자동 회로 보드 진동 해석으로 오류 감소 및 프로세스 속도 100배 향상

엔지니어가 엔지니어를 지원

1995년, United Technologies 엔지니어 세 사람이 설립한 Design Automation Associates Inc. (DAA)는 다양한 엔지니어링 컨설팅 서비스를 제공하며, 기업이 제품 개발과 구성 프로세스를 자동화 할 수 있도록 지원하는 데 주력합니다. 20명의 직원을 보유한 이 기업은 회전 기계, 전자 패키징, 산업용 기계, 항공우주, 군사 및 자동차를 비롯한 다양한 산업을 대상으로 서비스를 제공합니다.

DAA는 자동화에 적합한 작업을 결정하는 경험이 풍부합니다. 가장 특화된 분야 중 하나는 ETO (engineered-to-order)와 CO (configured-to-order) 제품 설계 및 해석과 관련이 있습니다. DAA CEO John Lambert는 “엔지니어링 설계 및 해석의 모든 영역에서 반복 문제가 발생하지만 특히 ETO와 CTO 제품을 가진 기업에서 그런 경향이 두드러집니다. 특정 파트를 반복적으로 설계하는 방식이라 자동화를 통해 상당한 시간 절약 효과를 거둘 수 있습니다” 라고 말합니다.

전자 제품 패키징의 구체적인 예로 Lambert는 ETO 인쇄회로기판 (PCB)에 대해 수행해야 하는 유한요소해석 (FEA)를 꼽았습니다. “이들 기업은 모든 새로운 주문에 대해 회로 기판을 재엔지니어링 해야 합니다. 우수한 해석 기술을 사용해도 수작업으로 해야 하는 일이 여전히 많습니다” 라는 것이 Lambert의 설명입니다. 하중을 결정하거나 해석 결과를 평가하는 데 수작업 계산이 필요한 경우가 많습니다. “결과 해석에 사용되는 계산 중 상당수는 기업의 지식 자산의 일부로 고유하며 경쟁 가능한 특수 절차를 수반합니다. 회사별로 달라 즉시 사용 가능한 기능으로 해석 소프트웨어 추가되지 않는 논리와 계산 영역이 있습니다” 라고 그는 덧붙였습니다.

DAA는 단일 ETO 제품용 해석 프로세스가 최대 40시간이나 걸리는 상황을 봐 왔습니다. Lambert는 “기업은 이와 동일한 해석 프로세스를 일년에 100~200회 까지 할 수도 있습니다. 여기에 드는 시간과 비용도 문제지만 수작업이 이렇게 많이 드는 방식을 사용한다는 것은 오류가 발생할 가능성도 크다는 것을 의미합니다” 라고 말합니다. DAA는 자동화 시도가 항상 매크로 형태로 이뤄지는데, 이는 Lambert의 표현에 따르면 “20년 묵은 기술” 입니다.

매크로를 뛰어넘는 솔루션

DAA 엔지니어는 작업에 여러 가지 고급 설계 및 해석 솔루션을 사용하지만 복잡한 반복 해석과 설계-해석 루프를 자동화할 때에는 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter와 NX 소프트웨어를 사용합니다. DAA는 Siemens의 Simcenter 포트폴리오의 일환인 Simcenter 3D와 Simcenter Nastran을 사용합니다. Lambert는 “Simcenter와 NX 툴세트는 세계 정상급 기능입니다. 우리는 Simcenter 3D와 NX로 통합 모델링 및 해석 기능, NX Open을 사용합니다” 라고 말합니다. NX Open은 Simcenter 3D와 NX에 내장된 API입니다. DAA는 커스텀 코딩과 한층 복잡한 자동화를 위해 NX Open을 사용합니다. “저희가 주력하는 문제는 일반적으로 사용 가능한 기능이 지원하는 수준 이상의 복잡성과 자동화를 필요로 합니다. 이를 위해 저희는 NX Open을 사용합니다” 라고 Lambert는 설명합니다.

DAA가 한 자동화 예시로 Lambert는 항공우주 분야에 사용되는 PCB 유한요소해석에 대해 설명합니다. “보드 구성요소와 마운트 같이 변경될 수 있는 설계 변수가 많아 반복적으로 수행해야 하는 작업을 보여주는 좋은 예시입니다. 또한 이 보드는 임의적 진동에 노출될 수 있으며, 스펙트럼에 따라 하나 이상의 접근 금지 구역이 있을 수 있습니다. 반복적으로 주파수를 “접근 금지 구역”에서 벗어나 진동이 낮은 구역으로 이동시켜야 하지만, 이 작업을 하면 부하와 응력이 증가하므로 쉽지만은 않습니다. 주파수를 이동시킬 때에는 부하를 재측정해야 합니다. 전자 패키징에서는 서로를 확대하도록 주파수가 가까이 있는 구성요소가 있습니다. 이 작업은 적절한 주파수 배치와 구조적 보드 무결성이 조화되도록 하기 위해 반복적으로 철저하게 진행하는 작업이 됐습니다” 라고 Lambert는 설명합니다.

사용자에겐 NX의 기본 기능처럼 보이는 DAA가 자동화 한 이 프로세스 버전에는 Simcenter 3D와 Simcenter Nastran® 소프트웨어를 사용하는 지오메트리 모델링, FEA 프리프로세싱, 포스트프로세싱, 해석이 포함됩니다. PCB의 NX 지오메트리 모델로 시작하는 이 프로그램은 자동으로 유한요소메시를 생성하고 적절한 재료 속성을 적용합니다. 그 다음 주파수 추출 해석을 반복 실행합니다 (Simcenter Nastran Solution 103). NX Open을 사용해 DAA가 작성한 커스텀 코드는 이 결과를 임의 진동 스펙트럼과 비교한 후 PCB 진동 주파수가 임의 진동 곡선의 접근 금지 구역을 벗어날 때까지 PCB 지오메트리에 대한 반복 루핑과 수정을 이어갑니다. 그 다음, 커스텀 계산을 수행해 부하를 결정한 후 응력과 처짐을 해석합니다 (Simcenter Nastran Solution 101). 일부 추가 커스텀 코드는 이 결과를 산업 및 프로세스 지식과 통합해 수명을 예측하고 재료 허용치와 비교하며 설계 수용 가능성 여부를 궁극적으로 판단합니다. 그렇지 않은 경우 프로세스를 다시 시작해 설계에 적절한 구조적 무결성이 갖춰질 때까지 반복을 계속합니다.

Lambert는 “보통 열 해석을 수행해야 하며 자동화에도 포함될 수 있음” 에도 불구하고 이 사례에서는 열 해석이 들어가지 않았습니다.

상당한 시간 단축 및 오류 감소

PCB 예시에서 볼 수 있듯 자동화의 가장 분명한 이점 중 하나는 시간이 절약된다는 점입니다. Lambert는 기존에 40분 걸렸던 해석이 자동화 프로세스에서는 15분이면 되는 상황을 봤습니다.

물론 자동화를 생성하는 데 시간이 걸리며, DAA는 시간이 얼마나 걸릴지 추정하는 유용한 방식을 갖고 있습니다. Lambert는 “반복을 한 번 실행하는 것보다 강력한 자동화 루틴을 생성하는 데 약 10배 오랜 시간이 걸립니다. 모든 것이 자동화에 적합한 것은 아닙니다. 회사가 몇 차례 실행하기만 하면 되는 해석이라면 그만한 가치가 없을 겁니다. 그러나 한 해 25회, 100회, 200회 정도 해야 한다면 납득이 되죠” 라고 설명합니다. 그가 설명하는 자동화를 구현하려면 어느 정도의 기술 수준이 필요할까요? Lambert는 “어느 정도 프로그래밍 기능을 갖춘 사람이 필요합니다. 저널링 기능이 많은 NX Open 코드를 생성해 주지만, 이 코드를 열고 편집할 줄 알아야 하며, 그냥 키스트로크를 기록하는 것이 아닌, 범용 애플리케이션에 맞게 향상시킬 수 있어야 합니다.

Simcenter 3D를 사용해 반복 시뮬레이션 프로세스를 자동화해서 좋은 점이 또 있습니다. 자동화는 NX의 룩앤필을 유지해 NX CAD에 익숙한 사용자는 최소한의 교육으로 이를 사용할 수 있습니다. 또한, 전문 해석가가 프로세스를 자동화하면 교육을 많이 받지 않은 사용자도 이를 실행할 수 있어 해석자는 한층 까다로운 프로젝트를 수행할 수 있습니다. 프로세스 자동화는 이를 표준화하고 해석자의 계산 실수 같은 수작업으로 인한 오류 발생을 줄이는 효과도 갖습니다.

DAA는 NX Open 자동화를 사용해 상당히 성공적인 결과를 거뒀으며, Lambert는 더 많은 기업이 이 소프트웨어의 프로그래밍 기능을 활용하지 않고 있다는 점에 놀라워 합니다. “NX와 Simcenter에는 매우 강력한 기능이 있지만, 우리 고객들이 이런 유형의 자동화를 매우 필요로 하고 있음에도 사용하는 경우는 좀처럼 보기 힘듭니다. 적합한 상황에 NX CAD 환경 내 자동화 시뮬레이션 프로세스를 사용하는 것은 투자 가치가 있습니다” 라고 말합니다.