플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

공작기계 구조재료로써 1980~1995년경 사이에 고분자 재료를 조성 재료로 하는 플라스틱 콘크리트의 개발 및 열변형 억제를 위한 콘크리트의 열적 거동연구, 거기에 콘크리트 자체에 대한 상세한 열적·기계적 거동연구 등 콘크리트의 적용에 관한 연구 개발이 활발하게 이루어졌다.

그 후, 열변형 억제를 위한 저선팽창률재료의 개발 및 기계의 정밀성 향상을 위한 진동 고감쇠재료의 개발, 경량·진동 고감쇠화를 위한 FRP와 강복합재의 개발 등이 이루어지고 있다. 한편, 21세기의 제조를 지원하기 위해, 로터스형 포라스금속 등 원하는 하이브리드 특성을 갖는 신소재의 개발이 시작됐다.

그래서 본 개발에서는 원하는 하이브리드 특성을 가진 신소재를 창출하기 위한 소프트웨어 ‘魁(돌격)-사키가케(이하 사키가케)’를 개발, 평가했다. 이 소프트웨어는 콘크리트, 합성물, 소성체, 다공질체를 제작하는 것을 전제로, ①구성재료와 그 중량비의 입력 대비 완성된 신소재의 밀도, 열전도율, 비열, 선팽창률, 탄성률을 계산하고 그 결과를 출력하는 기능과 ②밀도, 열전도율, 비열, 선팽창률, 탄성률 중 복수 특성치에 대해 원하는 값과 그 허용 범위의 입력에 대해, 그 하이브리드 특성을 가진 신소재를 창출하기 위한 구성재료군과 각각의 중량비 후보를 출력하는 기능 두 가지를 가지고 있다. 

이러한 기능은 공작기계의 새로운 초정밀화와 고속화를 위해 신소재 적용을 검토할 때 매우 유용한 도구가 될 것으로 생각된다. 또한 공작 기계의 구조 재료뿐만 아니라 모든 산업제품에 적용이 가능하다. 즉, 소프트웨어 사키가케는 매우 특별한 기능을 갖는 구조체를 세상에 창출할 수 있으며, 세계에 단 하나뿐인 신소재를 창출 할 수 있는 혁신 도구이다.

여기서는, 본 소프트웨어의 중요 부분인 잔골재, 중골재, 굵은 골재, 결합제로 이루어진 콘크리트나 복합 재료의 밀도, 탄성률, 선팽창률, 비열, 열전도율의 계산에 사용하고 있는 모델을 설명한다.

밀도에 관해서는, 식(1) 모델을 사용했다

여기에서 V는 부피비(%), W는 중량비(%), ρ는 밀도(kg/m3), 첨자 s는 잔골재, m은 중골재, g는 굵은 골재, e는 결합제, a는 공기, c는 합성물이다. 

이는 사용하는 구성 재료의 중량비와 그 밀도로부터 부피비를 계산하는 식으로 공기 함유 체적비를 Va로 상정함으로써 완성된 합성물의 밀도를 계산할 수 있다. 또한 본 소프트웨어에서 잔골재, 중골재, 굵은 골재가 최대 충전율를 달성할 수 있도록 잔골재의 부피 : 중골재의 부피 : 굵은 골재의 부피 = 10 : 24 : 60으로 하고 있기 때문에 원하는 밀도를 가진 합성물의 구성 재료와 그 중량비의 계산은 그것을 제작하기 위한 구성 재료의 중량비 Ws, Wm, Wg, We는 식(1)로 계산할 수 있다.

한편 탄성률에 관해서는 식(2)의 모델을 사용했다.

여기에서 Ec는 합성물의 탄성률(㎬), Et는 연속상의 탄성률(㎬), Ed는 불연속상의 탄성률(㎬), Vd는 불연속상의 부피비(%)이다.

이는 입방체형상 연속상의 중심에 입방체형상의 불연속상이 존재하는 복합 모델의 탄성률을 재료 역학적으로 표현한 모델이다. 처음에 결합제를 연속상, 잔골재를 불연속상으로 하고 이 2개의 구성 재료로 구성된 복합 재료의 탄성률을 계산한다.

다음, 이 결합제와 잔골재의 복합 재료를 연속상, 중골재를 불연속상으로 하고 이 세 가지의 구성 재료로 구성된 복합 재료의 탄성률을 계산한다. 같은 계산을 반복함으로써 최종적으로 구성 재료가 균일 분산된 합성물의 탄성률을 계산할 수 있다. 공기가 함유된 경우는 처음 결합제가 연속상, 공기가 불연속상의 경우를 계산을 한다. 그 때 공기의 탄성률로 매우 작은 값(1×10-6(㎬)정도)을 설정한다. 원하는 탄성률을 가진 합성물의 구성 재료와 그 중량비 계산도 밀도와 마찬가지로 잔골재의 부피 : 중골재의 부피 : 굵은 골재의 부피 = 10 : 24 : 60 으로 하고, 데이터베이스 내에 있는 모든 재료의 조합에 탄성률을 계산한 뒤, 원하는 탄성률을 기준으로 서열, 표시가 가능하게 된다.

선팽창률에 관해서는, 식(3) 모델을 사용했다.

여기에서 αc는 합성물의 선팽창률(1/K), αt는 연속상의 선팽창률(1/K), αd는 불연속상의 선팽창률(1/K), Y는 Et/Ed(Et는 연속상의 탄성률(㎬), Ed는 불연속상의 탄성률(㎬)), Vd는 불연속상의 부피비(%)이다. 

이는 탄성률과 비슷한 형상의 모델로 합성물 내의 온도 상승에 따른 열응력, 열변형을 고려하고 구축한 계산 모델이다. 계산은, 탄성률의 경우와 같은 수법으로 실시한다.

비열에 관해서는 식(4) 모델을 사용했다.

여기에서 C는 비열 (kJ/(㎏·K)), W는 중량비(%), 첨자 s는 잔골재, m은 중골재, g는 굵은 골재, e는 결합제, a는 공기, c는 혼합이다. 

비열은 열용량만 고려한 계산 모델로써 사용하는 구성 재료의 중량비와 합성물의 비열을 계산할 수 있다. 여기에서도 잔골재의 부피 : 중골재의 부피 : 굵은 골재의 부피 = 10 : 24 : 60 으로 가정함으로써 데이터베이스 내에 있는 모든 재료의 조합에 대한 비열을 계산할 수 있다.

열전도율에 관해서는 식(5)모델을 사용했다.

여기에서 λc는 합성물의 열전도율(W/(m·K)), λt는 연속상의 열전도율(W/(m·K)), λd는 불연속상의 열전도율(W/(m·K)), K는 λd/λc, Vd는 불연속상의 부피비(%)이다. 

이는 Russell의 계산 모델을 사용한 것으로 30종류의 열전도율 모델 중에서 합성물의 열전도 계산 정밀도가 높아 본 개발에서는 이 계산 모델을 선택했다. 계산은, 탄성률의 경우와 같은 수법으로 실시한다.

이상의 5가지 계산 모델은 250개 이상의 모델 중에서 실험을 통해 엄선된 계산 모델이며, 또한 소프트웨어 내에서는 계산 결과의 오차 원인이 되는 공기(기포)도 고려하여 처리하고 있다.

평가 실험을 위해 실제 향후 공작기계 구조재료로 요구되는 데이터값을 표1에 표시했으며,  일본공작기계공업연합회의 ‘2010년 공작기계의 새로운 구조재료에 관한 연구 개발 보고서’의 9개 사, 23기종, 64개 부품의 설문조사결과를 사용했다

한편 표2에서는 사키가케 의 계산 출력결과를 정리했다. 

요구값은  ±5% 이내로 보다 정밀한 순의 출력 결과가 각각 표시됐으며, 계산 시간은 약 2분 정도이다(사용 PC성능 - OS : Windows XP, CPU : Intel(R)Core2 Duo2.4GHz, 메모리 : 2GB). 

설계자는 이 중, 여러 조건을 감안해 최적의 조합을 선택할 수 있다.

그림1과 같이 계산 결과와 실험 결과를 비교하였는데, 실험 결과에 대해서 밀도 1%, 비열 1%, 열전도율 4%, 선팽창률 -4%, 탄성률 7%의 오차가 있었다. 본 소프트웨어에서는 계산 결과의 오차 원인이 되는 공기(기포)에 대한 고려와 처리를 실시하고 있지만, 이 계산 정밀도는 공기의 형상, 크기, 배열의 차이에 의한 영향이 포함된 것으로 보인다.

또한 사키가케의 데이터베이스에 새로운 자료를 등록함으로써 한층 더 고정밀화, 원형화가 쉽게 가능하다.

적용의 일례로서 먼저 사진1과 같은 소성 알루미나 마그네슘 · 에폭시수지로 된 혼합제 공구대를 만들고, Shaving-Chip으로 원통 둘레를 선삭하고 가공면의 표면 거칠기를 비교해 그 효과를 평가했다. Shaving-Chip은 노즈 반경이 매우 크며(본 실험에서는 300㎜), 고품질의 가공 면을 얻을 수 있는 것이 특징이다. 그러나 반면에 공구의 절삭 폭이 커지면서 떨림 진동이 발생한다는 결점도 있다. 그렇기에 이 합성물은 감쇠비가 큰 재료를 사키가케의 데이터베이스에 입력하고 고강성·저밀도의 신소재를 탐색한 것이다.

표3은 절삭 조건, 그림2는 표면조도를 측정한 결과를 나타낸다. 기존의 강철공구대로 선삭 가공한 경우 공작물 표면조도가 Ra=2.16㎛ 정도였던 반면 혼합제 공구대에서는 이송속도가 F=0.05㎜/rev와 0.08㎜/rev로 어느 쪽이든 Ra=1.6㎛ 보다 작게 할 수 있어 매우 고품질의 표면조도를 얻었다.

표3. 평가실험(선삭)의 가공조건

사진2는 궁극의 데모로써 3차원 경사기능 구조재료이다.

이것은 3차원 방향에 경사적으로 물성치가 변화하는 복합물로, 모든 물성치가 세상에 존재하지 않는 값을 가진 신소재 군이며, 바로 세상에 단 하나뿐인 신소재인 것이다.

향후 물성치 추산기능을 FRP까지 확장하기 위한 연구를 계획하고 있으며, 연구와는 별개의 취미로 태양빛에 닿으면 열변형되어, 해바라기처럼 태양을 쫓는 자유의 여신상 형태의 데모를 제작하고 싶다. 

또한 혁신지원차원에서 기능성 도료의 특성 향상을 위한 최적의 혼합 계산 툴 개발을 생각하고 있다. 

아울러 많은 사람들이 사키가케를 이용해 세상에 단 하나뿐인 신상품을 개발할 수 있기를 기대한다.