고성능 컴퓨팅 기반 디지털매뉴팩처링 교과목의 산·학·연 협력 운영에 관한 사례연구 A Case Study on High-Performance-Computing-based Digital Manufacturing Course with Industry-University-Research Institute Collaboration원문보기
제품 및 설비의 3차원 디지털 모델을 기반으로 제품 생산 시 이루어지는 모든 공정 및 제품을 구성하는 재료의 기계적 거동 등을 초기 설계 과정에서 미리 시뮬레이션 해봄으로써 저비용으로 보다 신속하고 신뢰성 있는 설계를 할 수 있도록 돕는 일련의 기술들을 디지털매뉴팩처링 기술이라 부른다. 그러나 이 기술들을 수행할 수 있는 전산적 인프라스트럭처의 가격이 매우 높을 뿐만 아니라, 특히 중소 제조 기업규모에서는 그러한 시뮬레이션 결과를 정확하고도 효율적으로 설계에 적용할 수 있는 전문 인력이 절대적으로 부족한 실정이다. 이러한 점을 고려하여 한국과학기술정보연구원(KISTI), H대학교 그리고 지역 중소기업체 등이 협력하여 고성능 컴퓨팅 기반 디지털 제조 전문 인력 양성을 위한 산학연 협동 디지털매뉴팩처링(DM) 트랙을 H대학교에 설치하여 운영 중이다. 본 논문에서는 이 과정을 이수하는 학생들이 졸업 후에 산업체에서 디지털매뉴팩처링 실무에 바로 투입되어 일할 수 있는 일련의 교육 과정 사례를 보여준다. 2013년부터 2년간 진행했던 디지털매뉴팩처링 트랙 강의의 운영 사례를 수록하되, 설립 과정, 강의 내용, 실습 내용, 학생들의 평가 및 개선 방향 등을 정리하였다. 전반적으로 트랙 운영, 교과목 운영, 학생들의 학습 성취도 면에서는 성공적이었으며, 향후 보다 많은 학생들의 활발한 참여와 더불어 취업이나 인턴십 제공, 캡스톤디자인프로젝트의 협동 운영 등을 포함한 참여 기업의 보다 적극적인 관심을 촉진하여, 전국적인 디지털매뉴팩처링 인력 양성 네트워크로 확대해 나갈 수 있을 것으로 보인다.
제품 및 설비의 3차원 디지털 모델을 기반으로 제품 생산 시 이루어지는 모든 공정 및 제품을 구성하는 재료의 기계적 거동 등을 초기 설계 과정에서 미리 시뮬레이션 해봄으로써 저비용으로 보다 신속하고 신뢰성 있는 설계를 할 수 있도록 돕는 일련의 기술들을 디지털매뉴팩처링 기술이라 부른다. 그러나 이 기술들을 수행할 수 있는 전산적 인프라스트럭처의 가격이 매우 높을 뿐만 아니라, 특히 중소 제조 기업규모에서는 그러한 시뮬레이션 결과를 정확하고도 효율적으로 설계에 적용할 수 있는 전문 인력이 절대적으로 부족한 실정이다. 이러한 점을 고려하여 한국과학기술정보연구원(KISTI), H대학교 그리고 지역 중소기업체 등이 협력하여 고성능 컴퓨팅 기반 디지털 제조 전문 인력 양성을 위한 산학연 협동 디지털매뉴팩처링(DM) 트랙을 H대학교에 설치하여 운영 중이다. 본 논문에서는 이 과정을 이수하는 학생들이 졸업 후에 산업체에서 디지털매뉴팩처링 실무에 바로 투입되어 일할 수 있는 일련의 교육 과정 사례를 보여준다. 2013년부터 2년간 진행했던 디지털매뉴팩처링 트랙 강의의 운영 사례를 수록하되, 설립 과정, 강의 내용, 실습 내용, 학생들의 평가 및 개선 방향 등을 정리하였다. 전반적으로 트랙 운영, 교과목 운영, 학생들의 학습 성취도 면에서는 성공적이었으며, 향후 보다 많은 학생들의 활발한 참여와 더불어 취업이나 인턴십 제공, 캡스톤디자인프로젝트의 협동 운영 등을 포함한 참여 기업의 보다 적극적인 관심을 촉진하여, 전국적인 디지털매뉴팩처링 인력 양성 네트워크로 확대해 나갈 수 있을 것으로 보인다.
Digital manufacturing (DM) technology helps engineers design products promptly and reliably at low production cost by simulating a manufacturing process and the material behavior of a product in use, based on three-dimensional digital modeling. The computing infrastructure for digital manufacturing,...
Digital manufacturing (DM) technology helps engineers design products promptly and reliably at low production cost by simulating a manufacturing process and the material behavior of a product in use, based on three-dimensional digital modeling. The computing infrastructure for digital manufacturing, however, is usually expensive and, at present, the number of professional design engineers who can take advantage of this technology to a product design accurately is insufficient, particularly in small and medium manufacturing companies. Considering this, the Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI) and H University is operating a DM track in the form of Industry-University-Research Institute collaboration to train high-performance-computing-based DM professionals. In this paper, a series of courses to train students to work directly into DM practice in industry after graduation is reported. The operating cases of the DM track for two years since 2013 are presented by focusing on the progress in establishment, lecture and practice contents, evaluation of students, and course quality improvement. Overall, the track management, curriculum management, learning achievement of students have been successful. By expediting more active participation of the students in the track and providing more internship and job offers in the participating companies in addition to collaborative capstone design projects, the track can be expanded by fostering a nationwide training network.
Digital manufacturing (DM) technology helps engineers design products promptly and reliably at low production cost by simulating a manufacturing process and the material behavior of a product in use, based on three-dimensional digital modeling. The computing infrastructure for digital manufacturing, however, is usually expensive and, at present, the number of professional design engineers who can take advantage of this technology to a product design accurately is insufficient, particularly in small and medium manufacturing companies. Considering this, the Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI) and H University is operating a DM track in the form of Industry-University-Research Institute collaboration to train high-performance-computing-based DM professionals. In this paper, a series of courses to train students to work directly into DM practice in industry after graduation is reported. The operating cases of the DM track for two years since 2013 are presented by focusing on the progress in establishment, lecture and practice contents, evaluation of students, and course quality improvement. Overall, the track management, curriculum management, learning achievement of students have been successful. By expediting more active participation of the students in the track and providing more internship and job offers in the participating companies in addition to collaborative capstone design projects, the track can be expanded by fostering a nationwide training network.
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문제 정의
DP1의 학습 목표는 Table 2에 나타내었다. 3차원 CAD 모델링의 기초를 습득할 것을 목표로 한다.
DM2의 학습 목표는 Table 5에 나타내었다. ANSYS 를 활용하여 주로 비선형 구조 및 열 해석을 수행하기 위한 기본 내용을 배우고 실무를 익히는 것을 목표로 한다.
DM1의 학습 목표는 Table 4에 나타내었다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 활용하여 주로 선형 해석을 수행하기 위한 기본 내용을 배우고 실무를 익히는 것을 목표로 한다.
1과 같은 프레임워크 하에 2013년도부터 한국과학기술정보연구원(KISTI)과 H대학교는 고성능 컴퓨팅 기반 디지털 제조 전문 인력 양성을 위한 산학연 협동 트랙형 교육과정(축약하여 디지털 매뉴팩처링 트랙)을 H대학교에 신설하고, 학생들이 본과정을 이수하고 나면, 트랙 참여 기업이나 다른 기업 등에서 바로 디지털매뉴팩처링을 활용한 제품 설계 전문인력으로서 일할 수 있는 실무 능력을 갖추도록 교육하고 있다. 아직은 초기 단계이지만, 본 논문에서는 2013년부터 2년간 진행했던 디지털매뉴팩처링 트랙 강의의 운영 사례를 소개하되, 설립 과정, 강의 내용, 실습 내용, 학생들의 평가 및 개선 방향 등을 정리함으로써 향후 본과정을 전국으로 확대하는데, 기초적인 자료로 제공하고자 한다.
DP2의 학습 목표는 Table 3에 나타내었다. 표면 기반 (surface-based), 하향식(top-down) 프로토타이핑 등, 3차원 CAD 모델링의 좀 더 진보된 내용을 습득할 것을 목표로 한다.
제안 방법
또한 ANSYS Mechanical에 대한 내용을 다룸으로써 해석에 대한 전반적인 내용과 흐름을 이해할 수 있도록 수업을 진행하였다. DM1도 DP1에서와 마찬가지로 강의 및 실습을 마친 후 마지막 시간에 실습 평가를 수행하였다. Fig.
DP1과 마찬가지로 이론 및 사례 연구, 슈퍼컴퓨팅 이론 및 실무의 진보된 토픽을 다룬 후, 하향식 어셈블리 모델링, 멀티바디 솔리드, 스위프(sweep)와 로프트(loft), 곡면 이해와 개요, 솔리드-곡면 하이브리드 모델링, 판금 플랜지 방법, 용접구조물, 코어(core)와 구멍(cavity), 다중 분할 방향 등을 학습한다.
강의 및 실습을 마친 후 마지막 시간에 실습 평가를 수행하였다. 디지털매뉴팩처링 코어 과목들의 평가를 위 한 시험 문제는 강사의 주관적인 판단에 따라 평가의 객 관성을 잃지 않도록 가능한 한 정형적인 문제들로 출제 하였다.
또한 요소망 생성에 대한 내용은 기본적인 설정 방법과 개념 위주로 수업을 진행하였으며, ANSYS Mechanical 에 대한 내용은 기본적인 내용이기 때문에 가장 많은 설명과 실습 시간을 할당 하였다. 그리고 구조해석에서 가장 많이 다루는 열전달해석, 모달 해석, 그리고, 열-구조 연성 해석을 이해하고 실습을 하게 함으로써 실제 문제에 대한 내용과 흐름을 숙지할 수 있도록 수업을 진행하였다. Q2 항목 즉, 3차원 유한요소모델 성성 및 수정에 관한 방법 숙지 면에서는 오히려 2014년도에 성취도가 약간 떨어졌지만 우려 할만한 수준은 아닌 것으로 판단된다.
디지털매뉴팩처링(이하 DM) 트랙을 이수하려면, 코어과목인 디지털프로토타이핑 I, II(이하 DP1 및 DP2), 디지털매뉴팩처링 I, II(이하 DM1 및 DM2) 뿐만 아니라, H대학교 기계공학과의 전공 교과목 중 DM 관련 과목들을 필수 또는 선택으로 이수하도록 규정하였다.(Table 1)
DM1에서는 주로 유한요소해석을 위한 모델링(Design Modeler)의 내용과 요소 생성(ANSYS Meshing)을 다루 었다. 또한 ANSYS Mechanical에 대한 내용을 다룸으로써 해석에 대한 전반적인 내용과 흐름을 이해할 수 있도록 수업을 진행하였다. DM1도 DP1에서와 마찬가지로 강의 및 실습을 마친 후 마지막 시간에 실습 평가를 수행하였다.
직접 평가및 설문 평가 결과를 통하여 Q6 항목에 서 나타낸 조화 구조(harmonic) 해석, 그리고 Q7 항목에서 나타낸 비선형 정상(steady-state) 열 해석의 난이도가 높았던 것으로 판단되어 2014년도에는 조화 구조 해석을 제외하고, 또한 비선형을 제외한 선형(linear) 정상 열 해석을 다루도록 하였으며, 유한요소해석을 위한 모델링의 내용을 Design Modeler 실습 위주로 많은 학생들에게 많은 시간을 주면서 강의를 진행하였다. 또한 요소망 생성에 대한 내용은 기본적인 설정 방법과 개념 위주로 수업을 진행하였으며, ANSYS Mechanical 에 대한 내용은 기본적인 내용이기 때문에 가장 많은 설명과 실습 시간을 할당 하였다. 그리고 구조해석에서 가장 많이 다루는 열전달해석, 모달 해석, 그리고, 열-구조 연성 해석을 이해하고 실습을 하게 함으로써 실제 문제에 대한 내용과 흐름을 숙지할 수 있도록 수업을 진행하였다.
교과 과정을 운영하면서 실무적 흥미를 유발하여 학습동기를 제고할 수 있는 방안을 지속적으로 모색할 필요가 있다. 주요 학습 내용으로 Workbench 와 DesignModeler의 개요, 모델링의 기초, 기하적 형상의 단순화 및 보수(repair), CAD 연계, 매개화(parameterization), 보와 셸 요소, 요소망 생성 (meshing), 전처리 일반, 정적 구조 해석, 모델링 연계, 원격 경계 조건, 다단계 해석, 진동 해석, 열 해석, 결과및 후처리, CAD 및 매개변수 등을 다루고, 마지막 주에 평가를 수행한다.
첫째 주의 DM2 이론에서는 재료 비선형 등에 대한보다 진보된 이론을 배우며, 둘째 주의 사례 연구에서는 DM1과 마찬가지로 산업체 현장에서 적용되고 있는 디지털매뉴팩처링 실무를 소개한다. 주요 학습 내용으로, 비선형 개요, 비선형 해석 과정 일반, 접촉 개요, 금속 소성, 안정화(stabilization), 비선형 진단, 인터페이스 처리, MAPDL을 이용하여 진보된 접촉 기능 접근, 등을 다루고 마지막 주에 평가를 수행한다.
주요 학습 내용으로서는 SOLIDWORKS 기초 및 사용자 인터페이스, 스케치 및 기초 파트 모델링, 주조 모델링 및 회전 피처, 편집 설계 변경/설정, 도면 사용, 상향식(bottom-up) 어셈블리 모델링, 어셈블리 사용, 템플릿 등을 다루며, 매 주 강의와 함께 적절한 실습을 진행한다. 첫째 주에는 3차원 CAD에 대한 기초적 이론을 배우며, 둘째 주의 사례 연구에서는 산업체 현장에서 적용 되고 있는 디지털프로토타이핑 실무를 소개한다.
7에 나타내었다. 직접 평가및 설문 평가 결과를 통하여 Q6 항목에 서 나타낸 조화 구조(harmonic) 해석, 그리고 Q7 항목에서 나타낸 비선형 정상(steady-state) 열 해석의 난이도가 높았던 것으로 판단되어 2014년도에는 조화 구조 해석을 제외하고, 또한 비선형을 제외한 선형(linear) 정상 열 해석을 다루도록 하였으며, 유한요소해석을 위한 모델링의 내용을 Design Modeler 실습 위주로 많은 학생들에게 많은 시간을 주면서 강의를 진행하였다. 또한 요소망 생성에 대한 내용은 기본적인 설정 방법과 개념 위주로 수업을 진행하였으며, ANSYS Mechanical 에 대한 내용은 기본적인 내용이기 때문에 가장 많은 설명과 실습 시간을 할당 하였다.
이는 접촉, 재료 비선형 등, 학부 수준의 학생들로서는 이해가 수월치 않은 내용을 다루었기 때문이기도 하다. 학생들의 설문 응답 중에는 배운 내용에 대한 실무적 적용이 부족하다고 지적한 면도 있어, 차기 강의에는 재료 및 기하 비선형에 대한 사례를 좀 더 보여주고, 기본적인 접촉 정의를 통한 실무 적용을 추가로 포함시켰다. DM 트랙의 필수 과목인 응용재료역학에서는 소재의 항복(yield) 등 재료의 비선형에 대한 기초 내용도 포함하고 있으므로, 차후 학생들이 3학년 1학기에 설강되는 이 과목을 먼저 수강한 후 DM2를 수강하도록 적극지도하는 것이 바람직하다.
대상 데이터
디지털매뉴팩처링을 활용한 중소 제조 기업에서의 설계 인력 양성 프로그램의 일환으로 2013년부터 2년간 KISTI와 H대학교가 함께 진행한 디지털매뉴팩처링 트랙의 운영 사례를 소개하였다. 이 기간 중 다음과 같은 점을 관찰하였다.
성능/효과
(1) 전체적인 직, 간접 평가에 의하면 수업에 대한 학생 들의 학습 성취도 및 만족도는 높은 것으로 보인다.
(2) 2013년도 여름학기의 DP1과목에는 20명의 학생이 수강하여 겨울학기의 DP2과목 수강생이 12명으로 줄어들었는데, 이는 포기한 학생들이 겨울 방학 중 일정 선택의 우선순위에서 본 트랙 과목에 대한 이수를 고려하지 않은 것으로 보아 포기한 학생들의 트랙 참여에 대한 참여 동기가 높지는 않은 것으로 판단되었다. 그러나 겨울 학기의 좀 더 진보된 수업 (DP2 및 DM2)까지 수강하는 학생들은 동기 의식과학업 성취도가 매우 우수하였다.
2014년에는 2013년도의 학생 응답 및 강사의 수업 진행 경험을 고려하여 수업을 재설계하여 진행하였다. 그 결과 시험(100)-출석(20)-포트폴리오(10) 로 평가하여 130점 만점에 평균 90.3(약 69.2%)을 기록하며, 비교적 만족할만한 학습 성과 성취도를 보였다.
2에 2013년도 여름학기에 주어진 실습 시 험 문제 중 한 개를 수록하였다. 성적은 출석(20)-중간시 험(40)-최종시험(40)의 배분으로 평가하였으며, 평균 성 적이 100점 만점에 79.9점으로 전체적으로 고른 성적분 포를 보였으므로 수업 내용을 충분히 습득한 것으로 판 단된다. 2014년도에는 출석(20)-과제(20)-시험(60)으로 평가(평가 내용은 전년도의 내용과 유사)하여 평균 성적 이 100점 만점에 81.
후속연구
(5) 전반적으로 트랙 및 교과목 운영, 학생들의 학습 성취도 면에서는 성공적이라 할 수 있으므로, 실무형 캡스톤디자인프로젝트의 협동 운영, 현장실습, 인턴십 및 취업 기회 제공, 등 참여 기업의 보다 적극적이고 다양한 참여를 촉진함으로써 현재는 파이로트 성격의 DM 트랙 운영을, KISTI에서 조성한 과학기술정보협의회 (ASTI) 및 지역 산업체, 그리고 지방 거점 대학과 연계하여 Fig. 10에 나타낸 바와 같은 초고성능 컴퓨팅 기반 디지털매뉴팩처링 인력 양성 사업으로 확대할 수 있을 것으로 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디지털 프로토타이핑이란?
디지털 프로토타이핑(digital prototyping)은 제품 수명주기에 있어서 기존의 설계도 및 시작품 방식이 아닌 3차원 모델링 방식으로 디지털 정의하는 것을 말한다. 이를 위해 DP1에서는 형상 모델링의 기초와 피처 (feature) 기반 파라메트릭(parametric) 모델링을 익힌다.
디지털매뉴팩처링의 원리는?
디지털매뉴팩처링(DM)은 제품 및 장치의 3차원 디지털 프로토타입을 기반으로, 제품 생산시 이루어지는 제조공정 및 작동과정을 모델링하고 시뮬레이션하여 분석해 봄으로서 설계 단계에서 성능 및 품질 정보를 확보하여, 보다 신뢰성 있는 설계를 신속하게 저비용으로 할 수있도록 돕는 기술이다. DM1에서는 DM의 필수기술에 해당하는 3차원 형상모델링 및 유한요소해석의 기초를 배우고 실습을 통해 실무기술을 익힌다.
디지털매뉴팩처링 기술들의 한계는?
제품 및 설비의 3차원 디지털 모델을 기반으로 제품 생산 시 이루어지는 모든 공정 및 제품을 구성하는 재료의 기계적 거동 등을 초기 설계 과정에서 미리 시뮬레이션 해봄으로써 저비용으로 보다 신속하고 신뢰성 있는 설계를 할 수 있도록 돕는 일련의 기술들을 디지털매뉴팩처링 기술이라 부른다. 그러나 이 기술들을 수행할 수 있는 전산적 인프라스트럭처의 가격이 매우 높을 뿐만 아니라, 특히 중소 제조 기업규모에서는 그러한 시뮬레이션 결과를 정확하고도 효율적으로 설계에 적용할 수 있는 전문 인력이 절대적으로 부족한 실정이다. 이러한 점을 고려하여 한국과학기술정보연구원(KISTI), H대학교 그리고 지역 중소기업체 등이 협력하여 고성능 컴퓨팅 기반 디지털 제조 전문 인력 양성을 위한 산학연 협동 디지털매뉴팩처링(DM) 트랙을 H대학교에 설치하여 운영 중이다.
참고문헌 (6)
Small and Medium Business Administration, "Productivity Improvement Scheme of Small and Medium Business to Realize a Creative Economy", Press Release, June 12, 2013.
G. Chryssolouris, D. Mavrikios, N. Papakostas, D. Mourtzis, G. Michalos, "Digital manufacturing: history, perspectives, and outlook", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, Vol. 223 No. 5, pp. 451-462, May, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1243/09544054JEM1241
Daily Industry, "A New Wave of Manufacturing: Digital Manufacturing", News Article, [cited 2015 March 30], Available from: http://www.kidd.co.kr/news/179175. (accessed December 24, 2015)
J. S. Kim, S. M. Lee, M. I. Kim, J. G. Jang, "Economic Value Analysis of Supercomputing Service for Small and Medium-sized Businesses", IE interfaces, Vol. 23, No. 4, pp. 319-326, December, 2010.
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