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[인터뷰]서울과기대 3M4M, 가습기처럼 초음파 압전소자로 ‘절삭유 미스트’ 만들어

입력 : 2020.02.18 18:00

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[첨단 헬로티]


서울과학기술대학교 학생들(안효진, 조소영, 남영수, Axel LEFEBURE)이 기계가공 절삭유 공급 방식에 새로운 아이디어를 제시했다. 직접 실험한 후 실제 사용할 수도 있다는 가능성까지 증명했다. 학생들은 자유롭게 브레인스토밍 하는 과정에서 이번 아이디어가 떠올랐다고 말한다. 


기계가공 시 절삭공구와 공작물에 미스트화(일반 습식 가공 대비 1/5000~1/10000의 극소량의 절삭유를 압축공기와 혼합하여 미스트를 생성) 된 절삭유가 뿌려진다. 미세하게 뿌려지기 때문에 기존보다 절삭유를 덜 사용해도 된다. 이를 ‘MQL(Minimum Quantity Lubrication) 시스템’이라고 한다. 절삭유는 노즐을 통해 분사되며 미스트 상태로 변환되어 챔버에 저장되는데, 이 과정에서 일부 미스트가 액상화 되어 챔버 바닥에 잔류하는 문제가 발생하게 된다. 여기서부터 문제 해결을 위한 브레인스토밍을 시작됐다.


▲(왼쪽부터) 서울과학기술대학교 안효진 학생, 심동하 지도교수, 조소영 학생


이번 아이디어를 구현한 서울과학기술대학교 3M4M팀의 안효진(서울과학기술대학교 4학년), 조소영(서울과학기술대학교 4학년)와 심동하 지도교수에게 자세한 이야기를 들어봤다.


*  3M4M팀은 한국공작기계산업협회에서 개최한 ‘제11회 대학생 창의 아이디어 공모전’에서 MQL 시스템 개선’으로 대상을 수상했다.


Q. 먼저 이번 공작기계 창의 아이디어 공모전 대상 수상에 대한 소감 한 말씀 부탁 드립니다.


안효진 학생(이하 효진) - 같은 학년 친구들과 처음으로 대외활동을 참여하였는데, 어려운 일도 많았고 서투른 점도 많았습니다. 하지만 교수님이 많은 도움과 관심을 주셨고 또 멘토기업인 한성GT의 이창수 차장님을 포함한 많은 임직원 분들께서 많이 지원해 주셨던 덕분에 이번 성과를 냈던 것 같습니다.


조소영 학생(이하 소영) - 이번 ‘MQL(Minimum Quantity Lubrication) 시스템 개선’ 프로젝트를 진행하면서, 지금까지 학부생 위치에서 배웠던 이론들이 실제 활용되는 것을 보고 신기하면서도 큰 보람을 느꼈습니다. 특히 이번 프로젝트를 통해 어떤 문제를 해결하는 데 있어 실무적인 관점을 얻었다는 생각이 듭니다.


▲MQL 시스템 작동 이미지


Q. 이번 수상 기술인 ‘MQL 시스템 개선’에 대해 소개 부탁 드립니다.


효진 - MQL은 최소윤활가공이라는 뜻으로, 습식 공작 가공 과정에서 사용되는 절삭유를 최소화 하는 시스템입니다. 이를 위해 절삭유를 미스트(4~10㎛)로 만들어 공작물에 분사·윤활을 하는데요. 한 시간에 사용하는 절삭유는 40ml 정도로, 친환경적이고 경제적이라는 장점이 있는 시스템입니다.


MQL시스템은 펌프를 이용하여 고압력으로 절삭유 미스트를 만들어 챔버에 보관하고 가공할 때 배관과 노즐을 통해 공작물에 전달합니다. 하지만 MQL 시스템은 한계점이 있는데요. 미스트들이 서로 부딪히고, 챔버 벽에 닿으면서 챔버 안에서 액상화 되어 바닥에 쌓인다는 것입니다.


저희 ‘3M4M’팀이 제시한 방법은 챔버 내에 초음파 압전소자를 장착한다는 것입니다. 초음파 압전소자는 고주파로 진동하는 소자로 액체를 쪼개 미스트로 만들 수 있습니다.


▲초음파 압전소자 기반 MQL 시스템 프로토타입으로 왼쪽은 구동 전, 오른쪽은 구동 중 모습


Q. 설명대로라면 챔버 안에 액상화 돼 쌓여 있는 절삭유를 다시 미스트화 시킬 수 있다는 것인데요. 절삭유를 재활용 할 수 있다는 개념에서 ‘기존 시스템의 개선’이라고 지칭하는 것인가요?


소영 – 챔버 바닥에 절삭유가 쌓이면 리턴 벨브를 통해 절삭유를 오일탱크로 빼내줘야 합니다. 이 과정을 거치는 동안에는 기계 작동을 멈춰야 하는데, 자연히 생산성도 낮아집니다. 특히 리턴 과정에서 챔버 내부 압력(약 5bar)도 빠진다는 것도 문제점 중 하난데, 만약 쌓여있는 절삭유가 다시 미스트화 되면 이런 문제가 해결됩니다.


Q. 이번 아이디어를 실험하고 구현하는 과정에서 어려움이 많았을 거라 생각 듭니다.


효진 – 오일(절삭유)의 경우 일반적인 초음파 압전소자로는 미스트화 시키기 어렵다는 것이 가장 큰 어려움이었습니다. 처음에는 주파수 113㎑의 압전소자로 실험하였는데 물은 문제 없이 미스트화 됐지만 오일은 반응하지 않았습니다. 그래서 주파수 1.7㎒의 압전소자로 실험하였더니 오일도 미스트화 되었습니다. 다만 압전소자가 오일에 완전히 잠기면 미스트화 되지 않는다는 문제도 남아 있는데, 이 부분은 증폭기를 이용해 압전소자의 구동전압을 높이는 방식으로 해결 방향을 잡고 있습니다.


소영 – MQL 시스템은 공작 가공 형태, 재질에 따라 미스트 크기가 다른데, 압전소자를 이용해서도 가공 성질에 맞춰 다른 입자 크기의 미스트를 만들어야 합니다. 이 때문에 주파수별로 여러 회로를 준비해야 했고, 그 때마다 다른 조건 값으로 실험을 해야 했는데, 그 부분이 좀 어려웠습니다.


▲‘제11회 대학생 창의 아이디어 공모전’ 대상 수상 후 기념촬영을 하고 있다. 왼쪽부터 안효진 학생, 조소영 학생, 심동하 교수, 남영수 학생, 악셀 학생


Q. 이번 아이디어를 도출하는 과정에서 다른 아이디어들도 나왔을 거 같은데요.


효진/소영 – 헤파필터요.(웃음)


효진 - 균일한 입자를 만들기 위한 아이디어였는데, 주기적으로 필터를 교체해야 한다는 점에서 실제 적용하기 힘들다는 판단 하에 과감히 버렸습니다. 이 외에도 진동 노즐, 챔버 내부 디자인 교체 등도 아이디어로 나왔어요.


소영 – 잉크젯 원리를 응용한 오일젯 아이디어도 나왔는데요. 오일젯은 정교한 컨트롤이 가능해서 미스트 크기를 조절할 수 있다는 장점이 있는데, 노즐이 막힐 수도 있고, 충분한 양의 오일을 주입하기 힘들다는 것도 문제였고, 무엇보다 실제 현장에 적용하기에는 제약이 많았습니다. 


Q. 앞으로 개선할 부분이 있을 것으로 보입니다. 현재 기술 상황과 향후 개선 일정 등에 대해 한 말씀 바랍니다.


소영 – 이번 공모전에서는 액상화된 절삭유를 다시 미립화 시키는 아이디어에 주력하였기 때문에, 실제 시스템에 적용할 수 있도록 아이디어를 구체화 할 예정입니다.


우선, MQL 시스템의 적절한 미스트 입자 크기는 10㎛ 이하인데, 초음파 구동기를 통해 재미립화된 미스트의 입자크기도 이와 동일해야 시스템이 효율적으로 작동 가능하기 때문에, 초음파 주파수를 조절하며 주파수별 입자크기와 미립화 속도에 대한 추가적인 실험을 진행할 예정입니다


앞으로는 센서와 마이크로프로세서를 이용하여 압전소자가 항상 작동하지 않고 어느 정도 액화된 미스트가 찼을 경우에만 작동하고, 가공 종류에 따라 초음파 주파수를 조절해 미스트 크기를 제어할 수 있도록 시스템을 개선할 예정입니다.


Q. 교수님도 학생들의 이번 성과에 대해 한 말씀 바랍니다.


먼저 짧은 준비기간에도 불구하고 열심히 해서 좋은 성과를 낸 학생들에게 고맙다는 말을 전하고 싶습니다. 특히 멘토기업(한성GT)에서 많은 도움을 주신 덕분에 가능할 수 있었으며, 현업으로 바쁘심에도 항상 열린 마음으로 학생들을 성심껏 지도해 주셨던 멘토 분들께 다시 한번 진심으로 감사를 드립니다.


학생들이 문제 해결 아이디어 도출 -> 설계 -> 프로토타입 제작까지 실제 제품개발과정과 유사한 전 과정을 기업과 함께 진행하면서, 엔지니어에게 요구되는 다양한 실무적 경험과 지식을 얻게 되었고, 저 역시 많은 것들을 배울 수 있었던 소중한 기회가 되었던 것 같습니다.


끝으로 대학생 공작기계 창의 아이디어 공모전의 준비와 운영을 위해 수고해 주신 한국공작기계산업협회 관계자 분들의 노고에 깊이 감사드립니다.

/조상록 기자(mandt@hellot.net)

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