이 글은 실제 고객 데이터를 쓰지 않는 실무형 가상 케이스입니다. 제품 브리프가 요구사항, load case, FEA 설정, prototype coupon, render review, 다음 설계 결정으로 어떻게 이어지는지 하나의 evidence chain으로 정리합니다.
0. 제품 상황
제품은 실내 벽면에 부착하는 공기질 센서입니다. 센서 본체 질량은 배터리 포함 620 g이고, 브래킷은 벽면에 M4 나사 2개로 고정됩니다. 사용자는 센서를 브래킷에 걸고 뺄 수 있어야 하며, 설치 중 제품 하단을 누르거나 청소 중 옆으로 밀 수 있습니다. 최종 브래킷은 사출 ABS 후보이고, 첫 기능 시제품은 SLS PA12입니다.
1. 브리프를 요구사항으로 바꾸기
| ID | 요구사항 | 검증 방법 | 판단 기준 |
|---|---|---|---|
| BRK-REQ-01 | 620 g 센서를 벽면에서 안정적으로 지지한다. | Analysis + static load test | 정적 중량 조건에서 영구 변형 없음. |
| BRK-REQ-02 | 설치 중 하단 누름 35 N을 견딘다. | FEA + coupon test | 하단 lip 변위 1.5 mm 이하, crack 없음. |
| BRK-REQ-03 | 청소 중 측면 20 N 하중에서 벽면 이탈 없음. | FEA | 회전 변위 1.0도 이하, screw reaction imbalance 70% 이하. |
| BRK-REQ-04 | 0.8 m 낙하 가능성을 초기 설계에서 고려한다. | Equivalent static screening + later drop test | corner rib/boss 위험 영역 식별, v02 drop test 계획. |
| BRK-REQ-05 | 브래킷 탈착은 손으로 가능해야 한다. | Prototype demonstration | 탈착력 8-18 N, 30회 반복 후 파손 없음. |
요구사항은 처음부터 완벽할 필요는 없지만 검증 가능해야 합니다. “튼튼해야 한다”는 말은 해석 조건이 되지 않습니다. “하단 누름 35 N에서 lip 변위 1.5 mm 이하”는 해석과 테스트로 연결됩니다.
2. Load case 정의
| Load case | 입력 | Boundary condition | QoI |
|---|---|---|---|
| LC-01 Dead load | 중량 0.62 kg, g=9.81 m/s², 무게중심 벽면에서 48 mm | M4 washer contact patch 2개 구속 | screw reaction, bracket sag |
| LC-02 Install press | 하단 lip 중앙 35 N downward | 벽면 접촉 pad + screw patch 구속 | lip displacement, clip strain |
| LC-03 Side cleaning load | 측면 20 N lateral | screw patch + frictionless wall support | rotation, reaction imbalance |
| LC-04 Drop screening | corner equivalent static 120 N | corner contact patch, body inertia simplified | corner rib stress, boss root stress |
낙하 조건을 120 N 등가 정적 하중으로 둔 것은 최종 validation이 아닙니다. 초기 screening입니다. ASME V&V 40의 관점으로 보면 이 모델의 credibility target은 “위험 후보를 찾는 수준”이지 인증 수준 결론이 아닙니다.
3. FEA 설정 카드
| 항목 | 설정 | 검토 메모 |
|---|---|---|
| Geometry | bracket_v03.step, screw boss 2개, hook 2개, rib 4개 | 센서 본체는 rigid mass로 단순화. |
| Material | ABS candidate: E=2.1 GPa, ν=0.35, yield 38 MPa | SLS PA12 prototype 결과와 최종 ABS 해석을 분리. |
| Mesh | global 1.8 mm, boss/hook/rib root 0.5 mm | mesh refinement 시 QoI 변화 5% 이하 목표. |
| Solver | linear static first pass | hook snap은 비선형 contact가 필요하므로 별도 coupon test. |
| Credibility | screening only | 정량 안전 판정 전 physical test 필요. |
4. 결과 해석
| 결과 | 해석 | 설계 액션 |
|---|---|---|
| LC-02 lip displacement 2.3 mm | 기준 1.5 mm 초과. 하단 lip가 hook보다 먼저 휨. | lip 뒤 rib 높이 4 mm → 6 mm, rib 방향을 하중 방향과 정렬. |
| LC-03 screw reaction 82% / 18% | 측면 하중에서 한쪽 나사에 반력이 몰림. | screw pitch 42 mm → 58 mm 후보 비교. |
| LC-04 boss root peak 74 MPa | ABS yield보다 높지만 root edge singularity 가능성. | nominal stress와 reaction 기준으로 재평가, root R0.6 → R1.5. |
| LC-01 dead load sag 0.18 mm | 정적 중량은 지배 조건이 아님. | 정적 중량보다 설치/청소/낙하 screening에 집중. |
이 결과에서 설계팀은 “전체가 안전/불안전”이라고 말하지 않습니다. 지배 조건은 LC-02와 LC-03이고, LC-04는 root singularity와 실제 충격 시험이 필요한 위험 후보로 남깁니다.
5. Prototype coupon plan
| Coupon | 목적 | 제작 조건 | 통과 기준 |
|---|---|---|---|
| Hook-A | 탈착력 확인 | SLS PA12, hook thickness 1.2 mm, gap 0.25 mm | 8-18 N, 30회 반복 후 파손 없음. |
| Hook-B | 강성 증가 후보 | hook thickness 1.5 mm, gap 0.35 mm | 사용자가 손으로 열 수 있고 crack 없음. |
| Boss-A | root fillet 개선 | R0.6 vs R1.5 비교, 같은 orientation | 120 N equivalent static에서 crack 없음. |
| Rib-A | lip 변위 개선 | rib height 4/6/8 mm 비교 | 35 N에서 변위 1.5 mm 이하. |
전체 브래킷을 먼저 다시 출력하지 않는 이유는 실패 원인을 분리하기 위해서입니다. hook이 문제인지, rib가 문제인지, boss root가 문제인지 따로 확인해야 v04 설계가 빨라집니다.
6. Render review
렌더링은 이 케이스에서 장식이 아닙니다. v03와 v04의 외관 차이, 나사 위치 변경, rib가 외부에서 보이는지, 설치자가 손을 어디에 두는지 보여주는 리뷰 장면입니다.
| Scene | 목적 | 고정 조건 |
|---|---|---|
| Front installed | 나사 pitch 변경이 외관에 미치는 영향 | 같은 카메라, 같은 벽면, v03/v04 비교. |
| Bottom interaction | 사용자가 누르는 하단 lip와 hook 위치 설명 | 손 proxy와 force arrow overlay. |
| Exploded view | 센서 본체, 브래킷, 나사, 벽면 관계 설명 | part tag와 requirement ID 표시. |
7. 최종 decision record
decision_id: BRK-DEC-004
chosen_geometry: bracket_v04
changes:
- screw pitch: 42mm -> 58mm
- lip rib height: 4mm -> 6mm
- boss root fillet: R0.6 -> R1.5
evidence:
- LC-02 displacement expected < 1.5mm after rib update
- LC-03 reaction imbalance reduced in v04 simulation
- Hook/Rib coupon tests scheduled before full v04 print
status: design review candidate, not validation-complete이 케이스의 핵심은 숫자의 정밀도가 아닙니다. 요구사항, 해석, 프로토타입, 렌더 리뷰, 결정 기록이 같은 chain 안에 있어야 한다는 점입니다. 독자가 글을 읽고 “우리 제품에서는 이 표를 어떻게 채우면 되겠다”라고 판단할 수 있어야 합니다.