자유로운 설계를 원하는 당신을 위한 해결책, solidThinking Inspire 9.0

솔리드싱킹 인스파이어 9.0

≫ 디지털 최적화는 파라메트릭parametric 베리에이션variation 기술을 이용해서 기존 설계의 범위 내에서 종종 실행된다. 하지만 당신이 조금 더 자유롭게 잠재된 설계 옵션을 실험해보고 싶다면 어떨까? 알 딘(Al Dean)이 가능한 해결책을 살펴본다.


최적화는 모든 디자이너 또는 엔지니어가 잘 알고 있다. 최적화 과정은 적당한 구조로 폼을 떼어내, 기능(function), 기계 및 열과 같은 기본적으로 필요한 성능들에 부합하도록 만드는 것을 포함한다. 순전히 이론적인 실습으로는 제약없이 수행될 수 있지만 그 과정을 뒷받침하기 위해 소프트웨어 시스템을 사용할 때는 문제가 발생한다.

가장 널리 사용되는 최적화 도구(대부분의 유한 요소 분석Finite Element Analysis 시스템이 최적화 도구를 포함)를 살펴 보면, 실험 방법의 설계에 의존하고 있다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서, 사용자는 모델을 선정하고, 파라미터로 나타내고, 시스템에 일련의 입력, 변수와 목표치를 넣어서 시스템이 최고의 솔루션을 찾도록 반복하게 만든다.

이것을 이론적 푸른 하늘 접근법blue sky approach에 비교하면, 전형적인 소프트웨어 최적화 과정에서 나오는 결과는 사용되는 모델에 제한적이라는 사실이 명확해진다. 기본적으로 사용자는 매우 한정된 일련의 옵션 내에서 최적화되어 있다. 옛 말에도 있는 “혁명보다는 진화evolution, rather than revolution”가 진리인 것이다.

그럼, 일반적인 소프트웨어 시뮬레이션 방법으로 사용이 제한되어 있는 시스템에서 사용자가 그 이상으로 자유롭게 기계 설계 문제를 분석하고 싶다면? 알테어의 솔리드싱킹 인스파이어에 그 해답이 있다.

독립 최적화 시스템

솔리드싱킹 인스파이어는 현재 몇 해 전부터 시장에 나와 있었다. 처음에는 알테어 솔리드싱킹 이볼브Evolve 3D 모델링 어플리케이션에 추가 프로그램으로 소개되었고, 지금은 단독 상품으로 판매되고 있다. 이 프로그램의 컨셉은 단일 시스템에서 사용자가 대충 일련의 구조geometry를 로드하거나 구축할 수 있고, 성능과 경계 조건(하중, 제약, 압력 등)을 적용한 다음, 볼프의 법칙에 기초한 위상 최적화 방법을 사용하는 것이다.

볼프의 법칙에 익숙하지 않은 분들을 위해 설명하자면, 이 법칙은 인간과 동물 모두 뼈가 위치한 곳 아래 하중에 적응한다고 기술된 19세기 의료 이론이다. 만약 특정 뼈에 가해지는 하중이 늘어나면, 그 뼈는 시간이 지남에 따라 그런 종류의 부하에 견딜 만큼 더욱 강하게 스스로를 리모델링 한다는 것이다.

소프트웨어 솔루션에 구현되었을 때, 이것은 요구되는 하중 조건에 따라 솔루션을 구하고 물질이 깔려있는 메쉬로부터 제거될 수 있는 영역을 찾아가는 시뮬레이션 과정처럼 보인다.

더 높은 수준에서 이 이야기를 하면 재미있지만, 중요한 것은 실제로 사용하는 방법이다. 자, 이제 프로그램으로 문제를 설정하는 과정을 파헤쳐 보자.

제품: solidThinking Inspire
공급: Altair Engineering
가격 £5,500 solidthinking.com

●1 Windows 와Mac OS X 모두에서 사용 가능. 인스파이어는 표준이 아닌, 그러나 탐험을 가능하도록 만드는 명확한 인터페이스가 있다.


●2 최신 릴리즈에서는 부품을 불러오는 것 뿐 아니라 경계 생성과 디자인 스페이스 구조 생성을 할 수 있도록 도와주는 일련의 직접 모델링 도구를 제공한다.

디자인 스페이스 정의하기

모든 시뮬레이션 작업과 마찬가지로, 작업을 구축하는 과정은 경계 조건과 구조 정의로 시작한다.두 가지 모두 정확한 솔루션을 얻기 위한 기본이다.

사용자 인터페이스는 고정적으로 판단할 수 있는 것이 아니다. 화면 상단 가로로 다양한 용도와 다른 명령어를 지닌 일련의 아이콘이 있다. 예를 들어, 스케치 도구는 상당히(설명하지 않아도)자명한 반면, 불린Boolean아이콘은 모든 옵션에 따라 차집합, 교집합 그리고 합집합이 아이콘 하나에 들어있다. 시간을 조금 내어 문서를 읽어보고 어떻게 작동하는지 알아볼 만한 가치가 있다. 한번 이 방법에 익숙해지면 이해가 쉬울 것이다.

또 하나 주목할 만한 점은 시스템이 Windows와 Mac OS X 플랫폼 모두에서 사용할 수 있으며, 정확히 동일한 방법으로 조작된다는 것이다.

구조를 정의하는 몇 가지 옵션이 있다. 인스파이어에서는 사용자가 오토캐드AutoCAD 3D, 유니그래픽스Unigraphics, 카티아Catia,솔리드웍스SolidWorks, 프로Pro/엔지니어Engineer/크레오Creo, 파라솔리드Parasolid, STEP, ACIS, JtOpen, IGES를 포함한 다양한 캐드 구조 양식과 시스템을 선택적으로 불러오기(import) 할 수 있다.

이렇게 시스템으로 구조들을 가져와서 시뮬레이션 과정에서 분해 및 적용하도록 모델링 툴에서 바로 사용 할 수 있다. 곡선fillet, 모따기chamfer, 작은 홀의 제거뿐 아니라 기존 도형을 통째로 편집 할 수도 있다. 이외에도 시스템에는 사용자가 스케치에서 도형 구축까지 할 수 있도록 도와줄 잘 만들어진 스케칭 세트와 직접 모델링 도구가 포함되어 있다. 58페이지의 작업 과정에서 볼 수 있듯, 사용자는 기존 부품 모델을 가져와서 그것을 사용해 ‘디자인 스페이스’를 생성하는 두 가지 방법을 융합해서 사용할 수 있다.

이 디자인 스페이스는 시스템을 효율적으로 사용 하기 위한 핵심이다. 최신 릴리즈에서, 이제 모델에 두 종류의 도형을 가질 수 있다. 인터페이스 구조 및 일반적으로 마운팅 하는 이런 컴포넌트는 정해져 있으며, 항상 필요하다. 하지만 디자인 스페이스는 작업이 실행되는 공간이다. 시스템이 최적화할 것은 바로 도형의 몸체이다.

기본적으로 사용자는 편집이 안 되는 객체들에 먼저 도형을 정의한 다음 시스템이 작업하는 디자인 스페이스에 정의한다. 간단한 우 클릭으로 디자인 스페이스 옵션을 선택 하도록 정의되어 있다. 이렇게 해서 색이 변경되고 명확히 구분이 될 것이다. 그림 2 에서 편집이 안 되는 부분은 회색인 반면 디자인 스페이스는 오렌지색이다.

경계와 하중 정의하기

도형이 핵심인 반면, 유사하게 경계 조건이 적절함을 확인하는 것 또한 기초이다.
인스파이어에서 적절한 면face과 다른 참조를 선택함으로써 힘(관절에서), 압력(일정한 보통 힘), 회전력(비트는 힘) 그리고 지탱하는 힘(부품을 잡고 있는)이 모두 정의될 수 있다. 그런 다음 부하는 어떤 다른 방향의 정보로도 정의될 수 있다. 시스템이 사용자가 힘과 그러한 것에 대해 특정 값을 정의하도록 하는 반면, 그것을 사용하는 것이 핵심이 아니라는 사실에 주목할만하다. 중요한 점은 이러한 값이 절대값보다는 가중치와 다양한 힘, 회전력과 압력 사이의 관계를 나타내야 한다는 것이다.

최신 릴리즈에서는 그리는draw 방향 또한 정의 되었다. 주조 혹은 몰드한 부품은 결과가 틀어지기 때문에 이런 작업을 하는 데 있어 부품의 생산 가능성을 확인하기 위한 과정으로 유용할 것이다. 디자인 스페이스에서 마지막 단계는 재료 정의이다. 다시 말하지만 이 작업은 필수는 아니지만 최적화 과정에 최소 두께 정보뿐 아니라 시스템 안내를 한다.


●3 최적화 실행 다이얼로그에서 설정은 결과와 목표(results and goals)의 단어로 쓰여진 곳에 있다. 용량 감소에 따라, 허용 재료 두께의 최소와 최대치 그리고 빈도 목표 또한 정의가 가능하다.

●4 결과 관찰 도구는 어떻게 메쉬가 분석 과정 동안 십진화되었는지 사용자가 볼 수 있도록 한다. 그 후, 데이터는 일반적인 캐드 시스템에서 재 작업 할 수 있게 내보낼 수 있다.

목표 설정하기

다른 시뮬레이션 도구들과 비교해서 인스파이어에서 목표 설정은 직관적이다. 한 다이얼로그에 많은 컨트롤이 들어 있다. 핵심 요소는 많은 대상 입력이다. 이것이 사용자가 결정해야 하는 대상의 수와 시뮬레이션 과정의 비율을 줄인다.
그리고 사용자가 응답 주파수 목표치를 최대, 혹은 최소 값을 찾도록 설정할 수 있다. 또한 두께 조절(재질 설정을 초기화 하지만 재정의될 수 없음)은 구조가 너무 얇아 지지 않도록 보장한다.
마지막으로 옵션은 우주 프로그램을 작업하는 사용자들에게 유용한 중력 적용 여부를 선택하는 것이다.

결과물

결과물이 한번 정리되고 나면, 다시 열어서 확인할 수 있다. 십진화 처리는 슬라이더(그림 3 참조)를 통해 실행할 수 있고 제공되는 모든 정보는 확인할 수 있는 도구가 있다.
메쉬는 거칠겠지만 결국은 십진화된 메쉬일 뿐이다. 사용자가 적절한 설계를 할 수 있도록 영감을 불어 넣는 것이 핵심이다. 기하학적 덩어리가 STL로 도출된 후, 적절한 캐드 작업을 위한 기초로써 사용된다.

결론

시뮬레이션 도입이 늘어나고 많은 사람들이 최적화를 그들의 설계와 공학 작업에 혁신 영역을 찾기 위한 대안으로 주의 깊게 보고 있다. 반면, 비록 추가적인 파라메트릭 최적화가 잠재력을 제공하는 것이 확실하더라도 기존 제품에 급격한 변화 또는 공학 문제를 풀기 위한 극도의 방법을 찾는 사람들에게는 또 다른 무언가가 더 편리할 수 있다.

솔리드싱킹 인스파이어는 다른 곳에서도 존재하는 독립적인 기술 구현을 하지만 사용자가 이미 시뮬레이션 시스템에 투자를 했다면, 시스템은 든든한 동반자이다. 이런 시스템의 사용이 어느 곳에서도 찾을 수 없는 가능성이 있는 새로운 설계 방향을 잡는 통찰력을 제공할 수 있다.
디자인과 공학을 하는 것은 다르게 사고하는 것이고 때때로 사고가 끊이지 않는다.


작업 과정:최적화 설계

●1 솔리드싱킹 인스파이어는 사용자가 입체로 밀고 당길 수 있는 2D 프로파일을 스케치 또는 다른 소프트웨어에서 캐드 데이터를 불러올 수 있도록 한다.
●2 도형은 한 부품이 차지할 수 있는 최대 용량을 나타내는 “디자인 스페이스”를 생성하도록 수정된다. 원본 구조는 템플릿으로 사용되었다. 도그 본dog bone 부착물과 축 조절 구멍 같은 부품은 “논 디자인 스페이스”로 정의 되었다.
●3 디자인 스페이스에는 재질과 하중 조건이 할당된다. 하중 조건은 힘(관절에), 압력(일정한 보통 힘), 회전력(비트는 힘) 그리고 지탱하는 힘(부품을 잡고 있는)으로 정의된다.

●4 이는 부품의 국부 응력을 줄이면서 구조 강성을 유지하는 이상적인 물질 형태를 생성하는 수학적 방법을 통한 초기 위상 최적화의 결과를 나타낸다.
●5 처음 최적화 실행 이후, 생산manufacturing과 모양shape 컨트롤이 위상 결과에 작용하도록 구조에 적용될 수 있다. 이 예에서는, 대칭과 압축 컨트롤이 사용되었다.
●6 디자인 제안 결과는 외부 캐드 패키지로 내보내서 재 작업이 가능하다. 인스파이어에서 최적 설계 구조를 생성함으로써 설계 사이클 타임, 재료 소비 그리고 제품 무게가 모두 줄어든다.

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3 Comments

  1. 권혜련 says:

    구조설계와 건축혁신을 위해서 없어서는 안될 중요한 툴이 되기를 바랍니다.

  2. 이동욱 says:

    어렵다고만 생각했는데 이렇게 보니 훨씬 이해가 잘 가네요 앞으로도 발전을 기원드립니다.

  3. 조우식 says:

    하나씩 하나씩 엔지니어에게 보다 쉬운 프로그램을 만들어 주셔서 감사합니다.

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