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테크놀로지

금속을 대체하는 플라스틱 베어링

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16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.

기존 금속 베어링을 플라스틱 베어링으로 바꾸면 어떤 효과가 있을까? 독일 기업 이구스의 iglidur (이글리두어) 폴리머 베어링은 금속 베어링 대비 최대 40%의 비용 절감으로 높은 비용 효율과 더욱 긴 서비스 수명을 제공한다. 공작 기계, 충진 설비, 공압식 실린더와 같은 산업 환경은 물론 주방용 기기나 자전거, 자동차와 같은 일상 생활에서도 고성능 플라스틱은 상당 부분 금속 베어링을 대체해 이용되고 있다. 윤활과 유지보수가 필요 없는 트리보 폴리머 소재가 주는 이점이 가장 큰 대체의 이유다.

16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.
그림 1. 16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.

트리보 폴리머로 각종 기계 부품을 생산하는 독일 기업 igus의 ”motion plastics”은 비, 염분 및 극한 온도에 내성을 지니며, 오일과 화학 물질에 영향을 받지 않는다. 금속 솔루션과 비교하여 큰 경량 효과와 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다. 이미 다양한 산업 분야와 어플리케이션에서 플라스틱 베어링이 금속 베어링을 대체하고 있는 이유는 뛰어난 성능뿐만 아니라 특별한 재료 속성 때문이기도 하다. 고정된 응력을 견디는 능력이 더욱 뛰어난 금속 베어링은 실제 움직이는 모션에서 너무 쉽게 마모가 되버린다. 반면, 플라스틱 베어링은 사용 수명 내내 일정한 마찰 계수와 내마모성을 제공하기 때문에 사용 수명을 예측할 수 있다는 장점이 있다.

어떤 어플리케이션에든 적용할 수 있는 다양한 제품 선택

igus GmbH가 폴리머 베어링을 개발하고 생산한 지는 올해로 30년이 넘었다. 이들의 플라스틱 베어링 고유 브랜드 ”iglidur(이글리두어)”는 16개 표준품을 포함해 약 50개의 재질로 생산된다. 수많은 연구 결과를 통해 플라스틱이라 가벼우면서도 자체 윤활이 가능하고 유지보수가 필요 없는 것이 가장 큰 장점이다.

16개 표준품뿐만 아니라 약 50개 재질과 DIN ISO3547에 따른 113개 이상의 치수 생산은 약 830평 규모의 업계 최대 규모의 테스트 연구소에서 비롯된다. 매년 1천 3백 5십억 회 이상의 테스트 동작으로 다양한 모션과 환경 조건을 대응할 수 있는 제품을 개발한다. 제품의 형태는 일반 슬리브 타입이나 플랜지 형태 뿐만 아니라 환봉형 소재나 플레이트 판형, 3D 인쇄 필라멘트 또는 SLS 파우더 용으로도 생산된다. 최대 50 밀리미터까지의 샤프트 직경이 표준품으로 생산되며, 카탈로그에 기재된 내경의 최대 규격은 195 밀리미터로 확장 규격품도 선택할 수 있다 전 제품이 최소 주문 수량 없이 24 시간 내 발송을 원칙으로 하고 있다.

금속보다 뛰어난 폴리머 기술력

폴리머를 사용하면 설계가 매우 자유로워진다. 다른 재질에 비해 약간의 가공만 하면 매우 복잡한 부품도 쉽게 만들 수 있고, 특정 첨가제만으로도 그 특성에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이는 igus가 폴리머 소재를 최적화하는데 있어서도 큰 핵심 역량으로 작용한다.

igus는 자체 재질 개발 부서를 두어 특정 분야 사용에 맞는 새로운 재질의 연구 개발을 지속해오고 있다. iglidur 플라스틱 베어링의 탁월한 성능은 우선 균일한 구조로 구성된 열가소성 폴리머에 기반한다. 여기에 섬유 및 충진재를 추가해 베어링의 하중 능력을 증가시킨다. 추가적으로 고체 윤활제가 포함되어 무급유 특성이 더해진다. 이 모든 요소들이 균일한 구조로 어우러져 사용 수명 내내 동일한 마찰 계수 및 마모 속성을 제공하게 되는 것이다.

이에 반해 금속 베어링은 다층 구조를 가진다. 내부 층이 매우 얇기 때문에 큰 충격이나 전단 하중, 진동, 심지어 급유로 인한 먼지와 오염물의 퇴적으로 내부 층은 쉽게 벗겨지거나 손상된다.

코팅막이 벗겨지지 않았다 하더라도 계속적인 윤활 작업은 비용과 시간이 많이 드는 단점으로 작용한다. 게다가 그리스나 오일로 인한 위생 및 생태학적 이유는 최근 이들의 인기를 추락시키는 주 요인이 되고 있다. 이러한 이유로 시중에는 내부에 윤활유가 통합된 소결 베어링도 있긴 하나, 이것도 건식 베어링이라고 보기는 어렵다. 롤링 베어링도 마찬가지이며, 특히 니들 베어링의 경우 기술 및 경제적인 이유로 플라스틱 베어링으로 교체되는 경우가 많다.

그림 2. 830평 규모의 업계 최대 테스트 연구소에서는 매년 1,350억회 이상의 테스트가 실시된다.
그림 2. 830평 규모의 업계 최대 테스트 연구소에서는 매년 1,350억회 이상의 테스트가 실시된다.

적용 사례 – 농기계

다양한 산업 시장 중 농기계는 플라스틱 베어링의 기술력을 증명하기에 아주 좋은 예라고 igus는 설명한다. 농기계에 현재 적용되고 있는 iglidur Q2나 Q290은 마모에 대한 내성이 매우 크고 높은 표면 및 전단 하중을 대응할 수 있다. 부식이 없고 충격과 충돌에도 강하다. 비료, 슬러리, 또는 연료의 접촉에도 영향을 받지 않기 때문에 장기간 사용에도 기계를 안정적으로 가동시킬 수 있다. 특히, 기계가 엄청난 양의 분진에 노출될 수 있는 농업 환경에서 iglidur 베어링은 최적의 기능성과 긴 작동 시간을 보증한다.

적용 사례 – 식품 산업

식품 및 포장 산업의 엄격한 위생 및 안전 표준을 고려하면 무급유는 더욱 중요한 역할을 한다. 식품의약청(FDA) 규정에 따라 제품이 윤활유나 기타 물질에 의해 오염되지 않아야 하기 때문이다. 결과적으로 식품과 함께 사용하는 데 적합성을 인증받은 FDA 준수 플라스틱만 적용될 수 있다는 이야기다. 금속과 대조적으로 유기적 구조를 지닌 플라스틱은 부식이 없으며 수분 함유 염분 용액을 포함해 산, 가성소다 등 무기질 매체에 내성을 갖는다. 실제 igus의 고객, Singer & Sohn GmbH의 설계 엔지니어 Dieter Koller는 ”식품 산업 적용 기계 설계에 있어 고려해야 할 점은 오작동이나 의도치 않은 셧다운을 방지하는 것은 물론이고 모든 내부/외부 구역이 습한 환경과 화학 약품을 견딜 수 있어야 한다는 점입니다.”라며 해당 산업의 환경 조건을 설명하며 본인의 교체 경험에 대해 이야기했다.

Singer & Sohn 社는 식품 산업용 특수 기계를 만드는 회사로, 소시지 분리 기계의 수동 작업을 대체할 베어링으로 iglidur 를 처음 사용했다. ”iglidur 베어링은 소시지 분리기에서 수동으로 이루어지고 있는 작업을 대신해 먼지와 오염에 대응합니다. 전에는 니들 베어링을 설치하곤 했었는데 작동 중이나 세척 중에 거의 매일같이 오작동을 일으켰어요. 세척 중에는 물이 몇 방울만 튀어도 즉시 베어링을 교체해야 할 정도로 매우 민감해서 장기적으로는 너무 많은 비용 소모를 발생시켰습니다. 반대로 플라스틱으로 바꾸고나서는 수분이나 화학물질에 대한 내성으로 유지 보수 걱정을 완전히 덜 수 있었습니다”라고 덧붙였다.

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특정 산업과 어플리케이션, 맞춤 재질로 차별화된 서비스

iglidur 재질 중 가장 소요가 많은 대부분의 재질은 5가지 정도다. 하지만 동시에 점점 더 많은 회사들이 전문화된 부품 생산에 집중하면서 차별화된 생산 환경과 그에 따른 특정 재질에 대한 수요도 커지고 있다. 예를 들어 무급유이면서 내균성을 갖춰야 하는 의료 및 실험 장비나 정전기 방지 플라스틱을 사용해 방직 산업에서 베어링이 보풀이나 먼지를 끌어들이지 않도록 하는 것들이 그렇다. 수중 사용부터 높은 하중 적용까지, 자동차 산업에서 항공 장비에 이르기까지, igus는 이러한 모든 경우에 맞춤 재질을 개발한다.

유저가 스스로 각각의 사용에 대해 어떤 재료가 적합한지 검색할 수 있도록 온라인 제품 검색기나, 구성기, 사용 수명 계산기, 3D CAD 구성기와 같은 온라인 도구도 제공한다. 해당 프로그램은 igus 테스트 연구소에서 매년 10,000회 이상 수행한 베어링 테스트를 기반으로 운영된다.

‘건식 작용, 내분진성, 진동 완화, 내화학성, 전단 하중’ 등 해당되는 특정 요구 사항과 허용 표면 압력, 장기간 사용 상한/하한 온도 등도 입력해 적합한 제품을 검색하고 사용 수명도 계산할 수 있다.

그림 3. 유저들로 하여금 간편한 재질 선정을 제공하기 위해 온라인 툴을 제공하고 있다.
그림 3. 유저들로 하여금 간편한 재질 선정을 제공하기 위해 온라인 툴을 제공하고 있다.(iglidur.igus.kr)

플라스틱 베어링이 금속 베어링보다 더 저렴할 수 있는 이유

광전지 시스템, 농업과 해양, 외관 차양막이나 유압 실린더, 액추에이터, 산업 분야를 막론하고 폴리머 베어링이 금속 베어링을 대체해 온 것은 이미 오래 전 부터의 일이다. 엔지니어의 경우, 무급유와 내부식성, 마모 저항과 마찰계수는 필수적으로 고려해야 하는 요소가 되었고 igus가 표방하는 모션 플라스틱은 이에 더해 기계의 사용 수명을 증가시키고 무엇보다 금속 베어링보다 최대 40% 저렴한 가격적 이점을 제시한다.

베어링 자체 가격 뿐만 아니라 대응 샤프트를 다양하게 쓸 수 있다는 건 추가적 가격 절감 가능성을 의미한다. iglidur 베어링은 금속 베어링과 달리 연질 샤프트와도 고효율성을 발휘해 샤프트에 대한 추가적 비용을 더욱 절감할 수 있다. 알루미늄, 강철, 스테인리스, 탄소 섬유와 같은 대부분의 샤프트 재료는 베어링과 함께 igus에서 직접 주문할 수도 있다. 샤프트 또한 적용 환경과 어플리케이션에 따라 가격과 성능 면에서 최적합 재질을 선택하는 것이 매우 중요하다.

미래를 대비하는 일관된 연구 개발

좋은 품질과 저렴한 가격을 동시에 제공하기 위해서는 일관된 연구 개발 작업이 필수라고 igus는 이야기한다. igus는 실제 매년 하노버 전시회를 통해 150가지 이상의 신제품과 제품 라인의 확장을 발표한다.

특히, 3D프린팅 산업은 igus와 유저 모두에게 새로운 가능성을 열어준 좋은 예다. 엔지니어링 설계에 높은 자유도를 보증하는 동시에 사용되는 구성품에 대해 높은 수준의 내마모성을 제공할 수 있다. 서로 완벽하게 상호작용 할 수 있는 두 가지의 최신 기술은 2014년 iglidur 트리보 필라멘트를 최초 개발한 이후로 지속적인 확장을 거듭하고 있다. 현재까지 6개의 트리보 필라멘트가 제품군에 포함되었으며, 작년에는 최초로 SLS 트리보 파우더 개발에도 성공했다.

3D 프린터를 직접 소유하고 있지 않은 업체를 위해 원하는 형상의 부품을 직접 인쇄할 수 있게 하는 3D 인쇄 서비스도 오픈했다. 특수 형상은 물론 사출 금형까지 3D 인쇄를 통해 단 시간에 제작이 가능하다.

이는 특히 테스트 단계에서 큰 이점을 제공한다. 테스트에서 이미 생산 제품에 매우 근접한 상태의 제품을 받을 수 있기 때문에 적용 적합성의 판단을 아주 적은 비용으로 빠르게 해결할 수 있다. 그리고, 어플리케이션에 따라 화학 물질, 온도, 하중 등 매개 변수를 계산해 다양한 iglidur 재료를 폭 넓게 선택할 수 있는 것은 설계자에게 있어 더할 나위 없는 메리트로 작용한다.©

산업용IoT

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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포뮬러 1 경주

디지털 트윈 모델은 센서 설치와 관련하여 꽤 까다로운 요건들을 수반한다. 레거시 애플리케이션들은 특히 그렇다. 이에 따라 디지털 트윈 시스템 설계자는 최적의 솔루션을 구할 때까지 센서 성능과 대역폭 제한에 각별한 주의를 기울일 필요가 있다.

디지털 트윈(digital twins, DT) 모델이 제조를 비롯한 산업 분야로 빠르게 도입되고 있다. 사물인터넷(IoT)의 연결성과 저렴한 가격대의 센서를 사용할 수 있게 된 덕분이다. 하지만 디지털 트윈을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 요구된다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 이 글에서는 센서와 엣지 노드 아키텍처에 대한 개요를 비롯하여, 엣지 노드의 중요성과 엣지 노드 통신에 대해서 설명한다.

 

센서와 엣지 노드 아키텍처
디지털 트윈 아키텍처는 3가지 차원의 IoT 아키텍처와 매우 비슷하게 닮았다(그림 1):

• 엣지 노드 – 엣지 노드 상의 센서들은 기능 유닛(산업용 로봇, 항공기 엔진, 풍력 터빈 등)의 동작에 대한 실시간 정보를 수집하고, 이 정보를 유선 또는 근거리 무선 통신망(LAN)을 통해서 전송한다.
• 게이트웨이 노드 – 게이트웨이 노드는 다양한 프로토콜을 사용하는 여러 개의 엣지 노드와 통신하고 이 정보를 취합해서 광역 통신망(WAN)으로 전송한다.
• 엔터프라이즈 노드 – 엔터프라이즈 노드는 게이트웨이 데이터를 수신하고, 디지털 모델을 적용하고, 그 결과를 통신한다.

정확한 모델과 고품질 데이터를 활용한다면 DT 모델을 통해 결함을 예측하고 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 가상이 아닌 실제 세계에서의 동작까지도 변경할 수 있다.

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다.

 

엣지 노드의 중요성
DT는 물리적 기계를 가상으로 모델링하기 위해 실제 세계로부터 지속적으로 수집한 고품질 데이터를 필요로 한다. 그렇지 않다면 실제 세계와 가상 세계의 차이가 점점 더 벌어져, DT를 적용한 계산이나 예측이 쓸모 없어질 것이다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 또한 물리적인 프로세스까지 변경할 수 있는 DT 모델이라면 액추에이터도 엣지 노드에 포함된다.

센서 측정은 두 가지 범주로 구분할 수 있다:
• 동작 측정(기계 또는 장비의 물리적 동작): 장력, 속도, 유량, 변위, 토크, 동작 온도, 진동 등
• 환경 데이터(물리적 동작에 영향을 미침): 주변 온도, 기압, 습도 등

엣지 노드에는 다양한 형태의 센서들이 사용될 수 있다. 온도 센서, 압력 센서, 로드 셀, 가속도계 같은 다양한 센서들이 실제 세계의 특성을 측정하고 수치적 정보를 제공한다. 센서 퓨전 시스템은 여러 센서 측정 결과를 조합해서 단일 센서로는 할 수 없는 통찰을 제공할 수 있다. 카메라와 마이크로폰은 복잡하고 구조화되지 않은 정보를 사용해서 비디오 및 오디오 스트림을 발생시키므로 이를 해석하려면 별도의 프로세싱이 필요하다.

 

기존 장비를 개조할 때의 어려움

 

DT 설계는 실제 설치물을 위한 모델 역할을 하는 디지털 설계에서 시작한다. 따라서 실시간 데이터를 제공하는 센서들이 이 모델에 포함되어 최종 버전까지 계속해서 기능을 수행할 수도 있다. DT는 석유 및 가스, 핵 에너지, 항공우주, 자동차 같은 하이테크 애플리케이션에 주로 사용된다. 여기에 사용되는 기계들은 가상 모델이 도입되기 훨씬 전에 설치되었을 수 있다. 그러므로 디지털 트윈이 가능하도록 엣지 노드를 업그레이드하기에는 많은 어려움이 따른다.

기존 산업 분야에 DT를 도입하기 위해서 DT에 대한 현실 세계 버전을 완전히 처음부터 설계하는 경우는 거의 없다. 수 년 또는 수십 년 동안 잘 작동해온 기존 설비를 가지고 어떻게든 해보아야 한다. 다시 말해서 기존 시스템을 DT가 가능하도록 개조해야 하는 것이다. 디지털 트윈 시스템을 아무리 잘 설계한다 하더라도, 기존 장비의 성능을 모니터링하기 위한 센서가 부족하거나 아예 설치되어 있지 않다면 통합 과정은 엄청나게 복잡해질 것이다. 이러한 기술을 수용할 수 있도록 전혀 설계되지 않은 기계에 수십 혹은 수백 개의 센서들을 설치해야 하기 때문이다.

이미 센서들이 설치되어 있는 경우라도, 센서의 정확도가 디지털 모델에 유용한 데이터를 제공하기에 미흡할 수 있다. 예컨대 온도 센서가 설치되어 있기는 하지만 과열 결함만 감지할 수 있을 뿐, 결함을 조기에 예측하는데 필요한 온도 스트레스 패턴까지는 식별하지 못할 수 있다.

통신 네트워크의 용량 또한 문제가 될 수 있다. 기존에 설치된 IoT는 다양한 유선 및 무선 표준을 사용해서 엣지 노드를 해당 게이트웨이로 연결한다. 이러한 통신 기술에는 다음과 같은 표준 기술들이 포함된다:
• 지그비 – 저전력 메시 애플리케이션용
• 서브 1GHz – 저전력 및 장거리용
• 와이파이 – 고속의 직접 인터넷 연결
• 블루투스 – 가장 낮은 전력
• 기타

설계자는 각 표준들이 디지털 트윈 데이터로 인해서 가중되는 부담을 처리할 수 있는지 면밀히 검토해야 한다.

 

수십 배 증가해야 하는 센서 수

 

디지털 트윈은 많은 산업 분야에서 아직은 초기 단계에 있지만, 많은 제품들이 첫번째 시제품을 세상에 선보이기 위해 가상 세계에서 설계, 테스트, 검증 과정을 거치고 있다. 이러한 제품들 역시 특수한 실시간 센서들에 의해 엄청난 양의 데이터가 수집되고 있다. 항공기 엔진과 포뮬러 1 경주용 차는 대표적인 두 가지 사례이다.

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항공기 엔진
항공기 엔진은 이미 고도로 계장화 되어 있다. 전통적인 터보팬 엔진(그림 2)은 압력, 온도, 유속, 진동, 속도를 측정하기 위한 센서들을 포함한다. 또한 각 범주별로 여러 특수 센서들이 사용되어 보다 세분화된 기능들을 담당한다. 압력 측정을 예로 들면 터빈 압력, 오일 압력, 오일 또는 연료-필터 차동 압력, 스톨 감지(stall detect) 압력, 엔진 제어 압력, 베어링실 압력 등을 측정하기 위해 각각의 센서들을 사용할 수 있다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT는 기존의 모니터링 애플리케이션보다 훨씬 더 많은 데이터를 필요로 하기 때문에 그만큼 훨씬 더 많은 수의 센서들을 필요로 한다. 오늘날 사용되는 대부분의 항공기 엔진은 약 250개의 센서를 포함하지만, 요즘 나오고 있는 차세대 DT 가능 제품은 5천 개 이상의 센서를 포함한다. 연료 유량, 연료 및 오일 압력, 고도, 대기 속도, 전기 부하, 외부 공기 온도 등을 모니터링하는 센서들로부터 추가적인 데이터가 제공된다. 롤스로이스(Rolls-Royce), GE, 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 회사들은 이미 DT를 사용해서 신뢰성과 효율을 끌어올리고, 제조 비용은 낮추고 있다.

포뮬러 1 경주

포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT 기술은 치열한 경쟁이 펼쳐지는 포뮬러 1 경주에서 운전자와 자동차의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 맥클라렌-혼다(McLaren-Honda) 팀은 200개 이상의 센서를 사용해서 엔진, 기어박스, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 공기역학에 관한 실시간 데이터를 전송한다. 경기가 진행되는 동안, 이 센서들은 영국 워킹(Woking)에 있는 맥클라렌 기술 센터(McLaren Technology Centre)로 100GB에 이르는 데이터를 전송한다. 분석가들은 이 데이터를 분석하고 DT를 적용해서 운전자에게 최적의 경주 전략을 전달한다. 가상의 세계에서 DT가 실제 자동차와 동일한 도로 조건, 날씨, 온도로 동일한 경기를 펼친다.

 

DT 엣지 노드 아키텍처의 미래

 

DT 모델의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 기존의 엣지 노드 아키텍처에서 다음과 같은 몇 가지 과제들을 해결해야 한다:

스마트 센서와 엣지 노드 프로세싱
센서들이 점점 더 많은 데이터를 수집함에 따라서, 디지털 모델로 데이터를 어떻게 사용할지, 또 데이터를 어디에서 처리해야 할지(노드, 게이트웨이, 클라우드 등) 결정해야 한다. 노드에서 처리하면 네트워크 대역폭은 줄일 수 있으나 정보를 잃을 우려가 있고, 그러면 DT 성능이 떨어질 수 있다.

이 결정에는 사용하는 센서가 어떤 유형인지가 영향을 미친다. 많은 센서들은 예컨대 압력을 나타내는 디지털 전송처럼, 사용하기 편리한 구조화된 포맷으로 정보를 전송한다. 하지만 마이크로폰이나 이미지 센서 같은 것들은 구조화되지 않은 대량의 원시 데이터를 발생하므로 대대적인 프로세싱을 하지 않으면 쓸모가 없다.

향상된 통신 인터페이스
엣지 노드 프로세싱을 늘린다 하더라도, 어마어마하게 늘어나는 데이터 양 때문에 시스템 설계자는 어떻게든 네트워크 대역폭을 늘려야 할 것이다. 예를 들어 항공기 엔진은 엔진 한 대마다 초당 5GB의 데이터를 발생하며, 상업용으로 사용되는 트윈 엔진 항공기는 하루에 최대 844TB의 데이터를 발생한다.
전통적인 산업들은 또 다른 복잡함을 안고 있는 엄청난 양의 데이터를 발생한다. 전통적인 산업용 IoT 애플리케이션에 이용되는 많은 원격지 엣지 노드들은 저전력 소비 특성을 최적화하기 위해 배터리 전원과 저성능 무선 프로토콜을 사용한다. 따라서 이러한 기존 설계에 DT를 사용하려면 통신 병목지점이 어디인지부터 파악할 필요가 있다.

견고한 엣지 노드 보안
기존에 설치된 IoT 네트워크는 엣지 노드 디바이스에서 보안성이 문제가 될 수 있다. 이에 따라 암호화, 보안 하드웨어, 애플리케이션 키, 장치 인증서 같은 보안 조치들이 점점 더 일반화되고 있다. DT 프로그램의 도입이 늘어날수록 이러한 보안 기술들의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 특히 인터넷 프로토콜(IP) 연결이 가능한 노드들은 해커들의 공격 대상이 되기 쉽다.

 

맺음말

 

디지털 트윈 프로그램을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 필요하다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 엣지 노드는 디지털 트윈을 구현하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 현재 디지털 트윈은 주로 항공기와 자동차 같은 분야에 사용되고 있다. 이들 분야에는 이미 많은 수의 센서들이 사용되고 있는데, 여기에서 디지털 트윈이 가능하도록 기존 장비를 개조하려면 지금보다 수십 배 더 많은 센서들을 설치해야 한다. 그 밖에도 엣지 노드 프로세싱, 통신 프로세싱, 엣지 노드 보안 같은 것들을 향상시켜야 한다.

 

글_ 폴 피커링(Paul Pickering) / 마우저 일렉트로닉스

 

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스마트공장

물리적 세계와 디지털 세계를 이어주는 새로운 기술들

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mouser

디지털 트위닝(digital twinning, DT)은 인더스트리 4.0(Industry 4.0)과 산업용 사물 인터넷(industrial Internet of Things, IIoT)을 위한 기술 로드맵의 일부이다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다.

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디지털 트위닝이란 데이터에 기반한 방법으로 물리적 시스템을 디지털 모델로 컴퓨터로 복제해 개별적으로 구현함으로써 물리적 시스템의 설계와 유지보수를 향상시키는 기술이다. 자동화와 데이터 교환이 발달하면서 데이터 트위닝이 다양한 산업 애플리케이션에서 유용하게 활용될 수 있게 된 것이다.

물리적 세계와 디지털 세계가 만나는 이러한 새로운 산업 환경을 4차 산업 혁명, 즉 인더스트리 4.0이라 부른다. 수많은 첨단 전자기기와 컴퓨터 시스템이 교차하는 지점에 적용되는 인더스트리 4.0의 ‘새로운 방식’은 이득과 효율을 증대시키고 유연성을 높여준다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다. 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하기 위해 다음과 같은 기술들이 디지털 트위닝에 활용되고 있으며, 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0을 위한 기술 로드맵의 일부일 뿐이다.

• 페어링 기술
• 가상 물리 시스템
• 증강, 가상 및 혼합 현실
• 인공 지능
• 적층 가공
• 3D 프린팅
• 디지털 스레드

페어링 기술
페어링 기술(Pairing technologies)은 어떤 디바이스나 시스템이 다른 디바이스와 시스템을 찾아서 연결 및 통신할 수 있게 해주는 기술로 디지털 트위닝과 인더스트리 4.0 세계에서 매우 중요하다. 일례로 센서와 산업용 사물 인터넷 제품들은 다른 디바이스를 성공적으로 찾아서 연결할 수 있어야 한다. 블루투스(Bluetooth®) 같은 기술들이 이러한 연결에 사용된다. 이를 수행하려면 연결된 디바이스는 다른 연결 가능한 디바이스를 성공적으로 찾을 수 있어야 한다. 특정 디바이스는 다른 디바이스를 찾을 때 질의응답 및 데이터를 공유하고자 하는 대상과 통신하고 있는지 확신할 수 있어야 한다. 디바이스가 적절히 활성화되고 절차가 성공적으로 이루어지면 이를 페어링이라 부른다.

이때 보안 문제는 굉장히 중요하다. 모든 디바이스는 크로스토크를 방지하고 잘못된 정보가 전달되지 않도록 정확한 식별이 확인된 후에만 페어링 해야 한다. 어떤 디바이스가 페어링 해야 하는 다른 디바이스를 빠르고 쉽게 식별할 수 있는 프로그래밍 알고리즘을 통해 바로가기를 만들 수 있다. 페어링은 암호화를 이용한 인증 키를 통해 수행된다. 페어링은 디바이스 간에 데이터를 교환하는 관계에서 연결이 본딩 상태를 유지하도록 보장하고 외부 소스에 이러한 데이터 교환이 누출되지 않도록 방지한다.

유연한 작동 역시 매우 중요하므로 디바이스는 외부에서 사람의 개입 없이 신속하게 페어링을 만들고 해제할 수 있어야 한다. 페어링이 성공한 경우, 페어링을 활성 상태로 유지하기 위해 지속적인 통신이 필요할 수 있다. 디바이스 중 하나가 더 이상 페어링 본드가 필요 없다고 판단하는 경우 페어링 관계를 끊고 다른 페어링을 준비한다.

가상 물리 시스템(CPS)
미국 국립과학재단(NSF)은 가상 물리 시스템(cyber-physical system, CPS)을 “컴퓨팅 자원과 물리적 자원 간의 긴밀한 결합과 조정”으로 정의한다. 이 정의에서 중요한 요소는 일련의 연결된 사물 또는 부분이 복잡한 전체를 구성한다는 시스템적인 접근방법을 채택하고 있는 점이다.

현재 CPS의 예로는 자동화된 항공사 비행 제어 시스템을 들 수 있다. 인더스트리 4.0은 이를 실현하기 위해 비행기가 아닌 기계, 컴퓨터, 로봇, 센서 및 공정이 전체적으로 함께 작동하게 하는 교통 통제를 필요로 한다. 이는 복잡도 사슬에서 한 단계 높은 수준이므로 IIoT보다 높은 차원의 시스템을 나타낸다. IIoT가 막대한 양의 데이터를 수집하고 처리, 공유하는 것과 관련되는 곳에서 CPS는 다양한 시스템에서 수집되는 이러한 방대한 양의 데이터를 관련된 산업과 연관된 여러 분야에 걸쳐 적절히 활용하도록 보장하는 데 초점을 맞춘다. 특정 산업의 고유한 딜레마는 특정 과제를 해결하기 위해 엔지니어링 전문지식을 필요로 한다.

증강, 가상 및 혼합 현실
새로운 기술들이 우리의 현실을 확장하고 있다. 이 기술들은 디지털 콘텐츠를 우리 앞에서 물리적으로 중첩시키고, 가상 세계와 실제 세계를 한데 합쳐 증강된 세계로 인식되는 혼합 현실을 만들어낸다. 이러한 효과를 통해 엔지니어는 새로운 방식으로 사물을 볼 수 있다. 예를 들어 컴퓨터 모니터에서 DT를 보는 대신 디지털 콘텐츠에 참여하거나 홀로그램과 상호작용할 수 있게 하는 증강 현실(AR) 헤드셋을 사용해 DT를 볼 수 있다.

이러한 AR을 사용하면 착용자는 신체적 감각을 통해 몰입감 높은 체험을 할 수 있다.

현실감을 높여주는 헤드셋은 디저털화 한 환경을 통해 물리적 세계를 체험함으로써 물리적 세계에서 발생하는 실제 조건을 실시간으로 경험할 수 있게 한다. AR은 새로운 통찰과 이해로 이어질 수 있다. 또한 DT 디스플레이를 사용자의 시야에 띄울 수 있는데, 이렇게 하면 훨씬 더 접근 가능하고 사용하기 쉬운 실시간 피드백이 가능하다.

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인공지능(AI) 기술
IIoT는 연결된 데이터의 제공을 약속한다. 따라서 유용한 데이터를 저장하고 분석해야 한다. 인공 지능(AI)은 막대한 양의 디지털 데이터를 어떻게 분석하고 성공적으로 처리할 것인가에 대한 해결책이다. AI는 신속한 통합과 하이브리드 통합, 투자 활용, 시스템 관리와 컴플라이언스를 구현하여 가치를 증진시키므로 디지털 트위닝을 보다 완전하게 실현할 수 있게 도와준다.

머신러닝을 통해 AI는 디지털 데이터를 사용하여 모델링, 분석, 훈련, 적용, 그리고 최상의 의사결정을 추론하는 기회를 제공한다. AI는 컴퓨팅에 대한 전통적인 관점을 바꾸어 놓고 있다. 지금까지는 주로 공정 자동화와 스케일링의 관점이었다면 이제는 실행 가능한 통찰을 통해 지식 기반 관점으로 옮겨가고 있다. 조만간 AI는 엔지니어가 새로운 통찰과 가치를 창출하는 방법을 얻는 데 도움을 주게 될 것이다. 데이터 과학 접근방법을 사용하게 될 때 결정은 빠르게 강력해지고, 이는 추가적인 기회를 만들어낼 것이다.

적층 가공
적층 가공(additive manufacturing, AM)은 재료를 한층씩 쌓아 올려 3D 물체를 만드는 제조 방법이다. AM은 변화하는 수요에 대처하고 유통 가능하며 유연한 제품을 제조할 수 있는 산업을 이끌고 있어 전망이 밝다. AM의 두 분야인 3D 프린팅과 디지털 스레드는 디지털 트위닝을 가능하게 만들면서 계속 발전하고 있다.

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3D 프린팅
3D 프린팅(3D printing)은 아마도 AM 중에서 가장 잘 알려진 예일 것이다. 3D 프린팅에서 프린터는 거의 영(제로)에 가까운 리드타임으로 플라스틱, 금속 또는 기타 맞춤형 재료를 사용하여 물체를 프린트하도록 프로그래밍할 수 있다. 3D 프린팅은 대단히 유연하며, 큰 규모의 경제에서 발생하는 제조와 관련된 문제를 없애준다. 이것이 미래에 의미하는 것은 누구나 마치 패스트푸드를 주문하듯 원하는 것을 신속하게 얻을 수 있게 된다는 것이다.

디지털 스레드
복잡한 시스템에서는 관련된 모든 시스템이 통일된 하나의 시스템에서 동작하지 않으며, 따라서 스케일링이 어렵기 때문에 AM은 주로 실험실에 제한적으로 사용되었다. 디지털 스레드(digital thread)가 이를 바꾸고 있다.
디지털 스레드는 데이터에 기반한 디지털 시스템 뒤에서 이를 일정하게 하나로 묶어주는 끊이지 않는 데이터 흐름을 말한다. 디지털 스레드는 공유된 정보의 소스인 스레드에 서로 다른 애플리케이션을 연결하여 하나로 통일함으로써 AM의 잠재력을 끌어낸다. 디지털 스레드는 재설계된 인더스트리 4.0에 관련된 모든 위치에서 정보의 수집, 관리, 분석을 위한 더 쉬운 공정을 생성한다. 또한 전체 공정을 통해 설계와 생산, 가동의 효율을 높이고 최적화한다.

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결 론
디지털 트위닝은 기존 제품과 공정의 이득과 효율, 유연성을 증가시키면서 인더스트리 4.0의 중요한 지표가 될 것이다. 그러나 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0 로드맵의 일부일 뿐이다. 페어링 기술, CPS, AI 및 AM이 물리적 세계와 DT 정보와 통찰력의 세계를 하나로 연결하는 데 핵심적으로 활용되고 있다. 이러한 기술의 복잡성이 디지털 트위닝이라는 기술에 통합되어 적용될 때, 이들 기술은 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하는 데 기여하게 될 것이다.

글_ 폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

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New Technologies Pair the Physical with the Digital

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Digital twinning is one part of the technology road map for Industry 4.0 and the Industrial Internet of Things. A gamut of new technologies must be integrated to work seamlessly together to pair the physical domain with the digital information domain.

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Digital twinning seeks to improve the design and maintenance of physical systems by offering datadriven ways to discretely map these physical systems into digital and computerized replicas of themselves. With the arrival of automation and data exchange, digital twinning could be useful in a myriad of industrial applications.

This new industrial context, where the physical and the digital worlds meet, is known as the fourth industrial revolution—or Industry 4.0. Brought on by the intersection of a host of high-technology electronic and computer systems, the “new way” of Industry 4.0 promises increasing gains, efficiencies, and flexibility. A gamut of new technologies must be integrated to work seamlessly together to pair the physical domain with the digital information domain. Digital twinning is only one part of the technology roadmap for Industry 4.0, as these additional technologies are helping to enable digital twinning for Industry 4.0 to manifest its potential:

• Pairing technologies
• Cyber-physical systems
• Augmented, virtual, and mixed reality
• Artificial intelligence
• Additive manufacturing
• 3D printing
• Digital thread

Pairing Technologies
Pairing technologies are critical to digital twinning and the world of Industry 4.0, as these technologies empower a device or system to find, connect, and communicate with other devices and systems. For example, sensors and the Industrial Internet of Things (IIoT) products require the ability to find and connect with other devices successfully. Technologies such as Bluetooth®, among others, are employed to make these connections. To accomplish this, connected devices must be able to interrogate other potentially connectable devices successfully. When inquiring other devices, units must be able to ascertain whether they are communicating with a unit that they should be corresponding and exchanging data with. When properly enabled and successful, this accomplishment is called pairing.

Security issues are paramount. Every device should pair only after proper identification has been confirmed to avoid crosstalk or misinformation. Shortcuts may be achieved through programming algorithms that allow the devices to quickly and easily identify other units that they should pair with. Pairing gets accomplished through authentication keys employing cryptography. Pairing works to ensure that the connections stay bonded in a data exchanging relationship between devices and works to prevent an external source from prying into their data exchanges.

Being that flexibility is paramount, units must be able to make and break their pairing quickly and without external, human involvement. Successful pairing may require ongoing communication to keep the pairing active. If one of the units determines that the pairing bond is no longer relevant to its successful operational objectives, it will remove its pairing relationship and present itself available for a different pairing opportunity.

(photo. Mouser Electronics)

Cyber-Physical Systems
The National Science Foundation (NSF) defines cyber-physical systems (CPS) as, “The tight conjoining of and coordination between computational and physical resources.” The critical element in this definition is that it focuses on a system approach— where a set of connected things or parts form a complex whole.

A current example of a CPS is the automated airline flight-control systems. Industry 4.0 requires traffic control, not for airplanes, but for the machines, computers, robots, sensors, and processes that comprehensively work together for its realization. It represents a system of higher order than IIoT, because it sits one level higher in the complexity chain. Where IIoT is concerned with collecting, handling, and sharing of large amounts of data, CPS is focused on ensuring that this large amount of data, collected from multiple systems, gets properly utilized across multiple disciplines that are relevant to the industry involved. The unique dilemmas of any given industry will require engineering expertise to address these specific challenges.

Augmented, Virtual, and Mixed Reality
New technologies are augmenting our reality. They are providing us with the ability to overlay digital content in front of us physically, merging the real with the virtual, creating a mixed reality that should be considered augmented. This gain is allowing engineers to view things in new ways. For example, rather than viewing a DT on a computer monitor, we could view a DT using an augmented reality (AR) headset that enables the users to engage with digital content or interact with holograms.

The use of such AR empowers viewers to have an immersive experience whereby they engage their bodily senses.

Reality-enhancing headsets can create real-time experiences of actual conditions happening in the physical world, by way of experiencing them through a digitized environment. AR could lead to new insights and understandings. Additionally, a DT display could appear in the user’s field of view, making real-time feedback that much more accessible and easy to use.

Artificial Intelligence Technologies
IIoT offers the promise to provide connected data; therefore, useful data must be stored and analyzed. Artificial intelligence (AI) is a solution to how to analyze and successfully handle large amounts of digital data. It helps in allowing digital twinning to become more realized because it promotes value by enabling rapid integration, hybrid integration, investment leverage, and system management and compliance.

Through machine learning, it offers the opportunity to use digital data to model, analyze, train, apply, and infer how best to make decisions. AI is helping to change the traditional perspective of computing, moving it beyond what primarily has been an automating- and scaling-process perspective towards a knowledgebased perspective, via actionable insights. Soon, it will help engineers gather new insights and ways to create value. By using a data-science approach, rapidly powered decisions will enable the generation of further opportunities.

Additive Manufacturing
Additive manufacturing (AM) is a method of production in which 3D objects are built by adding layer-upon-layer of material. AM holds promise because it leads to industries that can address variable demand and produce products that are distributable and flexible. Two areas of AM – 3D printing and digital thread – are advancing to make digital twinning possible.

(photo. Mouser Electronics)

 

3D Printing
3D printing is perhaps the most well-known example of AM. In 3D printing, a printer is programmed to print an object using plastics, metals, or other custom materials with virtually zero lead-time. 3D printing is extremely flexible and eliminates the issues involved in producing objects with large economies of scale. What this means for the future is that you will be able to get what you want quickly—as if walking up to the fast food counter.

Digital Thread
With complex systems, however, AM has been confined primarily to the laboratory because all the systems involved do not operate under a unified system and, thus, are hard to scale. Digital thread promises to change that.

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A digital thread is a single, seamless strand of data that acts as the constant behind a data-driven digital system. It activates the potential of AM by allowing a unification of disparate applications by way of their adherence to the thread, which is their source of shared information. A digital thread creates an easier process for collecting, managing, and analyzing information from every location involved in the redesigned Industry 4.0. It enables better and more efficient design, production, and utilization throughout the entire process.

Conclusion
Digital twinning will be a hallmark of Industry 4.0, helping to increase gains, efficiencies, and flexibility for existing products and processes. But digital twinning is just one part of the Industry 4.0 road map. Pairing technologies, CPS, AI, and AM are key to seamlessly bringing together the physical realm and the realm of its DT information and insights. While these technologies are bringing their complexities into the digital twinning equation, ultimately, they promise to enable Industry 4.0 to manifest its potential.

by Paul Golata for Mouser Electronics

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