제너레이티브 디자인 101

제너레이티브 디자인은 CAD 설계의 차세대 영역으로 거의 모든 제조 산업에서 종사하는 엔지니어들이 관심가지는 분야입니다. 인공 지능(AI) 기술을 활용한 새로운 고성능 설계 반복이며 복잡한 문제를 해결하고 구성 요소의 중량과 제조 비용을 줄이며 사용자 맞춤 영역을 확장하고 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

엔지니어의 지식을 기반으로 제작된 모델에서 프로세스가 시작되는 기존 설계와 달리 제너레이티브 디자인은 설계 매개변수에서 시작하여 AI를 통해 모델을 생성합니다.

소개해드리는 종합 가이드에서 제너레이티브 디자인의 진행 방식을 확인하고 그 이점과 응용 분야, 경이로운 디자인에 생명을 불어넣는 과정에서 3D 프린팅이 담당하는 핵심 역할을 알아보세요. 실제 사례 연구와 실용적인 팁을 통해 지금 바로 시작해 보세요.

제너레이티브 디자인은 일련의 제약 조건을 충족하는 다양한 디자인 솔루션을 생성하며 반복하는 데 AI 기반 소프트웨어 프로그램을 이용하는 디자인 탐색 프로세스입니다. 엔지니어의 지식을 기반으로 한 모델에서 프로세스가 시작되는 기존 디자인과는 달리, 제너레이티브 디자인은 설계 매개변수에서 시작하고, AI를 사용하여 모델을 생성합니다.

점점 더 정교해지는 피드백 루프에서 디자인 매개변수를 수정하면 엔지니어가 광범위한 엔지니어링 문제에 대응하여 고도로 최적화되고 맞춤화된 설계 솔루션을 찾을 수 있습니다. 예를 들면 제품 구성 요소를 더 가볍고 강력하며 비용 효율적으로 만드는 솔루션을 찾을 수 있는 것입니다.

제너레이티브 디자인과 토폴로지 최적화는 CAD 디자인 영역에서 많이 사용하는 용어지만, 일반적으로 이 둘이 동의어라는 오해를 동반합니다.

토폴로지 최적화는 새로운 개념이 아닙니다. 최소 20년 동안 사용해 왔으며 흔히 볼 수 있는 CAD 소프트웨어 도구에서 널리 사용해왔습니다. 토폴로지 최적화는 인간 엔지니어가 CAD 모델을 생성하여 프로젝트 매개변수를 염두에 두고 하중과 구속 조건을 적용하는 데서 시작합니다. 그런 다음 소프트웨어가 단일 최적화된 메시 모델 컨셉을 생성한 후 엔지니어가 이를 평가합니다. 즉, 토폴로지 최적화에는 시작부터 기능에 이르기까지 사람이 설계한 모델이 필요하므로 프로세스, 결과, 규모가 제한적입니다.

어떻게 보면 토폴로지 최적화는 제너레이티브 디자인의 기초라고 할 수 있습니다. 제너레이티브 디자인은 프로세스를 한 단계 더 발전시키고 사전에 정의한 제약 조건 세트를 기반으로 디자이너의 역할을 수행하므로 초기에 인간이 디자인한 모델이 필요하지 않습니다.

엔지니어의 역할은 기술과 함께 진화했습니다. 디자인을 컴퓨터 소프트웨어에 더 많이 의존하게 되면서 디지털 도구를 조작하여 디자인 문제를 해결하는 방법을 숙지하는 것이 모든 산업 분야에서 일하는 엔지니어의 핵심 요구 사항이 되었습니다. 제너레이티브 디자인 이전에도 엔지니어는 실습 스케치 및 모델링을 사용하여 컨셉을 만들고 설계를 반복하며 테스트했습니다.

이제 엔지니어는 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 사용하여 수준 높은 성능 요구 사항과 일반적인 디자인 프레임워크를 지정한 다음 세부 사항은 소프트웨어로 해결합니다. 이렇게 매개변수를 정의하는 프로세스는 새로운 재료를 특성화하거나 정의하기 어려운 문제를 해결하여 공간을 모델링할 때 특히 복잡해질 수 있습니다.

기존 설계 프로세스가 근본적으로 변화하여 엔지니어는 이제 설계 솔루션을 직접 만들 필요가 없습니다. 대신, 제너레이티브 디자인을 통해 디자인 솔루션이 성공할 수 있는 환경을 명확하게 표현하고 개선합니다. 제너레이티브 디자인을 이용하면 "생각"은 컴퓨터가 하게 되어 엔지니어는 혁신과 높은 수준의 문제 해결에 집중할 수 있습니다.

제너레이티브 디자인의 응용 분야는 항공 우주 및 건축에서 제조 및 소비재에 이르기까지 다양한 산업에 존재합니다. 제너레이티브 디자인을 채택하는 엔지니어는 종종 복잡한 엔지니어링 문제를 해결하려고 합니다. 이러한 해결 과제에는 컴포넌트 무게와 제조 비용 절감, 컴포넌트 맞춤화 영역의 확장 및 성능 최적화가 포함됩니다.

예를 들어, 자동차 제조 산업의 엔지니어는 제너레이티브 디자인을 활용하여 부품 무게를 줄이고, 취약한 설계 영역을 개선하고, 부품 통합을 통해 생산 비용을 줄이고, 신제품 출시 시간을 단축합니다.

마찬가지로 스포츠 장비 산업의 디자이너는 제너레이티브 디자인을 활용하여 생산 비용을 최소화하면서 제품의 성능을 새로운 차원으로 끌어 올립니다. 항공우주 산업에서는 제너레이티브 디자인을 통해 비행기 구성 요소의 무게를 줄이고 강도를 개선할 수 있으므로 항공사는 연료 소비를 줄여 결과적으로 비용과 배출량을 줄일 수 있습니다.

동시 탐색: 제너레이티브 디자인에서 주목할만한 이점은 수백 또는 수천 개의 설계 옵션을 동시에 탐색, 검증, 비교할 수 있다는 점입니다. 이 소프트웨어는 엔지니어가 프로젝트의 매개변수와 요구 사항을 가장 잘 충족하는 옵션을 빠르고 효율적으로 찾을 수 있는 방식으로 설계 옵션을 표시하고 비교할 수 있습니다.

설계 일정 가속: 엔지니어가 AI를 활용하여 새롭고 복잡한 설계를 빠르고 효율적이며 대규모로 반복할 방법을 찾아내 테스트하면 신제품에 대한 연구 및 개발 일정을 대폭 단축할 수 있습니다. 결과적으로 제너레이티브 디자인을 활용하는 회사는 제품 출시 시간을 단축하는 데 있어 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다.

첨단 제조 공정 활용: 제너레이티브 디자인은 유기적 형체 및 내부 격자와 같은 복잡한 디자인을 생성하여 적층 제조 기술이 제공하는 고유한 설계 자유도를 활용할 수 있습니다. 또한 파트를 통합할 수 있으므로 생성 알고리즘과 3D 프린팅으로 생성된 복잡한 단일 형상으로 수십 개의 개별 파트 어셈블리를 대체하는 일은 흔히 경험할 수 있습니다.

CAD 경험이 있는 사람이라면 제너레이티브 디자인 소프트웨어로 쉽게 도약할 수 있습니다. 제너레이티브 디자인 전용 소프트웨어 외에도 이제 많은 CAD 프로그램에서 통합 제너레이티브 디자인 도구 또는 플러그인을 제공합니다.

그러나 제너레이티브 디자인 소프트웨어로 사용할 수 있는 기능은 CAD 소프트웨어의 기존 기능보다 더 많습니다. 이러한 도구를 사용하면 사용자가 인력, 재료, 비용 등에 대한 정보를 설계 프로필에 입력할 수 있을 뿐만 아니라 설계 솔루션의 그래픽 표현을 기반으로 매개변수의 우선 순위를 지정하고 세분화할 수 있습니다.

전체 목록은 아니지만 다음은 제너레이티브 디자인 기능을 제공하는 널리 사용되는 소프트웨어 프로그램입니다. 

1. Autodesk의 Fusion 360: Fusion 360에는 스케치, 다이렉트 모델링, 표면 모델링, 파라메트릭 모델링, 메시 모델링, 렌더링 등을 포함한 강력한 모델링 도구 세트가 있습니다. Fusion 360의 제너레이티브 디자인 기능을 이용하면 사용자가 디자인 요구 사항, 제약 조건, 재료 및 제조 옵션을 식별하여 제조 준비가 된 디자인을 생성할 수 있으며 동시에 사용자는 머신 러닝과 AI의 기능을 활용하여 시각적 유사성, 플롯, 필터를 기반으로 클라우드에서 생성된 디자인 결과를 검토할 수 있습니다.

2. PTC의 Creo Generative Design: 클라우드를 활용하는 이 소프트웨어를 이용하면 사용자가 최적화된 디자인 컨셉을 생성하고 동시에 수많은 설계 반복을 신속하게 탐색하고 테스트할 수 있습니다. 사용자가 설정한 설계 매개변수를 기반으로 목표에 가장 잘 맞는 설계 버전을 강조하여 표시합니다. Creo 디자인 환경 내 해당 소프트웨어는 주요 경쟁업체의 제품보다 짧은 시간에 고품질, 저비용의 제조 가능한 설계를 생성할 것을 약속합니다.

3. nTopology의 nTop 플랫폼: nTop 플랫폼 소프트웨어를 이용하면 최적화 프로세스 및 프린팅의 모든 측면을 완벽하게 제어할 수 있습니다. 특히, 고급 생성형 도구를 이용하면 응용분야의 고유한 요구 사항에 맞춰 재사용 가능한 맞춤형 워크플로를 생성할 수 있습니다. 이 프로그램의 주요 기능에는 깨지지 않는 모델링 및 격자 작업, 토폴로지 최적화, 재사용 가능한 설계 워크플로, 필드 기반 설계 및 기계-열 유한 요소 분석 시뮬레이션이 있습니다.

4. 지멘스의 NX: 제너레이티브 디자인 외에도 NX가 제공하는 주요 기능은 디지털 트윈 기술입니다. 더 나은 제품 설계 및 납품을 간소화할 수 있도록 유연하고 강력하며 통합된 솔루션 역할을 합니다. NX는 설계 상호 운용성, 검증, 모델 기반 정의 등을 결합하여 사용자가 제품 품질을 개선하면서 더 빠르고 저렴한 비용으로 연구 개발을 통해 제품을 개발할 수 있습니다.

5. MSC Software의 MSC Apex MSC Apex Generative Design: 이 프로그램은 고정밀 금속 구성품을 경쟁사보다 더 적은 인력으로 더 빠르게 제작할 수 있는 엔드 투 엔드 솔루션으로 사용할 수 있습니다. MSC Software는 사용자가 초기 설계 및 설정 시간을 최대 80%까지 단축했다고 보고하고 있습니다. 해당 소프트웨어는 단순성, 자동화된 설계, 가져오기 및 검증, 직접 프린팅을 하나의 프로세스로 결합했습니다.

제너레이티브 디자인 알고리즘을 이용하면 CNC 가공과 같은 절삭 가공 도구 또는 사출 성형과 같은 기존 제조 기술로는 제작이 불가능하거나 비용이 많이 드는 격자 작업을 처리할 수 있으며 유기적 형상을 아주 효율적으로 생성할 수 있는 경우가 많습니다. 3D 프린팅(적층 제조라고도 부름) 같은 첨단 제조 도구는 이런 최적화가 필수적이며 성능에 민감한 응용 분야에 꼭 필요한 도구입니다.

3D 프린팅을 이용하면 하나 이상의 설계 반복으로 3차원 고해상도 모델을 유연하고 빠르게 생산하여 비용 효율적인 최종품을 얻을 수 있으므로 제너레이티브 디자인과 함께 사용하기에 좋습니다. 일반적으로 경제적 측면에서 보면 설계 반복의 복잡성이 늘어날수록 3D 프린팅의 비용 효율성도 증가합니다.

3D 프린팅은 준비에 드는 비용을 상쇄하기 위해 규모의 경제에 도달할 필요가 없으므로 생산량이 적을수록 비용 경쟁력이 있습니다. 따라서 제너레이티브 디자인으로 이룰 수 있는 대량 맞춤화에 손쉽게 접근할 수 있습니다. 비용은 더욱 더 감소하고 재료의 다양성은 증가함에 따라 중소형 부품을 실용화하는 데 3D 프린팅을 사용하는 응용 분야가 점점 더 늘어나고 있습니다.

제너레이티브 디자인과 3D 프린팅이 실제 응용 분야에서 어떻게 활약하고 있는지 세 가지 예를 살펴보겠습니다.

일본 전기 자동차 제조업체인 WHILL은 전동 휠체어에서 가장 무거운 부분인 배터리 케이스의 무게를 줄여 휴대성이 뛰어난 전동 휠체어를 만드는 데 도전했습니다. Autodesk의 Fusion 360 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 사용하자 WHILL의 엔지니어가 배터리 케이스 무게를 40%까지 줄여 새로운 디자인을 만들 수 있었습니다.

그런 다음 제품 개발 팀이 새로운 제조 공정을 사용하여 디자인에 생명을 불어 넣었습니다. 팀은 디자인을 Formlabs 데스크톱 광경화 수지 조형 방식 3D 프린터의 빌드 볼륨 내부에 맞출 수 있도록 디자인을 네 부분으로 분할한 다음 인베스트먼트 주조를 위해 Castable Wax Resin으로 파트를 프린팅했습니다. 그런 다음 엔지니어가 파트를 연결하고 최종 금속 주조 파트의 설계를 사형 주조했습니다. 궁극적으로 팀은 자체 3D 프린팅 및 제너레이티브 디자인의 결과로 제품의 총 파트 수를 줄임으로써 WHILL 휠체어의 최종 제조 비용을 줄이는 데 중대한 돌파구를 마련했습니다.

WHILL과 마찬가지로 신발 제조 회사인 New Balance는 제너레이티브 디자인과 3D 프린팅을 통해 중요한 혁신을 이루었습니다. 맞춤형 슈즈 라인 혁신에 장기적인 비전을 품은 뉴발란스는 2015년 디지털 디자인 스튜디오인 Nervous System과 협력하여 제너레이티브 디자인 프로세스에 참여했고 러너의 성능 데이터에 더 효과적으로 적응할 수 있는 미드솔을 개발했습니다.

그런 다음 2017년, 뉴발란스는 Formlabs과 파트너 협약을 맺고 시중의 다른 생산 등급 엘라스토머 3D 프린팅 소재보다 인열 강도가 5배, 인장 강도가 3배, 연신율이 2배 더 우수한, 독보적이며 바로 생산에 투입할 수 있는 포토폴리머 레진인 Rebound Resin을 개발했습니다. 뉴발란스와 Formlabs은 신발 제조 분야에서 눈에 띄는 발전을 이루었고 최종 사용자가 더 나은 제품을 향유하는 데 일조했습니다.

양사는 제너레이티브 디자인과 참신한 3D프린팅 소재를 통해 고객 맞춤형 러닝화를 양산한다는 궁극적인 목표를 두고 협업을 이어가고 있습니다.

어디서부터 시작해야 할지 궁금하십니까? 올바른 경로를 찾는 데 도움이 되는 몇 가지 핵심 사항을 알려드리겠습니다.

시작하기 쉽습니다. CAD를 알고 있다면 제너레이티브 디자인 시도에 가파른 학습 곡선이 없습니다. 제너레이티브 디자인은 명확하게 정의한 폐쇄적인 문제를 다루기 쉽습니다. 지금은 30일 평가판을 제공하는 CAD 패키지에 제너레이티브 디자인이 통합된 경우가 많습니다.

기존 파트의 경량화는 훌륭한 출발 프로젝트가 될 수 있습니다. 경량화는 하중을 잘 이해하고 있다는 가정 하에 성능을 유지하면서 무게 감소를 최적화하므로 적절한 출발점입니다.

장기 비전을 더 작은 R&D 프로젝트로 나눕니다. 제너레이티브 디자인과 적층 제조은 서로 다른 사고 방식으로 접근해야 하며 활용 워크플로도 달라야 합니다. 성능이 최적화된 맞춤형 3D 프린팅 제품을 전 세계 이곳저곳에서 대규모로 하루아침에 얻을 수는 없습니다. 성공적인 프로젝트는 대부분 시간이 지남에 따라 일련의 반복적이고 전략적인 프로젝트처럼 보입니다.

기술 파트너에게 전문성과 지원을 요청해 주세요.귀사를 지원하는 전담 팀이 있는 소프트웨어 회사와 적층 제조 회사는 많고 Formlabs Factory Solutions도 해당 범주에 속합니다. 이런 전문성을 활용하여 빠르게 시작하고 배울 수 있는 방법을 찾아보세요.

제너레이티브 디자인이 다양한 산업 분야의 제품 디자인에서 중심적인 역할을 하는 사례가 점점 더 늘고 있습니다. 항공기 엔진 브래킷의 무게를 줄이려는 기업이든, 전동 휠체어의 휴대성을 향상하려는 기업이든, 러닝화 맞춤 제작을 목표로 하는 기업이든, 제너레이티브 디자인과 3D 프린팅을 이용하면 완전히 최적화되고 맞춤화된 미래를 향해 길이 열립니다.

AI와 적층 제조의 발전이 제너레이티브 디자인의 가능성을 계속 확장함에 따라 이러한 혁신적이고 첨단을 달리는 기술에는 점점 더 많은 응용 분야와 이점이 나타날 것입니다.

제너레이티브 디자인에 관해 더 알아 보고 싶으신가요? 웨비나 "3D 프린팅 경량 파트 생산에 필요한 제너레이티브 디자인 소개"에서 더 많은 예제와 경량 브래킷 생산에 사용된 Fusion 360의 단계별 튜토리얼을 알아보세요.