제1원칙 설계와 제너레이티브 설계: AM 열교환기에서 더 나은 결과를 제공하는 것은 무엇일까요?

마이클 풀러, Conflux Technology 설립자

Conflux의 존재 자체가 열 교환과 적층 제조를 개척하고자 하는 깊은 열망에서 시작되었습니다. 공개적으로 우리는 종종 제1원칙 설계의 중요성과 최첨단 열교환기를 만드는 접근 방식에서 이를 활용하는 방법에 대해 논의합니다.

고객과의 대화에서 첫 번째 원칙 디자인을 사용할지, 아니면 제너레이티브 디자인 툴을 사용할지에 대한 논의가 자주 등장합니다. 이는 공정한 질문이지만 양자택일의 문제가 아닙니다. 열 설계 전문가가 전략적으로 결합하면 열 시스템의 혁신과 산업화를 크게 가속화할 수 있습니다.

Conflux는 인증 가능한 고성능 AM 열교환기의 연속 생산에 초점을 맞추고 있습니다. 당사는 이를 대규모로 발전시키는 혁신을 끊임없이 추진하고 있습니다. 효율적이고 안정적인 대량 생산을 달성하려면 엄격한 물리 기반 설계와 첨단 계산 도구의 스마트한 적용이 모두 필요합니다.

하지만 분명하게 말씀드리자면 도구만으로는 마법이 되지 않습니다. 도구는 그것을 이끄는 생각만큼만 훌륭할 뿐입니다. 각 방법을 언제 어떻게 적용하고 통합하는 방법을 아는 것이 지속적인 성공의 기본입니다. 우리는 틈새 시제품이 아닌 대량 생산을 위한 열교환기를 제작하고 있습니다.

이를 염두에 두고 자세히 살펴보겠습니다.

제1원칙 설계는 Conflux 열교환기를 개발하는 데 필수적이고 견고한 기반을 제공합니다.

제1원칙 설계의 규율

퍼스트 원칙 디자인이란 무엇인가요?

제1원칙 설계 또는 "제1원칙으로부터의 추론"은 문제를 근본적인 물리적 진실로 분해하고 처음부터 다시 솔루션을 구축하는 엔지니어링 접근 방식입니다. 기존의 가정이나 과거 설계의 반복적인 수정에 의존하는 대신, 제1원리를 사용하는 엔지니어는 성능 목표와 이를 달성하는 물리적 메커니즘 간의 정확한 관계를 정의합니다.

Conflux는 제1원칙 설계를 사용하여 모터스포츠 애플리케이션을 위한 환형 구성의 수냉식 공기 냉각기를 개발했습니다.

제1원칙 설계가 인사이트를 이끌어내는 방법

열교환기 설계는 열역학, 유체 역학, 재료 과학과 같은 핵심 물리학에서 시작됩니다. 열 전달이 어떻게 일어나는지, 압력 손실의 원인은 무엇인지, 형상으로 이러한 효과를 어떻게 조작할 수 있는지 이해해야 합니다. 실제로 이는 필요한 열전달 속도, 허용 압력 강하, 공간 제약, 작동 하중에서의 기계적 무결성, 적층 제조에 특정한 제조 가능성 파라미터 등 설계의 중요한 경계를 지정하는 것을 의미합니다. 이러한 기반은 제너레이티브 설계를 비롯한 모든 후속 도구가 작동해야 하는 '언어'가 됩니다.

당사의 지오메트리는 수년에 걸쳐 다듬어온 3D 프린팅 공정에 특화되어 있습니다. 지난 10년에 걸쳐 구축한 '디자인 라이브러리'에는 실제 제조 및 실제 유체 조건에서 각 형상이 어떻게 작동하는지에 대한 지식이 포함되어 있습니다. 새로운 애플리케이션 개요를 작성할 때마다 제조 역량과 직접 연결된 첫 번째 원칙을 바탕으로 구축된 프레임워크에서 시작합니다.

중요한 것은 제 1원리를 통해 AM 열교환기를 설계한다고 해서 계산 도구를 무시하는 것이 아니라는 점입니다. 오히려 이러한 도구가 해결해야 할 올바른 문제와 제약 조건을 정의하는 것이 중요합니다.

제너레이티브 디자인 툴의 역할

제너레이티브 디자인이란 무엇인가요?

제너레이티브 디자인 도구는 알고리즘과 인공 지능을 사용하여 사용자가 정의한 파라미터와 제약 조건을 기반으로 광범위한 디자인 옵션을 탐색하는 고급 소프트웨어 애플리케이션입니다. 이러한 도구는 새로운 형상을 빠르게 생성하고, 사람이 도움 없이 상상할 수 있는 것 이상의 광범위한 디자인 변수를 탐색하며, 디자인 시간을 단축하는 데 도움이 될 수 있습니다.

제너레이티브 디자인 툴의 한계

하지만 제너레이티브 설계는 단독으로 작동하지 않습니다. 알고리즘에는 기본 제약 조건, 경계 조건, 매개 변수, 열 전달 효율, 낮은 압력 강하, 흐름 저항 및 솔루션의 실행 가능 여부를 정의하는 기타 물리적 원리인 정보에 기반한 '시드'가 필요합니다. 이러한 것들은 사용자가 말하지 않는 한 '도구'가 알 수 없습니다. 이러한 기반이 없으면 수학적으로 우아하지만 물리적으로 쓸모 없거나 제조가 불가능한 형상을 쉽게 생성할 수 있습니다.

예를 들어, 생성 알고리즘은 표면적을 최적화할 수 있지만 표면적이 증가하면 특정 응용 분야에서 허용할 수 없는 압력 강하가 발생할 수 있다는 사실을 인식하지 못할 수 있습니다. 마찬가지로, 명시적인 입력이 없으면 선택한 적층 제조 공정에서 벽 두께를 제조할 수 있는지 직관적으로 알 수 없습니다.

제너레이티브 툴이 비전문가의 역량을 강화한다는 생각과는 달리, 제안된 형상이 실제로 성능을 개선하는지 평가하려면 심층적인 열 엔지니어링 전문 지식이 필수적입니다. 이러한 전문 지식이 없으면 비전문가는 유망해 보이지만 실행 가능한 열 성능이나 제조 가능성을 제공하지 못하는 결과에 현혹될 위험이 있습니다.

열 교환용 자이로이드는 어떤가요?

대부분의 경우, 자이로이드에 대한 논의는 주요 시장에서 어떤 애플리케이션이 이러한 지오메트리를 활용하고 어떤 애플리케이션이 그렇지 않은지에 대한 명확한 지식과 더 나은 이해로 더욱 명료해졌습니다.

자이로드란 무엇인가요?

연속적이고 세 번 주기적인 최소 표면을 가진 자이로이드 지오메트리는 적층 가공이 구현할 수 있는 것을 상징하는 것으로 여겨집니다. 수학 방정식을 통해 파생되고 종종 컴퓨터 설계 도구를 사용하여 생성되는 자이로 지오메트리는 복잡하고 매우 효율적인 구조를 시각적으로 잘 표현합니다. 높은 표면적 대 부피 비율과 자립적 특성으로 인해 특정 열교환기 애플리케이션에 특히 매력적입니다. 그러나 그 성능은 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다.

Conflux는 자이로이드를 만들나요?

Conflux의 성능 중심 접근 방식은 대상 환경의 특정 열, 기계 및 유량 요구 사항에 대해 각 형상을 평가합니다. 모터스포츠나 항공우주 분야와 같은 많은 고성능 애플리케이션에서는 압력 강하를 엄격하게 제어해야 할 필요성이 가장 중요합니다. 이러한 시스템에는 최소한의 흐름 저항으로 작고 가벼우면서 효과적인 열 전달이 필요한 경우가 많습니다. 또한 자이로이드는 유체 영역 간의 표면적 분포에 고유한 대칭성을 부여하는데, 이는 유체의 열 전도도가 크게 달라 열 전달 효율을 개선하기 위해 전도도가 낮은 유체에 더 많은 표면적을 할당하는 등 비대칭 열 전달 표면이 필요할 때 문제가 될 수 있습니다. 따라서 이러한 맥락에서 자이로이드는 종종 압력 손실이 너무 커서 목적에 적합한 옵션이 될 수 없습니다. 그렇지만 유니티는 지오메트리에 구애받지 않습니다.

Conflux의 접근 방식: 두 세계의 장점 결합

Conflux의 방법론은 한 가지 접근 방식을 선택하는 것이 아닙니다. 통합에 관한 것입니다.

첫 번째 원칙에서 출발하는 이유는 그것이 탄탄한 토대를 제공하기 때문입니다. 저희 팀은 독점적인 지식 기반, 지속적으로 확장되는 설계 라이브러리 및 성능 데이터베이스, 수십 년에 걸친 열유체 전문 지식을 바탕으로 정확한 성능 목표와 물리적 한계를 정의합니다.

이 지식은 정보를 제공합니다:

• Conflux 코어 지오메트리의 단위 면적당 필요한 열 전달량
• 특정 적층 제조 공정과 관련된 제조 제약 조건
• 자동화된 후처리를 포함한 연속 적층 제조를 위한 공정 최적화의 구체적인 뉘앙스, 규모를 통해 AM 도입을 가속화하는 데 필요한 비용 효율성을 구현하는 방법
• 항공 우주와 같은 산업에서 요구하는 인증 경로

제너레이티브 디자인은 강력한 가속기가 됩니다. 문제 공간이 올바르게 정의되면 컴퓨팅 도구를 배포하여 최적화된 구성을 빠르게 탐색함으로써 설계 주기를 단축하고 연속 생산을 위한 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 다시 한 번 강조하지만, 이러한 도구를 활용하여 성능을 최적화할 수 있는 것은 심층적인 도메인 지식이 있기 때문입니다.

또한 이러한 통합 접근 방식을 뒷받침하는 것이 바로 Conflux 생산 시스템(CPS)입니다. CPS는 고급 연속 적층 제조용 설계(또는 'DfSAM')와 독점적인 제조 노하우 및 공정 자동화를 결합한 시스템입니다. 이를 통해 매우 복잡한 형상도 인증된 산업용 애플리케이션에 필요한 품질 수준으로 일관성 있게 대규모로 제조할 수 있습니다.

파가니 유토피아를 위한 Conflux의 카트리지 열교환기는 고급 연속 적층 제조용 설계(DfSAM)와 독점적인 제조 노하우 및 공정 자동화를 결합합니다.

인증 가능한 고성능 열교환기를 엔지니어링하는 데 있어 제1원칙 설계는 여전히 필수적입니다. 이를 통해 설계를 정밀하게 제어하고 처음부터 제조 가능성을 보장하며 엄격한 성능 및 규제 요건을 충족할 수 있습니다.

자동화된 툴이 유망한 형상을 제안할 수는 있지만, 모터스포츠, 항공우주 및 산업 고객을 위한 최고의 애플리케이션별 솔루션을 제공하는 데 필요한 미묘한 이해는 오직 해당 툴을 사용하는 사용자만이 가지고 있습니다.

제너레이티브 설계 도구는 강력한 기능을 제공하지만, 심층적인 도메인 지식 없이는 AM 열교환기 설계에서 그 가치가 매우 제한적입니다. 제안된 내용을 비판적으로 평가할 수 있어야 하며, 그렇지 않으면 인상적이지만 실제로는 실패한 설계로 인해 잘못된 방향으로 나아갈 위험이 있습니다. 결과물을 비판적으로 평가할 수 있는 능력이 없다면 이러한 도구는 고급 애플리케이션의 초기 개념에 위험할 수 있습니다.

진정한 기회는 이 두 가지 접근 방식을 결합하는 데 있습니다. 끊임없이 확장되는 디자인 라이브러리와 성능 데이터베이스는 첫 번째 원칙 방식을 뒷받침하며, 제너레이티브 디자인 도구는 더 짧은 시간 내에 최적화된 솔루션을 탐색하고 개선하는 데 도움이 됩니다. 이 두 가지를 함께 사용하면 단순히 상호 보완적인 것이 아니라 상호 의존적입니다. 첫 번째 원칙에 대한 인사이트와 제너레이티브 설계 탐색을 결합하여 고성능 열교환기 및 연속 적층 제조의 가능성을 재정의하는 혁신을 제공할 수 있습니다.