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Claudius Peters

중장비 제조업체 현장에 제너레이티브 설계 적용

건축의 미래

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사진 제공: LimbForge

100년 전통의 회사에서 새로운 제품 개발 기술로 건축의 미래에 대비

113년 역사의 대량 재료 처리 장비 제조업체인 Claudius Peters는 21세기 디지털 회사로 변신을 진행 중입니다. 제너레이티브 설계는 근본적으로 새로운 제품 설계 및 최적화 접근 방법을 회사에 제공하는 게임 체인저입니다. 일반적으로 3D 설계와 연계되는 이 기술을 회사에서 기존 제작 방법에 적용하여 가격에 민감한 생산재 시장용 제품을 더 저렴하게 만들고 있습니다. 중공업의 제너레이티브 설계는 재료, 에너지 비용 및 리드 타임을 줄여 변화기에 Claudius Peters가 경쟁력을 높이는 데 도움이 됩니다.

보수적인 회사에서 변화 수용

독일 제조업체 Claudius Peters는 "중공업"이라는 용어의 전형적인 예입니다. 이 회사에서는 시멘트, 강철, 석고 및 알루미늄 산업용 대형 산업 기계와 처리 플랜트를 회사에서 생산합니다. "당사는 대량 재료 취급 전문업체"라고 CP(Claudius Peters)의 Thomas Nagel 운영 이사는 말합니다. 이 회사는 독일 함부르크의 본사 외에 아메리카, 유럽, 아시아에 12개 지역 사무소를 두고 있습니다.

1906년에 설립된 CP는 100년 넘게 컨베이어, 사일로, 원통 분쇄기 등 거대한 자본 집약형 공산품을 제조하고 있습니다. 그러나 최고 디지털 책임자로 재직 중인 Nagel은 유서 깊은 역사에 안주하지 않고 회사가 디지털 혁신의 글로벌 리더로서 명성을 쌓도록 노력하고 있습니다. Claudius Peters는 비용, 품질, 납품 속도 및 고객 만족과 관련된 비즈니스 결과 개선을 목표로 2014년에 혁신의 여정을 시작했습니다. 회사에서는 21세기에 경쟁력을 유지하려면 새로운 소프트웨어만으로는 부족하다는 것을 깨달았습니다. CP는 2018년에 설계 사고방식, 실험 및 반복에 집중하는 새로운 디지털 기술과 문화가 필요한 민첩한 회사로의 더욱 의미있는 변신을 시작했습니다.

함부르크 인근 북스테후데에 있는 회사의 독일 본사에서 만난 Claudius Peters의 Thomas Nagel 운영 이사 겸 최고 디지털 책임자.

혁신의 여정 시작

Autodesk와 같은 기술 파트너와 협력하는 것이 Claudius Peters의 혁신의 여정에서 가장 중요했습니다. CP는 BIM 360 (영문) 을 비롯한 새로운 도구를 도입하여 영업, 엔지니어링, 설계, 제조 및 조립의 전체 프로세스를 연결했습니다. Inventor와 FEM(유한 요소 방법) 분석을 사용하여 제조 프로세스를 간소화하는 새로운 방법도 찾았습니다. 기계 설치를 위해 CP는 ReCapNavisworks와 함께 3D 리얼리티 캡처 스캔을 사용하여 고객 시설에서 데이터를 캡처한 다음 신속하게 독일의 엔지니어링팀과 설계팀에 파일을 인계하기 시작했습니다. "작업 속도가 더 빨라지므로 품질이 더 높아지고 비용이 더 낮아져 고객 만족도가 향상됩니다"라고 Nagel은 말합니다.

"그러나 당사의 혁신은 그 선에서 멈추지 않았습니다"라고 그는 덧붙입니다. Fusion 360의 제너레이티브 설계에서 영감을 받은 Nagel은 CP 팀에서 이 떠오르는 기술에 대해 알아보는 4시간짜리 워크숍을 마련했습니다.

Autodesk 제너레이티브 설계 소프트웨어에서는 설계 목표와 구속조건을 취하여 선택 가능한 수십 가지 옵션을 빠르게 생성할 수 있는 설계 솔루션 순열을 탐색합니다. 팀은 몇 가지 일반 부품으로 실험한 후 CP의 시멘트 산업용 핵심 제품 중 하나인 클링커 쿨러의 부품 최적화에 제너레이티브 설계를 사용해 보기로 결정했습니다.

기존 클링커 쿨러 부품의 설계를 Claudius Peters 팀과 함께 검토 중인 Nagel(오른쪽).

클링커 쿨러란?

시멘트 산업은 초창기부터 Claudius Peters의 중심축이었습니다. 시멘트 제조업체에서는 부순 암석을 혼합하고 가마에서 1,450°C(2,640°F)로 가열하여 "클링커"라는 구슬 크기 덩어리로 녹입니다. 시뻘겋게 달군 클링커는 50x25m(164x82피트)의 거대한 기계인 클링커 쿨러로 배출됩니다. 클링커가 쿨러를 통과할 때 공기로 약 100°C(212°F)로 냉각됩니다. 그런 다음 지상에서 다른 성분과 혼합하여 시멘트를 형성합니다.

CP는 1950년대 초부터 클링커 쿨러를 업계에 공급하기 시작하여 이후 60여 년 동안 700대가 넘는 쿨러를 생산하고 있습니다. 그러나 클링커 생산에 많은 에너지를 소비하는 시멘트 산업은 세계 최대 CO2 배출원 중 하나입니다.

2000년대 초에 CP는 에너지 효율을 나타내는 그리스어 기호인 "η"("에타")에서 이름을 딴 ETA Cooler라는 에너지 절약형 차세대 클링커 쿨러 개발을 시작했습니다. "ETA Cooler의 가장 큰 이점 중 하나는 뛰어난 열효율"이라고 Nagel은 말합니다. "에너지를 절약하면 시멘트 생산이 환경에 미치는 부정적인 영향 감소에 도움이 될 수 있습니다." 지금 CP에 중요한 비즈니스는 시멘트 공장의 효율을 높이는 ETA Cooler로 기존 클링커 쿨러를 대체하는 것입니다.

스위스 Holcim Untervaz Cement Plant에 있는 ETA Cooler는 크기가 축구장 절반에 가까운 거대한 기계입니다. 제공: Claudius Peters

제너레이티브 설계에서 놀라운 결과 수확

CP는 기존 설계 방법을 사용하여 잉여 재료를 제거하도록 최근에 다시 설계한 중금속 조각인 ETA Cooler 부품 최적화에 제너레이티브 설계를 사용하기로 결정했습니다. 녹은 클링커가 ETA Cooler를 통과하는 일련의 컨베이어 레인에 볼트로 고정된 이러한 부품이 쿨러마다 50~60개씩 있습니다. CP의 설계 엔지니어인 Maximilian Lerch는 "이 주조 조각을 계속해서 최적화하고 있습니다”라고 말합니다. "목표는 무게 및 무게와 연결된 금속 비용을 낮추는 것입니다. 무게를 조금만 최적화해도 효과가 큽니다.

"모든 엔지니어가 컴퓨터 화면 주위에 모여 구속조건밖에 없는 상태에서 제너레이티브 설계를 통해 최적화된 튼튼한 부품이 생성되는 것을 지켜보는 모습이 정말로 보기 좋았습니다"라고 Lerch는 덧붙입니다. "최상의 솔루션 도출에 필요한 모든 반복 작업이 소프트웨어에서 수행되었습니다."

첫 번째 4시간짜리 제너레이티브 설계 세션 후 첫 번째 결과를 얻었고, Nagel은 이를 "'외계인 부품'이라고 칭했습니다. "당사에서 최적화한 부품과 너무 달라서 놀랐습니다. 30~40% 정도 가벼웠습니다."

제너레이티브 설계 프로세스의 첫 번째 결과물인 원래 ETA Cooler 이송 부품(왼쪽) 및 최적화된 기존 부품(가운데)과 근본적으로 다른 '외계인 부품'(오른쪽).

제너레이티브 설계에서 놀라운 결과 수확

CP는 기존 설계 방법을 사용하는 잉여 재료를 제거하도록 최근에 다시 설계한 중금속 조각인 ETA Cooler 부품 최적화에 제너레이티브 설계를 사용하기로 결정했습니다. 녹은 클링커가 ETA Cooler를 통과하는 일련의 컨베이어 레인에 볼트로 고정된 이러한 부품이 쿨러마다 50~60개씩 있습니다. CP의 설계 엔지니어인 Maximilian Lerch는 "이 주조 조각을 반복해서 최적화하고 있습니다”라고 말합니다. "목표는 무게 및 무게와 연결된 금속 비용을 낮추는 것입니다. 무게를 조금만 최적화해도 효과가 큽니다.

"모든 엔지니어가 컴퓨터 화면 주위에 모여 구속조건밖에 없는 상태에서 제너레이티브 설계를 통해 최적화된 튼튼한 부품이 생성되는 것을 지켜보는 모습이 정말로 보기 좋았습니다"라고 Lerch는 덧붙입니다. "최상의 솔루션 도출에 필요한 모든 반복 작업이 소프트웨어에서 수행되었습니다."

첫 번째 4시간짜리 제너레이티브 설계 세션 후 Nagel이 "'외계인 부품'이라고 부릅니다"라고 소개하는 첫 번째 결과를 팀에서 얻었습니다. "당사에서 최적화한 부품과 너무 달라서 놀랐습니다. 30~40% 정도 가벼웠습니다."

  • 시멘트 생산 프로세스에서는 가마에서 시뻘겋게 달군 클링커가 하루 13,000미터톤까지 처리할 수 있는 ETA Cooler로 이송됩니다.

  • 컨베이어 레인에서 클링커가 ETA Cooler를 통과하는데 이 때 공기가 녹은 암석을 약 100°C(212°F)로 냉각합니다.

  • 각 ETA 쿨러에는 컨베이어 레인에 배치된 약 60개의 이송 부품이 있어 쿨러를 통해 뜨거운 클링커가 이동합니다.

  • 원래 이송 부품(왼쪽)을 2016년에 다시 설계하고 클링커 쿨러 14대에 설치하여 검증했습니다.

  • 제너레이티브 설계를 적용하여 새로 설계한 부품(오른쪽)이 원래 부품보다 50% 이상 가벼워 재료 비용과 에너지가 대폭 절감됩니다.

  • 생성 방식으로 설계하고 리버스 엔지니어링한 반복 작업을 통해 원래 무거운 기하학적 설계(맨 윗줄 맨 왼쪽)에서 발전한 클링커 쿨러 부품이 렌더링에 보입니다.

이미지 제공: Claudius Peters

기존 제조에 생성 방식으로 설계한 부품 적용

Claudius Peters의 회의적인 엔지니어 팀은 '외계인 부품'에 대해 계산과 FEM 분석을 실행하였고 기존의 최적화된 부품 버전보다 효과적인 것을 알고 경탄했습니다. 팀은 제조 방법을 이해하기 위해 설계 분석을 시작했습니다. "제너레이티브 설계에서는 일반적으로 3D 인쇄 또는 기타 적층 제조 방법을 사용하여 제품을 만듭니다"라고 Nagel은 말합니다. "우리 업계에서는 3D 인쇄 부품은 너무 비싸서 사용하지 않습니다." 그러나 제너레이티브 설계와 기존 최적화의 아이디어를 사용하면 "일주일 만에 부품을 리버스 엔지니어링할 수 있어 기존 제조 방법을 사용해서 만들 수 있습니다."

팀에서는 Claudius Peters의 주물 공장에서 Inventor와 FEM 분석을 통해 다른 제작 솔루션을 테스트했습니다. "주조 부품에서 레이저 절단 플레이트 및 용접 포함 솔루션으로 이동하기로 결정했습니다"라고 Nagel은 말합니다. "25% 더 가볍고 만드는 시간이 단축되며 비용 효율이 더 우수한 부품을 만들었습니다." 팀에서는 이송 부품 설계 옵션을 계속 연구하며 개선하고 비용을 더욱더 절감할 수 있는 추가 기회를 찾고 있습니다. "곧 양산할 수 있어야 합니다"라고 Nagel은 설명합니다. "올해 안에 전 세계 어딘가에서 부품이 사용될 것으로 기대합니다."

용접자가 제너레이티브 설계와 기존 설계의 아이디어 및 주물 공장의 입력을 바탕으로 리버스 엔지니어링한 새 이송 부품의 프로토타입을 제작합니다.

제너레이티브 설계의 이점 실현

CP에서 부품을 생성 방식으로 설계하면 회사에서 설치하는 각 클링커의 비용이 언젠가는 대폭 절약됩니다. 이송 부품의 무게가 약 20kg(44파운드) 감소하면 각 쿨러의 60개 이상 부품을 곱할 경우 부품당 €100(USD $113) 정도 절약될 것으로 회사에서는 예상합니다. 무게가 줄면 배송 비용도 감소합니다. "당사에서 개발한 첫 번째 프로토타입부터 제너레이티브 설계가 제품의 비용 개선 달성 및 당사의 경쟁력 향상에 도움이 될 것이라고 믿었습니다"라고 Nagel은 말합니다.

제너레이티브 설계를 통해 지속 가능성도 향상됩니다. "인도 또는 터키 주물 공장에서 주조된 더 무거운 부품에서 본사 작업장에서도 수행할 수 있는 용접 방식으로 설계한 더 가벼운 부품으로 이전할 수 있습니다"라고 Nagel은 말합니다. "당사의 재료, 에너지, 운송 시간 및 기타 환경에 미치는 부정적인 영향이 감소합니다."

Claudius Peters는 지금 제너레이티브 설계가 기존 부품 최적화 또는 새 부품 설계의 표준 프로세스가 되는 시점에 와 있습니다. "앞으로 최적화 및 재료 절감을 적용할 부품을 더 많이 파악할 작정입니다"라고 Nagel은 말합니다. "제너레이티브 설계가 동일한 긍정적인 이점을 가질지 부품을 하나씩 살펴볼 것입니다."

설계 엔지니어인 Maximilian Lerch는 부품을 생성 방식으로 설계하여 기존 제조 방법으로 제작할 수 있는 리버스 엔지니어링 버전을 연구하고 있습니다.

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