제가 되는 것이 그 운용이다. 앞에서 소개한 설문조사에서도 활용의 확대에는 ‘능숙하게 다룰 수 있는 인재 육성’이 필요하다는 목소리가 많았다. 하지만, 툴을 이용하는 현장에서는 노하우가 속인화(属人化)되기 쉬우며, 해석 데이터 정비 등도 과제로 떠오르고 있다고 한다. “업무 프로세스를 표 계산 소프트웨어로 관리하거나, 해석 데이터를 PC의 폴더로 관리하는 케이스가 적지 않다”(덴쓰 국제정보서비스의 CAE 담당).

향후, 시뮬레이션을 이용한 ‘한계 돌파’를 한층 더 추진하기 위해서는 해석 기술의 향상 및 계산 능력 확충과 함께, 인재 확보와 데이터의 유효한 활용도 열쇠가 될 것으로 보인다.

Part2. 혁신편

[일본정공(日本精工)]
설계자의 상상을 초월한 형상을 산출, EV용 베어링의 고회전 실현

일본정공은 전기자동차(EV) 등 전동차 구동용 모터의 고속 회전화에 기여하는 볼 베어링 설계에 토폴로지 최적화(위상 최적화)를 적용했다.

[JFE스틸]
차체 전체의 움직임을 반영해 부품을 설계, 변형을 억제하는 새로운 구조 모색

JFE스틸은 자동차의 차체 일부를 대상으로 한 토폴로지 최적화를 차체 전체의 시뮬레이션에 적용하는 독자적인 ‘JFE 토폴로지 최적화 기술’을 개발했다. 차체 전체의 시뮬레이션 결과(차체 구조에 가해지는 하중의 복잡한 변화)를 고려함으로써 토폴로지 최적화의 정밀도를 높일 수 있다.

[카시오계산기]
연주감의 정량 평가에 길을 열어, 건반의 변위나 반력으로 예측

전자악기의 키보드는 연주감을 어떻게 설정해야 하는지에 있어 제조사에게 허용되는 자유도가 높다. 전자피아노의 경우, 그랜드피아노나 업라이트피아노와 같은 역사적으로 연주감의 기준이 되는 악기가 있는데 반해, “키보드의 명확한 기준이 되는 것은 없다”(카시오계산기 악기사업부).

[DMG모리세이키(森精機)]
실제 기기 없이 공작기계의 테스트 가공이 가능, 8시간의 절삭이 ‘후가쿠(富岳)’로 10분만에

DMG모리세이키는 2021년 2월부터 공작기계의 테스트 컷(테스트 가공)을 시뮬레이션으로 대체하는 서비스 ‘디지털트윈 테스트 컷’을 제공하고 있다. 절삭 저항이나 진동의 영향 등을 고려하면서 절삭 가공의 품질을 실제 기기 없이 검증할 수 있다.

Part3. 미래편

[도요타중앙연구소(豊田中央研究所)]
CFRP가 갖는 이방성(異方性)을 최대한 활용, 섬유 배향과 형상을 동시에 계산

자동차 분야에서는 시뮬레이션 기술을 통해 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 적용 케이스가 확대될 것으로 전망된다. 도요타중앙연구소(아이치 현)는 탄소섬유의 배향과 부품 형상을 동시에 최적화하는 ‘이방성 토폴로지 최적화 기술’을 개발했다.

[일본자동차공업회]
10년 뒤의 시뮬레이션을 선도, 자동차 업계가 모색하는 슈퍼컴퓨터 활용

“현시점에서 개발하고 있는 제품에 직결되지 않는 미래의 과제이기 때문에 협조할 수 있는 것이다”. 일본자동차공업회가 주체가 되어 추진하는 시뮬레이션 과제에 대해 일본자동차공업회 ‘디지털 엔지니어링 분과회’의 우메타니(梅谷) 씨는 이렇게 말한다.

[문부과학성]
'케이(京)'에서 '후가쿠(富岳)'로 한계 돌파, 성능이 100배 향상되어 2일이 1시간 이내로

슈퍼컴퓨터 ‘후가쿠’를 이용한 시뮬레이션 실증 프로젝트를 통괄하는 도쿄대학 생산기술연구소 혁신적 시뮬레이션 연구센터의 가토(加藤)씨는 “기존에는 비현실적으로 여겨져 온 과제에도 임할 수 있게 되었다”라고 말하며 기대감을 내비쳤다.

Part4. 업계 동향

[MBD 추진센터]
표준화한 모델을 널리 유통, 자동차의 연대 개발을 효율화

최근, 시뮬레이션 활용의 하나로 모델 베이스 개발(MBD; Model Based Development)이 주목 받고 있다. 부품이나 유닛을 시뮬레이션 모델로 표현해 그것들을 조합했을 경우의 움직임을 컴퓨터 상에서 재현하는 방법이다.

Part5. 숫자를 통해 보는 현장

[조사 테마: 시뮬레이션과 모노즈쿠리(제조)]
‘시뮬레이션 활용이 증가했다’가 70%, 활용할 수 있는 인재 육성이 과제

‘시뮬레이션을 통해 시작(試作) 및 실험 베이스의 검토는 크게 달라질 것이다’. 컴퓨터의 능력 향상이나 툴의 진화에 따라 제조 현장에서의 활용 장소가 많아진 시뮬레이션. 실제로 설문조사에서 응답자의 약 70%가 ‘활용이 확대되고 있다’라고 답했다.

 -- 끝 --

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