Venny Yang, President at CoreTech System (Moldex3D)
Sam Hsieh, Senior Deputy Technical Manager at CoreTech System (Moldex3D)

ANSYS는 2016년에 세계 최초로 연간 영업이익 10억 USD 돌파한 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어 회사이다. 이미 수 많은 CAD/CAM 소프트웨어 공급업체의 영업수익 규모를 초과하며, CAE가 주도하는 설계의 시대가 도래했음을 정식으로 선포하였다. 2017년 2월, 정밀 측정 도구의 선도 업체인 HEXAGON 그룹이 8억 3400만 USD에 CAE의 선두주자 MSC Software를 인수함으로써, 하드웨어 회사의 디지털 설계 업계 진출의 신호탄을 알렸다. 나아가 실제 제조 환경에서의 데이터 측정과 시뮬레이션 분석의 밀접한 결합을 통해 기업으로 하여금 제품 설계를 최적화하여 전통적인 제품 생산 방식의 한계를 넘어설 수 있게 함으로써, 제조업계가 Industry 4.0의 발전된 형태로 한 걸음 더 나아가는 계기를 만들었다. 이러한 변화와 결합은 지속적으로 전 세계 기계·전자 산업의 창조와 혁신을 이끌어 왔으며, 이를 통한 설계의 최적화, 시뮬레이션 기술의 발전 역시 플라스틱 성형과 몰드 설계에 큰 영향을 미치고 있다.

시뮬레이션 분석가의 역할 변화

초기 시뮬레이션 분석은 플라스틱 제품의 설계 과정에 응용되어 생산 문제 해결에 사용되었다. 하지만 현재는 다양한 공업 업계에서 제품 및 몰드 개발 전반기의 설계, 실험 및 최적화 등에 사용되며, 대다수 기업의 생산 과정 설계에서 없어서는 안 될 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 변혁 과정 중에는 3D 제품 및 몰드 설계 CAD 소프트웨어의 보편적인 활용이 큰 역할을 담당했는데, 특히 자동화된 메쉬 생산 도구의 기여를 빼놓을 수 없다. 예전에는 분석가가 상당히 오랜 시간, 심지어 며칠씩 걸려 몰드를 처리하고 메쉬를 생성해야만 비로소 분석 작업을 시작할 수 있었으나, 현재는 전자동화 eDesign과 BLM (Boundary Layer Mesh) 메쉬 생산 기술을 통해 원클릭으로 메쉬를 생성할 수 있을 뿐 아니라, 제품의 수정과 동시에 메쉬까지 업데이트하는 꿈을 실현할 수 있게 되었다. 이 때문에, 표준 시뮬레이션 분석 작업이 이미 전문 CAE 전문가에서 몰드 설계사에게로 옮겨가고 있으며, 심지어 그 상위의 제품 설계사까지 해당 작업을 수행하고 있다. 제품 설계 및 몰드 설계사 역시 이미 시뮬레이션 분석 소프트웨어에 의지해, 런너 게이트 위치 결정, 균형있는 런너 설계, 수로 배치의 최적화, 왜곡 문제의 해결 등 다양한 작업을 진행하고 있다. 이미 다수의 회사가 시뮬레이션 분석 핵심을 회사 내부의 설계 가이드 플랫폼으로 도입해, 모든 제품이 시뮬레이션 분석을 통해 가압 한계, 수축량 및 왜곡 변형량 등의 설계 품질이 관리되는 이상을 실현하고 있다. 동시에, 내부 클라우드에 운집한 클러스터 컴퓨팅을 활용해 계산 시간을 대폭 단축시키고 반응 속도를 향상시켰다.

사용자의 작업 시간을 대폭 절약하고 최적의 시뮬레이션 분석용 3D 런너 메쉬를 얻기 위해, Moldex3D eDesign 버전은 차세대 자동화된 고품질 런너 메쉬 생성 기술을 장착했다. 새로운 런너 메쉬 기술은 고해상도 육면체 메쉬를 자동으로 생성, 라인 런너 연결을 위한 다양한 노드 타입을 제공하여 런너의 기하학 형상에 반영함으로써 계산 시간을 단축시키고 시뮬레이션의 정확도를 높여준다.

그림1　육면체의 실제 메쉬(Hexa-based solid mesh)

그림2　노드 타입(Node types), 노드 프리뷰(Node Preview)등 다양한 특성

그림3　런너 게이트 부분을 특별히 강화, 자주 사용하는 런너 게이트 노드의 형태에 맞는 메쉬 생성

「Non-Matching Mesh」 기술은 제품과 인서트 부품간의 메쉬 인터페이스 연결 및 수량 매칭없이 바로 시뮬레이션 분석을 진행할 수 있게 하고, 또한 정확한 시뮬레이션 결과 분포 및 연속적인 부품 변형 예측을 가능케 한다. Moldex3D R15.0의 Non-Matching Mesh기술은 기존에 인서트 부품(Part Insert)만 지원하던 것에서 확장하여 몰드 베이스 메쉬에도 사용할 수 있게 됨으로써, 제품과 인서트 부품 메쉬 노드의 비대칭 조건 하에서 자동으로 3D 실제 몰드 베이스를 생성할 수 없었던 한계를 극복했다. 사용자는 더욱 효율적으로, 그리고 정확하게 몰드 베이스 메쉬를 처리할 수 있게 되었으며, 모든 사용자들에게 고품질 메쉬 기술이 가져다 주는 정확도 높은 시뮬레이션 분석을 경험할 수 있게 해 주었다.

그림4　Non-Matching 몰드 베이스 메쉬 및 분석 결과

시뮬레이션에서 완전한 에뮬레이션까지

CAE에 대한 엔지니어의 요구와 기대는 끊임없이 이어진다. 표준 플라스틱 성형과정의 시뮬레이션 분석 외에도, 시뮬레이션 분석 기능은 이미 사출 압축 성형, 압축 성형, 금속 파우더 플라스틱 성형 등 특수한 제조 공정까지 커버하고 있다. 단섬유와 장섬유 섬유강화 복합재료의 사출 성형 과정에서의 섬유 배향 및 FEA 집성 분석은 바로 Moldex3D만의 선진 기술로서, 이미 전 세계 유명 자동차 제조업체 및 플라스틱 공정업체의 인정을 받은 바 있다. Moldex3D R15.0은 이러한 장점을 섬유 복합재료의 압축 성형공정의 분석에도 확대 적용, 사용자의 설계 업무에 도움을 주고 대형 섬유 강화 복합재료의 제조 공정을 최적화 시킨다.

섬유 강화 복합재료 제조 공정에 대한 완벽한 지원 뿐 아니라, 자동차 업계의 경량화 및 높은 연료 효율성에 대한 요구가 해마다 높아짐에 따라, Moldex3D는 일찍이 기체 보조 플라스틱 성형, 물 보조 플라스틱 성형, 미세 발포(대표 기술: Trexel사의 MuCell®), 열소성 플라스틱 화학 발포 등의 선진 성형 기술을 시뮬레이션 예측 범위에 포함시키고, 우수한 데이터 확인과 사용자 경험을 제공하고 있다. 최신 버전인 R15.0의 화학 발포 성형 모듈은 폴리우레탄(Polyurethane, PU) 발포 제조 공정을 추가로 지원하게 됨으로써, 캐비티 안에서의 접착제 양생 역학(Curing Kinetics) 및 발포동력학(Foaming Kinetics)을 계산 과정에서 고려할 수 있게 되었다. 폴리우레탄 발포 시뮬레이션 분석을 통해 사용자는 제조 공정에 대해 더 정확하게 파악할 수 있을 뿐 아니라, 충진과 발포 단계의 동태 행위를 더욱 정확하게 예측하고 최적의 플라스틱 주입 및 원료 주입 조건을 형성할 수 있다. 이러한 제품 설계 최적화 작업을 통해 적합한 생산 조건 평가 및 결정이 더욱 수월하게 되었다.

그림5　PU 화학 발포 성형 공정의 응용 사례

최근 들어 인몰드 데코레이션 플라스틱 성형 생산이 상당 부분 보급화 되었지만, 잉크 워시 아웃, 주름 변형 등과 같은 성형 공정상의 과제는 여전히 많이 남아 있어 상당한 제품 개발 비용과 시간이 소요된다. Moldex3D R15.0의 전문 분석 기능은 인몰드 데코레이션 전처리 프로세스 중 경계 조건 항목을 지원함으로써, 사용자가 가장 신속하고 간편하며 정확한 방법으로 데커레이션 메쉬 레이어를 처리할 수 있게 한다. 동시에「워시아웃 인덱스」를 제공함으로써 제품 설계자가 더욱 정확하게 Wash-out 상태를 예측하여 고품질 인몰드 데코레이션 제품 생산할 수 있도록 한다.

그림6　서로 다른 성형 조건의 워시아웃 인덱스 비교 결과

분석을 통해 실제 결과와 상당히 일치하는 유동 선단을 예측할 수 있을 뿐 아니라, 멤브레인의 열 전달 효과를 고려함으로써 성형 과정 중의 열 지체(heat hesitation) 현상에 대해 더욱 정확하게 파악할 수 있었다. 이러한 현상은 바로 데커레이션 레이어의 열전달 효율이 비교적 좋지 않아 발생한 것이다.

그림7　유동 선단과 실제 결과의 비교

그림8　인몰딩 데코레이션을 통한 제품 표면 온도 분포의 분석

3D 프린팅은 몰드 설계에 변혁을 불러오고 있는 또 다른 신기술 중 하나이다. 각국의 여러 공급업체가 해당 분야로 대거 진출하여 3D 금속 프린팅 설비와 금속 파우더의 가격이 점차 하락한 결과, 중소형 몰드 생산원가가 해마다 감소해 이를 직접 프린팅 해내는 것이 더 이상 실현 불가능한 꿈만은 아니게 되었다. 중대형 몰드 역시 기존 방식의 몰드 제조 공정과 3D 프린팅 기술의 결합을 통해 강화근 및 홀 주변의 적열 문제를 해결할 수 있다. 필요한 가공 설비와 종류, 수량을 대폭 절감할 수 있다는 장점 외에도, 냉각수로 설계의 융통성이 가장 큰 장점으로 꼽힌다. 3D 형상 적응형 냉각(conformal cooling)은 냉각 몰드의 모든 모서리를 조정할 수 있게 하는데, 이를 통해 냉각 시간을 대폭 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 왜곡 변형과 제품 표면의 패임 현상 역시 줄일 수 있다. 설계 과정에서 Moldex3D가 제공하는 형상 적응형 냉각수로 생성 기능(Cooling Channel Designer)을 사용해 냉각수로의 디자인 시간을 단축할 수 있다. 또한 3D CFD 기능을 사용하면 모든 냉각수로에 충분한 난류가 흐르고 있는지 검사함으로써, 냉각 효율을 확보하고 필요한 압력 및 냉각 보조 규격을 예측할 수 있다. 또한, 냉각 분석과 왜곡 분석을 결합해 기존 방식의 냉각수로와 형상 적응형 냉각수로 양자의 몰드 제작 비용을 계산하고, 본격적인 생산 시 냉각 시간을 단축시킬 수 있으며 안정적인 품질의 확보 및 생산 비용도 절감 할 수 있다. 상술한 바처럼 3D 프린팅 기술의 전면적인 사용으로 인해 몰드 제조공정의 양상이 급속하게 변모하고 있으며, 형상 적응형 냉각수로 역시 빠르게 보급화되고 있다.

바람이 불면 「구름」이 움직인다. 4.0 시대의 도래

마치 바람이 불어 구름을 움직이듯, 클라우드 컴퓨팅은 전자 비즈니스 및 인공 지능의 대대적인 발전을 가져온 동시에 CAE 소프트웨어 개발업체와 사용자가 차세대 컴퓨팅 자원의 투자와 배치 시 고려해야 할 중요한 선택 사항의 하나로 자리잡았다. 공유 클라우드의 설계 정보 보호 협약이 완전히 소멸되기 전에, 많은 기업들이 이미 앞다투어 기업 내부용 클러스터 컴퓨팅(cluster computing) 구조를 채용해 CAE 컴퓨팅에 필요한 거대한 용량의 내부 저장 공간 및 컴퓨팅 시간 문제를 해결하고 있다. ANSYS와 ABAQUS 등의 유명 소프트웨어가 이미 클러스터 컴퓨팅의 지원을 시작했으며, 수 천개의 코어를 사용한 병행 오퍼레이션 LS-DYNA를 통해 자동차의 충돌 문제를 해결할 뿐만 아니라, 나아가 자동차 업계를 위한 분석 실험을 진행하고 있다. 이 같은 맥락에서 Moldex3D 역시 여러 대의 표준 PC를 연결해 컴퓨팅 속도를 10배 이상 향상시킬 수 있도록 지원하여 천만 개 이상의 요소로 구성된 대형 프로젝트의 컴퓨팅까지 만족스러운 수행을 가능케 함으로써 기타 시뮬레이션 분석 소프트웨어를 선도하고 있다. 동일한 배치를 클라우드에 저장할 경우, 광범위한 사용자가 동시에 컴퓨팅 작업을 진행할 수 있다. 평소에는 사용량이 많지 않으나 때때로 많은 사용량이 필요한 사용자의 경우, 사용량만큼 지불하는(Pay-Per-Use) 방안을 통해 컴퓨팅에 필요한 소프트웨어의 기능과 하드웨어 자원을 융통성 있게 선택할 수 있다. 지식 재산권의 보호, 인터넷 보안, 전송 대역 등과 관련한 기술 발전과 성숙에 따라, 더욱 많은 기업들이 클라우드 컴퓨팅의 장점에 주목하고 있는 시점에서, Moldex3D 역시 곧 클라우드 컴퓨팅 솔루션을 출시할 예정이어서 기업의 관심을 한 몸에 받고 있다.

점점 많은 기업들이 설계 생산 제조공정 과정에 시뮬레이션 분석을 사용해 기업의 경쟁력을 높이고 있는데, 이는 곧 더욱 많은 컴퓨팅 데이터가 쏟아져 나올 것이고, 이를 현장에서 실제로 측정된 방대한 양의 데이터를 기업의 생산 작업을 책임질 데이터 베이스로 이전해 Industry 4.0 시대에 없어서는 안 될 기초를 다지고 있음을 의미한다. Moldex3D R15.0의 iSLM 모듈은 사용자가 이러한 데이터를 관리, 분석할 수 있도록 도와주는 동시에, 기업이 소중한 설계 및 제조공정 상의 경험을 철저히 검토할 수 있도록 도와준다.