제너레이티브 디자인을 통해く
비즈니스를 혁신하는 3가지 방식

제너레이티브 디자인은 현재의 제품개발 방식과 대조적으로 다수의 최신 제조 인식 솔루션을 제공해 시장 출시를 앞당길 수 있게 해줍니다.

Fusion 360의 제너레이티브 디자인은 인간이 한두 가지 설계 대안을 개발하고 평가하는 것보다 짧은 시간에 수백 가지 설계 대안을 제공하므로 그 안에서 최종 설계를 고려하고 장단점을 연구할 수 있습니다. 제너레이티브 디자인은 특정 설계 구속조건에 대해 복수의 잠재적 제조 인식 솔루션을 디자인 팀에 제공한다는 데 그 가치가 있습니다. 이를 통해 시간을 절감할 수 있으며, 전에는 상상할 수도 없었을 새로운 설계 대안을 찾아낼 수도 있습니다.

Crown Equipment의 산업 디자인 디렉터인 Paul Magee에 따르면, 제너레이티브 디자인에는 "초기 설계 단계에서 의견을 취합해 복잡한 엔지니어링 문제를 빠르게 해결할 수 있으며 FEA 반복 횟수를 줄여 궁극적으로 시장 출시 기간을 단축하고 제품 성능을 개선할 수 있는" 잠재력이 있습니다. 그렇기는 하지만 설계 대안을 평가하고 다양한 선택지를 걸러내며, 상황에 맞는 최상의 솔루션을 선택하는 것은 여전히 실제 경험에 기반해 작업을 수행하는 엔지니어의 영역입니다.

제너레이티브 디자인은 광범위한 설계 대안 전반에 대해 정보에 입각해 장단점을 평가하여 최상의 결과를 선택할 수 있도록 지원합니다. 이 과정은 비용/중량 분석만큼 간단할 수도 있습니다. 하지만 대부분의 경우에는 기계 생산 일정, 자재의 조달 가능성 또는 주요 비즈니스 목표에 영향을 미치는 기타 요인의 조합 등 고려해야 할 변수가 많습니다.

제너레이티브 디자인 프로세스에 제조 가능성을 고려할 수 있는 기능이 통합되어, 기존 적층 또는 절삭 기능을 사용해 선택한 설계 결과를 도출할 수 있으므로, 제조 팀과 수시로 설계 내용을 주고받느라 시간을 낭비하는 문제가 사라지고 더 짧은 시간에 혁신적인 설계와 엔지니어링 솔루션을 완성할 수 있게 됩니다. 제너레이티브 디자인은 이제 새로운 기술을 넘어 엔지니어가 사용하는 툴박스 중 하나로 자리 잡아가고 있습니다. 제너레이티브 디자인의 가치를 살펴보기 시작한 기업들은 이를 생산 환경에 도입하여 이미 상당한 투자 수익을 달성한 바 있습니다.

제너레이티브 디자인은 설계 및 엔지니어링에 대한 입력 조건을 토대로 검증된 설계 컨셉을 광범위하게 반환하여 검토할 수 있게 해줍니다. 이러한 변수를 사용해 다양한 "설계 가정(what if)"을 빠르게 평가하고 재료 및 제작 프로세스 변경에 대한 장단점을 분석하여, 실행 가능성이 가장 높은 대안을 신속하게 반복하고 이에 수렴하는 결과를 찾을 수 있습니다.

제너레이티브 디자인은 대규모의 엔지니어 팀을 꾸린 기업조차 상상할 수 없는 속도로 설계 파이프라인을 가속하여 생산 환경에 투입하고, 이를 빠르게 출시할 수 있도록 지원합니다.

시멘트, 석탄, 알루미늄 및 석고 플랜트용 공정 장비를 생산하는 회사인 Claudius Peters 가 그 대표적인 예입니다. 이 회사의 혁신 목표는 비용을 낮추고 공정 장비 구성품의 무게를 줄여서 이러한 목표를 빠르게 달성하여 장비 리드 타임을 단축하는 것이었습니다.

혁신 목표를 달성하고 엔지니어링 시간을 단축하기 위해 Claudius Peters는 목표가 분명하게 설정된 역량 있는 팀을 활용하는 애자일 엔지니어링 관행인 Scrum과 제너레이티브 디자인을 적용했습니다.첫 번째 프로젝트의 결과는 놀라웠습니다. 제너레이티브 디자인이 상상도 하지 못했던 결과를 도출한 것입니다. 설계는 모든 성능 구속조건을 충족하면서도 제조 방법에 따라 20~60% 더 가벼워졌습니다.

다른 혁신 목표는 비용 절감이었습니다. 제너레이티브 디자인 토폴로지는 3D 프린팅으로만 구현 가능했으며, 필요 수량에 따른 3D 프린팅 비용은 감당하기 어려웠습니다. 제너레이티브 디자인 컨셉은 보다 경제적인 기존 제조 프로세스에 맞게 재설계된 최종 설계안을 위한 템플릿으로 사용되었습니다. 주물 프로세스를 위해 재료가 추가로 필요했지만, 재료가 추가된 후에도 최종 설계는 여전히 30% 정도 더 가벼워 구성품의 비용이 절감되었습니다.

일반적인 경량화 이니셔티브는 기존 설계를 검토하는 데서 시작됩니다. 고도로 반복적인(수작업 또는 자동화된) 프로세스를 통해 결과에 만족하거나 마감 시간이 될 때까지 중요도가 낮은 영역에서 질량을 줄이고, 구조적 무결성과 성능을 검증하는 과정을 반복합니다.

여기서 딜레마는 이러한 프로세스가 설계를 처음부터 재구상하고 전에는 고려하지 않던 대체 설계 솔루션을 탐색하는 것이 아닌, 처음부터 차선책이었던 설계를 최적화하는 것에 그칠 수 있다는 점입니다.

제너레이티브 디자인은 설계 대안 개발을 위해 완전한 접근 방식을 지원합니다. 또한 수백 개의 새로운 설계 대안을 반환하며 모든 대안은 명시된 설계 및 성능 구속조건을 충족합니다. 여기서 중요한 것은 적층 제조와 기존 제조 방식에 의해 구속된 설계를 비교해 볼 수 있다는 점입니다.

제너레이티브 디자인은 적층 제조와 절삭 제조 모두에 구속조건을 제공합니다. 제조 프로세스를 평가하면서 설계안이 적층 제조에 더 적합해 기존 제조 방법의 저렴한 비용을 능가하는 중량 감소 효과 또는 성능상의 이점을 제공할 수 있는지 판단할 수 있습니다.

중량 감소는 성능 개선에 중요하므로, Briggs Automotive Company(BAC)에서는 제너레이티브 디자인을 활용해 도로 주행이 허용되는 경주용 자동차인 BAC Mono의 새로운 휠을 최적화시켜 가공했습니다. 설계자는 처음에 필수 성능 구속조건으로 재료(알루미늄)를 지정하고, 원하는 제작 방법으로 5축 CNC 밀링을 설정했습니다.

제너레이티브 디자인은 설계 목표를 충족하는 다수의 반복 옵션을 반환했습니다. 선택된 설계안은 약 2.2kg(4.8파운드)으로, 이전의 휠보다 35% 가볍습니다. 이와 더불어 CNC 밀에서 기존 제작 방식을 적용할 수 있으며 영국 내 인증을 위한 구조적 요구사항도 충족한다는 이점이 있습니다.

맞춤형 대량 생산 전략을 도입하면 대량 생산 제품에 가까운 단가로 맞춤형 제작 제품의 유연성과 개인화를 지원할 수 있습니다. 그러나 안타깝게도 대량 생산의 기존 설계 및 제작 방식은 너무 느리고 번거로워 맞춤형 제품에 대한 고객의 요구에 대응하고 확장하는 것이 쉽지 않습니다.

설계 프로세스를 간소화하는 제너레이티브 디자인은 맞춤형 대량 생산을 지원하려는 제조 분야의 혁신에 필수적인 요소가 될 것입니다. 엔지니어나 설계자가 CAD에서 맞춤형 제품을 완전히 정의하는 대신 제너레이티브 디자인을 통해 용도, 기능, 성능, 점유 공간 등에 대한 구속조건으로 제품이 구비해야 하는 조건을 설정하기만 하면, 제너레이티브 디자인 엔진이 입력된 조건을 토대로 설계 대안을 자동으로 생성합니다. 또한 적층 제조는 툴링 비용, 툴링 리드 시간, 그리고 생산 전환과 관련된 시간과 비용 문제를 해소해 줍니다. 제너레이티브 디자인과 적층 제조를 함께 활용하면 제품의 개인화 및 사용자화로 가치가 실현되는 산업의 혁신에 기여하게 될 것입니다.

폐쇄된 환경에서의 유체 측정에 사용되는 초음파 하드웨어 장치 제조업체인 Perceptive Sensor Technologies에서는 최근에 제너레이티브 디자인과 적층 제조를 활용해 새로운 제품 이니셔티브에 맞는 맞춤형 대량 생산 전략을 지원했습니다.

맞춤화할 수 있는 휴대용 장치를 새로 개발하기 위해 Perceptive Sensor Technologies에서는 제너레이티브 디자인 및 적층 제조 기술에 특화된 제품 개발 회사인 Penumbra와 협업을 진행했습니다. 이 프로젝트에서는 내구성을 보장하기 위해 강도를 극대화하면서 사용 용이성과 인체공학적 특성을 위해 장치의 무게 균형을 동일하게 유지하고 질량을 최소화하는 것을 우선시하는 매개변수가 선택되었습니다. Penumbra 팀은 제너레이티브 디자인을 통해 적층 제조로 제작 가능한 설계 솔루션을 찾아내는 연구를 여러 건 진행함으로써 이 복잡한 과제의 모든 측면을 빠르게 살펴봤습니다.

Penumbra 팀에서 작성한 설계는 기대 수준을 뛰어넘었고, 고객이 원하는 정확도와 내구성을 제공하는 새로운 첨단 초음파 감지 장치가 탄생했습니다. 또한 적층 제조 제작 프로세스 덕분에 초기 투자 비용이 최소화되었고 감지 장치를 자유롭게 맞춤 구성하여 신규 고객의 틈새 요구사항을 빠르게 충족할 수 있게 되었습니다.

각 부서가 다음 부서에 "설계안을 대충 넘기는" 기능적 사일로를 야기했던 기존의 순차적 프로세스에서 벗어나기 위한 전략은 1990년대 초반에 처음 도입되었습니다.

동시공학, 제조를 고려한 설계, 혹은 DFM 등 그 명칭이 무엇이든 간에 핵심은 동일했습니다. 바로 시간과 비용상의 장단점을 더 잘 관리할 수 있도록 설계 결정 사항이 제조 프로세스에 미치는 영향을 고려해야 한다는 것이었습니다.

또한 변경 비용을 최소화할 수 있는 제품 개발 프로세스 초기 단계에 이러한 결정을 내릴 수 있다면 비용 목표를 달성할 확률이 높아지고, 지연 위험이 줄어들며, 제조 단계에 더 빠르게 진입할 수 있습니다.

새로운 기술이 적용되고 새로운 의사 결정 차트와 공정도가 사용되었지만, 모든 주요한 변경에서와 같이 이는 단순한 기술과 프로세스 이상의 것입니다. 또한 이러한 전략을 채택하기 위해서는 주요한 문화적 변화를 사람들에게 이해시켜야 합니다. 변경의 규모 때문에 새로운 시스템과 새로운 프로세스에 대한 학습, 새로운 수준의 부서 간 협업, 의사 결정, 문화적 변화가 동시공학의 구현을 가로막는 가장 큰 장애물이 되었습니다. 결과를 도출해야 한다는 부담감이 커지면서 이 전략을 구현한 기업 중 상당수가 성공적으로 여겨졌던 과거의 방식으로 퇴보하여 기존의 순차적 워터폴 프로세스로 회귀하게 되었습니다.

제너레이티브 디자인의 출현으로 이제 문화적 변화는 더는 큰 지장을 초래하지 않게 되었습니다. 과거에는 사람이 필요했던 프로세스 및 기술 변경의 대부분이 인공 지능을 통해 자동화되기 때문입니다. 제너레이티브 기술은 DFM 프로세스를 가장 기본적인 요구사항, 즉 기존 제조 프로세스를 고려한 설계 목표 및 구속조건 지정 등으로 단순화합니다. 클라우드의 지능형 알고리즘과 대량 연산 능력이 제품 개발 프로세스 초기에 정보에 입각해 장단점을 파악하고 결정 사항을 검토할 수 있도록 수백 가지의 검증된 설계 대안을 반환하여 나머지 과정을 처리합니다.

제너레이티브 디자인은 제품 설계자, 기계 엔지니어, 제조 엔지니어 사이의 사일로를 무너뜨리고 이들을 한 자리에 모아 필요한 설계와 제조 구속조건을 개발할 수 있도록 지원합니다. 제너레이티브 디자인 엔진으로부터 결과가 반환되면, 설계 프로세스 초기에 하나의 팀이 되어 정보에 입각해 장단점을 고려한 결정을 내릴 수 있습니다. 제조 구속조건을 통해 현재 데이터로 가장 실행 가능성 높은 생산 경로를 선택하는 데 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 주기 초반에 잠재적 제작 프로세스의 실행 가능성을 평가할 수 있습니다. 이로써 혁신을 강화하고 시장 출시 기간을 단축하고 비용을 낮추며 생산을 간소화하는 더 빠르고 민첩한 제품 개발 프로세스가 탄생하게 됩니다.

문제는 툴링의 긴 리드 타임은 말할 것도 없이, 구성품 설계를 단일 부품으로 단순화할 수 있는 단조, 주조 또는 성형 등의 공정을 위한 툴링 및 생산 비용은 소량 생산 시에는 비용 효율적이거나 합리적이지 않다는 점입니다.

그러나 숨은 비용이 고려되지 않았을 가능성이 있습니다. 여기서 고려해야 할 사항은 툴링을 피함으로써 발생하는 초기 비용 절감액이 그로 인한 상품 비용 부담의 증가에 의해 일정 부분 상쇄된다는 것입니다. 여기에는 성능 향상을 위해 부분 조립품을 여러 구성품으로 분해하는 데 드는 엔지니어링 시간의 증대, 조립 업무의 증가, 증가한 부품 수로 인해 소요되는 비용, 부품 사양을 위한 공정 비용, 소싱 및 BOM, 부품 재고 및 유지 관리 비용 증가 등이 포함됩니다.

일반적으로, 대부분의 미국 회사는 제품 생산에 대해 9~15%의 상품 비용 부담을 책정합니다.

경우에 따라 이러한 구성품의 제작과 조립을 모두 아웃소싱할 수도 있습니다. 구성품의 제조 및 생산을 아웃소싱하는 추세로 인해 OEM 제조사들은 자사의 공급망에 묶여, 복잡하고 관리하기 어려운 문제를 겪게 되기도 합니다.

또한 설계 및 엔지니어링 팀이 공급업체 업스트림에서 소비한 시간과 설계 및 제조 공정 중에 다른 부서가 다운스트림에 소비하는 시간이 상당하여 상품 비용의 부담이 가중됩니다.

General Motors는 오토데스크와의 협업을 통해 제너레이티브 디자인 기술을 도입해 안전벨트 조임쇠를 좌석에 고정하는 표준 자동 부품인 새 시트 브래킷을 재설계하고 기능을 최적화했습니다. 일반적인 시트 브래킷은 하나로 용접된 8조각의 부품으로 구성됩니다. 제너레이티브 디자인 도구는 150가지 이상의 실행 가능한 설계 솔루션을 찾아냈으며, 제너레이티브 디자인을 통해 8개가 아닌 단 1개의 스테인레스 스틸 조각으로 설계된 시트 브래킷은 기존 브래킷보다 35% 더 가볍고 강도는 20% 더 높습니다.

이러한 분야에서 운영 효율성을 높이기 위해 제너레이티브 디자인과 적층 제조 방법을 활용할 수 있습니다. 제너레이티브 디자인은 설계 및 성능 목표를 토대로 필요한 토폴로지와 내부 구조 및 질량을 최소화하여 재료 활용을 극대화합니다.

적층 제조 방식에서는 제작 프로세스 중에 원자재를 더욱 효율적으로 활용할 수 있으므로 CNC 기계가공에 비해 재료 폐기량이 현저히 감소합니다.

또한 엔지니어는 이제 사용 가능한 기존 프로세스 및 도구의 기능과 한계 범위 내에서 구성품의 형상을 설계하느라 골머리를 앓을 필요가 없습니다.

적층 제조는 가공이 쉽지 않은 형상을 포함하는 거의 순수한 형태의 부품을 제작할 수 있어 제조 비용을 높이지 않고 설계 복잡성을 높일 수 있습니다. 마지막으로 적층 제조는 쉽게 확장 가능하므로 CNC 기계가공에 필요한 툴링 및 생산 설정 단계가 사라집니다.

항공우주 산업 분야의 여러 기업은 적층 제조를 사용해 경계를 테스트하고 로켓 엔진 설계를 재점검하고 있습니다. 엔진의 쉘 내부에 격자 구조를 통합해 열 발산을 높이고 일관된 엔진 냉각 효과를 제공합니다.

Relativity에서는 Stargate라는 대규모 적층 제조 시스템을 개발했는데, 이는 최대 높이가 20피트, 너비가 10피트에 달하는 부품을 제작할 수 있는 시스템입니다. Relativity는 Stargate가 그들이 제작하고 있는 Terran 1이라 불리는 로켓의 95%를 제작할 수 있다고 밝혔습니다.

Stargate 적층 제조 시스템이 비용 효율적인 이유는 구성 프로세스가 부품을 통합할 수 있으며, 기존 제조 방식으로는 비용이 많이 들었던 복잡한 기능을 생산할 수 있어서 로켓이 장착되는 부품의 수가 백배가량 줄어들기 때문입니다.

또한 제작 공정이 훨씬 빠릅니다. Relativity에 따르면 짧으면 60일 안에 로켓을 제작할 수 있다고 합니다.

요약

오늘날에는 적층 제조 또는 CNC 방식을 효과적으로 선택해 소량 생산 구성품, 단기 사출(Short run) 또는 맞춤형 구성품에 실행 가능한 생산 경로를 제공함으로써, 정량화 가능한 ROI를 제공하는 제너레이티브 디자인을 적용할 수 있는 다양한 기회가 열려 있습니다. 처음에는 적층 제조에 비용을 투입하지 않으려는 기업도 제너레이티브 디자인을 도입해 이점을 얻을 수 있습니다. Claudius Peters는 제너레이티브 디자인을 활용하여 향상된 새 부품 형상으로 대량의 부품을 생산한 후 기존의 제조 방식으로 역엔지니어링하여 제품을 생산하는 방법을 보여줍니다.

오토데스크의 제너레이티브 디자인은 설계와 제조의 융합을 현실화하고 있습니다. 이제 최초로 기술이 향상되고 자동화된 프로세스를 통해 진정한 동시공학을 구현할 수 있습니다. 제너레이티브 디자인을 활용하면 실질적인 제조 구속조건을 토대로 CAD가 가능한 복수의 설계 옵션을 생성할 수 있습니다. 오토데스크의 제너레이티브 디자인에는 적층 및 절삭 구속조건이 모두 포함되며, 모든 CAD/CAM 시스템이 인식할 수 있는 편집 가능한 형상을 제작할 수 있습니다.

적층 제조의 소요 시간과 비용이 점차 낮아지고 있습니다. 특정 임계값 미만으로 떨어지면 새로운 비즈니스 모델을 실행할 수 있게 됩니다. 멀지 않은 미래의 어느 시점에 변곡점에 도달하게 되면, 대량 생산을 위한 적층 제조 비용이 합리적인 수준으로 맞춰질 것이며 경쟁력을 유지하기 위한 필수 요소로 자리잡게 될 것입니다. 다른 모든 변곡점과 마찬가지로 비즈니스 환경은 머지 않아 혁신을 통해 시장을 재편하는 제조업체와 이로 인해 비즈니스에 타격을 입는 제조업체로 나뉘게 될 것입니다. 이러한 트렌드에 앞서나가는 것은 미래를 생각하는 오늘날의 기업에게는 숙명과 같은 것입니다. 변곡점이 나타나면 기업은 현재 가능한 것과, 미래에 가능하게 될 것을 탐색하는 것에서 시작하여 제너레이티브 디자인과 적층 제조로 성공을 거두기 위한 검증된 프로세스와 방법 및 관행을 준비하고 갖추어야 합니다.