기술혁신세미나기말 Reasearc Proposal 기술경영학협동과정석사1학기오신호 1. 서론 1.1 연구의배경및필요성 세계의자동차시장은글로벌경영체제에서완전히개방되어있으며, 자동차완성업체는고품질, 저가격의자동차생산을위한치열한경쟁이이루어지고있다. 또한환경및안전규제가세계적으로심화하고있는실정이다. S. Thomke(2010) 는 1990년대자동차산업을통해더많은선택을원하고비용을지불하는것에대해인색해지는고객중심으로의이동하는 fundamental change가일어났다고주장하였다. 이러한외적경쟁압력을이겨내기위해서완성업체들은글로벌경영환경에민첩하게대응하고자사의경쟁력제고를위해노력해야하며, 특히연구개발분야에역량을집중해야한다. 즉, 기업의외부환경을보면동종업체간무한경쟁, 기술격차및진입장벽의축소, 안전및환경규제등여러가지요인으로인해생존차원의경쟁이가열되고있다. 따라서기업의내부환경은신제품에대한사업의조기구축이필요하게되었으며, 기술발전에따른완벽한품질확보와대량생산을위한생산성확보가강조되고있다. 그리고시장진입격차의확대를위해적기시장대응 (Time to market) 과개발단계에서의품질확보, 고객대응솔루션및조기대량양산체제가기업의핵심역량으로부각되고있다. 따라서기업의경영환경을둘러싼경쟁압력에서기업들은경영환경을인지하고연구개발의효율향상을위해노력을기울이고있다. 소비자의니즈충족을위한적시시장대응 (Time to market) 은중요한요소중하나이며, 원가생산성, 품질등다른요소들또한연구개발프로세스에서수반되는필요요소이다. 개발프로세스에서적기시장대응력, 원가, 생산성, 품질을향상시키기위해서는개발속도가빨라야하며개발과정에서실수가적게발생되어야한다. 개발기간을단축하기위해서는과거의설계프로세스를보완해야하며, 기존에축적된설계자료와데이터들의전산화가필요하다. 즉, 연구개발및개발관리에서컴퓨터화는필수적이며, 이때 CAD/CAM/CAE/CAS와같은시뮬레이션기술은없어서는안되는툴 (tool) 로자리를잡고있으면서개발을지원하는다양한컴퓨터기술이발전되어있다. 또한, 도입된시뮬레이션기술을통하여공학적설계와정보교류에서중요한역할을하고있다. 이과정을통해재래의제품개발방식을컴퓨터를이용 1
하여체계적으로정리할수있으며, 데이터저장, 분석, 조회를할수있다. 1.2 연구의목적 자동차완성업체는컴퓨터기술을활용한신개념의자동차개발시스템을구축함으로써수요자의다양한요구에신속하고융통성있게대처할수있게되었다. 또한, 기술을통해최근에활발히추진되고있는 Concurrent Engineering ( 동시공학적 ) 개념을통해기획, 개념설계, 상세설계, 도면작성, 생산, 조립, 판매등일련의제품개발과정이기존의직력개념에서병력개념으로최적화되어개발기간의단축에혁신적으로기여하고있다. 따라서자동차완성업체가컴퓨터기술을도입함으로써제품개발프로세스에서어떠한경제적이익을얻을수있었는지에대해기존문헌연구를통해알아보고자한다. 또한, 경제적이익외적으로어떠한효익을얻을수있는지에대해알아보고자한다. 본연구는총 3 장으로구성되어있으며그내용을살펴보면다음과같다. 제 1장은본연구의배경과목적을기술하여연구의방향을명확히하고자하였다. 제 2장은자동차완성업체의제품개발프로세스에대해정의하고컴퓨터 ( 디지털 ) 시뮬레이션기술의종류와활용에대해설명하고자한다. 제 3장은기존문헌을통해컴퓨터시뮬레이션기술이제품개발프로세스에활용됨으로써얻게되는이익에대해알아보고자한다. 제 4장은자동차완성업체의컴퓨터시뮬레이션시스템구축사례를실사용측면에서확인하여컴퓨터기술활용의중요성을다시한번확인하였다. 2. 이론적배경 2.1 제개발프로세스 제품개발프로세스는새로운제품 / 서비스를상업화하기위한일련의과정을의미하며, 제품디자인정보를창조하기위한기업적활동을말한다. 또한, 프로세스디자인과생산프로세스를확립하기위한준비단계를포함하고있다. 따라서외부경쟁압력에서제품개발프로세스를얼마나혁신적으로수행하는것은기업의중요한차원으로존재한다. 2.1.1 전통적제품개발프로세스 전통적제품개발프로세스는한공정이끝나면다음공정으로이어지는형식으로문제 2
해결과정에서여러문제점을발생시킨다. 첫째, 제품의설계비용은원가의 5% 에불과하지만제조원가의 70% 를결정할정도로제품의초기설계과정은매우중요하다 (LG경제연구소 ). 따라서제품의설계개선이이루어지지않은상태에서의제품개발이진행된다면더많은손실를발생시킨다. 둘째, 제품개발과정에서설계과정은제품을개발하기위한초기단계로써설계의역할이혁신적으로발전해야제조, 판매부문에이르기까지기업의경쟁력을강화할수있다. 전통적제품개발프로세스는일련의과정에서순차적으로제품개발이진행됨으로써유기적인정보공유나문제해결이용이치않는부분이존재한다. [ 표1] [ 표 1] 전통적인제품개발프로세스 2.1.2 동시공학적제품개발프로세스 전통적인제품개발프로세스에서의시계열적분업에서동시병행적인협조작업으로변경함을말하며개발과정의단계마다기획, 원가, 설계, 생산, 판매등에대해동시적으로검토가이루어지며즉시결론을내릴수있는방법이다. 따라서동시공학적환경에서제품개발과정이용이하며, 컴퓨터시뮬레이션및정보기술의발전으로데이터의상호간공유가자유로워지며각공정간협업이가능해지는장점을가지고있다. 디지털기술을이용한빠른반복적학습이가능함으로써지식의축적이과거의프로세스보다용이해졌다. 지식축적의속도와공정간협업의증가등으로제품개발프로세스의경제적이익을얻을수있다. [ 표2] [ 표 2] 동시공학적제품개발프로세스 3
2.2 컴퓨터 ( 디지털 ) 시뮬레이션기술 CAD(Computer Aided Design) 는디자인의생성, 수정분석및최적화를위해서컴퓨터를이용하는기술을말한다 ( 박진호, 2004). 그러므로 CAD 소프트웨어라함은디자인공정을지원하도록공학적인기능들을조합하여만들어진컴퓨터소프트웨어와응용소프트웨어를말한다. CAD 소프트웨어는 2차원으로형상을표현해주는것과 3차원으로표현해주는것으로구분할수있다. 시대의흐름은 2차원 CAD를거쳐 3차원 CAD로급속하게발전해가고있으면이를통해실제품과동일한형상을컴퓨터에서생성하는것이가능해졌다. 이러한모델링작업외에도제품설계의평가가가능하다. 3D CAD는시각적인설계도구로모델링데이터를기준으로치수를기입하므로치수기입의실수를줄이면부품간의간섭현상을사전에검톤할수있다. 또한, 해석을통해설계최적화작업이가능하다. [ 표3] CAM(Computer Aided Manufacturing) 은공장의생산자원 ( 설비 ) 과컴퓨터의직접또는간접적인연결을통해제조공정을계획, 관리, 통제하는것에대하여컴퓨터와관련된기술을말한다 ( 박진호, 2004). 3차원 CAD 데이터를기반으로제품형상에관한정보와사용자가입력한가공정보를종합하여여러가지가공을자동으로실행가능하다. CAE(Computer Aided Engineering) 는 3차원 CAD에서형상의거동을연구하고재정의혹은최적화하도록환경조건을입력받아형상의상태를시뮬레이션하고분석하는것에대해컴퓨를이용하는기술이다 ( 박진호, 2004). 컴퓨터를이용한해석을통해유체흐름, 응력, 열전달등역학적정보를얻을수있다. [ 표 3] 컴퓨터시뮬레이션기술을활용한제품디자인 (S.Thomke, 2001 재인용 ) 4
3. 문헌연구 3.1 컴퓨터시뮬레이션기술을통한경제적이익 S. Thomke(1998) 는제품개발프로세스에서컴퓨터시뮬레이션과빠른프로토타입 (prototype) 을통해개발속도가빨라지고, 디자인의반복횟수는증가하지만비용은절감할수있는효과를얻을수있다고말하였다. Digital Mock-up( 제품모형 ) 은모든개발과정을초기의제품개발단계에서동시공학적시뮬레이션을하기위해활용됨으로써, 제품개발기간단축, 생산비용의절감, 제품품질의향상에결정적인역할을하게된다 ( 허승진, 1998). 기존문헌들을종합해보면컴퓨터시뮬레이션기술을통해제품개발과정은빠른프로토타입을만들수있고개발과정을빠르게진행함으로써비용절감과시간단축의경제적효과를얻을수있다. 3.1.1 개발기간단축 자동차개발기간에서많은기간이소요되는단계는 Clay모델, 개발시작차 (Prototype), 생산시작차의 3단계이다 ( 한순홍, 1999). Digital Mock-up의활용으로개발시작차의단계를대체하고생산시작차의시점을앞당길수있다. 즉, Digital Mock-up은기존실질적인 (Physical) Mock-up의제작기간보다현저히줄일수있다.( 허승진, 1998)[ 표4] 또한, S. Thomke(2001) 는 Clay 모델과같은실질적 Prototype과시뮬레이션기술이결합함으로써자동차개발의전략적우위를점할수있다고주장하였다. 표5에서보듯이, Clay 모델을통한개발시간보다컴퓨터시뮬레이션기술과 Clay 모델의결합을통해제품개발기간단축의효과를가져왔다. [ 표 4] DMU(Digital Mock-up) 활용을통한제품개발기간단축 5
[ 표 5] Combining the New with the Traditional Technology(S. Thomke, 2001) 3.2 개발비용 S. Thomke(2000) 는 BMW에서의컴퓨터시뮬레이션과실질적프로토타입을사용한제품디자인반복작업에대한연구를진행하였다. [ 표6] 은컴퓨터시뮬레이션과실질적프로토타입을단계별로비교정리한것이다. 컴퓨터시뮬레이션과실질적프로토타입각각제품디자인개발을위한총비용을비교해보면 $5,000과 $300,000이사용되었다. 제품개발기간또한현저한차이를보였다. 이렇듯컴퓨터시뮬레이션을통한제품개발은같은제품디자인실험반복횟수를비교하였을때, 1/6배에가까운비용을절감할수있는효과를얻을수있는것이다. 또한, 개발기간에서도최소약 2개월에서최대약 7 개월의기간단축도가능하다는것을알수있다. [ 표6] 컴퓨터시뮬레이션과실질적프로토타입을사용한제품디자인개발 (BMW) (S. Thomek, T. Fujimoto, 2000) 6
4. 컴퓨터시뮬레이션을활용한기술현황 가상공간 (Virtual Reality) 를활용한자동차개발은미국, 일본, 유럽등자동차기술선진국을중심으로활발한연구가진행되고있다. 4.1 미국자동차완성업체의기술현황 4.1.1 Ford Windstar Minivan을충격에강한차로만들기위하여가상환경에서다양한충격실험을실시하였는데, 이작업의경우일주일에 20회정도실시할수있는데반해, 기존의프로토타입의경우 1년이상의시간이필요로되는과정이다. 빠르고반복적인실험을통하여포드사의미니밴은 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration) 으로부터 5 Strar의충격안전도를인증받았다. 4.1.2 Chrysler 크라이슬러는 Digital Mock-up이나 Digital Engineering 단계에서벗어나 Digital Manufacturing을실현하고있는단계이다. 협력업체와의 CATIA 3D CAD를활용함으로써설계단계에서부터부품업체의의견이반영되고있으며, 충돌실험시뮬레이션과공기저항계측가상실험에이르기까지시스템이구축되고있다. 4.1.3 GM 새로운 16기통엔진을개발하기위해 Virtual Prototyping 기술을적극적으로도입함으로써더높은출력과높은연비를달성할수있었고기존의 3년이상소요되던개발기간을 18개월로단축할수있다고보고되었다. 4.2 유럽자동차완성업체의기술현황 4.2.1 Mercedes Benz Virtual Reality Competence Center를설립하여실물크기의 Virtual Prototype을가시화하여여러엔지니어들이설계를평가할수있도록하는환경을구축하였고운전자의안전과편리를설계에반영하기위해여러가지돌발적인주행상황에대한가상공간을구축 7
하고각각의상황에대해운전자가어떤반응을보이는지에대해검토하여새로운모델의개발에적극반영하고있다. 4.2.2 BMW BMW는 Z3 로드스터에대한시험주행을가상공간에서실시하고그예를인터넷사이트에서보급하고있어사용자들의의견을수렴할수있도록하였다. 4.3 일본자동차완성업체의기술현황 4.3.1 Nissan 설계와관리부서및개발시스템부서에서개발업무를공동으로추진할수있는 CAD 데이터베이스를개발하여기술정보의축적과활용및개발기간단축을도모하고있다. 4.3.2 Toyota 새로운스포츠유틸리티차량의시장에부흥하기위해 RAV 5라는신형차를 18개월만에컨셉단계에서부터시장에진입시키는데성공시켰다. 4.4 Mazda 설계, 개발금형, 부품선정, 양산라인배치단계에서의연속적인 3D 정보교화의네트워크기술과종합컴퓨터시스템을도입하여양산준비, 구매, 생산단계에서의통합정보네트워크를구축하였으며, 설계기간 3 개월및개발비용 30% 단축을목표로디지털이노베이션을구축하였다. 8
참고문헌 노상도, 디지털가상생산. 캐드앤그래픽스, 2005 년 7 월호 류용호. 제조업분야가상현실의이해와동향. CAD&Graphics, 2002.9 박홍석. 신차개발기간단축을위한 Rapid Prototyping 기술의적용. 한국자동차공학회, 춘계학술대회논문집, 1998 신종계, 우종훈, 디지털메뉴팩쳐링의역할과효과, 울산대학교자동차선박기술대학원특강, 2005 조경실, 이명기, 자동차디자인효율화를위한디지털강화요소연구 : VR기반 CAID 시스템을중심으로, 디자인학연구, Vol.19, No.5, 2006 허승진, Virtual Engineering 응용자동차기술동향. G7 차세대자동차기술개발사업기회과제, 신차개발기간단축을위한자동차개발기술기반구축최종보고서, 1998. Bangle, Chris. The ultimate creativity machine: How BMW turns art into profit. Havard Business Review, January 2010. Brown, S. and Eisenhardt, K. Product development : Past research, present findings and future directions. Academy of Managemnet Review. 20, 1995, 343-378 Clark, K. and Fujimoto, T. Lead time in automobile development: Explaining the Japanese advantage. Journal of Technology and Engineering Mangement. Vol 6, 1989, 25-28 Clark, K. and Fujimoto, T. Product Development Performance. Boston: Havard Business School Press, 1991 Thomke, Stefan. Enlightened Experimentation: The new imperative for innovation. Havard business Review, February 2001. Thomke, Stefan and Fujimoto, Takihiro. The effect of Front-loading problem-solving on product development performance. Journal of product innovation management. Vol 17, 9
no.2, March 2000, 128-142. Thomke, Stefan, Holzner, Micheal and Gholmi, Touraj. The crash in the machine. Scientific American, March 1999. Thmoke, Stefan. Managing Experimentation in the design of new products. Management Sicence, Vol.44, No.6, 2011, pp743-762 10