CAD & CAM(Comouter Aided Design & Computer Aided Manufacuring)은 컴퓨터를 사용한 설계 및 생산을 의미하고 CAE(Computer Aided Engineering)는 컴퓨터를 사용하는 기술 분야의 전반적인 것들을 총칭하며 설계 과정에서 발생한 정보를 모아 CAD & CAM을 종합적으로 관리하는 생산 체계를 일컬어짐.

1. 도입의 필요성

(1) 시장 환경

소비자 요구의 다양화.

가격 경쟁의 격화.

국제 경쟁의 격화.

제품 지식의 집약화.

제품의 생명 주기의 단축.

(2) 설계 환경

신제품 개발 경쟁의 격화.

고품질 저가격 설계의 필요성 증대.

설계 납기의 단축.

제품 사양의 다양화로 설계 작업량의 증대.

(3) 제조 환경

다품종 소량생산 확대.

생산자동화의 비율 증대.

설비기계의 가동율 향상.

(4)인적 환경

인력의 효율적인 배치로 인건비 절감.

잔업 및 야간 근무의 감소.

창조적인 작업 환경 구현.

2. CAD & CAM

(1) 개요

컴퓨터를 사용한 설계 및 생산을 의미하며 설계나 생산 및 가공 분야에 컴퓨터를 활용하여 가속화되어 발전하는 산업기술에 부응하고 설계와 생산의 자동화를 바탕으로 공장 자동화에 도달하기 위한 총체적인 기술을 말함.

(2) CAD& CAM 시장현황

로봇기술의 중요성 증가, 비즈니스 운영에 대한 가시성 향상은 글로벌 CAD & CAM 시장의 성장 요인에 해당함.

반면에, 높은 설치 및 운영 비용은 CAD & CAM 시장의 성장을 저해하고 있음.

CAD & CAM 도입을 위한 시장의 원동력을 살펴보면 다음과 같음.

(3) 3D 모델링 종류

1) 와이어프레임

1990년대 처음 개발된 방식으로 3차원 물체의 형상을 나타내기 위해 물체의 형상을 점, 선, 원과 원호 등의 기본적인 기하학적 요소로 표현하며 마치 철사를 연결한 구조물과 같음.

특징

3D 작성에 소요 시간이 적게 듦.

2차원 도면 출력을 위한 용도로 사용.

평면 가공에 적합함.

물체의 실감을 느끼기 위해 렌더링과 은선 제거 작업이 필요함.

서페이스 모델링을 작성하기 위한 기본적인 데이터임.

2)서페이스 모델링

(가) 개요

다수의 면을 조합하여 3차원 형상을 만드는 방식으로 와이어프레임을 이용하여 하나씩 면을 작성하여 자유곡면을 생성시키기 위해 사용됨.

(나) 종류

① 폴리곤 모델링

데이터는 점(VERTEX)이라는 기본 단위를 바탕으로 점과 점이 연결된 선으로 선과 선을 연결하여 면을 작성하고 다시 면과 면을 결합하여 입체적인 형태를 작성하는 방식.

면은 직관적이고 직접적으로 제어할 수 있어 사용 빈도가 높은 모델링 기법임.

다시 말해, 다각형 폴리곤이 여럿 모여서 하나의 3차원 오브젝트를 이루게 되며 폴리곤의 개수가 많을수록 부드러운 곡면을 생성할 수 있음.

3D 캐릭터 작성에 유용하여 주로 3D 애니메이션이나 3D 게임에 사용됨.

폴리곤 개수에 제약이 따르기 때문에 적은 수의 폴리곤으로 시각적으로 매끄러운 결과물을 보여주는 방향으로 발전하고 있음.

적은 수의 폴리곤으로 작업한 결과물 위에 텍스쳐를 덧대서 세부 음영을 묘사하는 노말맵 기술을 사용함.

② 넙스(Non-Uniform Rational B-Spline Modeling) 모델링

폴리곤 모델링의 단점을 보완하기 위해 만들어진 방식으로 정밀한 표현이 가능함.

비유리수 곡선인 넙스 모델링은 곡률을 조절하는 외곽라인, 조절점, 노트라고 하는 에디트 포인트가 있어 쉽고 빠르게 다양한 곡선을 작성할 수 있음.

폴리곤 모델링은 근본적으로 4각 폴리곤, 3각 폴리곤을 이용하기 때문에 유선형의 객체에서는 각진 부위가 생성되는데 넙스 모델링은 객체의 유선형 구조를 곡선으로 구성하게 되므로 각진 부위가 생성되지 않아 보다 정밀한 3차원 모델링 작성이 가능함.

자동차와 같은 기계류나 제품 모델링 작성에 주로 사용함.

③ 서브디비젼 서페이스 모델링

폴리곤 모델링과 넙스 모델링 기법의 장점만을 가지고 있지만 데이터의 양이 커서 활용도가 낮음.

부드러운 곡률을 가진 유기체 모델링 작성에 매우 편리함.

인체와 같은 캐릭터 모델링 작성에 주로 사용함.

3) 솔리드 모델링

(가) 개요

물체를 수학적으로 정의된 관계로 위치 정보를 표현하는 방식으로 닫혀진 형상의 내외부를 구별하는 3차원 모델을 만들기 위해 기초 단면을 표현하는 영역을 와이어 프레임으로 작성하여 솔리드 모델을 만듦.

입체 형상을 표현하는 모든 요소를 가지고 있어 중량, 무게중심 등의 해석이 가능함.

전문 설계, 해석, 동력학 등과 연관된 설계, 공업용 제품 개발, 자동차, 가전제품 설계에 주로 사용함.

설계에서부터 제조공정에 이르기까지 일관하여 사용할 수 있음.

모델 내부의 부피 정보를 가지고 있어 처리 시간이 많이 소요됨.

(나) 종류

① CGS

입체 요소를 사용하여 3차원 모델을 작성하는 방식임.

기하학적 형상을 표현하기 위해 불리안 조작 방법을 사용함.

② B-REP

사용자가 CRT 상에 물체를 그려 넣고 원하는 형상을 작성하기 위해 여러가지 변환과 편집 작업을 수행하여 평면, 측면 등의 여러 뷰 간에 상호 연결선에 의해서 3차원 모델을 표현함.

③ 파라메트릭

피쳐와 제약 조건을 사용하여 설계 의도를 파악하는 방식이며 사용자는 제품의 부품군에서 발견된 변경 사항과 같은 반복적인 설계 변경을 자동적으로 처리할 수 있음.

 -장점

설계가 변경되면 모델이 자동적으로 업데이트 됨.

설계 의도를 쉽게 파악할 수 있으므로 설계가 변경되었을 때 모델이 어떻게 동작해야 하는 지를 쉽게 정의할 수 있음.

부품군을 간편하게 정의하고 자동으로 생성할 수 있음.

제조공정과 통합성이 뛰어나 생산 시간이 단축됨.

-단점

개념설계 단계에서 파라메트릭을 사용하면 구상 중인 아이디어에서 많은 3차원 개념을 가능한 한 빨리 파악하고자 하는 사용자에게 는 오히려 부담이 될 수 있음.

예기치 않은 설계 변경이 발생할 경우에는 업데이트하는데 시간이 많이 소요됨.

3. CAE

(1) 개요

컴퓨터를 이용한 해석, 분석 등의 과정을 의미하며 3차원 모델을 작성하고, 이를 바탕으로 기능 및 성능 평가를 수행하여 최적설계 및 도면 작성을 수행함.

즉, CAE는 제품의 설계, 개발 분야에 컴퓨터를 응용하는 기술로서 시뮬레이션을 통해 테스트 기간 및 비용을 대폭 절약할 수 있는 기술이고 공학 해석, 비용 해석, 제품 계획, 공정 관리 등 제품 개발의 모든 과정을 통합하는 개념임.

CAE의 적용이 확산되고 있는 배경에는 개발 품목이 다양화 및 고도화되고 개발 기간의 단축에 대한 요구가 높아짐에 따라 숙련된 기술자의 부족, 빈번한 중복 설계, 잦은 설계 변경 등에 의한 문제점을 최소화할 수 있는 작업 환경을 구현하고자 하는 데 그 목적이 있음.

CAE 해석 기법 중에 사용 빈도가 높은 유한요소법과 유한요소해석에 대해 살펴볼 것임.

(2) 유한요소법과 유한요소해석

유한요소법은 물체를 가상적으로 유한한 크기의 요소로 분할하고 이러한 요소들의 집합체로서 물체를 해석하는 방법임.

유한요소해석은 유한요소법이라고 불리는 수치적 기법을 적용하여 해석하는 것으로 가상 제품 혹은 부품에 작용하는 다양한 힘을 미리 시뮬레이션 할 수 있어서 시간과 비용을 절약할 수 있음.

최근에는 CAD로 제품 혹은 부품의 형상을 정의하고 유한요소법으로 해석을 선행하여 제작 시 발생하는 오류를 예측하기 위해 많아 활용되고 있음.

(3) 유한요소법의 인자

1) 유한

모든 연속적인 물체는 무한한 자유도를 가지며 이러한 현상으로는 문제를 해결할 수 없기 때문에 노드와 요소의 도움을 받아 자유도를 무한에서 유한으로 줄여야 함.

2) 요소

모든 계산은 노드라고 하는 제한된 수의 지점에서 이루어지며 노드를 결합하고 사각형 또는 삼각형과 같은 특정 모양을 형성하는 실체를 요소라고 함.

계산 지점 사이의 변이 값을 얻기 위해 요소의 모양에 따라 보간 함수를 사용함.

3) 방법

수치적인 방법을 통해 문제를 해결함.

(4) 유한요소법의 프로세스

1) 모델링

유한요소를 통해 제품 및 부품을 모델링하고 특성을 정의함.

CAD 데이터 불러오기 → 메싱 → 재질과 특성 부여

메시는 지오메트릭에 근접해야 생성이 가능함.

2) 해석

유한요소의 해를 구함.

해석을 위해 하중, 구속 조건을 정확하게 설정해야 함.

3) 시각화

후처리 도구로 결과를 확인.

해석 결과를 분석할 수 있도록 그래프나 등고선 형태로 도출이 됨.

여기에는 다양한 조건에 어떻게 반응하는지 확인이 가능하고 결과에 따라 수정하고 그 영향을 확인하기 위해 새로운 해석을 실행할 수 있음.

4) 해석 순서