KR20020059622A - 삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제품의 개발을 좀더 효율적으로 하는 설계방법을 제공한다. 설계는 다음의 단계들; 삼차원 CAM 모델을 준비하는 제1단계 S11, 상기 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행하는 제2단계 S12, 만약 결함들이 존재한다면 상기 CAE 해석에 기초하여 상기 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제3단계 S14, 상기 삼차원 CAM 모델에 기초하여 형을 제작하는 제4단계 S17, 상기 형에 의해 실험제품을 제작하는 제5단계 S18, 상기 실험제품을 테스트하는 제6단계, 만약 결함들이 존재한다면 상기 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제7단계 S21, 결함들이 해결될 때까지 상기 제4단계 내지 제6단계를 반복하는 제8단계(S21, S16 내지 S20), 상기 제8단계에서 얻어진 삼차원 CAM 모델에 기초하여 도면들을 준비하는 제9단계를 포함하는 과정으로 수행된다.

Description

삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법{Design method of a product with three-dimensional model}

일반적으로 말하면, 제품에 대한 설계를 완료하기 위해서는 어떤 과정이 요구되는데, 이 과정에서는 이차원 도면들이 준비되고, 그 도면들에 의한 실험제품의 제작과 테스트가 그 실험제품의 결함들을 찾아내기 위해 수행되며, 보다 완숙되도록 도면들의 갱신이 뒤따르게 된다. 그러나, 실험의 반복은 많은 개발기간과 실험비용을 요구하기 때문에, 근년에는 CAE(Computer Aided Engineering)의 해석적 기술을 이용하여 개발기간을 단축하기 위해 노력하여 왔다.

종래 CAE 해석에 의한 제품 설계 순서는 다음과 같이 기술된다. 도 2는 종래 CAE 해석에 의한 제품 설계의 순서도를 나타내는 그림이다.

설계자는 이차원 배치 도면들 또는 CAD(Computer Aided Design) 시스템에 의한 삼차원 배치 모델을 준비한다(S100). 그 다음으로, 각 부품 또는 일부 부품에 대한 삼차원의 개략적 모델이 삼차원의 CAD 시스템으로 준비된다(S101). 그리고,그 개략적 모델에 대하여 응력해석 등과 같은 CAE 해석이 수행된다(S102).

CAE 해석의 결과, 만약 제품 강도의 부족과 같은 결함들이 발견된다면(S103), 배치도는 수정될 것이다(S104). 상세 치수들과 공정 지시들을 나타낸 이차원 도면들이 수정된 배치도에 따라 준비되고(S105), 그 이차원 도면들에 기초하여 실험제품이 제작된다. 알루미늄 합금 주조 부품의 경우, 실험 제작은 일반적으로 사형(sand mold)에 의해 수행된다. 사형의 실험제품은 다음의 단계들; 사형을 위한 수목형(male wooden mold)의 제작(S106), 암사형(female sand mold)의 제작(S107), 사형에 의한 주조 및 기계가공에 의한 제품의 마무리(S108)로 만들어진다.

실험제품은 요구되는 테스트들을 거치며(S109), 이차원 도면들은 그 테스트 결과를 반영하여 수정된다. 만약 사형의 실험제품이 기대되는 제품의 완숙도에 이르는 것으로 확신되지 않으면, 단계 S105 내지 S109, 즉 실험 제작으로부터 사형의 실험제품에 의한 테스트까지의 단계가 반복될 것이다.

만약 실험제품이 기대되는 제품의 완숙도를 만족할 것이라는 예상을 가지는 것으로 판단된다면, 금형(metal mold)에 의한 양산이 시작될 것이다.

금형 제작을 위해서, 삼차원 CAM 모델이 준비되고(S110), 그 삼차원 CAM 모델에 의해 형(mold)을 제작하기 위한 삼차원 금형 모델이 준비된다(S111). 금형은 삼차원 금형 모델 데이터에 의해 제작된다(S112). 양산 전에 테스트들이 그 금형에 의해 제작된 양산 보증 제품에 대해 수행되며(S113), 만약 결함들이 발견되면(S114), 이차원 도면들이 다시 수정되고(S115), 결함들이 사라질 때까지단계들(S115,S116,S111 내지 S114)을 반복하기 위해 삼차원 CAM 모델이 따라서 수정된다(S116). 만약 결함들이 발견되지 않는다면(S114), 양산 도면들이 양산을 시작하기 위해 준비될 것이다.

개략적 모델은 작은 리브들(ribs), 얇은 부분(thinning), 빼기구배들(draft angles) 및 필렛(fillets) 등을 삭제한 채, 개략적으로 제품의 최종 형상을 표현한다. 그것은 개략적 모델의 삼차원 모델이 형 제작을 위한 기계가공 데이터로 적용될 수 없다는 것을 의미한다. 개략적 모델이 종래 CAE 해석에 사용되었던 이유는, 그 것의 데이터가 형 제작의 기계가공 데이터로 적용될 가치가 있는 CAM 모델이 실제 개발에 있어서는 사용될 수 없었기 때문이다. CAM 모델을 메쉬들(meshes)로 나누는 것은 그 것의 데이터 크기와 미세함 때문에 극히 어려웠으며, 비록 메쉬의 분할이 성공적으로 수행되었다 하더라도 응력 계산 등을 수행하는데 너무 많은 시간이 소요되었다.

금형들은 사형들보다 훨씬 더 비싸며, 형 수정 이상을 요구하는 그러한 변경들이 늦게 발생할수록 그 것은 큰 낭비가 될 것이다. 그 것이 사형들이 알루미늄합금 주조 부품들에 사용되어 온 이유이다.

그러나, 전술한 CAE 해석에 의한 개발 순서는 다음과 같은 점에서 효율적이지 못하였다.

개략적 모델은, 때때로 사형의 실험제품에 있는 많은 예상치 못한 결함들을 완전히 없애줄 필렛들과 리브들에 의한 보강 효과를 점검할 수 없어서, 제품의 상세한 형상을 반영하지 못하였다. 그러므로, 사형 실험제품의 테스트는 지연되기 쉬웠으며, 테스트는 완성도에 의존하여 여러 번에 걸친 반복을 요구하였다.

사형에 의해 제작된 제품은 일반적으로 금형에 의해 제작된 제품보다 10% 더 무겁다. 그 것은 사형이 형상의 정확성에 있어서 금형보다 열등하고 압력에 견딜 수 없기 때문에 제품이 더 두껍게 만들어져야 한다는 사실에 기인한다. 그러므로, 사형의 제품은 금형의 제품보다 지나친 강도를 갖는 경향이 있다. 바꾸어 말하면, 제품의 강도는 금형에 의해 제품이 제작될 때 불충분해지기 쉽다. 예상치 못한 결함들이 양산 보증 단계에서 나타났고, 그 것은 금형의 수정 또는 재제작에 이르도록 하였으며, 개발기간과 비용의 증가를 야기하였다.

게다가, 사형의 실험제품은 이차원 도면들로 제작되었기 때문에, 목형의 제작은 다른 삼차원 CAM 모델이나 다른 접근기법들을 요구하였다. CAE에 대한 전문가가 개략적 모델에 의해 삼차원 CAE 모델을 만드는 데는 한 사람의 한달 노동력이 소요되었다.

위에서 기술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 삼차원 CAM 모델에 의해 제품 개발의 순서를 개선한 새로운 설계방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 삼차원 CAM(Computer Aided Manufacturing) 모델에 의한 제품의 설계방법과 관계되며, 그것은 제품개발과 관련된 근로시간(man-hours)을 줄일 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 삼차원 모델에 의한 제품 설계방법의 순서도를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 CAE 해석에 의한 제품 설계방법의 순서도를 나타내는 도면이다.

첨부된 청구항 1에 따라서 상기 문제점들을 해결하는 본 발명은, 삼차원 CAM 모델이 준비되고, 그 삼차원 CAM 모델에 대한 CAE 해석이 수행된 다음, 그 CAE 해석의 결과에 의해 제품의 도면들이 준비되는 삼차원 모델에 의한 제품설계 방법을 제공한다.

제품의 형상과 다소 다른 형상을 갖는 개략적 모델에 대해 CAE 해석을 수행하였던 종래 방법과 비교하여, 본 발명의 청구항 1에 따르면, CAE 해석은 제품 형상을 상세히 표현하는 CAE 모델에 대해 수행되며, 제품에 대한 도면들은 그 결과들에 기초하여 준비된다. 실험 제작 이전에 강도와 성능에 관련된 설계상의 오류들을 찾아내는 것이 가능하기 때문에, 좀 더 완숙된 설계를 달성할 수 있게 될 것이다. 그러므로, 실험 생산과 양산을 위한 도면들이 더욱 완숙될 것이며, 그것은 개발을 위한 테스트 기간 및 노동비용의 감축을 가져올 것이다.

삼차원 CAM 모델은 최종 제품의 형상을 표현하는 상세한 삼차원 모델이다. 또한, 첨부된 청구항들에 의한 제품의 도면들은 실험 생산이나 양산 단계와 관계없이 제품 개발의 다양한 단계에서 준비되는 모든 도면들을 포함한다.

첨부된 청구항 2에 의하면, 삼차원 CAM 모델을 준비하는 제1단계, 그 삼차원 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행하는 제2단계, 만약 결함이 존재한다면 그 CAE 해석에 기초하여 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제3단계, 삼차원 CAM 모델에 기초하여 실험제품을 제작하는 제4단계, 그 실험제품을 테스트하는 제5단계 및 그 테스트 결과들에 기초하여 도면들을 준비하는 제6단계를 포함하는 삼차원 모델에 의한 제품 설계 방법이 제공되어 있다.

첨부된 청구항 3에 의하면, 삼차원 CAM 모델을 준비하는 제1단계, 그 삼차원 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행하는 제2단계, 만약 결함들이 존재한다면 그 CAE 해석에 기초하여 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제3단계, 그 삼차원 CAM 모델에 기초하여 실험제품을 제작하는 제4단계, 그 실험제품을 테스트하는 제5단계, 만약 결함들이 존재한다면 그 테스트 결과들에 기초하여 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제6단계, 결함들이 해결될 때까지 제4단계 내지 제6단계를 반복하는 제7단계 및 제7단계에서 얻은 CAM 모델에 기초하여 도면들을 준비하는 제8단계를 포함하는 삼차원 모델에 의한 제품 설계 방법이 제공되어 있다.

이러한 방법에 있어서, CAE 해석은 삼차원 CAE 모델에 대해 수행되며, 그 삼차원 CAE 모델은 실험제품의 제작을 위한 데이터에 적용될 수 있기 때문에, CAE 해석을 위한 용도로 전용되는 개략적 모델은 요구되지 않는다. 삼차원 CAM 모델은 실험 제작의 초기에서부터 준비되기 때문에, 실험 제작에 삼차원 CAM 모델을 이용함으로써 제작의 맨아워가 줄어들 수 있으며, 또한 최종 양산 제품과 근사한 실험제품에 의해 테스트를 수행함으로써 테스트의 근로시간도 줄어든다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명될 것이다.

도 1은 삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법을 나타내는 순서도이다.

설계자는 이차원의 배치도들 또는 삼차원 CAD 시스템에 의한 삼차원 배치 모델을 준비한다(S10). 다음으로 설계자는 삼차원 CAD 시스템 속에서 각 부품들 또는 일부 부품들에 대한 삼차원 CAM 모델을 만들고(S11), 그 삼차원 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행한다.(S12). 삼차원 CAM 모델에 대한 응력 해석은 최근에 개발된삼차원 CAD 시스템 속에서 편리하게 수행된다. CAE 해석에 대한 전문가는 각 부품의 형상에 적절한 메쉬화된(meshed) 모델을 준비하고, 과정을 보여주면서 계산 및 검산을 수행하곤 하였다. 최근에는 삼차원 CAM 모델과 같은 복잡한 형상을 메쉬들로 나누는 것, 과정을 보여주는 계산 및 검산이 자동적으로 수행된다. 그러므로, 전문가가 반드시 요구되는 것은 아니며, 대신에 삼차원 CAM 모델에 대한 응력해석과 관련된 이러한 조작들을 설계자 혼자서도 할 수 있다.

만약 강도 부족과 같은 결함들이 발견된다면, CAE 해석의 결과에 의해 삼차원 모델이 수정되며, CAE 해석이 반복된다(S14). 만약 결함들이 해결되면, 삼차원 CAM 모델에 기초한 이차원 도면들이 준비된다(S15). 재질, 치수, 공차, 표면조도 및 제품의 허용기준들이 상세히 기재된 이차원 도면들은 실험 제작의 주문을 위한 자료로 사용된다.

이전에 준비된 삼차원 CAM 모델을 이용하여, 재질의 수축률과 가공여유를 반영하는 삼차원 모델이 실험제품의 제작을 위한 데이터로 준비된다(S16). 사형과 같은 실험형은 그 삼차원 모델에 기초하여 생산되며(S17), 실험제품은 그 형에 의해 제작된다.

실험형은 사형으로 제한되지 않으며, 석고형 또는 금형이 사형을 대체할 수 있다. 제품이 복잡하지 않고 실험제품에 의해 강도가 입증될 수 있는 정도까지 CAE 해석에 의해 그 강도의 예상을 얻을 수 있을 때는, 양산에 이용 가능한 금형이 더 바람직하다. 금형을 사용하는 것이 CAM 모델에 의한CAE 해석에 의해 발생되는 대부분의 이득을 주며, 따라서 개발 기간의 괄목할만한 단축을 이룰 수 있다.

다음으로, 요구되는 제품 테스트들이 실험제품에 대해 수행되고(S19), 그 실험제품의 결함들이 조사된다. 만약 어떤 결함들이 발견되면(S20), 삼차원 CAM 모델은 수정되고, 또한 이차원 도면들과 삼차원 모델도 수정되며, 새로운 실험제품을 다시 만들고 테스트하기 위한 단계들(S21, S15 내지 S20)이 반복된다. 만약 CAE 해석에 의한 또 다른 검사가 필요하다고 생각된다면, CAE 해석에 의해 검사하고, 이차원 도면들과 삼차원 모델의 수정하며, 실험제품을 제작하는 단계들(S21, S12 내지 S20)이 반복될 수도 있다. 만약 선행하는 테스트 결과에 기초하여 설계가 완숙되었다고 판단된다면, 두 번째 또는 연속되는 실험에서 금형에 의한 실험이 수행될 것이다. 만약 실험제품의 모든 결함들이 해결되고, 삼차원 CAM 모델에 기초하여 첨부된 청구항들에 따라 양산용 도면들이 준비된다면, 개발은 완료한다(S22).

위의 단계들은 제품의 설계를 완성시킬 것이다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래 기술분야에서 요구되었던 개략적 삼차원 모델에 기초한 삼차원 CAE 모델은 삭제될 수 있다. 종래 기술분야의 개략적 삼차원 모델의 단계는 본 발명의 삼차원 CAM 모델 단계로 대체되고, 삼차원 CAM 모델은 종래 기술분야에서도 역시 금형 제작을 위해 요구되었기 때문에, 그 것은 단계들의 감축에 이르도록 한다.

제품의 형상이 상세히 모형으로 만들어지지 않았던 삼차원 개략적 모델에 의한 CAE 해석에 있어서, 설계자는 리브들과 패드들(pads)의 형상에 대해 직관과 경험에 의존하였다. 본 발명에 의한 방법에 의하면, 설계자는 상세한 형상이 모형으로 만들어진 삼차원 CAM 모델에 대해 CAE 해석을 수행하기 때문에, 최적의 형상을설계할 수 있다. 그러므로, 과도한 패딩(padding)은 더 이상 요구되지 않으며, 그 것은 무게의 감축과 이에 따른 제품의 가격의 감축을 가져올 것이다.

게다가, 삼차원 CAM 모델에 의해 만들어진 실험제품은, 비록 사형에 의해 생산되더라도, 금형의 제품에 근접할 것이다. 따라서 금형의 제품에 대한 검사의 횟수는, 실험제품과 금형제품의 차이가 작기 때문에, 대략 한 번으로 줄어들 것이다. 그러므로, 그 것은 금형제품을 검사하는 동안의 예상치 못했던 결함들에 기인한 개발의 지연을 방지할 것이다.

본 발명은 위에서 언급된 특별 실시예에 한정되지 않으며, 다양하게 변형된 형태로 실시될 수 있다는 것을 선행하는 서술로부터 이해할 수 있을 것이다.

예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 위의 서술에서 CAE 해석으로서 응력해석을 언급하였다 할 지라도, 그 것은 응력해석에 한정되지 않고, 제조하고 있는 제품의 성능을 조사하기 위해 필요한 입구유동 해석(port flow analysis), 열전도 해석(thermal conduction analysis) 및 연소 해석(combustion analysis)과 같은 모든 CAE 해석이 적용 가능하다.

본 발명에 따른 제품의 설계 방법은, 첨부된 청구항들에 포함되는 단계들인 한, 다른 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, CAM 모델 수정후의 CAE 해석의 단계는 제품의 형상이 상당히 완숙된 수준에 이를 때까지 CAE 해석의 결과에 의존하여 반복될 수 있다.

게다가, 본 발명은 실험 생산과 양산에 형들을 적용하는 제품 설계방법의 위에서 언급된 특별 실시예에 한정되지 않으며, 일반적인 제품들에 대해 다양하게 변형된 형태로 수행될 수 있다. 삼차원 CAM 모델에 의한 삼차원 CAE 해석은 상세히 제품의 성능을 제공하기 때문에, 상당히 완숙된 실험제품을 제작하는 것이 가능할 것이다. 그러므로, 실험제품의 테스트와 실험의 반복은 줄어들며, 그 것은 개발 맨아워의 단축을 가져올 것이다. 특히, 삼차원 CAM 모델이 데이터가 실험 생산과 양산 상태에서 이용될 수 있을 때, 생산 공정의 효율이 역시 향상될 수 있기 때문에, 개발 맨아워를 현저하게 단축할 수 있을 것이다. 이러한 일예로서, 합성수지 부품들의 개발이 있는데, 여기에서는 삼차원 CAM 모델로부터 얻어지는 NC 가공 데이터가 양산에 이용되는 실험 및 금형에 이용된다. 본 발명은 전술한 바와 같이 실험 생산과 양산에 형들을 적용하는 제품, 특히 실험제작에 사형을 적용하는 제품에 대해 중대한 효과를 준다.

본 발명은 종래 이차원 도면을 준비한 후 삼차원 개략적 모델에 의한 계산의 과정을 필요 없도록 하며, 제품 설계의 기간 및 맨아워 뿐만 아니라 제품 설계의 비용도 줄여줄 것이다.

종래 기술에서는, 사형의 실험제품이 이차원 도면들에 의해 제작되었으며, 그 이차원 도면들은 삼차원 개략적 모델에 대한 삼차원 CAE 해석의 결과에 의해 수정되었다. 본 발명은 삼차원 CAM 모델에 의한 CAE 해석의 결과에 기초하여 실험 제작하는 것을 가능하게 하며, 그 것에 의해 사형에 의한 실험의 완숙도가 향상되고 실험제품을 테스트하는 시간이 단축된다.

게다가, 본 발명은 리브 형상과 패딩을 CAE 해석에 의하여 개량하는 것을 가능하게 하는데, 그 것은 종래 기술에서는 직관과 경험에 의해 다루어져야할 많은 것을 남겨 놓고 있었다. 그러므로, 그것은 최적 형상을 설계하는 것을 가능하게 할 것이며, 그 때문에 저 중량의 제품 및 비용의 절감을 가능하게 할 것이다.

본 발명에서는 최초 설계가 상세한 형상이 반영된 CAE 해석에 의해 높은 완숙도에 도달하기 때문에, 제품에 따라서는 금형이 초기 실험 생산에서 도입될 수 있다. 그러므로, 그 것은 실험 생산에 대한 좀 더 정확하고 상세한 테스트 결과들을 얻을 수 있을 것이며, 그 때문에 개발 기간과 비용을 줄일 것이다.

Claims (3)

1. 삼차원 CAM 모델이 준비되고, 상기 삼차원 CAM 모델에 대한 CAE 해석이 수행된 다음, 상기 CAE 해석의 결과에 의해 제품의 도면들이 준비되는 삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법.
2. (1) 삼차원 CAM 모델을 준비하는 제1단계,

   (2) 상기 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행하는 제2단계,

   (3) 만약 결함들이 존재한다면 상기 CAE 해석에 기초하여 상기 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제3단계,

   (4) 상기 삼차원 CAM 모델에 기초하여 실험제품을 제작하는 제4단계,

   (5) 상기 실험제품을 테스트하는 제5단계,

   (6) 상기 테스트의 결과에 기초하여 도면들을 준비하는 제5단계를 포함하는 삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법.
3. (1) 삼차원 CAM 모델을 준비하는 제1단계,

   (2) 상기 CAM 모델에 대한 CAE 해석을 수행하는 제2단계,

   (3) 만약 결함들이 존재한다면 상기 CAE 해석에 기초하여 상기 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제3단계,

   (4) 상기 삼차원 CAM 모델에 기초하여 실험제품을 제작하는 제4단계,

   (5) 상기 실험제품을 테스트하는 제5단계,

   (6) 만약 결함들이 존재한다면 상기 테스트의 결과에 기초하여 상기 삼차원 CAM 모델을 수정하는 제6단계,

   (7) 결함들이 해결될 때까지 상기 제4단계 내지 제6단계를 반복하는 제7단계,

   (8) 상기 제7단계에서 얻어진 삼차원 CAM 모델에 기초하여 도면들을 준비하는 제8단계를 포함하는 삼차원 모델에 의한 제품의 설계방법.