3.1 스탠션 특성 및 관련 규정
한국산업표준(KS V ISO 15085)에 따르면 소형선박의 선외 추락을 방지하기 위한 안전 장치를 규정하고 았다. 규정된 안전 장치 중 하나인 가드레일의 경우, Table 2와 같이 높이에 따른 요건을 만족해야 하며 이는 낮은 위치 및 높은 위치의 가드레일에 관한 공통 요건(10장) 및 강도 요건(11장), 가드레일 특별 요건(12장)을 고려해야 한다.
Table 2
List of safety equipment for boats
Safety equipment |
Chapter |
The guardrail in low position (h≥450 mm) |
10, 11 |
The guardrail in high position(h≥600 mm) |
11, 12 |
|
본 연구에서는 가드레일을 지지하는 고정 구조물인 스탠션을 대상으로 지속가능 설계를 수행하였으며, 스탠션 제품 설계 시 높은 위치의 가드레일 요건을 고려한 600 mm 이상의 길이 제원을 반영하였다. 이어지는 3.2절에서는 KS(2018) 12장에서 제시하는 스탠션(지지대) 강도요건을 반영하여 구조해석을 수행하였다.
기존 제품의 경우 배관용 파이프, 해안지역 설비에 사용되는 316 스테인리스강(stainless steel)을 주 재료로 하며, 국내에서 제작되는 제품의 경우 통상적으로 파이프 형태로 선체 건조단계에서 함께 제작되며, 단가 문제로 인한 저렴한 기능 위주 제품인 반면에 유럽 및 북미의 경우 사용자의 니즈를 반영한 다양한 디자인의 제품이 제작되고 있다.
이에 본 연구에서는 수출형 스탠션 개발을 목표로 유럽에서 판매되고 있는 기존 상용 제품 분석을 통해 적층가공 기법을 적용하여 실용성 위주 디자인(Table 31))의 한계를 극복하고 적층 가공이 가능한 형태 및 소재로 구성된 제품 개선을 수행하였다(Table 32),3),4)).
Table 3
Case of design for additive manufacturing
Commercial products - Design A1) |
DfAM case - Design B2) |
DfAM case - Design C3) |
DfAM case - Design D4) |
3.2 적층가공 고려 설계 및 제작
다음 Table 4는 기존 상용 제품을 토대로 설계한 Design A를 기준으로 적층가공을 고려한 설계를 반영한 Design B, C, D 설계 모델을 대상으로 구조해석을 수행한 결과이며, 이를 위해 마이다스아이티社의 무요소 해석 소프트웨어인 MeshFree를 사용하였다.
Table 4
Design and analysis considering additive manufacturing
Assembly/Parts |
Material |
Mass
(g) |
Volume
(mm3) |
Maximum displacement(mm) |
Maximum stress(N/mm2) |
280 N |
560 N |
280 N |
560 N |
Design A1) |
AISI 316L |
1,569.26 |
195,497.88 |
3.5 |
7.0 |
125.1 |
250.3 |
Pillar |
AISI 316L |
908.13 |
113,134.01 |
3.5 |
7.0 |
125.1 |
250.3 |
Base |
AISI 316L |
661.13 |
82,363.87 |
0.1 |
0.1 |
108.9 |
217.9 |
Design B2) |
ABS-M30 |
257.28 |
249,933.62 |
276.4 |
552.9 |
117.8 |
235.6 |
Pillar |
ABS-M30 |
122.13 |
117,435.47 |
276.4 |
552.9 |
117.8 |
235.6 |
Base |
ABS-M30 |
135.15 |
132,498.16 |
0.6 |
1.2 |
113.2 |
226.4 |
Design C3) |
ABS-M30 |
355.82 |
348,844.05 |
131.8 |
263.6 |
62.6 |
125.1 |
Pillar |
ABS-M30 |
220.67 |
216,345.89 |
131.8 |
263.6 |
46.8 |
93.6 |
Base |
ABS-M30 |
135.15 |
132,498.16 |
0.5 |
1.1 |
62.6 |
125.1 |
Design D4) |
- |
1,295.37 |
467,107.78 |
6.5 |
13.0 |
118.8 |
237.6 |
Pillar(top) |
ABS-M30 |
104.27 |
102,225.28 |
6.5 |
13.0 |
5.7 |
11.4 |
Pillar(btm.) |
ABS-M30 |
68.18 |
668,44.69 |
1.7 |
3.4 |
3.3 |
6.7 |
Connection |
ABS-M30 |
2.74 |
2,690.61 |
1.7 |
3.4 |
0.5 |
0.9 |
Base |
ABS-M30 |
182.04 |
178,475.22 |
0.3 |
0.6 |
4.0 |
7.9 |
Stiffener(top) |
AISI 316L |
199.05 |
24,797.39 |
5.5 |
11.1 |
118.8 |
237.6 |
Stiffener(mid.) |
AISI 316L |
246.74 |
30,738.37 |
3.7 |
7.4 |
81.5 |
162.9 |
Stiffener(btm.) |
AISI 316L |
492.35 |
61,336.22 |
1.9 |
3.7 |
117.7 |
235.4 |
(1) Von-mises results of design A by load 560 N |
(2) Von-mises results of design B by load 560 N |
(3) Von-mises results of design C by load 560 N |
(4) Von-mises results of design D(half-width) by load 560 N |
재료 물성치 적용을 위해 316 스테인리스강(AISI 316L) 및 적층가공 플라스틱(ABS-M30) 물성치 데이터를 활용하였으며, 스탠션의 볼트 체결위치에 해당되는 베이스(base) 하부에 구속조건을 적용하였다. 하중 조건의 경우 선외 방향에 수직하게 작용하는 수평력에 대응하는 능력이 있어야 함에 따라 가드레일과 만나는 스탠션 기둥(pillar) 최상부에 하중을 적용하였으며, 다음과 같이 KS (2018)의 12장 2절에서 요구하는 스탠션(지지대) 강도요건 기준과 비교를 통해 안전성 검토를 수행하였다.
- (1) 280 N 수평력 받을 시 변형률 50 mm 이하일 것
- (2) 560 N 수평력 받을 시 파손이 없을 것
Design A(Table 41))는 배관용 파이프, 해안지역 시설 등에 사용되는 316 스테인리스강을 주 재료로 하는 파이프 형태의 형상적 특징을 가진다. 해석결과의 경우, 280 N 수평력을 받을 시 변형률은 최대 3.5 mm 로 변형률 50 mm 이하 조건을 만족하며, 560 N 수평력을 가할 시 최대 응력 약 250 N/mm2 이 발생하며, 이는 스테인리스강의 인장강도 480 N/mm2 대비 파손이 발생하지 않아 강도요건에 모두 적합함을 확인할 수 있다.
Design B(Table 42))의 경우, 위상최적화를 통한 베이스 형상 개선으로 인해 A 대비 약 24.8 %(195,497.88 → 249,933.62 mm3) 부피가 증가하였으며, 적층가공 적용 가능성을 확인하고자 플라스틱(ABS-M30) 소재를 적용하여 해석을 수행하였다. 구조 해석결과, 280 N 수평력을 받을 시 최대 변형률이 276.4 mm 로 기둥부 변형이 크게 발생하였으며, 560 N 수평력을 받을 시 플라스틱(ABS-M30)의 인장강도 26 N/mm2 대비 파손이 크게 발생(최대 응력: 235.6 N/mm2)하여 스탠션 강도요건은 부적합함을 확인하였다.
본 연구에서는 수출형 스탠션 개발을 목표함에 따라 유럽에서 판매되고 있는 제품 분석을 수행하였다. Design C(Table 43))의 경우 사용자 니즈를 반영한 디자인적 요소를 고려함에 따라 기존 원통형에서 아치형으로 윗기둥에 디자인적인 특징을 반영하였으며, 플라스틱 소재에 따른 강도요건을 개선하기 위해 내부를 채워 보강하였다. 이에 따른 해석결과는 280 N 수평력을 받을 시 최대 변형률이 131.8 mm 로 기둥부가 변형 되었으며, 560 N 수평력을 받을 시 베이스에 파손(최대 응력: 125.1 N/mm2)이 발생하였다. 스탠션 강도요건은 부적합하나 Design B 대비 개선된 결과를 확인하였다.
적층가공 플라스틱 소재만으로는 강도요건 개선이 어려움을 확인함에 따라 Design D(Table 44))의 외부 파트는 플라스틱(ABS-M30), 내부 보강재 파트는 316 스테인리스강을 적용하여 설계를 개선하였다. 해석결과의 경우, 280 N 수평력을 받을 시 최대 변위는 6.5 mm 로 변형률 조건을 만족한다. 560 N 수평력을 받을 시 보강재에서 큰 응력이 발생하는 것을 확인하였으며, 최대 응력은 237.6 N/mm2 으로 이는 스테인리스강의 인장강도 대비 파손이 발생하지 않음을 확인하였으며, Design C 대비 개선된 결과를 확인하였다.
결과적으로 개선된 Design D 설계안과 기존 상용 제품을 고려한 Design A 설계안을 비교하였을 때, 질량의 경우 약 17 %(1,569.26 → 1,295.37 g) 감소하였으며, 응력 또한 약 5 %(560 N 수평력 적용 시, 250.3 → 237.6 N/mm2) 감소하여 제품 경량 및 향상된 강도 효과를 확인하였다. 이를 바탕으로 Stratasys社의 F120 장비를 선정하여 적층가공 고려 설계를 반영한 최종 설계안(Design D)에 대한 ABS-M30 시제품 제작을 수행하였다(Table 5). 또한 설계상 질량 예측값(predicted value)와 시제품 질량 실측값(actual value)을 비교한 결과 실측값이 예측값에 비해 약 6 %(357.23 → 335.0 g) 감소하였으며, 전체적으로 질량이 감소하는 경향을 확인하였다.
Table 5
Comparison of design predicted values and prototype actual values
Parts |
Material |
Mass (g) |
Pred.value |
Actual value |
Pillar(top) |
ABS-M30 |
104.27 |
104.2 |
▼ 0.07 |
Pillar(btm.) |
ABS-M30 |
68.18 |
54.6 |
▼ 19.92 |
Connection |
ABS-M30 |
2.74 |
2.5 |
▼ 8.76 |
Base |
ABS-M30 |
182.04 |
173.7 |
▼ 4.58 |
Total (g) |
357.23 |
335.0 |
▼ 6.22 |
3D printing prototype |
|
이는 적층가공 시 사용된 플라스틱인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료 특성 상 녹는점이 높기 때문에 출력을 위한 노즐 및 프린터 내의 높은 온도를 필요로 한다. 따라서 시제품 출력 시 프린터 내 온도가 떨어지거나 가공 완료 후 재료가 식으면서 수축에 의한 변형으로 인해 질량 오차가 발생한 것으로 판단된다. 향후 프린터 챔버 온도, 제품 내부를 채우는 밀도, 적층 두께 등을 고려한 개선 연구를 통해 중소기업 양산 공정에 적합한 최적 조건을 찾아내는 것이 필요하다.
이어지는 3.3절에서는 해당 개선 설계안을 토대로 적층가공의 지속가능성(sustainability)을 고려한 제품 설계 효과를 정량적으로 측정하기 위해 ISO 14040~14044에 기반한 환경영향평가 절차를 활용하여 탄소 발자국(carbon footprint), 수질 부영양화(water eutrophication), 대기 산성화(air acidification), 에너지 소비(energy consumption) 등 환경 영향 범주 요인에 따른 정량적 평가 및 결과 분석을 수행하였다.
3.3 적층가공 기반 설계 제품의 환경영향평가
전과정평가(LCA)는 제품 전과정에 걸친 설계의 환경 영향을 평가하기 위한 도구로서 대상 제품의 환경 영향을 결정 시 제조, 사용 및 제품 폐기에 이르는 전 과정에 대한 평가 수행이 가능하다. 본 논문에서는 ISO 14040에서 제시하는 전과정평가 수행 절차인 ‘목적 및 범위 정의’, ‘전과정 목록 분석’, ‘전과정 영향평가’, ‘전과정 해석’ 과 같이 4단계에 걸쳐 환경 영향 범주에 따른 정량적인 측정 및 결과를 도출하였다.
1) 목적 및 범위 정의(Goal and scope definition)
본 논문에서는 소형 레저선박에서 사용되는 의장품인 스탠션을 대상으로 기존 상용품의 규격 분석 및 견본 모델링을 수행하였다. 기존 상용품을 바탕으로 설계한 Design A(Table 31))를 기준으로 DfAM을 고려한 최적설계(Table 32),3),4)) 수행을 바탕으로 전과정평가를 통해 DfAM 적용에 따른 효과를 정량적으로 분석하고자 이에 제품 전과정에 걸친 환경영향평가를 수행하였다.
2) 전과정 목록 분석(Life cycle inventory analysis)
해당 단계는 전과정 목록 작성 및 관련 데이터를 수집·검증·처리하는 단계라 할 수 있으며, 단위공정에 따른 투입물 및 산출물 데이터를 일정한 기능 단위로 정리하였다.
3) 전과정 영향 평가(Life cycle impact assessment)
전과정 영향 평가를 위한 다양한 소프트웨어가 사용되고 있으며, 본 논문에서는 제품 전과정에 걸친 설계의 환경 영향을 평가할 수 있는 상용 소프트웨어 중 하나인 Dassault Systemes社의 SolidWorks sustainability를 활용하여 전과정 목록 분석 데이터를 기반으로 파라미터 조건을 적용하여 환경영향 계산을 수행하였다. 사용된 재질의 경우 Design A는 316 스테인리스강, Design D는 외부파트(플라스틱, ABS-M30), 내부보강재(316 스테인리스강)로 구분하였다. 제조 공정의 경우 Design A는 선삭(turned), Design D는 선삭(turned) 및 적층가공을 적용 하였으며, 수출형 제품개발을 목표로 하는 관계로 제조 지역은 아시아로 하되 사용 지역은 유럽으로 설정하였으며, 이 밖에 수송(선박, 16,093 km), 수명 종료로 인한 처분(A: 재활용 15 %, 소각 2 %, 매립 83 %, D: 재활용: 2 %, 소각 18 %, 매립 80 %) 등을 적용하였다.
4) 전과정 해석(Life cycle interpretation)
제품 설계 효과를 정량적으로 측정하기 위해 일반적인 환경영향 범주인 탄소 발자국, 수질 부영양화, 대기 산성화, 에너지 소비 등의 환경 영향 측정에 따른 결과 비교 분석을 수행하였다(Table 6).
Table 6
Sustainable design and analysis about stanchion
Assembly/
Parts |
Material |
Mass
(g) |
Volume
(mm3) |
Density
(g/mm3) |
Carbon
footprint
(kg CO2e) |
Water
eutrophication
(kg PO4e) |
Air
acidification
(kg SO4e) |
Energy
consumption
(MJ) |
Design A |
AISI 316L |
1,569.26 |
195,497.88 |
8.02-E03 |
11.0 |
0.035 |
0.055 |
118.0 |
Pillar |
AISI 316L |
908.13 |
113,134.01 |
8.02-E03 |
6.4 |
0.020 |
0.036 |
70 |
Base |
AISI 316L |
661.13 |
82,363.87 |
8.02-E03 |
4.6 |
0.015 |
0.025 |
48 |
Design B |
ABS-M30 |
257.28 |
249,933.62 |
1.02-E03 |
1.6 |
6.60E-04 |
4.90E-03 |
30.0 |
Pillar |
ABS-M30 |
122.13 |
117,435.47 |
1.03-E03 |
0.763 |
3.10E-04 |
2.30E-03 |
14 |
Base |
ABS-M30 |
135.15 |
132,498.16 |
1.02-E03 |
0.861 |
3.50E-04 |
2.60E-03 |
16 |
Design C |
ABS-M30 |
355.82 |
348,844.05 |
1.02-E03 |
2.3 |
9.30E-04 |
6.90E-03 |
42.0 |
Pillar |
ABS-M30 |
220.67 |
216,345.89 |
1.02-E03 |
1.4 |
5.80E-04 |
4.30E-03 |
26 |
Base |
ABS-M30 |
135.15 |
132,498.16 |
1.02-E03 |
0.895 |
3.50E-04 |
2.60E-03 |
16 |
Design D |
- |
1,295.37 |
467,107.78 |
2.77-E03 |
8.8 |
0.022 |
0.041 |
109.2 |
Pillar(top) |
ABS-M30 |
104.27 |
102,225.28 |
1.02-E03 |
0.665 |
2.70E-04 |
2.00E-03 |
12 |
Pillar(btm.) |
ABS-M30 |
68.18 |
668,44.69 |
1.02-E03 |
0.434 |
1.80E-04 |
1.30E-03 |
7.9 |
Connection |
ABS-M30 |
2.74 |
2,690.61 |
1.02-E03 |
0.018 |
7.20E-06 |
5.30E-05 |
0.320 |
Base |
ABS-M30 |
182.04 |
178,475.22 |
1.02-E03 |
1.2 |
4.80E-04 |
3.50E-03 |
21 |
Stiffener(top) |
AISI 316L |
199.05 |
24,797.39 |
8.02-E03 |
1.4 |
4.40E-03 |
7.50E-03 |
14 |
Stiffener(mid.) |
AISI 316L |
246.74 |
30,738.37 |
8.02-E03 |
1.7 |
5.40E-03 |
9.30E-03 |
18 |
Stiffener(btm.) |
AISI 316L |
492.35 |
61,336.22 |
8.02-E03 |
3.4 |
0.011 |
0.018 |
36 |
기존 상용품을 바탕으로 모델링한 Design A 대비 이를 바탕으로 DfAM을 고려한 재료 및 형상 개선설계를 수행한 Design B에 따르면, 질량의 경우 약 83.6 % 감소하였으며(1,569.26 → 257.28 g) 환경 영향의 경우 탄소 발자국 약 85.4 %(11.0 → 1.6 kg CO2e), 수질 부영양화 약 98.1 %(0.035 → 6.60E-04 kg PO4e), 대기 산성화 약 91.1 %(0.055 → 4.90E-03 kg SO4e), 에너지 소비 약 74.6 %(118.0 → 30 MJ)로 전체적인 결과값은 감소하는 경향을 보인다. 이는 플라스틱으로의 재질 변경에 따른 제조 공정의 변화에 따른 영향이 발생한 것으로, 스테인리스 강 선삭 공정이 적층가공 대비 환경영향을 증가시키는 요인으로 판단된다.
Design B 대비 심미적 디자인 특징을 반영했던 Design C에 따르면, 질량의 경우 약 38.3 %(257.28 → 355.82 g) 증가하였으며, 환경 영향의 경우 탄소 발자국 43.75 %(1.6 → 2.3 kg CO2e), 수질 부영양화 약 40.9 %(6.60E-04 → 9.30E-04 kg PO4e), 대기 산성화 약 40.8 %(4.90E-03 → 6.90E-03 kg SO4e), 에너지 소비 40 %(30 → 42 MJ)로 전체적인 결과값은 증가하는 경향을 보인다. 이는 강도를 보완하기 위한 형상 변경으로 인해 늘어난 재료량에 따른 작업 공정이 증가한 것으로 판단된다.
구조 강도를 만족하기 위해 보강재를 추가하여 최종 개선된 Design D와 기존 상용품 Design A에 따르면, 질량의 경우 약 17.4 %(1,569.26 → 1,295.37 g) 감소하였으며, 환경 영향의 경우 탄소 발자국 20 %(11.0 → 8.8 kg CO2e), 수질 부영양화 약 37.1 %(0.035 → 0.022 kg PO4e), 대기 산성화 약 25.4 %(0.055 → 0.041 kg SO4e), 에너지 소비의 경우 약 7.4 %(118.0 → 109.2 MJ)로 전체적인 결과값은 감소하는 경향을 보인다.
Table 7에서는 환경 영향 범주별 파라미터 조건(재질, 제조공정, 수송, 제품 수명 종료) 요인 분석을 수행하였다. 재질(material)은 사용가능한 재질로 공정하기까지의 에너지 및 소비된 자원을 의미하며, 환경 영향 요인에 가장 큰 발생 비율을 차지하는 것으로 나타났다(A: 평균 약 75%, D: 평균 약 78%).
Table 7
Chart results of sustainability of design A, D
|
Design A |
Design D |
Chart results |
|
|
|
Material |
Produce |
Transport |
End-of-
life |
Total |
Material |
Produce |
Transport |
End-of-
life |
Total |
Carbon footprint
(kg CO2e) |
7.70E+00 |
1.70E+00 |
1.87E-01 |
9.57E-01 |
1.05E+01 |
6.60E+00 |
9.93E-01 |
1.56E-01 |
1.00E+00 |
8.75E+00
(▼16.7%) |
Water eutrophication
(kg PO4e) |
3.30E-02 |
9.00E-04 |
3.20E-04 |
1.60E-03 |
3.58E-02 |
2.00E-02 |
5.40E-04 |
2.70E-04 |
1.30E-03 |
2.21E-02
(▼38.3%) |
Air acidification
(kg SO4e) |
2.90E-02 |
2.30E-02 |
2.70E-03 |
3.70E-04 |
5.51E-02 |
2.40E-02 |
1.40E-02 |
2.20E-03 |
5.20E-04 |
4.07E-02
(▼26.1%) |
Energy consumption
(MJ) |
8.20E+01 |
1.60E+01 |
2.50E+00 |
6.86E-01 |
1.01E+02 |
9.00E+01 |
9.90E+00 |
2.10E+00 |
7.64E-01 |
1.03E+02
(▲1.98%) |
Design D의 대부분 환경 영향 범주는 감소하는 것으로 나타났으나 에너지 소비(energy consumption) 범주의 경우 A 대비 전체적으로 약 1.98 % 증가하였으며, 이에 대한 영향 요인으로 재질(material)은 약 9.7 %(8.20E+01 → 9.00E+01 MJ) 제품 수명 종료(end-of-life)는 약 11.4 %(6.86E-01 → 7.64E-01 MJ) 증가하였다. 이는 절삭 공정 및 적층 가공을 혼합한 Design D 공정 특성상 제품을 가공하는 3D 프린팅 장비 크기 제한으로 인한 부품 분할이 수반됨에 따라 일부 절삭이 필요한 내부보강재 추가 가공으로 인해 에너지 소비가 증가했을 것으로 판단한다. 또한 제품 수명 종료 요인은 수질 부영향화 범주를 제외한 나머지 모든 범주에서 Design A 대비 향상한 결과를 보이는데 이는 경량화의 효과로 판단되며, 에너지 소비의 경우 혼합 공정인 D 설계안이 재활용, 매립 또는 소각 등의 공정을 거칠 시 많은 에너지 자원이 요구되며 환경에 영향을 줄 수 있는 요인을 가지고 있을 것으로 사료된다.
결과적으로 Design A 대비 개선 설계안 Design D와 비교하였을 때 제품 경량(약 17 %) 및 향상된 강도 효과(약 5 %)를 확인 하였다. 또한 해당 설계안을 토대로 환경영향평가 방법을 활용하여 지속가능성을 고려한 제품 설계 효과를 측정한 결과 대부분 환경 범주에서 환경 영향이 낮아지는 것을 확인하였으며, Design D가 Design A를 대체할 수 있는 설계안임을 확인하였다. 에너지 소비 환경 범주에서 환경 영향이 증가하는 것으로 나타났으나, 이를 해결하기 위해서는 향후 적층 가공 및 절삭 공정의 다양한 조합을 통한 합리적인 분배가 필요할 것으로 판단된다.