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장비산업은 대표적인 B2B 사업으로 시장에서 제품 의 성능과 품질에 대한 냉철한 평가가 이루어지고 있으 며 기술력으로 무장한 기업들이 치열한 경쟁이 펼쳐지 고 있다. 제품의 시장 경쟁력을 지속적으로 유지하기 위해서는 개발 기간을 단축하고, 낮은 가격에 더 높은 성능을 갖게 하는 노력들이 필요하다. 장비산업은 가전 제품이나 자동차와는 달리 다품종 소량 생산의 특성을 갖고 있어서 상대적으로 짧은 개발 기간과 충분한 시험 검증을 수행하기 어려운 경우가 많다. 이러한 시장의 요구와 제품개발의 특성으로 인하여 CAE를 중심으로 한 디지털 개발이 개발 효율화에 있어 중요한 의미를 갖는다.
디지털 개발의 적용을 위해서는 개별 구성 요소의 독 립적인 기능만큼이나 구성 요소간의 연계가 중요하다.
예를 들어 CAD-CAE의 연계, 혹은 설계자를 위한 CAE 는 산업계의 오랜 숙원이지만 아직까지도 CAE, CAD 양쪽 분야의 오랜 숙제로 남아 있으며 그 발전 속도는 산업체의 기대만큼 빠르지 않은 상태이다. 디지털 프로 세스의 장점을 배가시키기 위하여 제품 개발자들은 독 립적으로 존재하는 여러 기능 요소(CAE, CAD, CAM)들 을 적절히 배합하여 필요한 연결고리들을 개발하여 각 자의 프로세스에 최적화된 형태로 발전시켜 나가고 있 다. 이 글에서는 장비 개발에 적용되는 디지털 개발의
사례를 중심으로 디지털 개발의 발전 방향에 대해서 논 의하고자 한다.
삼성테크윈은 에너지 장비, 반도체 조립 장비, 감시 장비, 방산 장비를 생산하는 4개 사업부를 갖고 있으며, 각 사업부마다 특화된 디지털 개발 프로세스를 보유하 고 있다. 예를 들어 에너지 장비 사업부문은 공력, 내구, 진동, 열전달 등 항목들을 검증하기 위한 CAE가 개념 설계부터 기본 설계 단계까지 집중적으로 적용되고, 방 산 장비는 설계, 생산, 품질, A/S 부분까지 CAE가 고르 게 적용되고 있다.
본 절에서는 적용 기술과 개발 프로세스의 다른 두 개의 사례를 통해 디지털 개발을 확대 적용하기 위해 필요한 다양한 방법론의 확보, 단위 프로세스간의 연 계, 부서간의 협업에 대한 예시를 보이도록 하겠다.
에너지 장비 개발 사례
에너지 장비는 일반 산업용, 조선・해양용, 석유화학 용 플랜트 등에 필요한 에너지의 채굴, 운반, 처리 등 일 련의 과정에 필요한 가스의 압축・팽창 관련 장비 일체 를 의미한다. 에너지 장비의 종류는 공기압축기, 가스 압축기, 팽창기(익스팬더), 발전기 등이 있으며, 코어 (압축기, 팽창기), 구동기(모터, 가스터빈 등), 증속 기
민 제 홍 삼성테크윈 상무 ㅣ e-mail : [email protected]
장비산업은 다품종 소량 생산 및 수주 개발의 특성으로 인하여 제품의 경쟁력을 개발 초기에 확보하기 위한 디지털 개발 프로세스의 도입이 필수적이며 이를 위해서는 형상 설계, 구조/유동해석, 제어 설계 등 구성 요소의 기능만큼이 나 기능간의 연계가 중요하다. 디지털 개발의 확산을 위해서는 단위 요소의 개발과 더불어 이종 SW 개발자 간의 공 동 개발을 통해 실 사용자의 요구를 반영한 통합 솔류션의 제공이 필요하다.
장비산업의 디지털 개발 프로세스
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장비산업의 디지털 개발 프로세스
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어박스, 윤활시스템, 제어시스템, 발전기 등으로 구성 되어 있다.
대표적인 에너지 장비인 압축기의 개발 프로세스는 다음과 같다. 일단 수주를 받으면 고객의 요구 조건에 따라서 적절한 부품 및 sub assembly를 결정하고 상세 설계, 시험평가를 거쳐 고객 사이트에서의 운용 시험까 지의 작업이 짧으면 6개월에서 10개월 기간 동안에 이 루어지게 된다. 각기 다른 성능과 운전조건을 갖는 제 품을 빠른 시간 내에 생산해내기 위해서는 단위 프로세 스의 리드타임은 물론 프로세스간의 연계가 신속히 이 루어져야 한다.
우선 개념 설계까지의 시간을 단축하기 위해서는 구 성 부품들의 성능을 DB화 하고 이를 설계 로직과 결합 한 사이징(sizing) 프로그램이 필요하다. 당사는 특화된 사이징(sizing) 프로그램을 통해서 기본 설계 시간을 60% 이상 감축하였으며, 설계 경험이 충분하지 않은 사 람들도 기본 설계를 수행할 수 있도록 하였다.
고객의 요구사양에 최적화된 맞춤식 장비의 개발을 위해 기본 설계 단계에서 충분히 성능, 강건성, 안정성 및 신뢰성이 확보될 수 있도록 제작 전에 CAE를 바탕으 로 한 정밀한 해석 및 설계평가를 수행되어야 한다. 공 력해석, 열해석, 구조/진동/수명해석, 로터 동특성 해석
이 주로 이루어지며, 핵심 성능 인자에 대해서는 부품 레벨, 기능 단위(sub-assembly) 레벨, 시스템 레벨로 나 누어 핵심 설계 인자에 대해서는 다단계의 해석을 수행 하고 있다. 그림 2는 압축기에서 가장 중요한 공력 성능 을 예측하기 위한 해석 방법론으로서, 단위 부품 해석 에서 전체 유동 경로를 고려한 시스템 레벨 해석까지 단계별 해석을 보여주고 있다.
디지털 개발 프로세스의 정착을 위해서는 공력, 구 조, 진동, 열전달 관련된 최종 성능을 다각적으로 분석 해 볼 수 있는 다양한 CAE 방법론이 확보되어야 한다.
결과적으로 시험이나 제작 평가를 대처하는 수준까지 발전하지 않으면 디지털 프로세스의 확산은 기대하기 어렵다. 진동 해석의 경우 회전축의 주파수 분석만으로 진동 성능의 충분한 검증이 어렵기 때문에, 전체 시스 템의 동적 거동을 재현해보고 시간 이력을 확인하는 방 법론을 적용하고 있다.(그림 3)
앞서 언급된 다양한 종류의 CAE 해석을 신속하게 수 행하기 위해서는 CAD-CAE를 연계시키는 방법론이 필 요하다. 설계인자가 변경되었을 경우 형상 설계가 수정 되고, 변경된 부품들로 기능 단위를 재구성하고, 여기 에 메시가 만들어지는 전처리 과정이 필요하다. 일반 적으로 이 과정에서 설계팀과 해석팀 사이의 의견 조율
그림 1에너지 장비의 개발 프로세스
그림 2다단계 공력해석의 예(부품 레벨, 기능 단위 레벨, 시스템 레벨)
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에 많은 시간이 소요되고, 또한 CAD 모델에서 CAE 모 델로 변환하는 데 상당한 시간이 소요되어 결국 해석 결과가 설계에 반영되는 것은 어려워지는 경우가 많이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 주요 부품의 설계를 자동화하고, 해석에 필요한 feature만 추출하고 부품들을 자동으로 재구성하는 프로그램을 개발하였 고, 추출된 CAD에서 유동공간을 도출하고 mesh를 만 드는 과정을 자동화하여 설계 변경에서 격자(mesh) 생 성까지 1시간 내에 이루어질 수 있도록 하였다.
반도체 조립 장비 개발 사례
반도체 조립 장비는 정밀 메카트로닉스 기술과 통합
제어 시스템 기술을 기반으 로 SMT 실장 및 반도체/디 스플레이 조립 공정에 필요 한 기계 설비와 운영 소프 트웨어를 포함하고 있다.
주요 제품으로는 SMT 실장 을 위한 칩 마운터, 스크린 프린터와 반도체/디스플레 이 조립을 위한 플립칩 마 운터, POL 부착기 등이 있 다. 현재 전자 제품의 소형 /복합화로 고밀도 실장기 술 요구되고 있으며, 중속 기에서 고속기로의 전환이 빠르게 진행되고 있다. 반 도체 조립 장비는 앞 장의 에너지 장비와는 달리 조립 업체들이 요구하는 스펙이 표준화되어 있어서, 장비 업 체의 성능 경쟁이 치열하고, 원가와 개발 기간을 줄이 는 것이 중요하다.
반도체 장비는 기구 설계와 제어 소프트웨어의 연계 를 통한 정밀 제어 성능이 가장 중요하다. 일반적인 반 도체 장비 개발 프로세스(그림 4(a))는 기구 설계가 끝 나고 시작품이 제작된 후에 제어부의 상세 설계가 진행 되고 있다. 결국 시제품 제작 전에는 제어알고리즘 선 행 검증이 불가하고 제어/기구 부서의 협업 수준이 낮 은 상태이다.
이러한 낮은 협업은 기본 설계 단계에서 기구 설계자
그림 3기어 시스템 진동 해석 예(부품 레벨 주파수 분석, sub-assembly 시간이력 해석)
(a) 일반적 개발 절차
(b) 기구-제어 연계 개발 절차 그림 4반도체 조립 장비의 개발 프로세스 개선
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장비산업의 디지털 개발 프로세스
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와 제어 설계자가 협업할 수 있는 환경이 제공되지 않 기 때문이다. 결과적으로 제어/기구 부서간에 설계 스 펙이 잘 공유되지 않고 상호 기술이해도가 부족하게 된 다. 제어 부분의 개발이 시작품 제작 이후에 본격화되 면 기구 설계가 완료된 상태이기 때문에 제어만으로 성 능을 만족시키지 못할 경우, 전체 개발 프로세스를 다 시 반복해야 하는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 기본 설계 단계에 서 조립 장비의 동적 거동을 수식화하여 제어와 연계할 수 있도록 만들어야 한다. 이 과정을 시스템 ID라고 하 는데 간단한 시스템에서는 단순한 수식으로 모델링이 가능하다. 하지만 복잡한 형태를 갖는 반도체 장비는 단순한 수식으로 모델링이 불가하고 형상을 정확히 반 영한 3차원 시스템 동역학 모델링을 사용하는 것이 바 람직하다. 반도체 조립 장비는 헤드(Head)가 다양한 위 치로 움직이면서 반도체 부품을 PCB에 실장하게 되는 데, 각각의 배치에 따라 다른 주파수 특성을 갖는다(그 림 5). 이러한 문제를 해결하기 위해서 정확성이 확보 된 동역학 해석 모델을 이용하여 헤드 위치에 따른 시 스템 응답 DB를 구축하였고 임의의 헤드 위치에서의 시스템 ID 추정 알고리즘 및 개발하였다. 이렇게 구성 한 시스템 모델을 메트렙 시뮬링크(Matlab simulink)로
구현된 제어 로직과 연결하여 제어 알고리즘을 적용하 면 실제 제어 로직이 고려된 시스템의 동적 거동을 높 은 정확도로 예측할 수 있다.
정밀 기계 장비에서 기구와 제어가 불가분의 관계인 데 반하여, 실제로 기구와 제어를 동시에 고려할 수 있 는 환경을 구축해주는 상용 소프트웨어가 제한적이어 서 당사에서는 외주 개발을 통해 독자 솔루션(solution) 을 확보하였다. 이것은 기구 설계에 관련된 CAD, CAE 프 로 그 램 을 제 공 하 는 업 체 와 제 어 시 뮬 레 이 션 (Simulation) 소프트웨어 업체의 간극이 충분히 멀었고, 둘 사이의 협업에 대한 요구가 상대적으로 적었기 때문 으로 추측되며, 앞으로 이 두 분야의 융합을 통해 다양 한 방법론들이 제공될 날을 기대해본다.
당사의 사례를 통해 디지털 개발 프로세스의 정착에 필요한 요소를 정리해보면 다음과 같다.
디지털 개발 프로세스가 확장될수록 중간 단계의 결 과물에 대한 기대 수준이 높아질 것이고 이를 위한 해 석 방법론들이 다양하게 개발되어야 한다. 부품 레벨, sub-assembly 레벨, system 레벨 등 모델링 수준별 해 석 솔루션(solution)뿐만 아니라 동일한 문제에 대한 여 러 관점의 결과를 제공하는 것이 필요하다.
현재까지는 CAE, CAT, CAD, CAM 등 독립된 단위 기술의 개발이 중요하지만, 기술 요소간 seamless한 연 결이 더욱 중요해지고 있다. 개발 기간 단축의 효과를 극대화 하기 위해서는 설계-해석-시험간의 정보 교환이 실시간으로 이루어지고, 그것이 바로 설계-해석-평가에 연계될 수 있는 환경 구축이 선결조건이다.
디지털 개발 프로세스의 확산을 위해서는 기존의 SW 업체에서는 이종 업체와의 공동 개발을 통해 사용 자의 요구를 반영한 통합 솔루션 역량을 제공하여야 한 다. 기구-제어 연동 simulation, 유동/구조/진동을 동시 에 고려할 수 있는 소프트웨어, 설계자를 위한 CAE SW 등 다양한 솔루션의 개발이 필요하다.
그림 5실장기 헤드 위치에 따른 응답특성의 변화
