기술 설계 및 제조를 위해 디지털 트윈 활용

디지털 트윈은 설계자에게 강력한 설계 시뮬레이션, 가상 샌드박스, 전체론적인 성능 예측, 최적화 루틴을 제공합니다. 응용 분야에 따라 이는 반복되는 설계 작업의 속도를 향상시키거나 작동 성능을 즉시 개선할 수 있습니다.

디지털 트윈은 시뮬레이션을 머신 러닝 및 데이터 분석과 통합하여 엔지니어가 두 가지 주요 설계 단계 즉, 물리적으로 구현되기 전과 (보다 정교한 시스템의 경우) 작동 중 지속적인 최적화가 가능한 상태에서 설계를 테스트하고 개선하며 완성할 수 있도록 합니다. 두 단계 모두에서 디지털 트윈은 설계의 품질, 비용 및 심지어 안전 및 사이버 보안도 크게 향상시킬 수 있습니다.

물리적 부품, 제품 조립품, 공정 및 시스템의 연결된 모델을 포함하여 이러한 가상 표현이 분석 가능한 데이터로 실시간 업데이트되는 사례가 점점 일반화되고 있습니다.

그림 1: Ansys Discovery 3D 제품 시뮬레이션 소프트웨어 및 NVIDIA Omniverse Blueprint 템플릿(워크플로)은 실시간 CAE를 활성화하여 대규모 워크플로의 디지털 트윈을 생성할 수 있습니다(이미지 출처: Ansys).

디지털 트윈이 실제 세계의 설계를 반영하는 데 필요한 핵심적인 기능은 센서와 IoT 장치입니다. 이 장치들은 데이터를 소프트웨어에 전달하고 소프트웨어는 가상 공간에 설계를 구축합니다. 여기서, 센서가 물리 시스템에 대해 수집한 데이터를 가상의 대상으로 전송하기 전에 처리하는 에지 컴퓨팅이라는 개념이 점점 보편화되고 있습니다.

그림 2: Honeywell 관성 측정 장치 (IMU)에는 디지털 트윈 비행 동역학 모델링을 위해 항공기의 방향과 움직임을 추적하는 스마트 센서가 통합되어 있습니다(Image source: Honeywell Aerospace).

전자 산업에서의 제품 설계 작업에 디지털 트윈을 고려해 보세요. 이러한 모델은 경화 및 테스트에 긴 시간이 걸리고 비용이 많이 드는 물리적 시제품이 필요 없어 기계 회로의 성능, 전자기 간섭의 가능성, 열 반응을 조사하고 조정하는 데 비교적 위험이 없습니다. 디지털 트윈을 사용하여 개발된 이러한 제품은 산업 요구 사항을 능가하도록 혁신적인 경향이 있습니다. 자동차, 항공 우주, 방위 산업은 이러한 설계 접근 방식으로 가장 큰 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 분야의 경우 아주 작은 변경이라고 해도 설계의 기능성 및 제조 가능성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

동영상: 압전 가속도계는 산업 응용 분야의 디지털 트윈에 진동 반응을 포함시키는 데 필수적인 요소입니다. IO-Link 통신은 가속도계의 출력 데이터 처리를 간소화해 줍니다(동영상 출처: Amphenol PCB Piezotronics).

스마트 공장 및 그 이상을 모델링하도록 확장할 경우 디지털 트윈은 점차적으로, 더 포괄적인 산업 메타버스의 근간 역할을 합니다. 이 디지털 영역은 전체 기계, 산업 시설, 공급망을 모델링하고 연결하여, 생산 공정에 데이터를 제공하고 다시 외부로 전달합니다.

한 가지 문제점이라면 산업 메타버스를 유지하는 데 필요한 프로그래밍, 컴퓨팅 수요, 에너지 소비가 상당하다는 것입니다. 결국, 이 메타버스를 사용하려면 다음이 필요합니다.

• 초고속 인터넷 및 고성능 프로세서 - 특히 그래픽 집약적 3D 가상 현실 설정이 시스템의 일부인 경우.
• 광대한 센서 데이터의 실시간 동화
• Cloud 기능을 위해 데이터 센터에 호스팅된 가상 제조 시설 및 수많은 디지털 객체. 대부분의 경우 블록 체인 기술로 보호됨.
• 머신 러닝 기능을 위한, 에너지 소모가 많은 것으로 잘 알려진 AI 구동식 분석 및 신경망

디지털 트윈과 산업 메타버스를 활용하는 접근 방식에 대한 투자가 정당화되는 경우, 해당 기술 사용을 지원하는 도구는 대개 초대형 기업들이 제공합니다. 그에 반해, 이러한 기술의 사용으로 가장 큰 이점을 누리는 것은 중소 규모의 기업들입니다. 예를 들어, Siemens, Autodesk, Dassault Systèmes 소프트웨어 에코시스템은 전체론적 가상 모델의 설계와 사용을 지원합니다. Ansys 및 Altair Engineering 시뮬레이션 도구(One Total Twin 제품 포함)는 재료 속성 및 예상 수명에 대한 성능과 같은 파라미터를 고려하는 제품 모델링을 제공합니다.

추가 자료: SME가 산업 메타버스를 사용하여 로봇 솔루션을 탐색하고 배포하는 방법

가장 빠른 도입 속도를 보이는 산업 메타버스 응용 분야에는 물류, 제조, 건강 관리, 교육, 엔터테인먼트, 도시 계획이 있습니다. 실제로, 제조업에 연관된 메타버스 사례 중 일부는 사실상 공급망 개선(특히 운송 효율성과 가시성을 향상시키기 위한 프로그램)과 관련이 있습니다.

그러나 제조업에서의 산업 메타버스 활용은 증가 추세를 보이고 있으며 병목 현상 감소, 공정 최적화, 품질 관리, 예지 정비 프로그램 분야에서 특히 그렇습니다.