인더스트리 4.0에 대비해 Siemens MBSE 도구로 학생을 교육하는 대학

디지털 엔지니어링의 혁신적인 커리큘럼 제공

IUPUI(인디애나 대학교-퍼듀 대학교 인디애나폴리스 캠퍼스)는 SE(시스템 엔지니어링) 프로세스의 디지털화를 보여주는 독자적인 커리큘럼을 제공합니다. 이 대학은 MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링)을 관리하는 PLM(제품 라이프사이클 관리)을 통해 이를 실현합니다. MBSE는 시스템 요구사항부터 시작해서 제품 라이프사이클을 이끌고, RFLP(요구사항-기능-논리-물리) 추적 가능성 프로세스를 통해 성능을 이해 관계자의 요구사항까지 역추적합니다. 이러한 분야에 대한 교육을 제공하기 위해 IUPUI는 시스템 엔지니어링 및 PLM 구현과 관련된 개념, 도구, 기술에 대한 이해를 전수하도록 특별히 고안된 시스템 엔지니어링 인증 프로그램을 제공합니다. 이 대학은 기본 이론과 함께 Siemens Digital Industries Software 제품군의 소프트웨어 도구를 사용하여 이 과정에서 가르치는 개념을 구현합니다. 이 소프트웨어 도구는 2014년에 Siemens Digital Industries Software로부터 현물 지원의 일환으로 제공되었습니다. 이를 통해 대학은 Teamcenter® 포트폴리오(Active Workspace 클라이언트 포함), NX™ 소프트웨어, Simcenter™ Nastran®, Simcenter Amesim™, Simcenter STAR-CCM+™, HEEDS 및 Tecnomatix®의 디지털 제조 솔루션 포트폴리오(Plant Simulation, Jack™ 소프트웨어, Process Simulate)를 포함하는 MBSE 카탈로그의 도구를 보유하게 되었습니다.

소프트웨어 보조를 받은 후, 이 대학은 모델 기반 엔지니어링 분야의 우수 센터가 되는 것을 목표로 하는 IPLI(제품 라이프사이클 혁신 이니셔티브) 연구소를 설립했습니다. IPLI는 학생과 업계를 대상으로 모델링 및 시뮬레이션 연속체를 구현하고 시연하기 위한 시뮬레이터 테스트베드를 개발했습니다. 이 시뮬레이터는 앞에서 언급한 소프트웨어를 타사 도구와 적극적으로 통합하여 제품 개발에서 데이터 교환과 상호 운용성을 지원하는 디지털 스레드를 실현합니다.

대학원 연구 및 교육 조교는 학기 내내 시뮬레이터를 적극적으로 활용하여 프로젝트를 수행하고 교과 과정을 개발합니다. 대학원 인증 및 학위 커리큘럼의 일환으로 제공되는 SDPD(시스템 기반 제품 개발) 과정은 SDPD 프레임워크를 사용하여, 여기에서 설명하는 전기 스케이트보드 고객 성공사례와 같은 다중 영역 시스템을 설계하는 데 중점을 둡니다. 또한 시스템 및 특수 엔지니어링 입문 과정에는 실습 세션이 포함되어 있습니다. 이 세션에서 학생들은 과정 프로젝트 개발을 관리하고 워크플로, 변경 및 구성 관리와 같은 PLM 방법을 배우기 위해 Teamcenter를 접하게 됩니다.

IUPUI 과정의 핵심은 제품(또는 시스템) 개발을 위한 최첨단 디지털 혁신 플랫폼을 기반으로 엔지니어링 기초와 시스템 엔지니어링을 실용적으로 결합하여 이론에서 구현 및 실습으로 초점을 전환하는 것입니다. 이 커리큘럼은 모델링 및 시뮬레이션 연속체, 추적 가능성, 디지털 스레드라는 세 가지 요소에 중점을 둡니다.

이 커리큘럼은 디지털 트윈 구현의 기반을 제공하며 Industry 4.0을 위한 차세대 엔지니어 교육을 지원합니다.

IUPUI의 기계에너지공학과 부교수인 Hazim El-Mounayri 박사는 "이 SDPD 과정을 구현하여 얻는 바람직한 결과 중 하나는 디지털화/모델 기반 엔지니어링이 산업에 제공하는 이점을 입증할 수 있다는 것입니다."라고 설명합니다. "우리는 제품 개발에 있어서 더 강력한 혁신, 효율성 향상, 출시 시간 단축, 적응성/민첩성/맞춤화 강화, 지식 재사용, 표준 준수 능력 향상을 추구하고 있습니다."

Tecnomatix Process Simulate를 사용한 프로세스 설계 및 검증

Simcenter Amesim을 사용한 시스템 시뮬레이션 모델

실제 고객 성공사례에서 SDPD 구현: 다중 영역 최신 제품(또는 시스템)

기계에너지공학과 학생들은 시뮬레이터의 플랫폼을 사용하여 SDPD 접근 방식을 사용하는 전기 스케이트보드를 개발하는 고객 성공사례 연구를 구현했습니다. 전기 스케이트보드 시스템은 이해 관계자의 요구사항을 정의하여 이를 시스템 요구사항으로 변환하고, 시스템 요구사항에 따라 시스템 아키텍처를 개발하고, 이 아키텍처를 기반으로 다운스트림 설계 및 제조 활동을 추진하는 모델 기반 접근 방식을 사용하여 설계되었습니다.

SDPD 프레임워크는 시스템 동작 모델링을 다운스트림 제품 설계 및 제조 프로세스 방식과 통합하여 제품이 라이프사이클의 모든 단계를 거치는 동안 시스템 동작을 확인 및 검증하고, 글로벌 의사 결정 최적화를 위해 제품 간 디지털 트윈 및 디지털 스레드를 효율적이고 효과적으로 유지 관리하여 상충하는 의사 결정을 최적화합니다. 개발 프로세스 전반에 걸쳐 제품 라이프사이클 관리를 디지털 스레드 생성을 위한 백본으로 사용하여 제품 데이터가 교환됩니다.

SDPD 프로세스는 타사 아키텍처 모델링 솔루션을 사용하여 시스템 모델을 만드는 것으로 시작됩니다. 시스템 아키텍처 모델은 RFLP 데이터를 포함하는 제품 정보의 단일 소스 역할을 합니다. 시스템 요구사항은 시스템 엔지니어링 방법론을 사용하여 시스템 아키텍처 개발을 이끌고, 전체 시스템 아키텍처는 전반적인 시스템 개발을 이끌어 나갑니다.

IUPUI의 구현은 제품 개발의 전체 프로세스를 다룹니다. 이는 시스템 아키텍처 모델을 만드는 것으로 시작해서, Teamcenter를 사용하여 앞서 언급한 소프트웨어 도구들을 통합적으로 활용하여 제품 개발을 추진하는 과정을 포괄합니다. 시스템 아키텍처는 시스템과 해당 컴포넌트가 수행할 논리적 기능을 구현하는 논리적 아키텍처로 구성됩니다. 그런 다음 학생들이 Simcenter Amesim 소프트웨어를 사용하여 시스템의 다중 영역 시뮬레이션 아키텍처를 개발하고, 이를 통해 초기 단계에 시스템 성능을 분석합니다. 이 연습의 기본 목적은 NX를 사용하여 컴포넌트의 3D CAD(Computer-Aided Design) 지오메트리를 설계하는 데 사용할 수 있는 시스템 사양을 식별하는 것입니다. 이 대학은 또한 Simcenter 3D 포트폴리오를 사용하여 다분야 해석 및 최적화를 수행합니다. 이는 통합 디지털 엔지니어링의 첫 단계일 뿐입니다.

"인더스트리 4.0을 완벽하게 구현하려면 MBSE 기반 개발의 범위를 디지털 제조 및 성능 분석으로 확장해야 합니다."라고 El-Mounayri 박사는 말합니다. "이를 위해 IUPUI는 Tecnomatix 포트폴리오를 사용하여 공장을 설계하고 플랜트 레이아웃을 시뮬레이션하여 제조 프로세스의 다양한 측면을 분석합니다."

IUPUI는 복잡한 제품을 경쟁력 있게 개발해야 하는 업계의 요구를 해결하고자 합니다. 이 대학의 목표는 갈수록 스마트 커넥티드 시스템 또는 복합 시스템으로 진화하는 최신 제품 개발의 모범 사례를 입증하는 데 사용할 수 있는 디지털 엔터프라이즈용 시뮬레이터를 구축하는 것입니다.

그와 동시에 IUPUI는 인더스트리 4.0에 대비하여 차세대 엔지니어를 교육하고자 합니다. 모든 주요 산업의 제조 회사들이 현대 제품을 경쟁력 있게 설계하고 관리해야 하는 어려운 과제에 직면해 있으며, 이러한 제품들이 점점 더 복잡한 다중 영역 시스템이 되고 있기 때문입니다. 시스템 복잡성이 발생하는 원인은 여러 하위 시스템, 엔지니어링 영역, 사양 및 시스템 아키텍처뿐 아니라 하위 시스템 상호 작용과 시스템 통합이 관련되어 있기 때문입니다. 대표적인 예로는 스마트폰, 스마트 워치, 완전한 약물 전달 솔루션, 자율주행차와 같은 상호 연결된 스마트 장치 또는 시스템이 있습니다.

Tecnomatix 플랜트 시뮬레이션을 사용한 물류 및 처리량 최적화