[제조] 제품개발론_Chapter12. 프로토타입 제작

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1. 프로토타입의 기초

프로토타입(Prototype)이란 무엇인가 ? 

- 산업에 종사하고 있는 설계자들은 그들의 개념을 프로토타입으로 제작한다.
- 엔지니어들은 설계를 프로토타입으로 제작한다.
- 소프트웨어 개발자들은 프로토타입인 프로그램을 작성한다.

프로토타입을 "제품 전체에서 하나 이상의 관심있는 영역을 유사하게 만드는 것" 라고 정의
프로토타입 제작은 제품과 유사하게 만드는 개발 프로세스이다.

프로토타입(Prototype)의 유형 

1. 해석적인 것과 (반대되는) 물리적인 차원

1) 물리적(Physical) 프로토타입 
- 제품에 유사하게 제작된 실제적인 인공물
- 개발팀이 관심을 가지는 제품의 관점을, 테스트와 실험을 위하여 실질적으로 인공물에서 구현하는 것
- 물리적 프로토타입의 예 : 제품과 같은 모양과 느낌을 주는 모델, 즉시 아이디어를 테스트 할 수 있는 개념 확정용 프로토타입, 제품의 기능을 확인하는데 사용할 수 있는 실험적인 하드웨어를 포함

2) 해석적(Analytical) 프로토타입
- 일반적으로 수학적 방법과 같은 실제적이지 않은 생산물을 나타냄
- 제품의 흥미 있는 관점은 만들기보다는 분석됨
- 해석적 프로토타입의 예 : 컴퓨터 시뮬레이션, 스프레드 시트 내에서 코딩된 방정식 시스템, 3차원 컴퓨터 모델

2. 집중적인 것과 (반대되는) 포괄적인 차원

1) 포괄적(Comprehensive) 프로토타입 
- 일반적으로 사용되는 프로토타입이라는 말로, 똑같은 크기에 똑같은 기능을 가지고 있음
- 포괄적 프로토타입의 예 : 제품에 반영되기 이전에 잔존해 있는 임의의 설계 결함을 확인하기 위한 목적으로 사용자에게 제공되고 테스트 되어짐

2) 집중적(Focoused) 프로토타입
- 하나 또는 몇 가지 상품의 특성을 분석하기 위해 사용됨
- 집중적 프로토타입의 예 : 제품의 형태를 보기 위한 거품 모델과 제품 설계의 전기적인 성능을 조사하기 위한 전선으로 감싸여진 회로 보드 등이 포함

프로토타입이 어떤 목적으로 사용되는가 ?

1) 학습(=실험적 프로토타입)

- "제품이 어떤 기능을 할 것인가?"와 "고객의 요구에 어떻게 부응할 것인가?"라는 두 가지 종류의 물음에 답으로 사용될 때 학습도구로서의 구실

2) 의견교환(=알파 프로토타입)

- 여러 종류의 프로토타입들은 고객들에게 가능한 형상을 전달하는 데 사용되었고, 고객들은 공학자와 산업 디자이너들에게 나중에 그들이 선호하는 형상에 대하여 수정된 의견을 줌

3) 통합(=베타 프로토타입)

- 프로토타입은 제품의 구성요소와 하위 시스템이 함께 원하는대로 작용하는지를 확인하는데 사용됨
- 또한 제품 개발팀 내에 있는 여러 부서의 관점을 통합하는데 도움이 됨

4) 마일스톤(=시제품 프로토타입)

- 제품 개발의 후반부에서는 특별히 프로토타입은 제품이 원하는 성능으로 동작한다는 점을 보여주기 위하여 사용
- 명확한 목표를 제공하고 진행 사항을 보여주고 차질 없는 계획의 진행을 제공

 

**프로토타입의 모든 형태가 이러한 목적으로 사용되는 반면에 물리적 프로토타입은 일반적으로 의사 소통을 위해서 최상의 기능을 발휘하고, 포괄적 프로토타입은 통합과 마일스톤 기능으로서 최상의 기능을 발휘함

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2. 프로토타입 제작의 원리

해석적 프로토타입은 일반적으로 물리적 프로토타입보다 더 유연함

- 대부분의 경우 해석적 프로토타입이 물리적 프로토타입보다 변경하기 쉽다기 보다는 물리적 프로토타입으로 만들 수 있는 변경보다는 더 넓은 범위를 가진다는 의미
- 해석적 프로토타입은 실행 가능한 변수의 범위를 좁히는 데 사용되고 그리고 나서 물리적 프로토타입은 미세 조정이나 설계의 확정에 주로 사용됨

물리적 프로토타입은 예기치 못한 현상의 감지가 요구됨

- 이 현상의 주된 이유는 개발팀에서 파악하지 못하였거나 간과한 모든 물리학의 법칙이 물리적 프로토타입을 실험할 때에는 작용하기 때문
- 물리적 프로토타입의 몇몇 부수적인 특성은 최종 산출물에는 주요한 고려사항이 아닐 수 있으나, 실험기간 동안 지속적인 방해물로 작용할 수 있음

프로토타입은 비용 손실이 큰 반복 위험을 줄일 수 있음

- 제품개발 납기와 제조원가에 영향을 미칠 수 있는 위험요소를 절감하기 위해 프로토타입을 통한 지속적인 개선이 필요
- 위험요소 또는 불확실성이 높거나 실패했을 때 소요 예상 비용이 크거나 신기술 혹은 혁신적인 특성을 가지는 제품에서는 이러한 프로토타입 제작과 개선을 통해 많은 이점을 얻을 수 있음
- 반대로 실패 비용이 적고 잘 알려진 기술을 가진 제품에서는 프로토타입 제작으로 얻어지는 위험요소 절감의 이점이 적을 것

포괄적 프로토타입의 사용은 기술적 또는 판매 위험요소, 제작비에 달려있음

 

프로토타입은 프로젝트별 의존성을 변화시킴

- 프로토타입 제작을 통해서 동시에 몇 가지 프로젝트의 완성이 가능함

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3. 프로토타입 제작 기술의 종류

3D 컴퓨터 모델링

이점 
- 설계의 3차원 형태를 쉽게 보여줄 수 있는 기능
- 질량과 부피 같은 물리적인 상태량들을 자동적으로 계산할 수 있는 기능
- 단면도와 같은 현실적으로는 파악이 힘든 임의의 가상적인 표현이 가능한 기능

완전한 제품의 3차원 컴퓨터 모델은 "디지털 목업(Digital Mockup)", "디지털 프로토타입(Digital Prototype)", "가상 프로토타입(Virtual Prototype)"으로 불려지기도 함

Free Form 제작

3차원 컴퓨터 모델로부터 직접 물리적인 대상을 만들어 낼 수 있게 발전하였으며 "3차원 프린터"로 평가됨. 이 기술들을 통칭하여 '급속조형(Rapid prototyping)'라 부르고 있음. 급속조형의 주요한 기술은 한번에 한 단면에 대한 데이터를 이용하여 물질을 쌓거나 선택적인 액체 응고 과정을 통해 적층식으로 제품을 형상화함

Free Form 제작 기술은 과거의 프포토타입 제작 기술보다 더 빠르고 싸게 3차원의 프로토타입을 제작할 수 있게 하여 이를 효율적으로 사용할 경우, 제품개발 시간을 절감하고 제품의 결과를 보다 빠른 시간 내에 도출해 낼 수 있음

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4. 프로토타입 계획하기

프로토타입을 계획하기 위한 4단계의 방법

1단계 : 프로토타입의 목적 정의

- 프로토타입의 4가지 목적인 학습, 의견교환, 통합 그리고 마일스톤을 다시 한 번 기억

2단계 : 프로토타입의 근접 수준 정립

- 프로토타입의 계획 단계에서 최종 완성제품과의 정합성에 대한 분석 및 정의가 필요
- 제작의 필요성과 가장 잘 부합하는 것이 물리적 프로토타입인지 또는 해석적 프로토타입인지를 먼저 결정

3단계 : 개략적 실험 계획

- 실험 계획은 실험 변수의 확정, 테스트 규약, 측정될 부분의 지정, 결과 데이터를 분석하기 위한 계획을 포함
- 많은 변수들이 검토되었을 때에만 효율적인 실험 설계는 훌륭하게 이 과정을 수행할 수 있게 함
- 실제적이고 통계적인 방법만이 이런 실험을 통한 효과를 도출해 낼 수 있음

4단계 : 구매, 제작 그리고 테스트를 위한 스케줄 만들기

- 프로토타입의 제작과 테스트는 전체 개발 계획 내에서 하위 프로젝트로 고려되어질 수 있기 때문에 개발 팀은 프로토타입 제작 일정으로부터 효과를 얻을 수 있음
- 프로토타입 제작 일정을 결정하는 데 중요한 요소 : 부품이 조립된 준비가 되는 날(부품 버켓) 정의, 프로토타입이 처음으로 테스트 될 날(연기 테스트) 정의, 팀은 테스트가 완료되고 마지막 결과가 만들어지기를 희망하는 날을 정의

마일스톤 프로토타입 계획하기

- 알파, 베타, 양산 준비용(Preproduction) 프로토타입 3가지 프로토타입의 사용을 고려
- 알파 프로토타입 : 제품이 의도한대로 작동하는지를 평가하는 데 사용
- 베타 프로토타입 : 신뢰성 평가와 제품에 남아있는 잔류 설계 오류를 확인하는 데 사용
- 양산 준비용 프로토타입 : 전체 생산 공정에서 생산된 최초의 제품(생산 공정의 능력을 검증하는 데 사용되고 광범위한 테스트를 하고, 선호하는 고객들에게 주로 공급)으로 때때로 시제품(Pilot Production Prorotype)이라 불림
- 마일스톤 프로토타입은 제품개발 프로젝트 계획 내에서 정의된다. 그러한 프로토타입의 수와 시점은 전체 개발 계획의 중요한 요소 중의 하나이다.