디지털 기법을 활용한 생활세라믹스 제조기술 동향


조 우 석_ 한국세라믹기술원 도자세라믹센터 센터장

최근에 제조업에서 디자인이 차지하는 비중이 증가되고 있다. 특히 생활세라믹에서는 소비자 선택의 척도가 디자인이라 해도 과언이 아닐 것이다. ‘감성디자인’, ‘휴먼디자인’ 등의 수식어들을 내세우며 평준화된 제품 기능에 차별성으로서 디자인이 주목받고 있다. 경쟁력 있는 제품 디자인을 위해서는 공정기술의 발전과 제품 개발에 소요되는 자원의 감소를 유도해야한다.
생활세라믹스 제조공정에도 디지털 기술을 활용하여 새로운 디자인을 창출할 수 있으며, 컴퓨터 지원 설계과정을 적극 도입하여 제품 개발에 소요되는 자원을 능동적으로 제어하여 디자인 개발의 속도를 급격히 끌어 올릴 수 있으며, 초기 설계단계부터 원가경쟁력을 확보할 수 있다.

1. 디지털 기술을 활용한 생활세라믹스 제조 과정 특징

그림1

그림 1은 전통적인 생활세라믹스 제조과정과 디지털기술을 활용한 제조과정을 나타낸 모식도이다. 디지털 기술을 활용한 제조과정은 디지털 목업 및 시뮬레이션을 통해 1차 검증과정을 갖게 되며, 이로 인해 제품 개발과정에서 발생되는 시행착오를 감소시킬 수 있다.
디지털 기술을 활용한 생활세라믹스 제조과정은 전통적인 생활세라믹스 생산방식에 비해 다음과 같은 차이점이 존재한다.

가. 객체화
디지털 기술을 활용하여 제품개발과정에서 데이터의 누적 및 모듈화가 가능하며, 재생산성이 향상된다. 전통적인 생활 세라믹스 생산방식에서 제품 디자인의 수정은 모든 개발과정의 반복을 초래한다. 그러나 디지털 기술을 활용한 생활 세라믹스 제조과정은 모듈화된 개발과정에서 선택적인 수정이 가능하다. 이러한 객체화는 제품 개발에서 발생되는 시행착오 및 소요시간과 비용의 감소를 이룰 수 있게 한다. 그림 2는 객체화된 문양정보를 활용하여 쉽고 빠르게 다양한 기형에 적용한 사례이다.

나. 수치제어

그림3

최근 생활세라믹스 제품의 경쟁력 제고를 위해, 목재 및 금속 등 이종소재의 결합을 이용한 제품의 니즈가 발생되고 있다. 이러한 제품개발을 위해서는 결합구조의 올바른 설계가 필수적으로 요구된다. 전통적인 생활세라믹스 제조과정에서는 수치제어를 경험적인 반복공정에 의존하며, 디지털 기술을 활용한 개발과정 대비 높은 개발비용이 요구된다. 그러나 디지털 기술을 활용한 제품개발과정은 정밀 수치제어를 기반으로 하는 CAD/CAM 기술을 적극 활용함으로서 제품의 정밀도 및 생산성을 향상시킬 수 있다. 그림 3은 이종소재가 융합된 생활세라믹스 제품을 나타낸 사진이다.

2. 생활세라믹스 제조단계별 응용 가능한 디지털기술

가. 제품 설계 및 디자인, 검증
제품을 디자인하고, 설계 및 검증하는 단계는 타 제조업과 동일하게 모든 생산단계에서 중요한 인자로 작용한다. 잘못된 설계는 불량 및 제조비용의 상승을 초래하며, 심미적 가치하락으로 이어진다. 따라서 전통적인 도자기 제조과정에서 설계는 오랜 시간 축적된 생산경험과 시장의 수요를 적절히 반영하여 시제품을 제작하고 초기기획과 유사한 결과의 도출까지 시행착오를 반복한다. 이러한 반복은 제품 디자인에 따라 높은 소요자원을 요구하게 되며, 도자생산업체의 경쟁력을 약화시키는 요소로 작용한다.
디지털 기술을 활용한 생활세라믹 제품디자인은 CAD Software를 활용한다. 타 제조업에서 높은 효율성을 입증한 설계 규칙을 활용하여 빠르고 효과적으로 설계과정을 제어한다. 특히 생활세라믹 제품의 곡률과 문양을 3차원 객체로 디지털화 하여 쉽게 적용할 수 있는 3D Scanner 기술을 융합하여 그 효과를 증대시킬 수 있다. 또한 각종 Simulation Software를 활용하여 소결변형, 내충격성 등을 예측할 수 있다. 표 1은 도자기 설계 단계에서 활용 가능한 디지털기술을 나타낸다.

1) 역설계(Reverse Engineering)
역설계는 CAD설계에서 사용되는 문양 및 기형을 실존하는 객체에서 데이터화하여 역으로 활용하는 방법이다. 3D Scanner를 활용하여 실존 객체의 3차원 디지털 정보를 취득하고 이를 활용하여 유연하게 사용가능한 데이터를 생산하는 과정을 통해 CAD Software를 활용한 환경도자부조타일 설계과정을 효율적으로 제어하는 기술이다. 3D scanner로 수집된 데이터는 아래 그림과 같이 raw scan data는 noise를 다량 포함하고 있다. 역설계 과정은 취득된 데이터에서 불필요한 noise들을 제거하고 기준 기형을 활용하여 제품 설계를 완성한다.

2) CAD(Computer Aided Design)
3D Software의 발전에 따라 디지털 설계기술은 급속히 성장하고 있으며 CAD는 기존에 2D drawing design 기술에서 한 단계 발전되어 입체적 설계를 가능하게 하는 software를 통칭하며 타 분야에서 이미 CAD를 활용한 디자인 설계기술은 필수적인 요소이다. 도자기 제조 공정에도 이러한 CAD를 활용한 제품 디자인이 시도되고 있는 추세이며, 일반적인 설계와 CAD 설계의 차이점은 아래와 같다.
첫째, 기형 측면의 곡선의 변화가 요구되거나, 크기 및 비율이 변경되는 수정소요 발생 시 일반적 설계에서는 원형 제작 과정을 반복해야 한다. 그러나 CAD설계에서 이를 빠르게 반영할 수 있다.
둘째, CAD설계를 통한 기형의 데이터가 완료되면 중간과정의 기형을 제3자가 의견교류를 원하였을 때 최종 기물에 대한 정보를 언제든지 Digital Mock up을 활용하여 실사처럼 렌더링 하거나, 실시간 3D viewport 화면을 통하여 의견교류가 가능하다. 일반적 설계의 경우 작가의 머릿속에 있는 최종이미지를 제3자와 교류하기는 쉽지 않다.
셋째, CAD설계는 최초 제작된 부조데이터를 객체화하여, 그 문양이 쓰일 기형에 구속되지 않고 재사용이 가능하다. 배치 위치 및 크기를 변경하기 쉽기 때문에 객체화된 문양정보를 활용하여 다양한 제품의 개발이 가능하다. 이는 디자인설계 작업이 진행될수록 차이가 심화되며 누적된 디자인 객체수의 증가에 의해 새로운 디자인을 진행하면서 소요시간에서 많은 차이를 나타낸다.

3) Digital Mock Up
‘Digital Mock-Up’이란 설계된 Design을 가상환경에서 실체화하여 예측하는 과정을 지칭한다. 또한 구조적인 수치변화 및 제품의 무게예측과 같은 물성정보 취득의 의미도 지닌다. 디지털 기술을 활용하여 최종 제품의 다양한 정보를 예측하여 제품 개발과정에서 발생되는 시행착오를 억제시킬 수 있다.
그림 5, 6는 개발과정에서 예측한 가상 이미지와 최종 생산된 제품의 사진을 나타낸다. 제품의 전체적인 디자인 및 분위기를 예측할 수 있다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 6월호에서 확인하실 수 있습니다