＂시뮬레이션으로 디자인에 창의 입혀라＂

Article at a Glance – 혁신

 

디자인이 끝난 ‘후(後)’ 제품 테스트를 하는 과정에서뿐 아니라 디자인 ‘전(前)’ 제품 기획 단계부터 적용할 수 있는 시뮬레이션 기술인 컴퓨터응용공학(CAE·Computer Aided Engineering)은 미래 제조업의 부흥을 이끌 혁신적 기술이다. 특히 위상최적화(topology optimization) 기술과 접목할 경우 주어진 공간 제약하에서 가장 효율적인 디자인을 컴퓨터가 제안해 줄 수 있어 개발 기간을 단축하고 비용을 아낄 수 있다. 위상 최적화 기술을 통한 시뮬레이션을 활용하면 과거에는 전혀 생각할 수 없었던 창의적이고 혁신적인 디자인 아이디어를 얻는 일도 가능해진다.

“시뮬레이션 기술인 컴퓨터응용공학(CAE·Computer Aided Engineering)이야말로 미래 제조업의 부흥을 이끌 혁신적 기술이다.”

세계적인 시뮬레이션 소프트웨어 전문기업인 알테어(Altair)의 짐 스캐파(Jim Scapa) 회장은 “제조업에 종사하는 사람이라면 업종을 막론하고 누구나 위상최적화(topology optimization, 수학적 알고리즘을 통해 최적의 형상 구조를 도출하는 접근법) 기술을 접목한 시뮬레이션 기술에 주목해야 한다”며 이같이 말했다.

짐 스캐파 회장은 컬럼비아대에서 기계공학을 전공하고 미시간대에서 경영학 석사 학위를 받았다. 자동차 회사 포드에서 엔지니어로 일하다 지난 1985년 알테어를 설립했다. 현재 전 세계 22개국에 진출해 있는 알테어는 자동차, 항공, 중장비, 생명공학, 전자, 에너지, 정부기관 등 분야와 업종을 막론한 5000여 개 고객사를 확보하고 있다. 포드, GM, 에어버스, 알스톰, BASF, IBM, 엑손모빌, NASA가 모두 알테어의 시뮬레이션 소프트웨어를 사용한다. 최근 한국 비즈니스 사업 점검 차 방한한 스캐파 회장을 만나 CAE 기술의 잠재력에 대해 들어봤다.

짐 스캐파 회장

CAE가 왜 중요한가?

겨울에 인기 있는 스포츠 기구 중 하나인 봅슬레이를 예로 들어보겠다. 봅슬레이의 주행 속도를 높이려면 공기 저항을 최소화할 수 있는 외관 디자인이 필요하다. 그래서 대개 틈 하나 없이 매끈한 일체형 디자인으로 제작한다. 기본적으로 얼음 위를 미끄러지면서 주행해야 하기 때문에 얼음과의 마찰계수를 고려해 최적의 썰매 날 형상을 설계해야 한다.

스포츠기구 제조업체에서 이런 봅슬레이를 제작하려면 어떻게 해야 할까? 전통적인 방식을 따르자면 디자이너가 그린 스케치를 바탕으로 봅슬레이 시제품을 만들고, 이를 실제 작동했을 때 문제가 없을지 현장에서 이런저런 테스트를 해보고, 이 과정에서 나타나는 문제들을 다시 설계에 반영해 최종 제품을 만들어낸다. 하지만 이런 방법이 갖는 가장 큰 문제는 시간이 너무 ‘오래’ 걸린다는 것이다. 현장 테스트를 아무리 많이 해도 극한 상황에서 발생할 수 있는 모든 문제까지 모조리 잡아내기도 힘들다. 이런 문제들을 해결해 줄 수 있는 게 바로 CAE다.

CAE는 제품디자인부터 설계, 분석, 성능 평가에 이르는 전 과정을 컴퓨터에서 구현해 주는 시뮬레이션 기술이다. 여러 가지 가상 환경을 설정해 놓고 그때마다 필요한 성능이 무엇인지 예측한 후 입력 값을 다양하게 조절해 이를 설계에 반영함으로써 최적의 디자인을 도출한다. 과거엔 시뮬레이션 소프트웨어가 주로 ‘테스트’ 단계에만 국한돼 활용됐다. 즉, 디자이너가 자신의 직관이나 상상에 의존해 특정 디자인을 스케치하면 그것이 실물로 구현됐을 때 제 기능을 할 수 있을지 테스트하는 단계에서 시뮬레이션 기술을 적용했다. 내구성 측정을 위해 높은 곳에서 휴대전화를 떨어뜨린다든지, 안전성 검사를 위해 고속 주행이나 충돌 실험을 진행하는 등의 예가 대표적이다. 하지만 CAE의 특징은 시뮬레이션을 디자인 ‘후(後)’ 단계에서뿐 아니라 디자인 ‘전(前)’ 단계에서도 적용한다는 점이다. 완성된 디자인에 따라 제품을 만든 ‘후’ 테스트를 하는 단계에서뿐 아니라 아예 디자이너가 디자인을 하기도 ‘전’에 시뮬레이션 기술을 적용한다는 뜻이다.

CAE를 활용하면 수천 번, 수만 번의 시뮬레이션이 가능하고 미세한 부분까지도 수치로 조절할 수 있기 때문에 완성도 높은 제품 설계가 가능하다. 뿐만 아니라 디자인 결과물도 매우 수려하면서 공간 효율적이다. 수많은 시뮬레이션을 통해 컴퓨터가 최적의 디자인을 제안해 주기 때문에 인간의 상상이나 직관으로는 도저히 생각해 낼 수 없는 창의적인 디자인을 도출해 내는 것도 가능하다. 개발 기간도 획기적으로 단축할 수 있고, 모든 테스트가 가상의 컴퓨터 공간에서 이뤄지는 만큼 비용도 줄어든다.