3D 마스터 방식과 관련 이점, 그리고 얻게 될 실제 성공 사례 소개
서론
글로벌 경쟁 속에서 오늘날의 기업은 혁신을 추진하여 가장 낮은 비용으로 가장 좋은 품질의 가장 새로운 제품을 가장 먼저 출시해야 합니다.
기존의 설계 방식에서는 2D 도면을 제품 개발 공정의 핵심에 두고 제품 정의의 참조로 활용해 왔습니다. 그러나 점차 많은 기업에서 2D 도면만으로는 해결되지 않는 문제들이 있으며 종종 설계 오류가 일어나거나 제조 비용이 늘어난다는 점을 인지하게 되었습니다. 이에 따라 새로이 부상한 트렌드가 바로 3D Master입니다.
3D Master는 기업의 모든 부서들이 다양한 정보를 포괄하는 3D를 이용하여 제품의 검색, 공유, 주석 추가, 개선 등을 가능케하는 개념 입니다. 3D Master의 이점은 다양한 사양을 생성하기 위한 제품 정의의 복제 및 재사용을 통한 비용 절감, 제품 설계 및 개발 공정의 품질 개선, 오류 제거 등 여러 가지가 있습니다. 이미 많은 기업들이 이 같은 이점을 누리기 위해 2D 도면에서 3D로 도면을 전환하고 있습니다.
3D Master는 정보를 빠짐없이 수록할 수 있는 가장 풍부한 데이터 포맷, 즉 3D 데이터를 제공하여 기업의 모든 부서에서 정보를 찾고, 공유하고, 주석하여 제품의 품질을 개선할 수 있도록 합니다. 3D Master의 장점은 매우 다양하나 제품 정의를 복제 및 재사용하여 다양한 사양을 생성하거나, 제품 설계 및 개발 공정의 비용을 절감하고 품질을 개선하며, 오류를 제거하는 등의 주요한 이점을 가집니다. 이러한 이점을 누리기 위해 많은 기업들이 2D 도면에서 3D Master 모델로 전환하고 있습니다. 또한 일부 기업들이 3D 모델을 마스터로 도입하여 이점을 누리면서 2D 도면을 계속 사용하기도 할 것입니다
본 기고문에서는 3D Master의 이점 및 그 전략을 도입한 실제 성공사례를 살펴보겠습니다.
3D Master 개념의 발전 과정
2D 설계의 한계점
여러 세기 동안 2D 도면은 모든 제품의 설계 및 생산 공정에서 핵심적인 역할을 수행했습니다. 2D 도면을 통해 제품이 어떻게 작동하고 어떻게 제조되어야 하는지 파악하고, 부품이 오차 없이 조립되고 기능화 되기 위해 필요한 치수와 공차를 이해하는 방식이었습니다. ANSI/ASME, ISO, JIS 등의 표준규약은 도면의 내용과 양식을 표준화함으로써 기업 내부는 물론 공급망 전체에서 도면을 쉽게 이해할 수 있도록 하여 도면의 중요성을 더했습니다.
그러나 2D 도면으로 3D 세계를 묘사하는 데에는 언제나 한계가 있었습니다. 복잡한 3D 부품을 2D 도면의 여러 장으로 명확하게 나타내는 것은 매우 어려운 일이었습니다. 도면 판독 오류가 빈번히 발생하여 부품 재제작 등으로 일정 지연, 추가 비용 발생, 또는 불량 부품이 생산되기도 했습니다. 단 하나의 3D 부품, 단 하나의 어셈블리를 설명하기 위해 2D 도면이 여러 장이 필요한 경우도 많았습니다. 설계를 변경해야 할 때에는 까다롭고 실수하기 쉬운 절차를 거쳐야 했으며 그 과정에서 많은 도면을 수정해야 하는 경우도 빈번했습니다.
3D CAD (Computer Aided Design, 컴퓨터 지원 설계)의 등장과 솔리드 모델링의 출현은 이러한 2D의 한계를 보완하는 데 크게 기여했습니다. 솔리드 모델링은 단일 형상(Geometrical) 파일로 3D 형상을 명확하게 정의할 수 있는 기술입니다. 더 나아가 솔리드 모델링은 프로토타입 제작에 앞서 제품의 3F 즉 형상, 맞춤, 기능(form, fit, function)을 검증할 수 있도록 해줍니다. 단시간 내에 여러 설계를 비교평가할 수 있어 제품 성능은 물론 뒤늦게 설계를 변경하는 사태를 줄이는 효과가 있었습니다.
3D 모델링이 널리 채택되어도 2D 도면은 여전히 제품 정의의 “참조 (reference)”로 자주 사용됨
하지만 2D 도면은 제조, 품질 관리 및 공급망과 같은 설계 이후의 공정에서 매우 중요한 핵심적인 공차 (tolerancing), 주석 (annotations), 부품 목록 (parts lists), 등의 정보를 제공하는 역할로써 설계단계에서 사용되어 왔습니다.
어느 뷰(view)에서든 부품의 모든 단면과 형상이 2D 한 장에 표현해 내야만 하므로 공차와 주석이 적용될 주요 형상(key features)과 표면 (surfaces)을 정확하고 완벽하게 보여주는 2D 섹션을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 설계 이후의 공정에서 작업자가 복잡한 2D 도면을 보고 정확한 부품 형상을 식별하는 것이 어렵기 때문에 잦은 오류가 발생합니다.
2D 도면을 이해하는 것은 2D 설계가 따르는 전세계 공통 표준이 없기 때문에 더욱 어렵습니다. 특히 유럽에서 사용되는 삼각법은 외국어나 다름없으며 심각한 혼동을 초래할 수 있습니다.
또 한 가지 우려되는 것은 설계 변경이 불가피할 경우 일반적으로 솔리드 모델, 2D 도면, 부품 목록이라는 세 가지 데이터 세트 모두를 업데이트 해야 한다는 점입니다. 이들 중 일부가 업데이터에서 누락되면 유지관리에 시간이 추가로 필요합니다. 이로 인해 설계 변경이 지연되거나 잘못된 부품이 제작되는 경우가 다수 발생하게 됩니다.
제품 정의 시 설계자 지원을 위한 3D 형상의 공차 및 주석
3D 마스터 개념의 핵심 가치
최신 세대의 솔리드 모델링 시스템을 사용하면 치수, 형상 설계 및 공차, 주석 및 부품 목록을 솔리드 모델에 직접 기재할 수 있으므로 도면이 필요하지 않습니다. 제조 계획, 제품 서비스, 조달 및 마케팅/판매와 같은 특정 하위 그룹에 대해 3D 모델의 다양한 뷰를 구성, 상세화 및 주석을 달 수 있습니다.
예를 들어, 규정된 일련의 주석이 달린 치수 뷰를 가진 실시간 3D 모델을 계약 제조업체에 제공할 수 있다.
최신의 솔리드 모델링 시스템을 사용하면 3D 모델에 공차와 주석을 쉽게 연동할 수 있습니다. 3D 도면을 구성하는 데이텀 요소(Datum Element)와 데이텀 타겟(Datum Target) 및 텍스트 주석과 플래그 노트 주석을 포함한 기하공차(GD&T)가 제공됩니다. 공차 어드바이저(Tolerance Advisor) 기능으로 표준에 어긋난 공차의 생성을 방지하고 부품에 기하공차 (geometricial tolerances)를 입력하는 절차를 가이드하기도 합니다. 예를 들면 부품 윗면의 평면도(Flatness) 공차를 생성할 때 해당 표면에 유효하지 않은 옵션은 제외해 줍니다. 공차 관련 작업 지시를 캡처해서 공차 분석 단계 및 제조·품질검사 부서에서 재사용하거나 설계 전반에서 치수 및 공차의 유효성을 검증하는데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 평행했던 형상이 부품 형상 변경 후 더 이상 평행하지 않게 되면 평행도 공차(parallelism tolerance)를 무효한 것으로 간주하여 강조 표시로 알려주기도 합니다.
프로젝트의 개념 설계 단계에서 ‘3D 설계 기능을 위한 2D 레이아웃(2D Layout for 3D Design)’ 기능을 통해 2D 작도의 장점을 결합한 3D 환경에서 작업할 수 있습니다. 2D 형상을 프로파일 및 평면으로 추출해서 3D 형상을 빠르고 쉽게 작성할 수 있습니다. 예비 설계 단계(Preliminary Phase)에서 GD&T 데이터를 추가할 수 있으므로 설계 이후 공정에서 주석 데이터를 다시 작성할 필요가 없습니다.
3D Master는 저비용의 검토용 애플리케이션을 제공하므로 가치 사슬 전반에 걸쳐 다양한 사용자와 3D 데이터를 공유할 수 있습니다. 제품개발에 필요한 정보라면 무엇이든 관련 조직들이 실시간으로 검색, 탐색, 채팅 및 협업할 수 있습니다. 이를 통해 치수 및 공차 주석, 기하학적 요소 및 기능, 요소 사이의 관계에 대해 제품 개발 초기부터 직관적인 통찰력을 제공하여 의사결정에 도움을 줍니다.
3D Master는 제품 개발 주기의 모든 단계에서 작업 지시를 위한 단일 참조 (reference)가 됨
3D Master 통한 효과적 ROI 달성 및 품질 향상
부품의 형상, 공차 및 주석, 부품 목록의 솔리드 모델을 단일 데이터 세트로 통합하여 얻는 장점은 매우 큽니다. 3D 모델로 작업하는 엔지니어는 원하는 형상에 올바른 공차를 적용하고 있다는 확신을 얻을 수 있고, 이 정보를 사용하는 모든 사용자는 올바른 형상을 생성하거나 측정하고 있다는 확신을 얻을 수 있습니다. 3D는 전세계 어디의 누구에게나 동일하게 보이기 때문에 복수의 2D 도면 표준으로 인해 발생했던 혼란이 사라집니다.
3D Master는 제품군 개발 및 후속 제품 버전 개발 시에 제품 정의 정보를 재사용할 수 있게 하여 많은 비용을 절약합니다. 제품 수명 주기 관리(PLM) 시스템으로 형상 정보를 쉽게 재사용할 수도 있습니다. 3D Master를 사용하면 공차 및 주석, 부품 목록을 포함한 전체 제품 정의를 쉽게 재사용할 수 있습니다. 3D Master의 고급 기능을 사용하면 공차 및 주석, 부품 목록을 포함하는 템플릿을 만들어 제품 개발 프로세스를 자동화하는 영역을 가능하게 합니다.
솔리드 모델에 공차를 통합하면 지나치게 엄격한 공차를 완화하여 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 공차 분석(Tolerance Analysis) 도구를 사용하여 개별 부품에 정의된 공차 정보를 토대로 조립품의 변형과 조합들에 대해 쉽게 예측할 수 있습니다.
제조 시뮬레이션을 통해 제품과 공정이 설계대로 제품의 치수 요건을 충족하는지 여부와 단품의 공차가 조립품의 변동에 미치는 영향을 결정할 수도 있습니다. 이러한 시뮬레이션으로 공차 조건을 완화하여 제조 비용을 최대 90%까지 절감할 수 있습니다.
마지막으로, 형상, 공차 및 주석, 부품 목록이 동기화되지 않을 가능성이 거의 사라집니다. 이는 오류 발생 가능성을 크게 줄여 결과적으로 제품 개발 기간을 단축하고 개발 비용을 절감합니다. 3D 모델에 모든 정보가 담겨있기 때문에 제품 정의 정보를 유지, 배포, 검색하는 데 필요한 시간과 비용이 크게 줄어듭니다.
3D Master 도입의 성공 사례
상업용 및 군사용 헬리콥터 제조회사에서 3D Master 방식으로 데이터 품질을 개선한 사례를 살펴보겠습니다. 이 회사는 데이터 품질 개선, 현장 오류 감소, 공급망 데이터 비효율성 개선, 출시 및 양산 기간 단축 등의 과제에 직면해 있었습니다. 다쏘시스템은 이 회사와 함께 3D Master 방식을 구현하며 베스트 프랙틱스와 방법론을 전달했습니다. 해당 회사에서 가장 핵심이 되는 부서에서 약 100여명의 설계자가 협업할 수 있도록 하는 3D Master 설계 방식을 구현하는데 약 6개월이 걸렸습니다. 새로 도입한 방식은 제조에 대한 100% 신뢰성과 정확성을 가진 3D 정의를 제공하여 제조 오류를 방지하였습니다. 하나의 데이터 참조를 제공하기 때문에 도면 관리 비용도 절감하였습니다. 품질 검사 계획 및 조립 검사 검토에 3D 정의를 재사용함으로써 정확도가 향상되고 데이터 관리 비용도 절감하였습니다.
항공우주 및 방위산업의 한 공급업체는 자사의 항공기 구조설계 부서에서 툴링 설계 프로세스를 위한 3D Master 방식을 도입했습니다. 툴링 공급업체가 알맞은 견적을 내고 초기단계에 리스크를 식별하기 위해 3D Master를 잘 활용할 수 있도록 전문가 그룹이 교육을 제공했습니다. 또한 항공업체 내부 설계자들에게 3D Master 데이터 활용 교육을 제공하고, 전문가 그룹이 질의에 대응하였습니다. 3D Master 방식을 의무화하자 업무 방식의 변화가 일어났습니다. 회사는 비일관적이고 부정확한 제품 정의 때문에 발생하는 오류를 방지함으로써 툴링 공급업체에 비용을 전가하지 않고도 툴링 비용을 약 20% ~ 30% 절감했습니다.
세계 최고의 자동차 제조업체 중 하나는 지난 5년간 생산 과정에서 BIW(body-in-white, 차체 골격)에 도면이 없는 100% End-to-End 3D Master 방식을 구현했습니다. 참조 부품 역할을 하는 플로어 패널에는 최대 100개에 달하는 정보가 3D 모델에 추가되었습니다. 600여 명의 내부 사용자와 200여 개의 공급업체에 3D Master 데이터가 배포되었습니다. 이 회사는 현재 차량의 파워트레인 제작 공정에도 3D Master 방식을 파일럿으로 적용하고 있습니다. 이 공정에서 만드는 참조 부품은 800여 개의 별도 주석과 공차가 필요한 원통형 실린더 헤드입니다. 이 3D Master 데이터의 잠재적 사용자는 350여 명의 내부 사용자와 350여 개의 공급업체로 이루어져 있습니다. 공차 및 주석을 기존 부품에서 복사하여 새로운 사양으로 재활용할 수 있다는 것은 제조 정의의 70%를 부가적인 노력 없이 만들 수 있다는 것을 의미합니다. 자동 공차 기능으로 공차 카탈로그를 정의하여 별도의 노력 없이 공차를 적용할 수 있습니다. 3D 모델로 작업할 수 없는 공급업체를 위해 2D 설계도도 자동으로 생성됩니다. 설계자들이 제품 품질에 미치는 영향 없이 공차의 기준을 완화하도록 함으로써 제조 비용이 절감되었습니다.
트럭 및 대중교통 차량의 한 선두 제조업체는 3D Master 모델 기반의 2D 데이터 자동 생성으로 데이터 정합성을 유지하고 있습니다. 이러한 접근방식은 기술 배포 문서, 조립 라인 작업 지시서, 공급망과 같은 설계 후 공정을 위한 다양한 정보를 전달하는 완전한 3D 제품 정의를 최대한 빠르게 제공합니다. 공급업체, 품질관리 및 작업현장에도 간편한 3D 뷰어가 제공되어 3D Master의 장점을 활용할 수 있었습니다. 이 회사의 생산 분야에는 800여 명의 사용자가 있으며 이들을 위해 제품 정의를 생성하는 데 필요한 시간이 크게 줄었습니다.
한 비즈니스 항공기 제조업체는 미 연방항공청(FAA)의 승인을 받은 최초의 3D Master 모델을 생산했습니다. 3D Master 도입 초기에는 항공기 인테리어 의장(interior outfitting)에만 적용되었으나, 이 회사의 최신 항공기는 전적으로 3D Master 개념을 사용하여 설계되었습니다. 생산성은 40% 증가했고 납품률은 비용 증가 없이 약 2배로 올랐습니다. 가장 중요한 점은 항공기가 제 시간에 납품되었다는 것입니다.
3D 마스터에 대한 FAQ
3D Master를 도입했을 때 어떤 종류의 ROI를 기대할 수 있나요?
도면 작도 시간과 비용의 감소와 데이터 중복과 반복 작업 제거로 설계 전반, 제조 프로세스 정의, 공급업체 및 파트너와의 데이터 공유 측면에서 큰 개선을 기대할 수 있습니다. 한 주요 제조업체는 글로벌 설계 및 제조 공정에서 약 20~30%의 시간 절약을 달성했습니다. 또 다른 업체는 3D Master를 도입함으로써 5년간 약 2천만 달러를 투자하고 5억 달러를 절약했습니다.
2D 도면을 없애지 않고 3D Master를 시행할 수 있나요?
2D 도면은 3D Master 정의를 제시하는 하나의 방식이기 때문에 3D Master 방식으로 전환한 뒤에도 원하는 곳 어디에서나 2D 도면을 생성하여 사용할 수 있습니다.
우리 회사 엔지니어들이 3D의 효과적인 사용 방법을 배울 수 있을지 모르겠습니다.
사용자 입장에서 3D Master는 2D 도면을 생성하는 것과 매우 유사합니다. 도면 작성법을 이미 알고 있다면 하루 반나절 교육이면 FT&A Functional Tolerancing & Annotation)를 배울 수 있을 것입니다. 3D Master를 도입한 회사에서 일하는 대다수의 엔지니어들은 2D 도면 작업방식으로 돌아가고 싶지 않다고 말합니다.
인증기관이 3D Master를 받아 주지 않습니다.
3D Master 제품 정의에서 제출용 도면 (presentation drawings)을 생성하여 인증용으로 사용할 수 있습니다. 하지만 FAA 같은 대부분의 인증기관에서 현재 3D 인증을 수용하고 있습니다.
솔리드 모델에 제가 공유하고 싶지 않은 지적재산이 포함되어 있습니다.
제품 데이터 필터링 도구 사용이 가능하기 때문에 협력업체에게 제공하려는 정보만 추출할 수 있습니다.
2D 도면에서 했던 것과 동일한 작업을 3D로 수행한다면 어떻게 3D Master가 설계단계에서 생산성을 향상시킬 수 있을까요?
당사 고객 중 한 곳은 설계 단계에서 엔지니어의 작업 시간 중 절반이 2D 도면을 생성하거나 업데이트하는 데 소요된다고 말했습니다. 예를 들면 동일 부품의 도면이 각기 다른 용도로 많으면 5개까지 필요할 수 있다는 것입니다. 모든 제품 정의가 포함된 하나의 3D 데이터 소스를 다양한 용도로 재사용할 수 있다는 것이 3D Master의 가장 큰 이점이라고 이 회사는 말했습니다.
결론
오늘날 3D 모델링이 널리 채택되고 있음에도 불구하고 여전히 제조업체의 90%는 2D 도면을 치수, 공차, 주석의 주요 참조용으로 사용하고 있습니다. 3D Master 방식의 핵심은 설계 후 공정을 위한 제품 상세 정보 전달 수단으로 3D 데이터 모델이 가장 적합하다는 점입니다. 3D Master로 전환 시 기업이 누릴 수 있는 이점은 다음과 같습니다.
• 하나의 3D 데이터 세트로 제품 정의 100% 실현 • 비용 절감 및 제품 개발 프로세스의 품질 향상 • 후속 사양 개발 시 재사용할 수 있는 설계 정보의 대폭 증가 • 제조 공차 최적화를 통한 제조 비용 절감
