봄소프트

CAD는 컴퓨터로 설계를 할 수 있도록 기능을 제공하는 소프트웨어이다. Computer Aided Design의 약자이다. CAD 뿐만 아니라, 컴퓨터를 공학적 해석기능을 제공하는 CAE(Computer Aided Engineering), CAD와 같은 도구로 설계된 정보를 이용해서 생산에 적용할 수 있게 해주는 CAM(Computer Aided Manufacturing), 제품을 시험할 수 있는 기능을 제공하는 CAT(Computer Aided Test) 라는 용어들도 있다.

이런 용어들은 Computer가 등장하면서 활용도가 높아지고 있었던 1990년대에 주로 유행하였던 용어이다. 그 당시에는 컴퓨터로 무언가를 한다는 것은 혁신적인 일이었고, 또한 상대적으로 진보된 방법이었다. 하지만 요즘은 컴퓨터가 쓰이지 않는 분야가 없다고 할 수 있을 정도이니, 예전보다 더 많은 분야에서 더 깊숙히 활용되고 있기 때문에 "Computer Aided" 라는   말머리의 의미가 무색해지게 되었다.

어떻든 CAD는 컴퓨터로 설계를 할 수 있게 하는 체계이고, 이는 지금도 당연히 사용되는 방법이고, 시대가 지남에 따라 그 수준과 범위 측면에서 많은 발전이 거듭되었다.

처음에 CAD가 등장했을 당시에는 2D, 즉 수학적으로 X축과 Y축을 기준으로 형상을 그려나가는 2차원 개념의 설계를 할 수 있는 도구였다. 마치 종이에 설계도면을 그렸던 것을 컴퓨터 화면에 그려나가는 것과 같았다. 당연히 컴퓨터로 그리기 때문에 보다 정확했고, 보관이나 이동도 편리하고, 복제도 쉬워서 더 많은 분야에 활용되었다.

그 설계의 대상, 즉 제품이 점점 복잡해 지고, CAD 체계에 갖는 기대가 높아짐에 따라 기능이 발전하게 되었다. 그 중에서 가장 큰 변화는 2D에서 3D로, 즉 X축, Y축, Z축의 3차원으로 설계를 할 수 있게 된 것이다. 3차원으로 그린다는 것은 사람이 실제 사물을 보는 것과 같이 입체적으로 표현하기 때문에 사람이 이해하는 데, 훨씬 더 유리하게 되었다.

2차원으로 그린 설계도면은 실제 사물의 몇 개의 방향에서 바라보는 것을 표현한 형상이기 때문에, 2차원 CAD 도면은 종이도면을 보는 것과 크게 다르지 않다. 하지만 3D 설계는 컴퓨터 화면에서 도면을 회전해 가면서 형상을 볼 수 있기 때문에 사람이 실제 형상을 이해하는데 상대적으로 유리하다. 또한 3차원에는 2차원 정보를 기본적으로 포함하고 있기 때문에 3차원에서 2차원 설계도면은 쉽게 만들어 낼 수도 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 2차원 CAD는 기술적으로 점, 선과 같은 형태의 데이터를 유지하는 반면, 3차원 CAD는 객체의 개념을 도입하여 직육면체, 구, 곡면표면 등의 형태로 데이터를 유지하게 된다.  거기에 더해서 색깔, 무게, 재질 등의 속성도 추가적으로 관리할 수 있게 되어, 사물을 표현함에 있어서 보다 정교해졌다고 할 수 있겠다.

물론 3차원으로 표현하려면 2차원보다 더 많은 정보를 입력해야 한다. 이것은 사람들에게 부담으로 느껴질 수 있다. 그래서 아직까지도 굳이 3차원 CAD를 사용하지 않고 2차원 CAD를 유지하는 산업도 많이 있다. 이것은 CAD 데이터를 만들기 위한 노력과 CAD 데이터를 활용해서 얻는 이득을 비교하여 선택하게 된다. 3차원 CAD 데이터를 기반으로 하는 할 수 있는 수많은 활용 분야들이 등장하고 있고, 2차원에서 3차원으로 변환하는 것은 사실상 불가능하기 때문에, 처음부터 3차원 CAD로 시작할 것을 권장하는 것이다.

새롭게 사물을 만들려고 할 때, 그 물건이 아직 만들어 지지 않았기 때문에 실제 사물이 어떠할지 자세히 알 수는 없다. 그 사물을 완성하는 데 많은 시간과 노력이 들어가야 한다면, 무작정 다 만들어 보기에는 부담이 크다고 할 수 있다. 그래서, 다 만들기 전에 대략적으로 사물을 만들어 보고 자세히는 아니더라도 대략적으로 예측해 보는 과정이 필요하다. 그렇게 미리 대략적으로 사물을 만들어 보는 방법에는 크게 두 가지가 있다.

첫 번째, 그 사물의 모양 위주로 미리 만들어 보는 목업(Mock-up) 방법이 있다. 과거에는 플라스틱이나 나무 같은 재질의 재료를 실제로 깍아서 모양을 만들어 보는 방식으로 목업을 만들었었다. 주로 사람이 만지거나 보았을 때 어떤 느낌인지를 주로 살피기 위해서 였다. 요즘은 컴퓨터 기술의 발달로 3차원 영상으로 목업을 만들 수 있게 되었고 이를 특별히 디지털목업(Digital Mock-up, DMU) 이라고 한다. 디지털목업은 직접 만져 볼 수는 없지만 그럼에도 불구하고, 실제와 비슷하게 눈으로 볼 수 있다는 점과 만드는 시간과 비용이 저렴하다는 이유로 많이 사용하는 방법이 되었다. 

두 번째는 그 사물의 기능을 중심으로 미리 만들어 보는 프로토타입(Prototype) 방법이 있다. 만들고자 하는 사물이 작동하는 방식 중에서 가장 중요한 기능을 미리 만들어 보는 것이다. 물론 흉내 내는 정도로만 만들어 보는 것이다. 그렇게 해서 그 사물이 제 기능을 할 것인지, 그 기능은 효과가 있는 지를 미리 확인해 보는 것이다. 보통은 기능이 중요하기 때문에 프로토타입을 만들 때 아예 외부의 케이스는 만들지 않거나 테이프 같은 것으로 붙어 놓기도 한다. 기능을 살피는 데 방해가 되지 않을 정도로만 하는 것이다.

이 두 가지 방법과 용어가 확실하게 구분되는 것은 아니다. 보통은 혼용해서 사용하거나 방법 자체가 혼합되기도 한다. 요즘은 컴퓨터 기술이 발전함에 따라서 모양도 흉내 내고, 중요한 기능이 작동되는 것을 볼 수 있도록 가상적으로 만들어 볼 수 있게 되었다. 이 것을 기능적 목업(Functional Mock-up) 이라고 한다. 이 기능적 목업은 디지털트윈을 구현함에 있어서 중요한 역할을 담당 한다.

실제 사물을 만들어 지기 전에 미리 그 모양과 기능을 살필 수 있도록 해 주는 기술을 기능적 목업(Functional Mock-up)이라고 했다. 기능적 요소에 더해서 시간에 따라 사물이 어떻게 변화하는 지를 담을 수 있다면 훨씬 더 유용할 것이다. 가상의 3차원 형상에 기능 또는 시간이 더해지는 개념으로, 4D목업 (4D Mock-up)으로 부르기로 하겠다.

4D목업은 가상의 3차원 형상이 시간 변화에 따라 그 모양이나 위치, 상태가 변화하고, 약속된 요청에 대해서 기능적으로 반응을 하는 목업을 의미한다. 4D목업을 만들기 위해서는, Requests, Functions, Logical Structure, Physical Structure의 데이터들이 관리되어야 한다.

요청(Request)는 4D목업이 받아들일 수 있는 정해진 요청들이다. 이 요청들에 따라서 목업은 어떻게 기능해야 하는 지를 결정하고 목업이 기능에 따라 작동하게 된다. 기능(Function)은 요청에 따라 목업이 작동하는 절차를 정의한 것이다. 이 작동은 물리적인 요소들과 논리적인 요소들의 조합으로 구성되게 된다. 따라서 대부분 컴퓨터 프로그램으로 만들어 진다. 논리구조(Logical Structure)는 목업을 구성하는 부분 중에서 전기전자 회로와 같은 요소를 의미한다. 물론 가상적으로 만들어 진 목업이기 때문에 소프트웨어적으로 처리해도 되겠지만, 실제 사물로 만들어졌을 때를 고려하여 가상의 회로로 구현해야 한다.

물리구조 (Physical Structure)는 사물이 물리적 외형적으로 어떻게 구성되는지를 표현하는 것이다. 물리적인 구성품 목록과 개별적인 구성품의   형상을 표현해야 한다. 그러기 위해서, 3D 기술이 사용되어야 한다.