해외 디지털 트윈의 이해

[Marketing]

디지털 트윈의 이해

2021년 4월 www.canadianmetalworking.com 기사 번역

원본 기사 작성자: 린지 루미노소 Lindsay Luminoso 부편집장 lluminoso@canadianmetalworking.com

원본기사 읽기 https://bit.ly/3xl5Sc2

디지털 트윈은 가상 모델로 시작해 강력한 툴로 발전할 수 있는 도구입니다.

디지털 트윈이란 표현이 점점 더 많이 보입니다. 하지만 그 뜻과 기능에 대한 오해도 존재합니다. 디지털 트윈의 가장 일반적인 정의는 물리적 세계를 가상으로 재현한 것입니다. 가공 현장의 경우 개별 장비 혹은 작업장 전체의 디지털 트윈을 가상 환경에 구현하고 실시간 데이터와 시뮬레이션만으로 공정을 검증, 예방, 예측하고 최적화할 수 있습니다.

“디지털 트윈은 최근 몇 년 동안 생겨난 것입니다. 제 4차 산업 혁명이나 IIoT 같은 단어들이 흔해지고 많은 사람들이 디지털 트윈을 구현할 수 있다고 믿고 있습니다만, 가상 환경에 장비를 완벽하게 구현할 수 있는 수준이어야 진짜 디지털 트윈이라고 할 수 있습니다.” (Gisbert Ledvon, 하이덴하인 장비 사업 개발팀 임원, 미국 일리노이 주 샴버그)

디지털 트윈에 대한 가장 큰 오해 중 하나는 이것이 CAD/CAM 소프트웨어 및 시뮬레이션의 한 기능이라는 것입니다. CAD/CAM 시뮬레이션은 장비의 3D 모델 구조와 움직임을 보여줄 수 있지만 이송 속도를 포함한 가공 중 장비의 움직임을 재현하지는 못합니다. 그래서 디지털 트윈이 필요합니다. 칩 부하, 소재 제거율, 가공력, 공구 휨, 가공 시간 등 파라미터를 예측하고 표현할 수 있습니다.

“디지털 트윈의 목표는 현실에서 일어나는 일들에 대한 데이터/정보 및 지표를 수집하는 것입니다. 디지털 트윈으로 앞으로 어떤 일이 일어날지 미리 볼 수 있거나 예상치 못한 상황이 생겼을 때 과거의 데이터를 참조할 수 있습니다. 또 더 좋은 가공을 위해 가공 형상이나 공정을 실가공 그대로 재현할 수도 있습니다.” (Gene Granata, 씨지텍 제품 담당 임원, 미국 캘리포니아 주 어바인)

다양한 산업군에서 디지털화에 대한 노력이 계속되고 있습니다. 디지털 트윈은 장비, 생산 공정, 성과 등도 포함하지만 핵심은 물리적 대상을 가상 환경에서 재현하는 것입니다. “현장의 기술에 큰 변화와 교체가 일어나고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 부품의 커스터마이제이션, 개별화, 정밀도가 모두 높아지고 있습니다. 가격 경쟁력과 생산 유연성도 요구됩니다. 이런 요구들을 모두 충족하려면 장비 업체들도 디지털 트윈의 힘을 빌려야만 합니다.” (Gligor Ukropina, Siemens 캐나다 제품 담당자, 캐나다 온타리오 주 오크빌)

디지털 트윈에 현실의 데이터를 적용하면 아주 강력한 도구가 될 수 있습니다. 시뮬레이션이 수동적인 모델링을 제공하는 반면 디지털 트윈은 현실에서 축적된 데이터를 기반으로 점점 더 발전할 수 있습니다.

디지털 트윈의 수준

일단 가공 기업이 디지털 트윈 기술에 투자하기로 결정했다면, 디지털 트윈으로 무엇을 할지 최종 목표를 결정해야 합니다.

“디지털 트윈으로 무엇을 하고 싶은가, 왜 필요한가를 생각하여 최종 목표를 설정해야 합니다. 단순한 검증이 필요하다면 더 저렴한 솔루션도 있습니다. 진정한 최적화로 가공 시간을 최대한 단축하고 기업의 이익도 최대화하고자 한다면 장비 및 컨트롤 업체의 정보가 반영된 보다 통합적인 디지털 트윈 기술이 필요합니다. 초기 투자 비용은 조금 더 높지만 곧 그 가치를 회수할 수 있게 될 것입니다. 시간도 더 많이 투자해야 하므로 신중하게 여러 가지를 고려해야 합니다.” (Gisbert Ledvon, 하이덴하인)

전문가들은 가공 기업의 목표에 따라 다양한 수준의 디지털 트윈 기술 적용이 가능하다고 이야기합니다. 단순한 충돌 방지나 가공 형상이 장비 대비 너무 크지 않은지 확인하려면 CAM 검증만으로도 충분합니다. 이 수준에서는 3D 모델이 장비와 움직임만을 재현합니다.

“정확한 속도와 피드까지 예측하는 수준의 디지털 트윈이라면 장비의 모션 컨트롤 시스템까지 재현할 필요가 있습니다. 장비의 정확한 행동양식을 재현해야 합니다. 셋업, 툴링, 소재 종류, 부품의 특징 등 가공에 필요한 모든 요소를 포함해야 전제 가공 공정의 디지털 트윈이라고 말할 수 있습니다.” (Gisbert Ledvon, 하이덴하인)

Granata는 디지털 트윈의 3단계를 설명합니다. 장비의 키네마틱이 가장 기본 단계입니다. 이 수준에서는 장비의 움직임, 축, 이송 거리 리미트와 속도 등을 재현합니다.

“이런 것들이 장비의 가장 핵심입니다. 새로운 장비일 경우 특히 저희는 제조사에 시뮬레이션을 위한 모델 정보를 요청합니다. 모델 정보는 고객의 장비 사양을 정확하게 자세히 반영하고 있어야 합니다. 신규 장비를 도입하는 사용자들에게 항상 디지털 트윈 소프트웨어에 사용할 수 있는 시뮬레이션 데이터 정보를 제조사에 요청할 것을 권장하고 있습니다. 우리 장비 설정 전문가들은 항상 CNC의 파라미터도 요청합니다. 특정 장비가 어떻게 움직이도록 설정되었고 오프셋은 어떻게 다루는 지 등 중요한 정보가 담겨있기 때문입니다.

장비의 움직임과 컨트롤 정보를 포함한 CNC 장비의 디지털 트윈이 완성되면 다음 단계인 가공에 필요한 모든 요소를 포함하는 디지털 트윈 기술을 적용할 수 있습니다.

“가공 현장에서 가공을 계획할 때 소재의 크기와 모양, 공구에 사용할 플루트의 개수, 치구와 척의 종류와 위치 등을 알아야 합니다. 공구 종류와 숫자, 특정 포켓의 위치, 공구 길이, 파라미터 및 기타 가공 요소에 대한 목록이 있어야 디지털 트윈 기술을 이용한 정확한 시뮬레이션이 가능합니다. 사용자들에게 치구, 클랩프, 볼트의 모델 정보와 디자인 모델, 가공 형상 등 가능한 많은 정보를 입력하도록 권장하고 있습니다. 현장의 최대한 많은 것들을 디지털 트윈에 적용하여 현실과 최대한 가깝게 만들어야 합니다. 시간이 조금 더 소요되겠지만 디지털 트윈의 장점을 최대한 활용하기 위해서는 전체 그림을 최대한 정확하게 재현해야 합니다.” (Gene Granata, 씨지텍)

“특히 인코넬이나 티타늄 항공 우주 부품을 만드는 가공 기업에서는 가능한 모든 잠재적 문제점을 찾아낼 수 있는 디지털 트윈 기술에 더 많은 시간을 투자할 것입니다. 반면 간단한 가공을 진행하는 기업은 수준 높은 디지털 트윈 기술이 필요 없다고 여길 수도 있습니다.”

최근 많은 관심의 대상이 되는 3단계 수준은 가공 방법과 공정을 포함하는 디지털 트윈입니다. 모든 하드웨어를 재현한 후 NC 툴패스와 가공 방식 정보를 대입합니다. 이 수준의 기술은 검증보다는 최적화에 가깝습니다.

“이 정도 기술은 특정 가공 형상의 소재와 공구가 만난 시점에 일어나는 모든 현상에 대한 것입니다. 알루미늄과 티타늄을 가공할 때가 다르고 철을 가공할 때 또 달라집니다. 아주 우수한 최적화 소프트웨어와 디지털 트윈 기술을 이용해야 이 모든 데이터를 확인할 수 있습니다. 이 정도 기술 수준이라면 프로그래머는 예를 들어 특정 코너 가공 시 공구 부하, 공구 교체 여부, 가공 방식 검토 등 가공 조건에 대한 분석이 가능해집니다. 가장 매력적인 부분은 모든 것이 결정되고 전략을 수정하는데 실 가공이 필요 없다는 점입니다. 가장 좋은 시나리오는 NC 프로그램 최적화 솔루션을 사용하는 가공 기업이 소프트웨어를 실행하면 NC 코드 분석 후 가공 조건을 제어해주고 최적의 칩 두께를 유지해주는 NC 코드에 가장 적합한 가공 속도가 자동으로 조정되는 것입니다.” (Gene Granata, 씨지텍)

많은 기업들이 가장 기초적인 디지털 트윈 단계에서 충분하다고 만족해 버립니다. 하지만 디지털 트윈으로 할 수 있는 것들이 너무나 많습니다. 기업들도 정확하게 필요한 것을 파악하고 어디서부터 어떻게 시작해야 할지 스스로 찾아내는 숙제를 해야 합니다.

“기업이 어떻게 기술과 정보를 이용하느냐 에 달렸습니다. 셋업과 총 가공 시간에서 30%를 단축할 수 있다면 부품을 전보다 더 빨리 생산할 수 있고 투자 가치를 금방 느낄 수 있게 될 것입니다. 기업의 경쟁력 향상과 정확한 견적에도 도움이 될 수 있습니다.” (Gisbert Ledvon, 하이덴하인)

디지털 트윈 만들기

디지털 트윈 적용이 어려운 작업 같아 보이지만 겁낼 필요는 없습니다. 디지털 트윈 서비스를 제공하는 업체와 함께 일할 수 있습니다. 전문가들이 기업의 필요 데이터를 취합하여 디지털 트윈을 구축합니다. 물론 기업이 직접 할 수도 있습니다.

“고객을 위한 디지털 트윈 구축 시 가장 먼저 알아야 하는 것은 컨트롤 타입과 처리 능력입니다. 그 후 장비, 글램핑, 셋업 테이블, 스핀들 같은 요소들의 3D 모델을 확보해야 합니다. 모든 정보를 확보한 후에 해당 장비에 대한 사용자 지정 디지털 트윈을 구축합니다. 그 후 PC나 시뮬레이션 소프트웨어에(가상 환경에) 다운로드하게 됩니다. 가공 현장에서는 소재와 다른 요소들을 디지털 트윈에 입력만 하면 됩니다. 사용자는 소프트웨어를 실행하고 여러 테스트를 진행할 수 있습니다.” (Gisbert Ledvon, 하이덴하인)

기업이 직접 디지털 트윈을 구축할 경우, 필요한 정확한 정보를 얻기 위해 장비와 컨트롤에 대한 정확한 이해가 필요합니다. 기본 기능 이외의 고급 기능을 고객이 익힐 수 있도록 돕는 다양한 교육 프로그램들이 마련되어 있습니다.

이 작업이 가능 하려면 기업이 우선 소프트웨어와 부속 기술을 선정하여 현실의 설비와 가상 모델 간의 실시간 데이터 교환이 가능하도록 해야 합니다.

또 기업은 디지털 트윈으로 성취하고자 하는 바 - 모니터링 기능에 사용할지, 유지보수 예측을 위한 교환 데이터 공유에 더 집중할 것인지, 생산성과 품질 향상을 위한 시뮬레이션에 사용할지 등 -를 초기에 정확히 알아야 합니다. 더 높은 수준의 디지털 트윈 애플리케이션을 도입할수록 더 포괄적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.

“공작기계 제조사와 협업하는 것이 가장 이상적인 출발점입니다. 장비의 CAD 도면을 사용하면 3D 모델 생성에 도움이 됩니다. PLC 안전 및 기능, 축 움직임, 외부 팬과 스위치, 공구 매거진 등 모든 요소가 완벽한 디지털 트윈 구축에 필요합니다. 하드웨어가 소프트웨어로 바뀌는 것입니다. 정확한 데이터가 소프트웨어에 반영되어야 장비 설정도 정확해집니다.” (Gligor Ukropina, Siemens 캐나다)

장비의 실제 움직임을 서브루틴 수준으로 재현하는 것이 아주 중요합니다. 모든 장비는 세팅에 따라 달라집니다. 장비마다 수천 가지의 세팅이 가능합니다. 장비의 디지털 트윈을 구축할 때 장비가 실제와 동일하게 움직인다는 자신감이 반드시 필요합니다.

대부분의 경우 가공 현장에서는 조금씩 디지털 트윈 기술을 익히면서 점차 그 기능을 확대해 나갈 수 있습니다. “디지털로 우선 업무를 진행하는 방식입니다. 현장에서 가공이 일어나기 전 사무실에서 모든 작업을 디지털로 수행하는 것입니다. 효과적으로 이 작업을 진행하려면 기업이 디지털 트윈의 가능성 그리고 어떻게 특정 요구에 맞게 이를 적용할 수 있을지 찾고 이해해야 합니다.” (Gligor Ukropina, Siemens 캐나다)

CGTech, www.cgtech.co.kr

하이덴하인, www.heidenhain.us

지멘스, www.siemens.com

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