2024학년도 1학기 창의공학종합설계

Course Information

• 과목명 : [2024.1학기]창의공학종합설계
• 담당교수 : 이수일 교수님, 황면중 교수님

Course Description

요약 : 창의적인 시스템 설계를 위하여 설계 절차와 방법을 배우고 실제로 과제를 부과하고 월별로 개인 및 팀의 다양한 기계정보공학 프로젝트의 수행과 발표를 통해 공학적인 설계 감각과 공학인증에서 요구하는 여러가지 학습성과를 달성할 수 있도록 한다.

Ongoing Project

2024년 1학기

1조-사이좋은 A들 - 김**, 김**, 박**, 변**, 임**, 최**

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 음료 자동 처리 페트 수거 압축 쓰레기통

영문 : Recycling Bin equipped with automatic PET (Polyethylene Terephthalate with liquid processing and compacting feature

과제 팀명

사이좋은A들

지도교수

이수일 교수님, 황면중 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 김*수(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 김*운

서울시립대학교 기계정보공학과 2019540** 박*선

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 변*준

서울시립대학교 기계정보공학과 20188600** 임*현

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 최*리

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

매년 일회용 음료 컵 쓰레기 분리 문제로 뉴스 기사가 보도되고 있다. 이러한 사회문제를 해결하기 위해 본 개발 과제에서는 음료가 남아있는 카페용 페트류를 자동으로 분리 및 수거하고 압축하는 쓰레기통을 설계하려 한다. 앞서 제시한 쓰레기통의 페트병 투입인식부, 내용물제거 회전부 , 분리 내용물 처리 거름부, 페트병 압축부, 수납부를 직접 설계하고 제작할 것이다. 음료 자동 처리 페트 수거 압축 쓰레기통은 악취 개선, 쓰레기 용량 확보, 시험기간, 버스 정류장 쓰레기문제 해결등의 효과가 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

최근 여러 저가 대용량 테이크 아웃 커피 브랜드들이 범람하면서 늘어난 일회용 페트 컵의 사용량 증가로 인하여, 학교 분리수거함과 지하철 및 버스 정류장 앞 쓰레기통 등에 쌓이는 일회용 음료 컵 쓰레기의 분리배출 주제로 하는 뉴스 기사들이 보도되고 있다. 특히 부패할 가능성이 높은 유제품이나 고형물을 함류한 음료가 든 일회용 PET컵 쓰레기는 그 수거 시 내용물을 비우는데 들어가는 수고가 더해질 뿐 아니라, 방치되면 내부 내용물의 부패 되며 발생하는 악취와 벌레 문제 등이 추가로 발생하는데, 이런 문제를 해결하기 위해 컵 내부의 음료를 자동으로 처리하고 남은 페트컵을 압축해서 수거하는 쓰레기통 시스템의 제작을 목표로 본 프로젝트가 고안되었다.

서울시립대 분리수거함

개발 과제의 목표 및 내용

과제의 목표는 압축기와 모터를 이용해 pet컵의 내용물을 제거하고 빈 용기를 압축시켜 보관하는 것을 목표로 진행되었다. 이때, 각 목표 사항의 결정은, 실험적 방법과 시뮬레이션적 방법으로 결정했는데, 시뮬레이션 적인 방법은 본체의 목표강도 및 재질 설정 그리고 모터의 소요동력 결정과 압축기의 압축력 결정에 사용되어, 적절한 성능의 기재를 구비 하는 것에 도움을 주었고, 실험적 방법은 여러 크기의 목표물을 동작 목표에 맞춰 실제로 압축-변형-이송시켜 가면서 과제물 형상을 구체화 시켰다. 그렇게 하여 각 부분은 크게 본체부, 투입 인식부, 회전 분리 부, 그리고 압축 이송 부의 4가지로 구분하였으며 그 동작을 아두이노 uno 모듈을 사용해 통합 제어 하는 것으로 한다.

이때 나눠진 프로젝트의 각 부분의 요구 목표를 달성하는데 필요한 컵 내부의 음료를 자동으로 처리하는 기준 및 남은 페트컵을 압축해서 수거하는 기능의 기준은 다음과 같이 설정했다.

1. 페트병 투입 인식

-페트병이 투입됨을 감지.

-장치의 작동여부로 판단, 무조건 작동

2. 내용물 제거

-페트컵을 180도 회전시켜, 내용물을 제거.

-내용물은 100% 제거를 이상적 목표로 최소 95% 제거

3. 분리된 내용물 처리

-액체가 아닌 고형물은 거름망으로 분리. 타피오카 펄 같은 일반적인 고형물 분리

4. 페트병 압축 후 수납

-내용물이 분리된 페트병을 적절한 크기로 압착하여 저장.

-압축은 기존 부피대비 1/5를 목표로 최소 1/3 이상

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

동력프레스는 크게 기계력을 이용하는 기계 프레스와 유체의 압력을 이용하는 액압프레스로 나뉘어진다. 액압프레스는 작동 유체로 주로 액체를 사용하는 유압프레스와 공기를 사용하는 공압프레스로 구분된다.

유압프레스와 공압프레스는 사실상 작동유체의 차이 밖에 없기 때문에 다양한 특성들을 공유한다. 먼저 유체에 압력을 가해주기 위해 컴프레셔가 필요하다. 때문에 부피가 커지게 되며 가격적으로 부담이 생기게 된다. 또한 소음이 발생하게 되는데 특히 공압프레스는 공기가 들어오고 빠질 때의 소음까지 추가되어 상당히 시끄럽다고 알려져있다. 뿐만 아니라 유체의 유출의 위험성도 있다. 그럼에도 구조가 단순하며 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있어서 다양한 산업현장에 사용되고 있다.

기계프레스는 주로 모터를 사용하며 액압프레스와는 다르게 콤프레셔가 필요없다. 때문에 부피가 작으며, 소음이 적게 발생한다. 또한 액압프레스에 비해 속도가 빠르다. 하지만 스트로크와 하중이 정해지면 변경하기가 어렵다는 단점을 갖고 있다.

서보프레스는 서보모터를 사용하여 기계프레스의 단점을 해결한 프레스이다. 서보모터는 일반 모터와는 다르게 사용자가 속도, 가속도, 위치 등을 제어할 수 있으므로 이를 통해 프레스의 스트로크와 하중을 변경할 수 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

본 과제와 비슷한 콘셉트의 발명들이 사전에 존재 하지만, 1)본 과제는 카페용 pet컵의 분리배출에 트고하 되어 있다는 점, 2) 위의 발명들과 일부 구동원리가 겹치는 부분이 존재하나, 세부적인 부분에서 뚜렷한 차이점이 존재한다는 점, 3) 본 발명은 여러 구동원리의 부품들이 하나로 모인 집합체라는 점에서 비록 재정에 유의미한 효과를 가진 특허 출원은 불가능 할 지라도, 결합에 의한 신규성이 인정될 부분은 있어, 그 출원의 심사가 성공적 일 수 있는 가능성이 없지않다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

특허 조사 결과, 우리가 목표로 하는 음료자동분리 시스템에 대해 세부적인 기능을 따져 들어가면 해당기능에 대응하는 여러 유사 사례들을 찾을 볼 수 있었으나, 음료가 든 용기의 투입-음료분리 및 배출-빈 용기 압출이라는 연속과정을 총괄적으로 구현한 사례는 찾을 수 없었다. 즉, 목표인 음료자동분리 시스템의 구현에 필요한 각각의 개별 기술에 있어 특기할 만한 기술적 진보는 없을 수 있으나, 각각의 기능을 한데 묶어 투입부터 배출 까지의 전 과정을 연속적으로 동작하게 만드는 것에 있어서는 그 의의가 있을 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

보다 편리한 분리수거 라는 해당 개발의 배경에 따라, 기존 음료와 함께 버려지던 음료용기에 대해 더 높은 자원 재활용율을 확보할 수 있고 이에따른 재활용 자원의 확충으로 환경 및 경제에 부차적인 파급 효과가 기대된다. 또한 재활용 과정에서의 프로세스 간소화로 기존보다 필요 노동력이 줄어들 것으로 예상되며 이에따른 인건비 절감 효과가 있을 것이다. 또한 기존 내용물과 함께 버려지는 수거방식에 비교해 내용물이 따로 분리되기에, 전보다 쓰레기통 주변의 부패, 오염 문제를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 즉, 이와 같은 점들에서 해당 개발이 완료되어 대중화 된다면 결과적으로 보다 나은 공공환경 조성에 도움이 될 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

팀원 및 역할 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1) 페트컵 압축 전후 부피 차이 5배 이상

페트컵의 압축-수납은 본 과제의 최우선 목표로, 한정된 공간에 버려진 페트병을  최대한 수납하기 위해 압축 전후 부피 차이의 목표는 최소 5배로 정했다. 이는 실제 커피 브랜드의 컵들을 사람의 물리력으로 압축한 결과를 바탕으로 정해졌다.

2) 투입-비움-압축 소요 시간 30초 이내

쓰레기통의 설계상 페트병의 투입은 한 번에 하나씩 이뤄진다. 따라서 쓰레기 투 입 후 압축까지 소요되는 시간이 늘어난다면, 쓰레기통의 사용자가 몰릴 경우, 고작 쓰레기 하나를 버리기 위해 기다리는 시간이 불필요하게 늘어날 수 있다. 이에 압축 소요시간을 30초 에서부터 최대한 단축하는 방향으로 목표를 잡았다.

3) 폐기 액체 및 쓰레기 수용량 최소 20L 이상

우리는 공공용 페트컵 압축 쓰레기통을 목표로 본 과제를 수행하고 있다. 따라서 다수의 사용 자가 이용하는 공공 쓰레기통 특성상 쓰레기 수용량은 관리 주기에 따라 적절히 설정되어야 한다. 이때 20L의 용량은 물론 모든 경우에서 충분한 것은 아니지만, 제작과 비용에 따라 팀원 간 협의로 정해진 최소 목표 용량이다.

4) 투입 최대 컵 크기 20cm 최소 10cm

조사 결과 일부 대용량 컵을 제외한 여러 커피 전문점 들의 컵 크기는 10cm ~ 20cm 사이에 분포한다. 따라서 의미 있는 기능을 위해서 투입되는 컵 크기는 최 소 10cm에서 최대 20cm로 결정했다. 이는 불필요한 범위에서의 구동을 제한하여 투입구의 크기 및 컵의 잠금장치 그리고 압축기의 크기가 비정상적으로 커지거나 작아지는 것을 방지하기 위한 제한사항이기도 하다.

5) 센서 인식 정확도 100% 이상

구상한 쓰레기통의 구조적 특성상, 페트병의 투입은 한 번에 하나씩 이뤄진다.  즉, 하나씩 처리되는 투입물이 제대로 인식되지 않아 배출 과정이 이뤄지지 않는다는 이용 및 동작에 큰 문제가 될 수 있다. 즉, 투입은 언제나 정확히 인식되어야 하며,  이는 타협 불가능한 문제이다.

6) 비움 후 남은 액체 5% 이하

압축 시 용기에 남은 액체는 오작동과 오염의 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해 이물질의 비움은 가능한 완벽히 수행되어야 한다. 그러나 비움이 완벽히 진행됨을 보장하기 힘들고 또한 압축 후에도 컵 안에 어느 정도 공간이 남는다. 즉, 내용물 비움 후 5% 정도의 잔여 액체는 작동에 큰 문제를 주지 않는다고 판단, 물론 내용물이 완벽히 제거되는 것이 좋으나, 5% 정도의 잔여물은 제한적으로 허용할 것이다.

개념설계안

1. 회전부

초음파 센서를 통해 들어온 컵을 인식한다. 인식이 완료되면 걸쇠가 회전하며 다음 사진처럼 컵이 빠지지 않도록 걸어주는 역할을 한다. 컵이 회전하는 동안 튀는 이물질이 컵 받침 하단에 고이는 것을 방지하기 위해 회전부의 밑 부분에 구멍을 내어 다음 사진처럼 설계하였다. 회전부와 걸쇠부에는 모터가 체결된다. 회전동작의 정확성을 위해 걸쇠 개수는 2개에서 1개로 변경하였고, 모터는 스텝 모터를 이용하였다.

2. 압축부

압축부 하단 컵 받침 부위에 구멍을 내어 컵이 압축되었을 시 자동으로 압축된 페트컵이 떨어지게 설계하였다. 페트컵의 탄성 복원을 고려하여 구멍의 크기를 목적 압축 배수인 1/5보다 여유 있게 설계하였다. 압축기의 스트로크 길이는 20cm이며 압축기 전체 길이는 50cm이다. 따라서 압축기를 쓰레기통 상단에 비스듬히 기울여 부착하여 쓰레기통 공간을 확보하였다. 압축할 때 일회용 컵의 최대 크기를 고려하여 압축기 끝에 부착되는 판은 18X18cm 크기로 설정하였다. 압축기 힘은 300N 제품을 사용할 예정이며 해당 하중을 고려한 축 받침을 설계할 예정이다.

그래프의 B와 같이 비철금속 같은 경우 반복되는 하중에 피로가 쌓여 결국 파괴가 되지만 A와 같은 철강재료의 경우 특정 응력 이하에서는 반복하중에도 피로파괴가 되지 않는다. 축 받침의 경우 압축기의 반복적인 하중을 지속적으로 받게 된다. 따라서 압축기의 받침 부위는 피로파괴를 고려하여 S-N커브를 고려한 철강재료로 선정할 예정이다.

3. 최종 쓰레기통 형상

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 프레임 설계

1-1 위상최적화 최적설계

구조 최적화 해석은 제품의 목적함수에 부합하는 최적의 구조를 찾기 위해 활용된다. 이때 설계물의 구조적 측성, 작동조건, 제조 방법 등을 고려하여 적절히 제한조건을 적용하며, 이는 요구되는 성능 및 특성에 부합한 결과를 도출할 수 있게 한다. 즉, 최적화 해석은 다양한 조건을 동시에 고려하여 최적 구조를 제안해 주기 때문에 기존 방식의 설계와 검증의 반복을 줄일 수 있다.

본 설계에서는 정적컴플라이언스 최소화를 목적함수로, 제한조건은 질량 50%로 설정하였다. 설계변수는 요소형상밀도이며 이터레이션 횟수의 경우 자동계산 설정을 하였다.

위상 최적화를 위해 해석용 모델을 제작하였다. 어느 부위에 하중이 집중될지 확인해보기 위해 프레임의 두께를 30~40mm로 두껍게 하여 해석을 진행하였다. 경계조건의 경우 압축기가 닿는 위아래 면접에 300N의 힘을 가하였고 하단을 고정하였다.

위상최적화를 진행하여 다음과 같은 형상을 얻을 수 있었다. 이로써 프레임의 필수틀을 결정할 수 있었다.

해당 파일을 카티아로 불러와 새롭게 프레임을 다시 제작해 보았다.

위상최적화를 통해 결론적으로 다음과 같은 설계프레임 필수툴을 추출할 수 있었다.

위상최적화를 통해 다음과 같은 사항을 결정할 수 있었다.

외관 프레임 두께 결정->1mm이상 모든 두께 가능
내부 프레임의 경우 위상최적화 형상을 고려하여 두께선정->5mm에서10mm 두께
압축기를 기준으로 왼쪽부(1번)와 오른쪽부(2번)중 장치보관위치-> 오른쪽부(1번)로 결정

최소한의 프레임 형상 추출-> 해당 형상을 고려하여 최종 형상 설계

(최종 프레임 3D 도면)

상세설계 내용

1-2 S-N커브를 고려한 프레임 재질선정 ㄱ. 프레임 재질 철강재료 선정

본 쓰레기통의 경우 300N의 압축힘을 쓰레기통 프레임이 지속적으로 받게된다. 비철금속의 경우 약한 힘이더라도 피로가 누적될 경우 피뢰파괴의 위험이 있다. 따라서 S-N커브를 고려하여 피로파괴에 강한 철강재료를 프레임 재질로 선정하였었다.

ㄴ. 철강재료 문제점 발견 및 아크릴로 재료변경

철강재료의 경우 피로파괴에 강한 내성을 가진다는 장점이 있지만 본 과제의 프레임 무게 측정 결과 128.178kg이라는 결과가 나왔다. 이는 쓰레기통 무게에 부적합하기 때문에 다른 재료를 선정하기로 하였다.

경량화를 위해 비교적 철강재료보다 가벼운 고분자재료를 선정하여 조사를 진행하였다. 고분자재료의 S_N 커브를 확인한 결과 피로 한계를 가지는 고분자재료로 PMMA,PP,PE가 있음을 확인할 수 있었다. 이중에 피로 한계가 가장 크고 투명하여 내부 사항을 확인하기 좋은 PMMA재질을 선정하였다.

다음 과 같이 재질을 철강재료에서 PMMA로 대체하였을때 128.178kg에서 19.569kg으로 질량이 대폭 감소한 것을 확인 할 수 있었다. (본 과제의 쓰레기통의 경우 600*800*1060으로 보통의 공용 쓰레기통 크기보다 1.5배~2배 가량 큰 크기이므로 질량이 크게 나온 점은 감안하기로 하였다.)

1-3피로파괴를 고려한 SWT식 수명 및 안전계수 ㄱ. 피로파손 기준 SWT선정이유

피로 파괴 기준의 경우 Goodman, Morrow, Gerber, Soderberg, ASME-Elliptic, SWT(Smith-Waston_Topper) 총 6가지 경우 중 SWT방식을 선정하여 해석을 진행하였다.

(Shigley’s MECHANICAL ENGINEERING DESIGN 기계요소설계시간에 배운 전공책, 2023 한국 자동차공학회 춘계학술대회-’피로제한조건을 고려한 서스펜션 암의 최적설계에 관한 연구’ 채홍윤,안희태,이계호 논문참고)

SWT 기준의 경우 무한 수명이 예상되지 않는 변동응력 상태의 등가 완전반복응력을 구하는 데 주로 사용된다. 또한 양의 평균응력에 대한 범위는 항복선에 의해 제한되어야한다. 본 과제의 쓰레기통의 경우 PMMA의 수명이 20년이므로 유한수명이 대상이며 300N의 압축응력을 프레임에 완전반복으로 응력이 생긴다. 또한 강이 아닌 고분자 재료에서의 피로해석을 진행하기 때문에 이 경우 SWT,GOODMAN순으로 기준을 정하기 때문에 SWT를 기준으로 선정하였다. 특히 ’피로제한조건을 고려한 서스펜션 암의 최적설계에 관한 연구’ 논문의 경우 자동차의 서스펜션과 같이 수명이 유한하며 반복하중을 받는 경우 SWT기준을 선정하여 해석을 진행하였기 때문에 SWT를 기준으로 선정하였다.

(1) 20년으로 유한수명 (2) 완전반복응력 (3) 강이 아닌 고분자재료 피로해석 (4) 비슷한 조건인 서스펜션 SWT해석(논문 사례)

                             “ SWT기준으로 선정 ”

ㄴ. Stress 해석

- 물성치 입력 해석을 진행하기 앞서 앤시스에 PMMA의 물성치를 입력하였다. 물성치는 인터넷 검색을 참고하여 표준치를 입력하였으며 S-N커브의 경우 위의 그래프를 고려하여 직접 입력하여 설정하였다. 아크릴의 피로한계는 10^7MPa로 설정하였다.

- 매쉬수 설정

매쉬수의 경우 보통 하중을 받는 부위의 가장 작은 두께의 1/3이하로 주는 것이 좋다. 따라서 5mm의 1/3정도인 0.0016m를 매쉬수로 설정하여 해석하려 했지만 학생용 버전으로 인한 라이센스 문제로 해석을 진행하지 못하였다.

따라서 가능한 가장 작은 수치인 0.006m로 매쉬수를 할당하였으며 해석시간 단축을 위하여 하중이 거의 가해지지 않는 부위의 경우 매쉬수를 0.058m로 할당하였다. 하중을 받는 부위

하중을 거의 받지 않는 부위

- 경계조건설정(a) 경계조건의 경우 아래의 왼쪽 사진과 같이 압축기의 하중을 받는 프레임 부분 두곳(A,B)을 지정하여 각각300N씩 하중조건을 주었으며 옆면 및 밑면(C)에 고정조건을 주었다.

- Equivalent (von-Mises) Stress 해석결과(b) 최대응력은 3.5289MPa이 나왔으며 이는 아크릴의 피로한계인 10MPa보다 낮은 수치가 나왔음을 확인할 수 있었다.

                             (a)                                                             (b)

ㄷ. 피로 안전계수 및 피로 수명

(SWT방식 안전계수 2.838)

(GOODMAN방식 안전계수 2.8338)

- 피로안전계수(a) 300N정적하중의 경우 앤시스 맥스값인 안전계수의 15이상이 나왔으며 피로안전계수의 경우 최솟값 2.838이 나왔다. SWT기준이 매우 보수적인 설계이므로 안전계수를 적절하게 만족하였다고 볼 수 있다.

- 피로수명(b) 피로수명의 경우 앤시스 계산 맥스 값인 10^32cycles가 나왔다. 이는 앞선 응력해석에서 최대 응력이 아크릴의 피로한계 응력보다 작게 나왔던 것을 보아 예상되었던 결과였다. 쓰레기통을 하루에 100회 쓴다고 가정시 10^30일을 쓸 수 있으며 이는 약 2.74*10^27년이므로 거의 수명이 무한에 달한다고 해석할 수 있다.

                               (a)                                                               (b)                                       

1-4 응력집중과 노치 민감도를 고려한 설계

기계부품에 노치가 있으면 하중이 작용할 때, 응력집중이 발생한다. 노치효과란 반복하중으로 인하여 노치부분에 균열이 발생하여 피로한도가 작아지는 현상을 말한다.

아크릴의 경우 알루미늄 합금보다 노치 민감도가 높기 때문에 노치 부분을 고려하여 설계해야한다.

해석 진행중 다음과 같이 면의 경계부분에서 안전계수가 약1.0이 나왔다. 이는 노치에 응력이 집중되어 안전계수가 낮게 나온것으로 예상되어 안전계수가 낮게나온 부분들에 3mm~5mm의 필렛을 주었다.

필렛을 통해 안전계수가 1이 나오던 부분들의 안전계수를 2이상으로 올릴 수 있었다. 아래 도면은 응력이 집중되는 부위를 해석을 통해 확인한 후 필렛을 준 부위들이다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

내용

특허 출원 내용