"12조- 폐플라멘트조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 12일 (일) 23:00 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐플라스틱을 활용한 필라멘트 제조 장치

영문 : A Manufacture installation of filament with waste plastic

과제 팀명

폐플라멘트

지도교수

김주식 교수님

멘토

허남주 소장님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2015890061 장** (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2015890033 신**

서울시립대학교 환경공학부 2015890038 유**

서울시립대학교 환경공학부 2015890041 윤**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 개발 과제는 버려지는 플라스틱 컵을 일정한 두께로 자르고 잘라낸 PET 소재의 일회용 컵을 이용해 다양한 제품을 인쇄할 수 있는 3D 필라멘트 형태로 재가공하고자 하였다. PET 소재의 컵을 위치시킨 뒤 작동했을 때 얇은 선 형태로 잘라내는 부분과, 잘라낸 PET 선을 녹여 필라멘트 형태로 재성형하는 부분으로 나누어 설계하였으며 최종 결과물은 각 부분을 결합한 하나의 장치로 완성되었다.

개발 과제의 배경

◇ 버려진 플라스틱은 매립, 소각, 해양 배출 등의 방법으로 처리되고 있지만, 해양으로 배출되는 플라스틱은 해양 생태계에 악영향을 끼칠뿐더러 풍화·마모과정을 거쳐 미세 플라스틱 형태로 변화하며 생물농축과정을 거쳐 인체에 유입되게 된다. 생산되는 플라스틱의 양이 늘어감에 따라 버려지는 플라스틱 또한 늘어나는 상황이며, 특히 Covid-19 사태가 발생함에 따라 일회용품의 사용이 급증하면서 문제는 더욱 심각해지고 있다.

그림 1 연간 국내 플라스틱 폐기물 발생량(좌)과 연간 플라스틱 소비량 대비 재활용량(우)

◇ 우리나라에서 추진 중인 2050 탄소 중립 계획의 장기저탄소발전전략(LEDS)에서 중점적인 부분 중 하나는 순환경제로, 폐플라스틱 등의 폐기물 발생 저감 및 재활용, 대체 물질의 개발이 중심이 될 정도로 폐플라스틱의 문제는 심각하다. 
◇ 위의 상황에도 불구하고 플라스틱의 재활용률은 정부의 ‘생활폐기물 탈플라스틱 대책’의 목표인70%의 재활용률에는 턱없이 부족한 상황이다. 따라서 기존과는 다른 플라스틱의 재활용 방안이 필요한 상황이며 따라서 본 과제에서 버려지는 플라스틱을 현재 주목받고 있는 3D프린트 기술과 연관지어 이용할 수 있는 필라멘트 형태로 재성형하는 것을 목표로 설정하게 되었다.
◇ 플라스틱을 해당 방법을 통해 재활용하게 되는 경우 3D 프린트 기술의 범용성에 따라 다양한 분야에 걸쳐 재활용 플라스틱을 활용할 수 있을 것이며, 이는 온실가스 배출의 주요 항목 중 하나인 플라스틱의 생산과 처리의 감축에도 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 본 개발과제는 버려지는 플라스틱 컵을 일정한 두께로 자르고 잘라낸 PET 소재의 일회용 컵을 이용해 다양한 제품을 인쇄할 수 있는 3D 필라멘트 형태로 재가공하고자 한다. PET 소재의 컵을 위치시킨 뒤 작동했을 때 얇은 선 형태로 잘라내는 부분과, 잘라낸 PET 선을 녹여 필라멘트 형태로 재성형하는 부분으로 나누어 설계하였고, 최종 결과물은 각 부분을 결합한 하나의 장치이다.
◇ 환경적 기대효과로 기존 플라스틱 제품 제조 시 이산화탄소 발생량(제품 생산, 운송, 폐기, 소각과정)과 본 설계로 제작된 제품의 이산화탄소 발생량(제품 생산, 운송)의 차이는 약 2.4kg-CO2/kg이다. 따라서 운송 등과 같은 제품의 유통과정에서 발생하는 필요 에너지 저감, 폐기물 감소, 이산화탄소 발생량 저감을 할 수 있다. 또한 최근 들어 소비자의 개성을 드러낼 수 있는 제품을 찾는 소비패턴의 변화에 맞추어, 기존의 제품 제작 방식인 다량소품종 방식에서 3D 프린터를 통하여 소량다품종 방식의 적용 가능하다. 향후 3D 프린터의 가정으로의 보급 시대에 대비하여 앱 개발을 통해 3D 모델링 도면 데이터 확보 가능하다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 버려지는 플라스틱 컵을 이용해 다양한 형태로 인쇄, 제작이 가능한 3D 필라멘트를 생산하는 장치를 설계, 제작하고자 하였다. 
◇ 작동 조건( 온도, 속도) 등의 변화를 통해 다양한 소재의 필라멘트 제작이 가능하도록 설계한다.
◇ 기존의 필라멘트와 비교해 품질 측면에서 경쟁력을 확보한다.
◇ 본 종합설계에서는 첫 번째로 국내의 플라스틱 발생 경향을 반영한 “카페에서 배출되는 일회용 플라스틱 컵 맞춤형 필라멘트 제작 기계”로 설계한다. 두 번째로 필라멘트 제작 시 결과물에 영향을 주는 타 소재 배합비율, 사출 노즐의 온도, 크기, 냉각 등의 변수 제어한다. 위의 두 가지 신규성 및 진보성을 통하여 특허를 신청하였고 현재는 심사 중이다.

제품의 요구사항

목적 계통도

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 절삭부 (절삭면적)

폐플라스틱의 두께를 0.5mm로 가정했을 경우, 굵기는 5mm로 설정하였다. 이 이론적 계산은 사출부의 노즐의 내부 부피에 의해 결정되었는데 노즐마다 사출되는 굵기는 다르지만 내부의 공간은 일정한 것을 알 수 있다. 따라서 절삭된 플라스틱 길이가 4mm이였을 때 절삭 면적은 10mm³으로 설정하였다.

◇ 사출부

0.8mm, 0.4mm의 노즐을 사용하여 실험할 것이며 노즐의 입구의 지름은 2mm, 노즐의 본체의 길이는 8mm로 동일하다, 따라서 노즐의 굵기를 정해지는 앞 부분을 제외하고 플라스틱이 용융되는 길이를 4mm로 가정하였을 경우 노즐의 부피는 9.4mm³가 될 것으로 예상했다.

◇ 사출부 (히팅블럭)

또한 사출부에서 절삭된 플라스틱이 삽입되어야 하는데 입구 부분이 2mm로 절삭되는 굵기인 5mm보다 작다. 따라서 히팅블럭의 입구를 드릴 M8(6.8mm), 드릴 M6(5.0mm)으로 갈아내어 넓혀주어야 한다. 필라멘트의 굵기를 설정할 사출되어 나오는 노즐의 끝 부분은 1.5mm, 1.7mm의 드릴로 갈아 내어 넓혀주어야 한다.

◇ 냉각부

냉각부에서는 8025 쿨링팬을 사용하여 사출되는 필라멘트를 냉각시킨다. 현재 설계 구상으로는 사출부(사출 노즐)와 롤링부(릴)의 간격을 20cm정도로 구상했다.

◇ 롤링부
릴은 자체적으로 3D 프린팅을 하여 제작한다. 기어비로는 모터기어 : 롤링기어 = 8 : 55로 설정하여 6.875로 설정하였다. 모터의 속도는 40RPM(기어비 1:103, 기어비 1:260), 90RPM(기어비 1:80) 두 가지 속도로 변화시켜 최적의 속도를 설계했다.

◇ 온도조절기

온도조절기는 크게 히터, 온도측정, 모터에 전원을 공급을 하면서 온도를 제어를 할 수 있는 역할을 한다. 온도 컨트롤러는 XH-W1209을 사용하고 200-250℃ 범위에서 조절하면서 최적의 온도를 설계한다.

상세설계 내용

가. 조립도

◇ 절삭부는 자체 3D 프린팅 부품들과 너트와 볼트를 조합하여 절삭부를 만든다. 이 절삭부에서는 플라스틱의 절삭 굵기를 조절할 수 있는 부분이 가장 중요할 것으로 생각한다. ◇ 사출부는 히팅블럭과 노즐을 결합하고 히팅 블럭을 격자 브라켓에 고정시켜 지면으로부터 일정 간격을 두어야 한다. 또한, 히팅블럭에 온도 측정선과 히팅선을 넣어 사출부의 온도 조절이 원활할 수 있도록 한다. ◇ 롤링부는 모터의 규격에 따라 삽입되는 기어의 형상이 다르므로 모터에 직접 부착되는 기어는 롤링부와 접하는 부분은 동일하게 두어야 한다.

 나. 조립순서

◇ 스터드 볼트와 엔코더 모터를 연결하고 그 위에 컵을 얹을 수 있도록 한다. 적절한 위치에 자체적으로 3D프린팅 제작한 부품과 베어링, 볼트, 커터를 연결해 합판에 고정시켜 절삭부를 만든다. 노즐에 PET 삽입 시 각도를 조절하기 위해 각도조절기를 설치한다. ◇ 잘린 PET가 이동할 경로에 히팅 블럭을 격자 브라켓에 고정시켜 미리 드릴비트로 넓혀둔 3D프린터 노즐과 연결하고, 히팅 블록에 다이오드, 온도 측정선, 히터 선을 연결해 사출부를 만든다. ◇ 필라멘트가 이동할 경로에 냉각을 위해 쿨링 팬을 배치하고, 나사를 통해 합판과 연결한다. 원활한 냉각 후 롤링을 위해 필라멘트가 조금 회전하게끔 받침대를 배치하고 그 위에 릴을 둔다. ◇ 2개의 합판에 같은 크기의 구멍을 뚫어 볼트를 연결해 만든 롤러에 기어와 기어드모터를 연결한다. 롤러는 바닥의 합판과 지지대를 통해 단단히 고정한다. ◇ 적절한 위치에 필라멘트가 감길 릴과 받침대를 배치하고, 전원에 각각의 전선을 연결한다.

다. 부품도

◇ 본 설계에서는 3D 프린터를 통해 소요되는 부품 중 일부를 제작할 계획이고, 이는 다음과 같다.

라. 제어부 및 회로설계

◇ 온도 컨트롤러를 중심으로 히터와 모터, 온도측정기를 연결하여 회로 설계를 하였다. 모터와 온도측정기에는 다이오드를 이용하여 전류방향을 설정하였다. ◇ 전원은 12V, 350W의 파워 서플라이를 사용하고, 히터는 12V, 40W를 기본적으로 사용하고, 모터의 경우 12V로 정하고 변인인 RPM(기어비)를 조정해 다양한 결과가 나오도록 설계하였다.

마. 소프트웨어 설계

◇ 본 설계의 소프트웨어 설계로는 온도 컨트롤러 설계가 있다. 온도 설정은 온도 컨트롤러 화면에 77.5~87의 범위로 설정되면 205℃~275℃으로 설정되어진다. 다이오드 5408를 사용하여 3D프린터에서 사용되는 온도 측정 줄을 사용하기 때문에 다르게 설정해야 한다. 따라서 용융 온도에 따른 설계 인자 변화를 위해서 77.5(205℃), 82.5(235℃)로 두 가지 온도로 설정해보았고 가능한 온도 조절을 많이 하여 최적의 필라멘트 형성 온도를 찾아보았다.

바. 자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

본 설계의 총 평가 결과는 다음의 표와 같다.

[전제] 본 실험은 카페에서 발생하는 일회용 PET 플라스틱 컵 대상으로만 진행되었으며, 시중에서 판매되는 필라멘트와의 경쟁 가능 정도를 목표로 진행되었다.

1. 일정한 절삭

1.1 실험 목적

본 실험의 목적은 크게 두 가지가 있다.

◇ 첫 번째로 시중의 필라멘트의 경우 대부분 1.75mm를 기준규격으로 하며, 이에 맞는 규격을 만들기 위해서는 히팅블럭(열이 가해지는 부분)으로 유입되는 PET의 양이 중요하다. 그에 따라 절삭되는 두께의 정도를 다르게 구성하여 여러 유입 시도를 진행하고, 결과적으로 가장 적절한 두께의 칼날 높이를 찾는 것이 첫 번째 목적이다. ◇ 두 번째로 시중에서 쉽게 구할 수 있는 커터 칼날과 베어링을 통한 절삭의 일정성에 대한 비교이다. 유입되는 양이 일정하게 되어야만 사출된 필라멘트도 일정하게 나오기 때문에 본 실험의 두 번째 목적으로 진행되었다.

1.2 실험 결과
 1.2.1 두께

- 14, 15mm의 두께의 경우는 노즐 부분으로 유입되는 양이 많아짐에 따라 필라멘트 형태로 성형되는 시간이 과하게 오래 걸리거나, 혹은 끊어지는 현상이 자주 발생하여 적절한 두께가 아닌 것으로 판단하였다. 이와 마찬가지로 너무 얇은 두께 3~5mm의 경우는 짧은 시간 높은 온도에 노출됨에도 불구하고 끊어지는 경우가 다수 생겨, 이 또한 적절한 두께가 아닌 것으로 판단하였다. 결과적으로 적절한 두께는 6~13mm로 조사되었는데, 결과물에서 가장 일정하게 잘 성형된 두께는 7~9mm 두께의 PET를 유입시켰을 때였다.

 1.2.2 커터칼날과 베어링 절삭 비교

절삭의 균일성에서는 사진에 보이는 바와 같이 두 비교군 모두 일정하게 잘리는 것을 확인할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 베어링은 적은 힘으로도 절삭이 되는 반면, 커터 칼날의 경우 많은 힘으로 당겨야 될 뿐만이 아니라, 몇 번의 PET 절삭을 거치게 되면 칼날이 손상되는 것을 확인하였다. 그 결과 모터의 회전력과 내구성을 두고 따져보았을 때 베어링을 사용하는 것이 훨씬 효율적이라 판단하였고 최종 설계의 절삭 도구로써 채택되었다.

2. 장시간 작동

2.1 실험 목적

본 설계의 제품은 실제 교육기관, 그중 전국에 약 600여 개(‘22년 기준) 정도 있는 메이커스페이스를 대상으로 한 제품이다. 따라서 메이커 스페이스를 이용하는 소비자들이 불편하지 않기 위해 기계의 내구성이 상당히 중요한 요소로써 평가되었다. 제품을 구성하는 다른 요소들도 물론 중요하겠지만, 특히나 가장 힘을 많이 소요하는 모터의 내구성을 중점적으로 본 실험을 진행하였다.

2.2 실험 결과

본 실험은 두 가지의 조건을 두고 진행하였다. ◇ 첫 번째로 가장 많은 힘을 필요로 하는 PET의 절삭과정을 생략하여 성형만 하는 조건, 그리고 두 번째는 절삭과정을 포함한 조건이었다. 결과적으로 절삭을 제외하여 설계품의 작동 여부를 조사한 결과 1 hr 동안 무리 없이 작동됨을 확인하였고, 이는 카페 일회용 플라스틱 컵 약 10개 이상 연속 필라멘트 제작이 가능함을 의미한다. ◇ 다음으로 절삭을 포함한 경우 5min이 넘어가는 순간부터 모터 부담(발열 및 소음)이 가는 것을 확인하였다. 따라서 이는 카페 일회용 플라스틱 컵 약 2개를 연속 필라멘트 제작 가능함을 의미한다.

3. 일정한 온도 유지

3.1 실험 목적

PET 소재의 경우 성형 가능 온도는 200~250℃이다. 하지만 앞선 실험 및 논문, 그리고 자문을 통하여 210~220℃가 본 설계에서 가장 적합한 것으로 확인하였다. 본 실험에서는 회로 히팅 세팅 값을 215℃, 온도 보정 값을 0.5℃로 두어 210~220℃ 사이 온도로 유지가 되는지 확인하기 위한 목적을 지녔다.

3.2 실험 결과

본 실험은 약 60분간 노즐 온도가 유지가 잘 되는지 확인하였고, 측정시간 간격은 1min이였다. 위에 그래프에서 확인할 수 있듯이 210~220℃로 계속 유지됨이 확인되었다.

4. 필라멘트의 상품성

4.1 실험 목적

본 실험에서는 폐 PET가 일정하게 절삭, 범위 내 노즐 온도 유지가 되었다는 가정 하에 시중에서 판매하는 필라멘트와 내구성, 밀도, 직경을 기준으로 비교를 진행하였다.

4.2 실험 결과

※ 질량 항목의 경우 동 길이의 필라멘트의 질량을 비교하는 방식으로 진행

위의 표와 같이 제작된 필라멘트는 시중에서 판매되는 필라멘트 대비하여 직경이 짧고, 내구성이 약하며, 밀도는 약 1/3배인 것으로 확인되었다.

5. 필라멘트 제작 속도(생산 효율)

5.1 실험 목적

본 설계에서 경제성을 간접적으로 평가하기 위한 항목으로 필라멘트의 제작 속도를 설정하였다. 일반적으로 시중에 판매되는 필라멘트의 가격대가 1kg 당 20,000원 정도에 형성된 것을 감안하였을 때의 적절한 양의 필라멘트 제작을 목표로 설정, 실험을 진행하였다.

5.2 실험 결과

출력 과정에서 절삭되어 나오는 컵의 길이와 시간을 토대로 생산성 계산을 진행하였다. 그 결과 일회용 컵 1개 기준, 3.5m의 필라멘트가 생산되며 제작에 걸리는 총 시간은 평균 5분 가량이었다. 따라서 1.16mm/s의 출력 속도로 필라멘트 생산이 가능했으며 이는 초기에 목표한 시간당 생산량을 충분히 초과한 수준임을 확인하였다.

향후계획

◇ 본 설계가 초기에 목표로 했던 점은 버려지는 일회용 컵을 활용도가 높은 3D 프린터의 소비재인 필라멘트로 가공하는 것이었다. 따라서 기존 필라멘트를 대체할 수 있는가를 평가하기 위한 항목을 위주로 해당 설계의 평가항목을 설정하였다. 목표한 평가항목을 모두 충족시킬 경우 심각한 환경문제로 떠오르는 플라스틱 폐기물의 처리와 동시에 국내 자체생산이 활성화되지 않은 필라멘트 제작을 동시에 해결함으로써 친환경과 경제성 양측에서 긍정적인 효과가 있을 것으로 기대된다.

◇ 자체적으로 설정한 평가항목에 따라 최종 결과물을 평가한 결과 몇 가지 부족한 점이 발견되었다.

  - 컵의 절삭과정에서 모터의 과부하로 인해 10분 이상의 연속적인 작동에 문제 발생
  - 필라멘트의 내구성과 질량, 직경 등의 특성이 기존의 필라멘트와 비교해 다소 차이가 발생

◇ 하지만 위의 문제점들은 추가적인 보정과 장치를 이용해 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

  예를 들어 적절한 모터의 설정, 혹은 가변모터를 이용해 최적 부하 지점에 맞춘 장치의 작동, 히트 블록의 연장을 통한 가열 시간 조정, 노즐을 통과하는 플라스틱의 가닥수를 늘리는 등의 방식을 이용한다면 시중 판매되는 필라멘트와 비교해 그 품질을 충분히 끌어 올릴 수 있을 것으로 판단된다.

◇ 위의 평가항목 외에 경제적, 안정성 측면과 장치의 확장성에서 본 설계를 평가하면 다음과 같다.

  - 우선 경제적인 측면에서 본 장치를 설계하는데 소요된 재료비 233,349원 대비 장치의 가격을 고려해보자면, 국내에서는 다량 발생하는 일회용 PET컵을 재활용하는 것이 어렵고, 또한 기존 플라스틱 업사이클링 장치들이 PET 소재의 재성형에 맞추어지지 않았다는 점을 생각했을 때 메이커 스페이스에 대한 공급 과정에서의 이익률은 상당할 것으로 기대된다. 
  - 장치의 확장성의 경우 비교적 간결한 구성으로 이루어져 있는 기계의 특성상 개조나 업그레이드가 간편하며 현재 사용되는 PET 소재 외의 소재에 대한 확장성도 충분하다. 추후 장치 개발을 통해 더욱 다양한 소재의 업사이클링이 가능할 것으로 기대된다.
  - 국내의 경우 업사이클링, 폐자원의 순환에 대한 인식이 부족한 상황이다. 이 문제에 대비해 본 설계물은 해당 과정이 가시적으로 보이는 장치로써 메이커 스페이스 등에 위치해 있을 경우 부족한 인식을 개선할 수 있는 사회적 효과도 기대해봄직하다. 
  - 장치가 작동되는 과정에서 발생할 수 있는 유해물질의 경우 본 설계에서는 환기장치를 이용해 외부로 배출하는 형태를 가지고 있는데, 중간 과정에서 유해물질을 1차, 혹은 2차 처리까지 할 수 있는 설비를 갖춘다면 보다 안전하게 사용할 수 있는 장치가 됨과 동시에 보다 강력한 경쟁력을 갖춘 제품이 될 수 있을 것이다.

특허 출원 내용

사진

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   ◇ 3D 프린팅이란 3D 도면을 기반으로 3차원 물체를 출력하는 기술이다.
   ◇ 3D 프린팅 기술은 인쇄방식에 따라 크게 3가지로 구분된다.
-	열가소성 플라스틱 수지로 이루어진 필라멘트를 적층, 인쇄하는 FDM 방식
+ 열가소성 플라스틱 수지로 이루어진 필라멘트를 적층, 인쇄하는 FDM 방식
-	분말 형태의 소재를 분사·적층시켜 물체를 인쇄하는 SLS 방식
+ 분말 형태의 소재를 분사·적층시켜 물체를 인쇄하는 SLS 방식
-	광경화성 수지(레진)에 레이저를 조사해 물체를 인쇄하는 SLA 방식
+ 광경화성 수지(레진)에 레이저를 조사해 물체를 인쇄하는 SLA 방식
   ◇ 해당 기술은 초기에 의료산업 분야에 주로 이용되었으나 현재는 그 바이오, 항공/우주, 식품, 자동차, 교육 등 다양한 산업에 걸쳐 활용되고 있다.
   ◇ 이러한 경향에 발맞추어 3D 프린터에서 사용되고 남은 필라멘트를 재활용하는 장치도 설계되고 있다.

"12조- 폐플라멘트조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 12일 (일) 23:00 판

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

멘토

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양