12조- 폐플라멘트조

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.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

● 플라스틱 재활용 기술

◇ 플라스틱의 재활용 과정은 크게 물리적(Material recycling), 화학적(chemical recycling), 열분해(Pyrolysis recycling) 과정으로 구분된다. 세 가지 과정 중 재질별 분류가 잘 이루어진 일반적으로 물리적 재활용이 가장 경제적인 방식으로 알려져 있다. (특정 상황에 대해서는 화학적 재활용이 효과적인 경우도 존재)

◇ 물리적 처리 과정의 경우 가장 순도 높을 플라스틱을 압축 처리해 재활용하게 되며 더 낮은 순도를 가진 플라스틱을 분쇄 선별과정을 추가로 거쳐 펠릿(Pellet) 혹은 플레이크(Flake) 형태로 재활용되고 있다.

◇ 이물질이 다량 포함되어있는 플라스틱의 경우 화학적 재활용 과정에 투입되고 해당 재활용 과정은 플라스틱을 화학적 반응을 거쳐 에너지 형태로 회수하는 과정이다. 폐기물을 에너지 형태로 회수하기 위해 고형폐기물 연료 형태로 가공, 연소시키며 에너지를 회수하는데 이 경우 다량의 미세먼지, 다이옥신 등이 발생해 환경오염 등의 문제가 발생이 된다.

◇ 열분해 과정의 경우 고분자 물질인 플라스틱을 가열, 열분해시켜 국내에서 선별, 분류작업을 거친 재활용 플라스틱의 경우 해외의 것보다 품질이 떨어지는 경우가 많다. 이에 따라 재가공 비용이 비싸지며 결국 재활용 플라스틱을 수입해서 사용하는 상황이다.

● 3D 프린팅

◇ 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 분말 형태의 소재를 분사·적층시켜 물체를 인쇄하는 SLS 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.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 국내 기술현황 1.1.1. “폐플라스틱을 이용한 3D 프린팅용 필라멘트 제조장치” 특허 - 출원번호 : 10-2016-0054683 - ㈜이조 2016년 5월 3일 특허 출원하여, 2016년 11월 18일 특허 등록 - 기술 요약 :

1.1.2. “폐플라스틱을 활용한 리사이클링 3D 프린터” 특허 - 출원번호 : 10-2020-0157196 - ㈜화암인더스트리 2020년 11월 20일 특허 출원하여, 2021년 8월 11일 특허 등록 - 기술 요약 :

◇ 해외 기술현황

1.1.3. 영국 “Method for producing a supply obtained from the recycling of plastic material of industrial and post-consumer residues, to be used by 3d printers” - 출원번호 : 14/918,676 - ㈜Enye Tech SA에서 2015년 10월 15일 특허 출원하여, 2016년 4월 21일 등록.

1.1.4. 중국 “A kind of energy saving and environment friendly 3D printer using waste plastic bottle as wire rod” 특허 - 출원번호 : CN201720526325.2U - Wuhan University of Technology에서 2017년 5월 17일 출원하여, 2018년 2월 16일 특허 등록 - 기술 요약 :

1.1.5. 유럽 “Device and method for recycling plastic materials” 특허 - 출원번호 : EP17199513.7A - 발명자 “Frédéric PALTENGHI”에 의해서 2017년 11월 1일에 특허를 출원하여, 2019년 5월 8일에 특허 등록. - 기술 요약

 라. 특허전략

◇ 2013년 네덜란드 디자이너 데이브 하컨스(Dave Happens)는 플라스틱 오염을 대비한 재활용 프로젝트인 Precious Plastic을 통해 플라스틱을 재활용하기 위한 기계장치의 도면을 오픈소스 데이터를 통하여 전 세계에 공개하였다.

◇ 국내외 특허의 경우 Precious Plastic 프로젝트의 오픈소스 데이터에서 제공한 재활용 필라멘트 제작 시스템은 동일하나 기계의 세부적 장치 시스템, 조합, 세척 여부, 기계장치 추가 등으로 특허 등록을 받은 것으로 추정되어진다.

◇ 따라서 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. 세 번째로 필라멘트 제작 시 오염물질과 소음, 진동 등을 방지할 수 있는 쳄버를 설계하였다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 환경적 기대효과

- 기존 플라스틱 제품 제조 시 이산화탄소 발생량(제품 생산, 운송, 폐기, 소각과정)

: 약 4kg-CO2/kg

- 본 설계로 제작된 제품의 이산화탄소 발생량(제품 생산, 운송)

: 약 1.6kg-CO2/kg(2.4kg-CO2/kg 감소) 운송 등 제품의 유통과정에서 발생하는 필요 에너지 저감, 폐기물 감소, 이산화탄소 발생량이 저감된다.

◇ 최근 들어 소비자의 개성을 드러낼 수 있는 제품을 찾는 소비패턴의 변화에 맞추어, 기존의 제품 제작 방식인 다량소품종 방식에서 3D프린터를 통하여 소량다품종 방식의 적용 가능하다.

◇ 3D프린터의 가정으로의 보급 시대에 대비하여 3D 모델링 도면 데이터 확보할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 3D 프린팅의 대중화를 타 국가에 비하여 빠르게 도달 가능, 이를 통해 시장선점을 통한 경제적 우위 선점이 가능하다. (제조업의 패러다임 변화)

◇ 폐플라스틱의 재활용 체계 간소화와 업사이클링 체험이 협소한 공간에서 가능함에 따라 소비자의 쓰레기에 대한 인식 변화의 계기가 될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 장석현 - 조장, 예산안 편성 및 계획 수립 ◇ 신하린 - 아이디어 제시 및 보고서 작성 ◇ 윤요셉 - 자료 수집 및 실험 진행 ◇ 유제헌 - 아이디어 제시 및 실험 진행

설계

설계사양

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.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

사진

포스터

표 그림

관련사업비 내역서

표 그림

완료작품의 평가

표 내용 + 밑

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