1. 4차 산업혁명과 타이어 대응방안
2000년대에 이르러 시작된 4차 산업혁명은 정보통신(ICT)을 기반으로 디지털화, 지능화 및 자동화 기술을 급격하게 발전하게 만들었다. 그리고 4차 산업혁명 도래와 디지털 전환 기술 발전은 제조업을 비롯한 많은 산업 분야에서 제품 개발 및 생산에 급격한 기술 변화를 야기하였다.
4차 산업혁명은 일반적으로 사물 인터넷 (Internet of Things, IoT), 빅데이터 (Big Data), 인공지능 (Artificial Intelligence, AI), 로봇기술, 자율주행, 가상현실 등으로 구성되는 차세대 디지털 기술로서 산업 전반에 없어서는 안될 도구로 정착되고 있다.
이러한 기술 추세에 따라 타이어 기술도 센서를 적용한 스마트 (Smart) 타이어 개발을 비롯하여 CAE (Computer Aided Engineering) 기술, 디지털 기술과 인공지능 기술을 융합한 디지털 트윈 (Digital Twin, DT) 기술로 발전하기에 이르렀다.
그림1. 4차 산업혁명 기술 적용한 타이어 대응방안
그림 1은 4차 산업혁명 기술을 적용한 타이어 산업의 대응 방안을 4개 분야로 분류하여 도시한 것이다. 타이어 산업에서 사물 인터넷 기술은 센서를 이용한 데이터 취득 및 사물 간 정보 교환 등에 사용되며 최근에는 타이어 내부에 센서를 부착하여 타이어 주행 정보를 취득하여 차량에 전달하는 인텔리전트(Intelligent) 타이어 개발에도 사용된다.
그리고 빅데이터 분석 기술은 타이어 제조공정 데이터를 분석하여 품질문제 개선에 활용하거나 시험평가 데이터를 분석하여 제품성능을 예측하는데 사용된다. 또한 인공지능 기술은 빅데이터에 대한 기계학습을 통해 성능예측 결과를 이용한 제품의 최적설계에 활용된다.
그리고 로봇 기술은 단순 반복 작업의 자동화 구현을 통해 로봇으로 대체하거나 정보통신 기술과 결합하여 스마트(Smart) 공장 구축에도 활용되고 있다. 이러한 4차 산업혁명 기술과 디지털 전환 기술을 결합하여 타이어 제품개발 프로세스에 적용함으로써 타이어 개발 프로세스에 대한 디지털 트윈 시스템을 구축하게 되었다. 지금부터 타이어 개발 프로세스에 대한 디지털 트윈 시스템에 대해 소개하고자 한다.
2. 타이어 디지털 트윈 시스템 개요
디지털 트윈 기술은 현실 세계의 물리적인 개체나 프로세스를 가상 공간에 디지털화하여 모델링 하고 시뮬레이션하는 개념이며, 주로 인공 지능, 데이터 분석, 컴퓨터 모델링, 디지털 기술을 이용하여 구현된다.
디지털 트윈 개념은 미국 가전업체인GE사에서 처음으로 주창한 개념으로 2000 년대에 들어 제조업에 도입되기 시작했으며, 최근에는 항공, 건설, 의료, 물류, 국방, 도시설계 등의 다양한 분야에 활용되고 있다.
자동차 산업의 디지털화와 환경규제 강화에 빠르게 대응하기 위해 4차 산업혁명 기술과 디지털 전환 기술을 이용하여 타이어 개발 프로세스도 그에 상응하는 혁신을 요구하게 되었다. 이에 따라 타이어 개발 프로세스에 빅데이터, 인공지능, 디지털 및 버추얼 기술 등을 도입하여 디지털 트윈 시스템을 구축하게 되었다.
타이어 디지털 트윈은 기존의 제품개발 프로세스인 실물 제품 개발 (Physical Tire Development) 방식에서 디지털 공간 상에 개발 과정을 구현한 가상 제품 개발 (Virtual Tire Development)로 전환하는 방법을 제공하게 된다.
그림2. 타이어 개발 프로세스 혁신과 디지털 트윈 개념
그림 2는 타이어 개발 프로세스 혁신과 디지털 트윈 개념을 보여준다. 금호타이어는 디지털 트윈 시스템을 독자적으로 개발하였고 이를 i-MOVE (intelligent Mobility Optimization by Virtual Engineering) 라고 명명하였다.
기존 타이어 개발 프로세스는 경험과 노하우(Know-how)을 바탕으로 타이어를 설계하고 이에 대해 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반의 구조 해석을 통해 타이어 성능을 예측하고 타이어 실물을 제작하여 시험평가를 거치는 과정을 반복하는 시행 착오 방식에 의존하는 실물 제품 개발 방식이었다.
그러나 신규 타이어 개발 프로세스는 디지털 기반으로 여러 버전의 타이어 제품도면을 자동으로 설계하고 빅데이터 기반의 성능 예측을 실시간으로 수행하여 버전을 1차 선별하고, 인공지능 기반의 최적 설계를 통해 최종 버전을 산출한 다음에 차량 동역학 해석 기반의 가상 평가를 통해 타이어 성능을 최종 검증하는 과정을 거친다.
타이어 개발 프로세스를 실물 개발 방식에서 가상 개발 방식으로 전환하기 위해서 타이어 개발 프로세스의 일련의 과정을 빅데이터, 인공지능, 디지털 및 버추얼 기술 등을 적용하여 하나의 제품개발 플랫폼으로 통합하고 자동화시킨 디지털 트윈 시스템을 개발하게 되었다. 디지털 트윈 시스템은 디지털 기반의 기본설계, CAE 기반의 성능예측, 인공지능 기반의 최적설계, 버추얼 기반의 가상평가 등의 4개의 서브 시스템으로 구성된다. 이렇게 4차 산업혁명 기술과 디지털 전환 기술을 적용한 타이어 디지털 트윈 시스템을 구축함으로써, 가상 제품개발 기술력을 확보함은 물론 타이어 개발 기간 단축, 개발 비용 절감, 제품 품질 향상에 획기적으로 기여할 것으로 기대된다.
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