아직도 토폴로지 최적화와 제너레이티브 설계를 동일시하고 계신가요?

제품 설계 및 개발에 CAD 소프트웨어를 사용하고 계신다면 아마도 여러 기능적 목표를 해결하는 형태를 최적화하는 방식인 토폴로지 최적화를 익히 알고 계실 것입니다.

토폴로지 최적화는 3D 설계 공간 내에서 가장 효율적인 설계를 도출하기 위해 재료의 분배를 최적화하는 방식을 말합니다. 이 방식은 미적 요소, 기존의 접근 방식 또는 일반적으로 설계 단계에서 사용하는 기타 설계 제약 조건 등을 고려하지 않습니다. 그 대신, 사용 가능한 설계 공간을 유일한 제약 조건으로 고려하여 부품 또는 시스템의 최적화된 단일 형상을 도출합니다.

사실 토폴로지 최적화는 새로운 개념이 아닙니다. 수년간 엔지니어들은 3D 모델에서 질량 감소, 공진 모드 방지, 열 응력 또는 변형 최소화 같은 설계 목표를 충족하는 최적의 재료 분포를 찾는 데 이 방식을 사용해 왔습니다.

그렇다면 2019년도에는 최고의 산업 디자인 기업들이 어떤 방법으로 제품을 더욱 빠르고 스마트하게 엔지니어링 및 설계하고 있을까요? 이들은 미래형 제품 설계를 지원하는 토폴로지 최적화 기반의 새로운 기술을 모색하고 있습니다.

제너레이티브 설계를 만나보십시오.

제너레이티브 설계란 일련의 시스템 설계 요구사항에서 최적의 설계를 자율적으로 생성하는 방식을 말합니다. 제너레이티브 설계에서는 엔지니어가 선호하는 소재와 제조 공정을 비롯한 기능적 요구사항 및 설계 목표를 대화식으로 지정하면 제너레이티브 엔진이 즉시 제조 가능한 설계를 자동으로 생성합니다. 따라서 기술과의 상호 작용을 통해 탁월한 설계와 혁신적인 제품을 더 빠르게 도출할 수 있습니다.

토폴로지 최적화와 제너레이티브 설계는 제조 및 엔지니어링 커뮤니티에서 큰 화두로 떠올랐지만 시장에서는 이 두 가지 개념을 서로 같은 것으로 오해하는 경우가 많습니다. 또한 이 두 용어를 구분하지 않고 사용되는 경우가 많아짐에 따라 애매함과 혼란이 더 커지고 있습니다.

이제 토폴로지 최적화와 제너레이티브 설계의 차이점에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

토폴로지 최적화는 기반 기술입니다

1990년대 도입된 이후로 토폴로지 최적화는 특정한 기능적 사용 조건 하에 최적의 재료 분포를 도출하는 데 사용되어 왔습니다. 이것은 기존 객체의 재료를 줄이면서 원래 설계 의도에 따라 기능을 할 수 있도록 하는 알고리즘으로, 설계자가 아닌 엔지니어링 팀의 응력 분석에 사용되어 왔습니다.

반면, 제너레이티브 설계는 훨씬 이후에 탄생한 개념으로, 토폴로지 최적화를 포함한 여러 기술을 사용하여 실현 가능성의 한계를 넓혀줍니다. 제너레이티브 설계는 설계자가 토폴로지 최적화 같은 기술을 활용할 수 있도록 해 줍니다. 제너레이티브 설계에서는 설계자가 머릿속에 있는 설계에 대한 요구사항을 지정하면 소프트웨어가 해당 요구사항을 충족하는 모든 설계안을 계산합니다.

간단히 말하면, 토폴로지 최적화는 기능석인 목표, 제약 조건 및 하중만을 고려하여 한 가지 솔루션을 도출하므로 한 번에 하나의 솔루션을 제시합니다. 반면, 제너레이티브 설계는 기능적 요구사항과 엔지니어링 외적인 요구사항 모두를 고려하여 최상이라고 판단되는 여러 솔루션을 도출함으로써 여러 솔루션을 동시에 제시합니다.

이러한 맥락에서 볼 때, 토폴로지 최적화는 제너레이티브 설계를 가능하게 하는 기반 기술이라고 할 수 있습니다. 엔지니어가 제품 설계와 개발을 컴퓨팅 영역으로 확장시키고 있는 상황에서, 토폴로지 최적화는 최고의 설계를 빠르게 구현하는 제너레이티브 설계를 위한 '디딤돌' 역할을 하고 있습니다. 즉, 제너레이티브 설계의 핵심 구성 요소라고 할 수 있습니다.

차세대 CAD 설계에 기여하는 제너레이티브 설계

디지털 에코시스템을 발전시켜 성공에 매우 중요한 비즈니스 결과를 도출하기 위해서는 혁신적인 기술에 대한 투자가 수반되어야 합니다. 여기에는 PTC가 디지털 트랜스포메이션의 3대 요소라고 부르는 엔지니어링 우수성, 제조 효율성, 제품 및 서비스 혁신이 포함됩니다.

제너레이티브 설계가 설계와 엔지니어링에 미치는 영향을 매우 큽니다. 고객의 제품 요구사항을 처음부터 정확하게 충족함으로써 제품 성공률 개선, 제품 출시 기간 및 매출 달성 시간 단축에 기여하기 때문입니다.

본질적으로 제너레이티브 설계는 차세대 제품 설계를 재정의하고 있습니다.

PTC에서는 아주 많은 부분이 제너레이티브 설계 솔루션의 AI 구성 요소를 통해 실현되고 있습니다. AI는 인간 이성에 기반한 설계 역량을 발전시키고 보강함으로써 제너레이티브 설계 프로세스를 도와 줍니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.

• 설계 단계 초반에 설계자에게 귀중한 피드백 제공

• 엔지니어가 모든 측면에서 더 나은 솔루션을 도출하도록 지원하여 생산성 증대에 기여

• 설계자가 쉽게 도출할 수 없는 방식으로 효율성과 제조 가능성에 최적화된 설계 도출

최종 목표는 설계자의 제품 설계를 AI 기반 제너레이티브 설계로 보강하는 것입니다. 이를 통해 엔지니어는 이전에는 불가능했던 고도로 차별화된 솔루션을 도출할 수 있습니다.

최종 고찰

토폴로지 최적화와 제너레이티브 설계는 특정 요구사항을 충족하는 가장 최적화된 설계를 제공한다는 동일한 목표를 갖습니다. 그러나 이 두 기술은 분명한 차이점이 있습니다.

제너레이티브 설계는 토폴로지 최적화를 바탕으로 구현되어 더 스마트하고 혁신적인 솔루션을 더욱 빠르게 도출합니다. 즉, 즉시 제조 가능한 고품질 설계에 대한 현재의 가능성을 더욱 넓혀줍니다.