컴퓨터 지원 설계

3. CAD의 종류

CAD 시스템에는 여러 종류가 있으며, 사용자는 각 시스템의 특징에 따라 다르게 생각하고 가상 요소를 설계해야 한다.

• 2D 시스템:
• 저가형 2D 시스템 제조사가 많으며, 자유 및 오픈 소스 프로그램도 다수 포함되어 있다.
• 수작업 제도와 달리 도면 크기와 배치를 쉽게 조정할 수 있다.
• 3D 와이어프레임:
• 2D 제도의 확장으로, 최종 제품에 질량 특성이 없고, 구멍과 같은 기능을 직접 추가할 수 없다.
• 사용자는 2D 시스템과 유사한 방식으로 접근하지만, 많은 3D 시스템에서 와이어프레임 모델을 사용하여 최종 공학 도면 뷰를 만들 수 있다.
• 3D "솔리드 모델":
• 실제 객체 생성과 유사하게 생성된다.
• 객체와 기능은 생성 이후 "물질" 추가, 감소, 삭제, 수정 등을 통해 변경할 수 있다.
• 도면 뷰는 모델에서 쉽게 생성할 수 있다.
• 요소 이동, 움직임 제한, 간섭 확인 도구는 일반적으로 포함되지 않는다.
• 3D 매개변수 공간 모델링:
• 사용자는 "디자인 의도"를 사용하여 객체와 기능을 조정 가능하게 생성한다.
• 수정은 원본 부품 생성 방식을 변경하여 수행할 수 있다.
• 사용자는 기능에 따라 부품을 설계하여 기하학적, 기능적 관계를 유지하며 부품을 변경할 수 있다.
• 제도 뷰는 모델에서 쉽게 생성할 수 있다.
• 요소 이동 표현, 제한 설정, 간섭 식별 도구를 일반적으로 통합한다.
• 3D 배관, 주입 모형 설계 등 다양한 도구 키트가 제공된다.
• 중간급 소프트웨어:
• 매개변수 공간을 더 쉽게 통합하고, 직관적인 기능(스케치업)을 통합하거나, 매개변수 특징(벡터웍스)을 가진 3D 솔리드 모델로 두 가지 장점을 모두 제공하거나, 비교적 적은 단계(시네마4D)로 매우 사실적인 뷰 화면을 만든다.
• 최고급 시스템:
• 유기적, 미학적, 인체공학적 특징을 설계에 통합하는 기능을 제공한다.
• 자유 형상 표면 모델링은 종종 솔리드와 결합하여 인체 형태, 시각적 요구, 기계 인터페이스에 적합한 제품 설계를 지원한다.

• 기계공학용 CAD(메카CAD)
• 건축학용 CAD
• 건축설비용 CAD
• 토목공학용 CAD
• 전기공학용 CAD(회로 설계용 CAD, 기판용 CAD)
• 반도체 분야 - 반도체 회로 설계 분야에서는 단순한 형상 설계에 그치지 않고 EDA라고 부르는 경우가 많다. 반도체 제조 분야에서는 TCAD라는 용어가 있지만, 이 T는 기술을 의미하며, CAD라기보다는 다른 분야의 CAE 범위에 가깝다.
• 기타, 열 해석용, 전자기파 해석용 등의 전용 CAD가 있다.
• 패션 디자인, 배관, 교량 등의 분야에도 전용 CAD가 있다.

전기 CAD는 기계 CAD와 연동되는 것이 증가하고 있으며, Autodesk Inventor와 연동이 가능한 AutoCAD Electrical,^[96] Fusion 360에 내장된 Electronics Design 기능 (인수한 EAGLE^영어 통합)^[97][98], SolidWorks와 연동이 가능한 SolidWorks Electrical, Solid Edge 애드온인 Solid Edge Wiring & Harness Design (인수한 멘터 그래픽스의 "Capital" 통합^[99]) 및 Solid Edge PCB Design^[99] 등이 있다.

건축 분야에서는 건물이나 구조물 등 건축물의 입체를 평면도, 입면도, 단면도 또는 투시도 등의 도면으로 표현하여, 그것을 통해 건축물을 제작 즉 시공하게 된다. 기술자의 전문 영역에 따라, 디자인, 구조, 설비 등의 도면군이 존재하며, 이러한 도면을 작성하는 소프트웨어를 건축 CAD라고 부른다. 도면은 설계 행위의 결과물이지만, 건축 CAD의 수준 또한 단순히 제도만 하는 수준부터 보다 전문적인 검토, 해석, 시뮬레이션 등을 포함한 고도의 수준까지 존재하게 된다.

기본 기능은 기계용 CAD와 유사하지만, 건축 분야에 필요한 기능을 추가하고 있다. Jw_cad, VectorWorks,^[100] 오토캐드,^[101] DRA-CAD 등이 일본 건축 분야에서 많이 사용되고 있다.

Jw_cad가 순수한 2차원 CAD인 반면, VectorWorks, AutoCAD, DRA-CAD는 3차원 모델을 생성하는 모델링 기능을 탑재하고 있다.

도입 비용이 저렴하여 손쉽게 사용할 수 있는 반면, 레이어나 선종 등의 도면 규칙을 사용자 개인, 기업 또는 프로젝트별로 자유롭게 결정할 수 있기 때문에, 후술하는 BIM에서 볼 수 있는 것과 같이 건설의 라이프사이클이나 사회 자본으로서의 도면 데이터의 일원화 및 재활용에 대응할 수 없어 결과적으로 전체적인 효율성과 생산성이 낮다.

최근 BIM(Building Information Modeling)이라는 개념이 등장하여 3차원 모델을 건축물의 설계, 공정, 라이프사이클 전반에 걸쳐 활용하는 노력이 여러 국가에서 시작되고 있다.^{[102][103][104][105]} 네메체크 벡터웍스사의 Vectorworks Architect, 벤틀리사의 AECOsim (구 Bentley Architecture), 오토데스크사의 Revit,^[106] 그라피소프트사의 ArchiCAD 등이 대표적이며,^[107][108] 일본 건축 법규에 최적화된 것으로는 후쿠이 컴퓨터 아키텍트사의 GLOOBE가 있다.

BIM은 IFC라는 파일 형식을 지원하며, 설계, 구조, 설비, 견적, 시공, 유지 관리에 대한 데이터를 포괄함으로써 건설업계 소프트웨어 및 애플리케이션 간의 데이터 공유 및 상호 운용을 가능하게 한다.

국토교통성은 2010년도에 관청 영선 사업에 BIM을 시험적으로 도입하여 설계, 시공부터 유지 관리에 이르는 과정에서 일관되게 BIM을 활용하여 “시설 정비·보전에 관한 행정 비용 절감, 관청 시설의 품질 확보 및 관청 시설에서의 고객 만족도 향상”을 목표로 하는 노력을 시작하였다.^{[109][110][111][112]}

일본의 주택이나 비교적 저층 건물에 특화된 것으로, 시판되는 메이커 건축자재의 가격 및 사양 정보까지 모델 내에 포함하여 설계도부터 구조계산, 견적까지 작성하는 제품이 있다. 기본적으로 방 이름에 높이와 마감 사양을 등록한 데이터베이스와 3차원 모델 및 2차원 평면도·상세도·단면도 등이 패키지화된 문틀·건축자재·주택설비·가구·부품 등의 데이터베이스로 구성되며, 눈금종이를 본뜬 화면(평면도)에 방이나 문틀·부품을 퍼즐처럼 배치하는 조작을 채택하고 있다. 이에 따라 작업의 단순화를 실현하고 있다.

BIM이 모델 내의 객체 자체에 표준화된 정보(사양)를 포함하고 라이프사이클에서 데이터의 재사용을 보장하는 데 반해, 건축 3차원 CAD는 정보(사양)가 각 제품 내에서 보유하고 있으므로 제품별 또는 라이프사이클에서의 데이터 재사용은 일부 정보에 한정되어 있다.

이러한 특성의 차이로 인해 BIM이 비교적 자유로운 모델링을 가능하게 하는 데 반해, 건축 3차원 CAD는 작업의 단순화와의 트레이드오프로 정형적인 모델링에 한정되며, 디자인상의 제약이 많다.

대부분의 제품은 평면도와 3차원 모델(퍼스)에 대해 상호 연동하고 있지만, 일단 입면도나 규격도 등으로 변환해 버리면 설계 변경으로 각 도면에서 재편집을 해도 원래의 3차원 모델에는 반영되지 않는다. 이는 3차원 모델에서 2차원 도면으로 변환될 때 벡터 데이터로 처리되어 원래의 3차원 데이터와의 링크가 끊어지기 때문이다. 이러한 제품을 사용하는 경우, 도면별 「일치성」 검사는 종래의 Jw_cad 등 2차원 CAD와 동등한 생산성(육안에 의한 확인)으로 떨어지게 된다. 2022년 현재, 이 문제를 회피(3차원 모델과 2차원 데이터의 상호 연동)하는 데 대응하고 있는 것은, 후쿠이 컴퓨터 아키텍트사의 ARCHITREND ZERO가 있다.

일반적으로 건축용 CAD는 건축 디자인 도면을 작성하기 위한 CAD를 가리키지만, 건축설비(MEP)라는 전문 분야에 특화된 전용 CAD도 많이 존재한다. 기본 기능으로는 부재 기호와 배관·배선을 표시하는 선종이 표준 등록되어 있으며, 배치·경로 변경 등을 용이하게 할 수 있는 등 다양한 기능을 갖추고 있다. 국내에서 압도적인 시장 점유율을 자랑하는 CADWe'll CAPE, 후속 버전인 CADWe'll Tfas(다이텍)가 유명하다. 그 외에 CADEWA Real^[113][114] / CRAFT-CAD(사전공), Rebro(주식회사 NYK시스템즈), DesignDraft(주식회사 시스프로), FILDER_PLUS / FILDER Rise(다이킨공업), BrainGear(주식회사 지오플랜), EQ-II(주식회사 마이티넷), POWERSP(주식회사 코모다공업), CustomARCH / i/Draft(주식회사 라이트플래닝), SD-7 등이 있다. 도면 종류에 따라 시장 점유율이 다르며, 공조·급배수(위생), 전기 설비 시공도에서는 위에서 언급한 CADWe'll CAPE/Tfas가, 설계도에서는 AutoCAD^[101]가 주류를 이루고 있다. 또한 2009년 전후부터 BIM에 주목이 집중되면서 건축용 CAD(디자인, 구조)에 더해 설비용 CAD에도 BIM 대응이 요구되고 있다.

4. CAD의 활용 분야

캐드는 다양한 산업 분야에서 활용되며, 설계 과정을 효율적으로 만들어준다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

• '''기계 공학(MCAD):''' 자동차, 항공기, 소비재, 기계류 등의 설계에 사용된다.
• '''건축 공학 및 건설(AEC):''' 건축, 빌딩 공학, 토목 공학, 건설 분야에서 활용된다.
• '''전자 설계 자동화(EDA):''' 전자 및 전기(ECAD), 디지털 회로 설계에 사용된다.
• '''제조 공정 계획'''
• '''산업 디자인'''
• '''의류 및 섬유 CAD:''' 패션 디자인 분야에서 활용된다.
• '''정원 디자인'''
• '''군사 분야:''' 항공기, 총기, 요트, 선박(상선) 설계에 사용된다.

최근에는 BIM 개념이 등장하여 건축물의 설계, 공정, 라이프사이클 전반에 걸쳐 3차원 모델을 활용하는 노력이 이루어지고 있다.^{[102][103][104][105]} 국토교통성은 2010년부터 관청 영선 사업에 BIM을 시범 도입하여 행정 비용 절감, 시설 품질 확보, 고객 만족도 향상을 목표로 하고 있다.^{[109][110][111][112]}

5. CAD 소프트웨어

CAD 시장은 다양한 소프트웨어 제품이 경쟁하는 역동적인 산업이며, 여러 회사가 인수되거나 합병되면서 지속적으로 변화하고 있다. 현재 시장의 절반 이상은 오토데스크, [http://www.3ds.com/ 다쏘 시스템즈], 파라메트릭 테크날러지, Siemens PLM software와 같은 주요 상품 수명 주기 관리(PLM) 회사들이 점유하고 있지만, 소규모 사용자 기반이나 틈새 영역을 위한 다양한 CAD 패키지도 존재한다. 또한, 자유 및 오픈 소스 CAD 소프트웨어 목록도 참고할 수 있다.

CAD 소프트웨어 패키지는 크게 세 가지 형태로 분류할 수 있다.

• 2D 제도 시스템: 오토캐드, 지더블유캐드, 캐디안, 마이크로스테이션 등
• 중간급 3D 공간 기능 모델러: 인벤터, 솔리드웍스, 솔리드에지, ZW3D, 알리브레 디자인, 베리캐드 등
• 최고급^[141] 3D 다중 시스템: 크레오(Pro-e), 카티아, NX (유니그래픽스) 등

• ABViewer
• AC3D
• 알리브레 디자인(Alibre Design)
• 아키캐드(ArchiCAD) (그래피소프트(Graphisoft))
• 오토캐드(AutoCAD) (오토데스크(Autodesk))
• 오토턴(AutoTURN)
• 액스트림(AxSTREAM)
• 브릭스캐드(BricsCAD)
• 카티아(CATIA) (다쏘시스템(Dassault Systèmes))
• 코발트(Cobalt (CAD program))
• 코렐캐드(CorelCAD)
• 이글(EAGLE (program))
• 퓨전 360(Fusion 360) (오토데스크(Autodesk))
• 인텔리캐드(IntelliCAD)
• 인벤터(Inventor) (오토데스크(Autodesk))
• 아이언캐드(IRONCAD)
• 키크리에이터(KeyCreator) (Kubotek)
• 랜드스케이프 익스프레스(Landscape Express)
• 메두사4(MEDUSA4)
• 마이크로스테이션(MicroStation) (벤트리 시스템즈(Bentley Systems))
• 모델러(Modelur) (AgiliCity)
• 온셰이프(Onshape) (PTC)
• NX (지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(Siemens Digital Industries Software))
• PTC 크레오(PTC Creo) (프로/엔지니어(Pro/ENGINEER)의 후속) (PTC)
• 펀치캐드(PunchCAD)
• 레모 3D(Remo 3D)
• 레빗(Revit) (오토데스크(Autodesk))
• 라이노세러스 3D(Rhinoceros 3D)
• 스케치업(SketchUp)
• 솔리드 엣지(Solid Edge) (지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(Siemens Digital Industries Software))
• 솔리드웍스(SOLIDWORKS) (다쏘시스템(Dassault Systèmes))
• 스페이스클레임(SpaceClaim)
• 티플렉스 캐드(T-FLEX CAD)
• 트랜슬레이트캐드(TranslateCAD)
• 터보캐드(TurboCAD)
• 벡터웍스(Vectorworks) (네메체크(Nemetschek))

• BRL-CAD
• FreeCAD
• LibreCAD
• LeoCAD
• OpenSCAD
• QCAD
• Salome (software)
• SolveSpace
• BricsCAD Shape
• 티핀캐드(TiffinCAD)
• 팅커캐드(Tinkercad) (오토데스크 123D의 후속)

6. CAD의 활용 능력

현대 캐드 시스템은 다음과 같은 다양한 활용 능력을 제공한다.^[12]

• 와이어프레임 기하학 생성
• 3D 솔리드 모델링 (방정식 기반 모델링)
• 자유형 표면 모델링
• 조립 자동화 설계 (부품 및 조립 조합)
• 솔리드 모델로부터 엔지니어링 드로잉 생성
• 설계 요소 재사용
• 모델 및 제품 버전 설계 수정 용이
• 설계 표준 요소 자동 생성
• 특징 및 설계 규칙에 대한 설계 검증
• 물리적 초기 버전 제작 없는 설계 시뮬레이션
• 제조 드로잉, 제품 제조 필요 재료표 등 공학 문서 출력
• DXF 파일 등 아스키(ASCII) 형식 데이터 교환을 위한 가져오기/내보내기 루틴
• 제조 시설에 직접 설계 데이터 출력
• 급속 초기버전 및 산업용 초기 버전 위한 급속 제조 기계에 직접 출력
• 부속 및 조립 라이브러리 유지
• 부속 및 조립 질량 속성 계산
• 그림자, 회전, 숨겨진 선 제거 등 시각화 지원
• 양방향 방정식 연계 (기능 수정 시 관련 정보 자동 반영)
• 운동학, 조립 간섭 및 여유 검사
• 평면 금속
• 호스 및 케이블 배선
• 전기 구성 패키지
• 제어 및 요구 모델 속성 관련 프로그래밍 코드 포함
• 프로그램 설계 공부 및 최적화
• 제도, 곡선, 연속 곡선 등 정교한 비주얼 분석 배선

• 매개변수 모델링: 사용자가 "설계 의도"를 사용하며, 객체와 특징은 수정 가능하게 생성된다.
• 직접 또는 명시적 모델링: 이력 트리 없이 형상을 편집할 수 있다.
• 어셈블리 모델링: 단일 부품 모델링 결과를 여러 부품을 포함하는 최종 제품에 통합하는 프로세스이다.

7. CAD의 사회적 영향

컴퓨터 지원 설계(CAD) 시스템은 1960년대 중반 IBM 도면 시스템부터 시작하여 단순한 전자 도면을 넘어, 자재명세서 자동 생성, 집적회로 자동 배치, 간섭 검사 등 다양한 기능을 제공하며 기업에 도입되기 시작했다.^[11] CAD는 설계자가 공학 계산을 수행할 수 있도록 지원했으며, 제도사, 설계자, 엔지니어의 역할을 통합하는 등 공학 산업에 혁신을 가져왔다.^[11] 이는 컴퓨터가 산업 전반에 미친 광범위한 영향의 한 예시이다.

현재 CAD 소프트웨어는 2D 벡터 그래픽 도면부터 3D 솔리드 모델링 및 프리폼 표면 모델링까지 다양하며, 3차원 회전을 통해 설계된 객체를 다양한 각도에서 볼 수 있게 한다.^[11] 일부 CAD 소프트웨어는 동적 수학적 모델링도 지원한다.^[11]

CAD 기술은 공구 및 기계 설계, 모든 유형의 건물 설계에 사용된다.^[12] 또한 물리적 구성 요소의 상세 설계뿐만 아니라, 개념 설계, 레이아웃, 조립품 분석, 제조 방법 정의 등 엔지니어링 프로세스 전반에 걸쳐 활용된다. 보석, 가구, 가전제품 등의 설계에도 사용되며, 고급 렌더링 및 애니메이션 기능을 통해 제품 설계를 시각화하는 데 도움을 준다. 4D BIM은 프로젝트 관리에 시간 및 일정 관련 정보를 통합하는 가상 건설 엔지니어링 시뮬레이션의 한 종류이다.

CAD는 컴퓨터 지원 기술 중 하나로, 제품 개발 비용 절감 및 설계 주기 단축 등의 이점을 제공한다. 설계자는 CAD를 통해 작업을 화면에 배치, 개발, 출력, 저장하여 도면 시간을 절약할 수 있다.

8. CAD 관련 기술

CAD는 제품 수명 주기 관리(PLM) 프로세스의 한 부분으로, 다음과 같은 다른 도구들과 함께 사용된다.

• 컴퓨터 지원 제조(CAM): 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계를 제어하는 데 사용된다.^[7]
• 컴퓨터 지원 공학(CAE): 유한 요소 해석(FEA) 등을 포함한다.
• 사실적인 렌더링 및 모션 시뮬레이션
• 제품 데이터 관리(PDM): 문서 관리 및 개정 관리에 사용된다.

9. CAD 데이터 포맷

• DWG: AutoCAD의 기본 파일 형식이다.
• DXF: CAD 데이터 교환을 위한 표준 파일 형식이다. 많은 소프트웨어에서 좌표 값을 주고받을 수 있다.
• STEP: ISO 10303 표준에 따른 3D CAD 데이터 교환 형식이다.
• IGES: 초기 CAD 시스템 간 데이터 교환을 위한 형식이다.
• STL: 3D 프린팅에 사용되는 파일 형식이다.
• IFC: BIM 데이터 교환을 위한 표준 파일 형식이다.
• DWF
• JAMA
• SIMA
• SXF(SFC, P21)

10. CAD 관련 자격증 (한국)

• CAD 활용 기술자 시험 - (사)컴퓨터소프트웨어협회에서 시행하는 인증 시험이다. 기초, 1~2급이 있다.
• 건축 CAD 검정 - 일반사단법인 전국건축CAD연맹 주최 시험이다. 준1급~4급이 있으며, 건축 도면 트레이스에 한정하여 실기만 시행한다.
• 기계·플랜트 제도 기능사 - 후생노동성 인정 국가자격이다.

참조

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