가상 환경에서의 제품 개발

가상 환경에서의 제품 개발

William J. Holstein
7 June 2017

빨라진 컴퓨터 속도와 향상된 알고리즘 덕분에 우주 항공 및 자동차 산업의 전유물이나 다름없던 컴퓨터 시뮬레이션 기반의 테스트가 다른 산업에서도 각광 받게 되면서 음료수 패트병과 같은 저렴한 품목도 가상으로 테스트하고 신속하게 개선할 수 있게 됐다. 윌리엄 홀스타인(William J. Holstein)

병은 병이지만 단순한 병이 아니다? 한 송 후앙(Hansong Huang)에게 병은 하나의 완전한 우주이자 제품 내부의 품질에 근본적인 영향을 미치는 환경이다.

미국 내 총 매출 100억 달러를 자랑하는 호 주 Armour Limited의 계열사인 Amcor Rigid Plastics의 첨단 공학 책임자인 후앙은 코카콜라나 펩시와 같은 세계적인 브랜드들 의 플라스틱병 디자인을 책임지고 있다.

"그 어떤 기업도 다른 브랜드와 똑같아 보이 는 걸 원치 않는다"고 후앙은 이야기했다. 그 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제품 품질에 영향을 미치는 수십 가지 변수로 인해 제품 모양이 영향을 받지 않는지 가상으로 테스트해볼 수 있다. (사진 제공: Plastic Technologies Inc.) 82 COMPASS #11 2017 러나 병의 모양은 병의 강도, 탄산 보존력, 차광 등의 성능에 영향을 미친다. 그래서 모 양만으로 특정 브랜드를 식별할 수 있는 병 을 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 특 히 병 모양이 수십 가지 다른 변수에 영향을 미치고 그런 변수가 제품 품질에 영향을 미 치는 경우에는 더더욱 그렇다.

그는 "내부의 이산화탄소가 너무 빨리 빠져 나오지 않아야 하며 산소가 유입돼서도 안 된다. 유통 기한이 있는 것도 그 때문이다. 그래서 가진 기술력을 모두 발휘해야 하는 경우가 자주 발생한다"라고 설명했다.

최근까지 병 디자인은 시행착오가 불가피한 공정이었다. 전문가들은 병을 디자인하고 몇 가지 다른 모양의 병을 실제로 제조한 다음, 다양한 유형의 자극을 어떻게 견디는지 물 리적으로 테스트했다. 제대로 된 디자인의 결과물이 탄생하기까지 수개월, 심지어 수년 이 걸리는 경우도 있었다.

그러나 후앙은 이제 가상 환경에서, 그러니 까 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 몇 분 만에 새 로운 병 디자인을 테스트할 수 있다.

그는 강력한 시뮬레이션 소프트웨어를 사용 하여 실제 병이나 테스트 장비를 동원하지 않고서도 다양한 온도, 습도, 중량 및 낙하 조건을 새로운 디자인에 적용할 수 있다. 일 정한 색상으로 너무 약한 곳이나 탄산이 빠 져 나가는 곳을 보여주므로 문제가 있는 부 분을 보완할 수 있다. 가상 환경에서 디자인 을 수정한 경우 몇 분 내에 새로운 시뮬레이 션을 실행할 수 있다.

그 어떤 포장 소비재 제조업체도 자사의 제품이 경쟁사 제품과 똑같아 보이는 걸 원치 않는다. 그래서 기업들은 독창적인 형태의 병을 만드는데 각별히 공을 들인다.(사진 제공: AbbieImages / iStock)

컴퓨터가 디자인의 타당성을 검증하면 엔지 니어들은 생산 샘플을 테스트할 수 있다. 실 제로 생산 샘플을 테스트하는 주된 이유는 시뮬레이션에서 오차가 발생해서라기 보다 단순히 엔지니어들이 안심하기 위해서이다. 병은 시뮬레이션에서 예상했던 품질을 항상 유지한다.

나무 시대여, 안녕!

컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 테스트 방식을 가장 먼저 도입했던 건 우주 항공 및 자동차 산업이다. 도입 이유는 첫 단계의 프로토타 입 제작 비용이 수십 억 달러에 달하다 보니 새로 설계한 항공기가 제대로 날지 못하면 막대한 타격을 입거나 거듭된 보완을 통해 규제 및 안전 기준에 부합하는 설계를 완성 하기까지 수십 대의 자동차를 충돌 테스트 에 동원하려면 만만치 않은 비용을 부담해 야 했기 때문이었다. 이제는 플라스틱병처럼 상대적으로 많은 비용이 들지 않는 제품에 도 컴퓨터 시뮬레이션이 활용되고 있다.

오하이오주 홀랜드에 위치한 P l a st i c Technologies의 컴퓨터 지원 엔지니어링 및 시뮬레이션 책임자인 수미트 무케르지(Sumit Mukherjee)는 3D CAD(Computer-Aided Design)가 등장하기 전만 해도 설계자는 실 용적이거나 매력적이라고 생각되는 디자인 그 어떤 포장 소비재 제조업체도 자사의 제품이 경쟁사 제품과 똑같아 보이는 걸 원치 않는다. 그래서 기업들은 독창적인 형태의 병을 만드는데 각별히 공을 들인다. (사진 제공: AbbieImages / iStock) 83 COMPASS #11 2017 을 개발 한 후 작업장으로 보내면 작업자가 목재를 깎아 원안과 유사한 형태를 만들었 다고 설명했다. 그리고 플라스틱 재질의 병 을 생산하는데 사용할 금속 취입 성형을 이 나무 병으로 만들었는데 이 공정만으로도 완료되기까지 수 주가 걸렸다.

그러나 컴퓨터 속도가 빨라지고 알고리즘이 향상되면서 이러한 예전 방식은 역사의 뒤 안길로 사라졌다. 무케르지는 "이제는 20가 지 디자인을 가상으로 테스트해서 어떤 것 이 가장 적당한지 확인한 후 하나의 성형만 제작하면 된다"고 이야기했다.

컴퓨터 시뮬레이션 중심의 모델링 및 테스 트에는 또 다른 장점이 있다. 대부분의 테스 트를 실제로 실시할 필요가 없기 때문에 테 스트 시간이 크게 단축되고 테스트 여건을 조성하느라 부담해야 하는 비용이 대폭 감 소한다는 점이다. 이제 과학자들은 쓸모 없 는 수천 개의 아이디어를 가려내느라 에너 지를 소비할 필요 없이 가장 유망한 아이디 어를 개선하는데 집중할 수 있다.

또 다른 장점은 병을 생산하는데 드는 총 비 용 중 평균 67%를 원자재가 차지하는데, 병 에 들어가는 PET 플라스틱의 양을 줄일 수 있기 때문에 병 제조 비용뿐만 아니라 완제 품의 원가도 낮출 수 있다. 무케르지는 "20년 전 일반적인 2리터짜리 플라스틱 소다수 병 의 무게가 79그램이었는데 지금은 44그램에 불과하다. 그런데 소비자들은 이 사실을 눈 치채지 못한다"고 설명했다.

“ 모델링과 시뮬레이션이 항공기와 위성에만 응용되던 시대는 지났다. 이제는 화장지와 우유 팩 등 모든 것에 모델링과 시뮬레이션이 사용된다.”

토마스 렌지(Thomas Lange)
TECHNOLOGY OPTIMIZATION & MANAGEMENT 창립자

시뮬레이션 도구가 더욱 정교해지자 더욱 다양한 분야에서 이를 활용하고 있다. 더 우 수한 성능의 컴퓨터가 등장한데 맞물려 컴 퓨터 알고리즘이 개선되면서 '다중 물리학' 프로그램을 개발할 수 있게 됐고, 그에 힘입 어 여러 가지 재료나 변수를 동시에 시뮬레 이션할 수 있게 됐다. 예를 들어, 다중 물리 학 프로그램은 특정 물체의 원료에서 예상 되는 결과뿐만 아니라 공기압, 온도, 자력처 럼 물체가 노출되는 조건에 따라 그 결과가 어떻게 변할지도 예측할 수 있다. 무케르지 는 "다중 물리학 덕분에 엔지니어의 작업이 한결 편해졌다"고 말했다.

뿐만 아니라 시뮬레이션 도구를 사용하기도 갈수록 쉬워지고 있다. 몇 년 전까지만 해도 박사 학위를 가진 소수의 연구원만이 가상 모형을 제작하고 조작하는 방법을 이해할 수 있었다. 컴퓨터 시뮬레이션 중심의 테스 트는 여전히 수준 높은 기술을 필요로 하지 만 정확한 컴퓨터 시뮬레이션 모형을 제작 하는데 필요한 자질이 하향되면서 더 많은 사람들이 시뮬레이션 도구를 사용하고 동료 와 결과를 공유할 수 있게 됐다.

포장재에서 완제품으로 활용 범위 확대

컴퓨터 시뮬레이션이 비단 포장재에만 활용 되고 있는 것은 아니다. Procter & Gamble (P&G)처럼 수준 높은 포장 소비재 제조업체 에서 한때 시뮬레이션 도구를 사용하여 포 장재를 설계했던 엔지니어들은 이제 제품의 내부 설계에도 이 도구를 사용하고 있다.

토마스 렌지(Thomas Lange)는 37년간 몸담 았던 P&G에서 모델링 및 시뮬레이션 담당 이사로 재직하다 퇴직했다. 현재 그는 신시 내티에서 Technology Optimization & Management란 컨설팅 회사를 운영 중이다.

렌지는 "P&G의 주요 과제는 모순되는 문제 에 대한 해법을 찾아내는 것이다. 예를 들어, 섬유에서 얼룩은 제거하되 옷감은 보호할 수 있는 방법을 찾거나, 표백제로 얼룩을 제 거할 때 섬유 색상까지 함께 빠지는 경우에 이에 대한 해결책을 찾아야 한다."고 말했다. 섬유의 색상까지 함께 빠지는 경우의 해법 을 찾아야 한다"고 말했다.

과거에는 수년 간 실제 실험을 거쳐야만 이 와 같은 모순 관계에 대한 해답을 구할 수 있었다고 렌지는 설명했다. 그러나 오늘날 P&G는 컴퓨터 시뮬레이션 도구로 선반에 비치한 캡슐이 녹지 않기 위해 세탁세제 Tide의 포장을 얼마나 튼튼하게 만들어야 하는지 혹은 Pampers 기저귀를 어떻게 설 계해야 흡수력을 극대화할 수 있는지 등을 알아낸다.

렌지는 "모순점을 해결하기 위해 P&G는 모 델링 및 시뮬레이션을 토대로 제품, 공정, 생 산 시스템, 공장의 전체 조립 라인을 설계한 다. 심지어 제품 출하 일정, 제품 선적 시기, 트럭에 선적했을 때 제품의 온도를 파악하 는 데도 시뮬레이션 도구를 사용한다"고 설 명했다.

그는 또 "제품이 현실 세계에 존재하기도 전 에 제품 설계가 적합한지, 효과가 있는지, 비 용적 측면에서 타당한지 알아낼 수 있다"고 말했다.

렌지는 본인이 엔지니어로 첫발을 내디뎠던 때만 해도 컴퓨터로 그처럼 복잡한 시뮬레 이션을 수행하는 것은 상상조차 못했다고 덧붙였다. 

렌지는 "모델링과 시뮬레이션이 항공기와 위 성에만 응용되던 시대는 지났다. 이제는 화 장지와 우유 팩 등 모든 것에 모델링과 시뮬 레이션이 사용된다"고도 설명했다.

현재 렌지는 식품 회사들이 시뮬레이션 및 모델링 노하우를 축적하는 일을 돕고 있다. 일례로, 그는 한 식품 회사로부터 농산물로 식품으로 만드는데 엄청난 양의 열과 공기 를 사용하는 기계를 보완해달라는 의뢰를 받았다. 그런데 오래됐지만 고가의 대형 기 계 내부로 공기가 유입되는 방식에 문제가 있어 제품에 영향을 주는 것으로 확인됐다. 그러나 기계가 고장이 날 우려가 있었기 때 문에 기계를 실제로 개조해볼 수는 없었다.

"운이 좋다면 기계를 다시 켰을 때 더 효과 적으로 작동하겠지만 그게 아니라면 문제가 심각해질 수도 있었다"라고 렌지는 설명했 다. 렌지는 그 회사가 식품 가공 장비의 가 상 모형을 제작하여 해결책을 찾을 수 있도 록 도왔다. 그리고 시뮬레이션을 실시한 결 과, 공기가 통과하는 경로의 설계를 변경하 고 공기 흐름을 방해하는 일부 부품을 제거 해야 한다는 결론을 얻을 수 있었다.

렌지는 또 "괜찮다고 생각했던 아이디어를 시뮬레이션을 통해 테스트해볼 수 있었다. 덕분에 실제로 테스트하기 어려운 문제를 가상으로 테스트해서 해법을 찾아낼 수 있 었다"고 말했다. ◆ 

보다 자세한 정보는
http://3ds.one/Perfect_Test

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