제품 디자인 프로세스에 지속 가능성 반영 

제품이 환경에 미치는 영향의 80%는 설계 단계에서 결정

자원 부족 극복과 탄소 배출 목표 달성을 비롯한 환경에 대한 고객의 의식이 꾸준히 높아지고 있는 가운데, 미래를 준비하는 기업들은 제품개발 프로세스 초기부터 지속 가능성을 디자인에 반영하고 있다.

제품이 환경에 미치는 영향의 80%는 설계 단계에서 결정된다는 사실을 알고 있는가? 

코스트, 품질 및 납기와 마찬가지로 환경도 설계 단계의 의존도가 매우 높아 설계의 초기 단계부터 제품이 환경에 미치는 영향에 대해 신중히 생각해 보는 것이 중요하다.

문제는 어느 한 부분의 장점을 우선시하여 전체 최적을 간과하는 우려를 범할 수 있다. 

예를 들어, 항공 화물은 공급망에서 가장 시간 효율적인 운송 수단이긴 하지만 비용이 많이 들고 환경에 미치는 영향도 크다. 

이와는 반대로 지속 가능성 설계로 100% 재활용 플라스틱 부품을 사용하면 탄소 배출을 낮출 수는 있지만 품질 저하로 부품 교체 속도가 더 빨라질 수 있다.

제품과 개발 프로세스 그리고 환경부하에 대한 정보 공유 체계를 사일로화된 개별 지성에서 집단 지성으로 전환해야 설계 단계에서 더 나은 결정을 내릴 수 있다.

지속 가능한 결과 창출이 디지털 기업의 핵심이다. 

현실 세계와 디지털 세계의 결합인 디지털트윈이 구축되어야 설계자들이 가치 사슬에 따라 시뮬레이션 결과, 생산 데이터, 재료 정보, 공급업체 정보, 제품 탄소 배출 데이터 등에 손쉽게 접근할 수 있다. 

견고한 디지털 기반이 마련되어야 기업은 전체 제품 라이프 사이클과 비즈니스 생태계 전체에서 지속 가능성과 최적화를 설계에 반영할 수 있는 옵션을 탐색해 나갈 수 있다.

이를 통해 엔지니어는 재활용, 재생산 및 재사용이 가능한 역동적이고 반복적인 프로세스에 접근할 수 있어 디자인 리뷰를 충실히 수행할 수 있다.

이를 실현하기 위해서는 지속 가능성이 설계 프로세스의 모든 단계에 반영되어야 한다.

1. 개념 설계(Conceptual Design)

개념 설계 단계에서 성능, 내구성, 유용성 및 코스트 같은 전통적인 설계 요구 사항 외에도 지속 가능성이 담보된 결과를 내기 위해서는 탄소 배출 제한, 물 사용 제한 및 재활용 가능성을 포함한 새로운 요구 사항을 충족시켜야 한다.

지속 가능성 요소를 선행적으로 파악하기 위해 설계 프로세스를 모니터링하는 지표(KPIs)를 정의하는 것이 중요하다. 

이것은 요구 사항이 서로 대립할 때 해결 수단으로 최상의 경로를 찾는 데 도움이 된다.

설계 초기 단계부터 모든 요구 사항을 파악하여 설계 프로세스에 연계시키면 제품의 전체적인 관점에서 판단과 의사결정에 도움이 되는 통찰력을 얻을 수 있다. 

경험이 풍부한 디자이너들은 아래와 같은 질문에 대해 직감적으로 이렇게 답변을 할 수 있을 것이다.

  Q: 부품 재료를 경량화하기 위해 재료를 설계 변경할 경우 비용 및 탄소 배출량과 제조 

     가능성에 어떠한 영향을 미치는가? 

  A: 현실 세계와 디지털 세계를 결합하면 무한 혁신이 가능할 것이다.

배터리 제조 시장이 대표적인 혁신 사례이다. 배터리 생산에 필요한 핵심 소재의 공급이 한정되어 있어 재료 효율성과 폐기율에 대한 목표를 설정하고 달성하는 일이 시급하다.

배터리 제조의 재료 낭비 삭감과 셀당 환경에의 영향을 평가하여 지속 가능한 배터리를 개발하는 것이 목표다. 

재활용 재료의 지속 가능성 관리지표(KPI)도 이와 유사하나 프로세스의 복잡성도 증가한다는 사실을 함께 이해하고 있어야 한다.

2. 공급 업체(Suppliers)

제품의 부품을 직접 설계하거나 제작하지 않고 재료와 부품을 조달할 때는 지속 가능성 요구를 잘 준수하도록 공급업체와의 소통이 중요하다.

제품 수명 주기 관리(PLM) 소프트웨어를 활용하면 지속 가능성 요청서(RFP) 요구 사항을 기준으로 가능성 있는 공급업체들을 비교 검토하고 선정하는 데 도움이 된다. 

또한, 공급업체에 대한 가용 정보와 물류 네트워크 시뮬레이션을 통해 필요한 정보를 축적할 수 있다.

디지털 환경에서의 물류 시뮬레이션으로 물류 네트워크를 최적화하여 물류 이동 거리를 줄이고, 창고 시설과 컨테이너 적재 최적화 등 중요한 물류 과제를 조기에 해결하여 공급업체와 설계 및 개발 부분 간의 정보 소통 관계를 동적으로 발전시킬 수 있다.

이후 공급망에서의 지속 가능성 준수 결과를 제품의 KPI에 반영하여 제품이 환경에 미치는 영향을 더욱 투명하게 만들 수 있다. 

또한, 주요 공급업체와 파트너에게 공급망에서 탄소 배출 절감을 의식하는 생산 방식을 모색하도록 독려하기 위해 추가적인 인센티브를 제공할 수도 있다.

Reichhart Logistik 사는 

https://www.reichhart.eu/mainpage-en.html

이러한 동적 관계의 필요성을 이해하고 지멘스의 디지털 물류 솔루션을 사용하여 시나리오를 시뮬레이션하면서 운송 네트워크를 최적화했다. 

동일한 물량의 화물을 더 적은 수의 차량으로 운송하여 탄소 배출량을 줄이는 동시에 운송 효율을 개선할 수 있었다.

3. 상세 설계(Detailed Design)

세부 설계가 시작되면 엔지니어는 올바른 설계 툴을 사용하여 필요한 재료 특성 및 이와 관련된 지속 가능성 점수를 기반으로 최상의 부품 재료를 선택할 수 있다.

어떤 재료는 재활용 가능성이 높아 제조 과정에서 탄소 배출 등급이 낮아질 수 있는 한편 다른 재료는 뛰어난 내구성으로 제품 수명을 연장할 수 있을 경우 양자택일해야 한다.

디지털 트윈을 구축하여 활용하면 관련 정보가 포함되어 있어 제품 성능, 제조 가능성, 에너지 효율성, 탄소 배출량, 수익 등 여러 요소 간의 동적 관계를 쉽게 평가하고 이해할 수 있다.

이러한 툴을 통해 설계자는 전체 최적의 지속 가능성을 생각하면서 재료의 환경 영향에 대한 이해와 평가를 신속히 할 수 있다. 

또한 관련 제품을 생산 시스템과 함께 시뮬레이션해 가며 실제로 설비 투자에 대한 의사결정을 내리기 전에 제조 가능성 또는 에너지 소비 개선과 관련된 사항들을 파악하여 참고 할 수 있다.

디지털 트윈으로 지속 가능성을 반영할 수 있는 설계의 옵션 범위가 확대되었고 시간이 많이 소요되었던 재설계 횟수도 줄어든다. 

지속 가능성 지표(KPI) 기반 설계는 혁신 기술과 재료 채택으로 이어져 실제로 제품 생산 효율성도 전반적으로 증가한다.

4. 검증(Validation)

상세 설계가 완료되면 제품의 성능을 검증하는 단계이다. 많은 워크플로와 엔지니어링 영역에서 제품이 설계대로 기능하는지 확인하기 위해 검증을 한다. 

지속 가능성 목표를 달성하기 위해 채택된 혁신 재료와 부품은 성능 검증을 위해 보다 철저한 시험이 필요하다.

동시에 새로운 데이터와 물리적 현상에 대한 이해를 기반으로 설계에 사용된 시뮬레이션 모델을 검증하거나 AI로 강화된 ROM(Reduced Order Model)을 통해 시험을 최적화할 수도 있다. 

또한 제조 현장이나 제품 수명이 다한 시점에서 수집된 데이터와 새로운 조건이나 환경에서 발견한 데이터는 다음 신제품 개발과 디지털 트윈 개선에 매우 중요한 정보로 활용된다.

디지털 엔터프라이즈 솔루션이 설계 검증 프로세스를 간소화하고 제품의 지속 가능성 설계를 위해 더 많은 기능을 제공한다. 

실시간으로 수집되는 데이터를 기반으로 설계 변경 또는 유지 보수를 요구할 수 있다. 

생산 또는 사용 중인 제품에서 IoT 시스템을 통하여 수집되는 이력 데이터는 정비 활동과 보수유지 관리 일정 수립에 효율적인 정보가 되며 디지털 트윈에도 제공되어 업데이트 할 수 있다. 

5. 설계 개선(Design Improvement)

제품 개선은 디자인 프로세스의 마지막 단계가 아니라 제품이 만들어진 후에도 오랫동안 이어지는 업무의 여정이다. 

지속 가능성 목표를 제품 설계에 통합 반영하여 지속적으로 개선해 나가는 방법으로 달성할 수 있다. 

디지털 트윈을 통하여 시뮬레이션 데이터, 테스트 결과, 제품의 성능, 신뢰성, 제품 개선 및 업그레이드 경로를 훨씬 쉽게 파악할 수 있다.

설계 개선은 제조업의 지속 가능성 목표를 달성하고 확장하는 데 필요한 단계이다. 

친환경적인 설계는 제품 생산의 운영 비용을 줄이고 재료 절약, 고객 만족, 투자자 관심을 높이고 지구 환경을 보호하는 적극적인 활동이다.

참고 | https://www.industryweek.com/technology-and-iiot/energy/article/55021317/5-steps-for-building-sustainability-into-product-design​​