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2021년 6월 17일 (목) 10:32 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스텝 모터를 이용한 자이로스코프 식재료 혼합기

영문 : Gyroscopic Food Mixer Using Step Motor

과제 팀명

금요일에 만나요

지도교수

홍*식 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 전**(팀장)

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 배**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 이**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 한**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 유**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20154500** 한**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 대량 혼합만 가능했던 기존 자동 혼합기를 소형화도 가능하케 하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 믹싱볼(mixing bowl)과 믹싱볼을 감싸는 서로 다른 2개의 수직 축의 회전 링을 회전 모터와 아두이노를 이용하여 재료가 모든 방향으로 혼합될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 회전모터의 가속과 감속 그리고 내부볼의 돌기를 통하여 랜덤 방식의 회전을 구현한다. 가정에서도 쉽게 사용할 수 있고 식당, 군대 등에서 식재료를 대량으로 만들 때에도 주로 사용할 수 있다. 혼합되는 식재료에 따른 최적의 혼합 강도를 설정함과 아울러 식재료와 소스 등이 자동으로 혼합되어 인간의 노동과 시간을 절약하는데, 그 목적이 있다.

개발 과제의 배경

일반적으로 음식 재료를 혼합하는 방법은 두 가지이다. 첫째, 일반 그릇에 식재료를 넣고 주걱이나 비닐장갑을 활용하여 사람이 직접 혼합하는 방식이다. 이 방법의 경우 사람의 직접적인 노동이 필요하기 때문에 음식 재료를 혼합하는 동안 다른 업무를 하지 못한다. 두 번째로, 레미콘 믹싱 장치 등과 같이 기계 내부의 혼합기를 활용하여 자동으로 음식 재료를 혼합하는 방식이다. 레미콘 믹싱 장치는 재료를 넣고 장치를 작동시키면 혼합기가 돌아가고, 혼합기와 접촉하는 재료들을 움직여 혼합시키는 원리를 이용한다. 본 발명은 스텝 모터의 감속과 가속 방식과 자이로스코프 원리를 이용해 회전 방향에 랜덤성을 부여하여 혼합 성능을 향상시킨다.

본 발명은 가정에서의 소량 조리 뿐만 아니라 학교 급식실이나 군대, 대중식당 등에서 샐러드나 닭강정, 볶음밥 등을 대량으로 만들 때 주로 사용하는 음식물 혼합기에 관한 것이다.

종래에는 이와 같은 목적으로 사용하기에 적합한 음식물 혼합기가 없었기 때문에 대량의 식품을 일시에 제공할 수 없어 손님들이 장시간 대기하거나 아니면 미리 준비한 경우는 음식물이 식거나 굳어져서 음식맛을 상실케하는 폐단이 있었다. 또한 음식을 준비하는 사람의 노동력과 시간이 다소 많이 소요되는 문제점도 있었다.

식재료를 2개의 축을 이용하여 효율적으로 혼합함으로써 음식제조 시간을 단축시킬 수 있고, 음식의 종류에 따라 다양한 모드 중 하나를 적절하게 설정함으로써 재료의 본연의 맛을 살리고, 품질을 일정하게 유지시켜 준다. 이 뿐만 아니라, 부족한 인력을 대체하는 효과를 학교 급식실이나 군대, 대중 식당 등에 가져다줄 것이고, 홈메이드 음식의 접근성도 높일 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

식재료 혼합기의 본질에 맞게 식재료 혼합 성능 향상을 최우선 목표로 설정한다. 믹싱볼 내부에 돌기를 부착하여 구의 회전 랜덤성을 증가시킨다. 식재료에 따른 혼합 정도를 모터의 회전수를 다르게 하여 찾는다. 식재료가 구동 중에 누출되지 않는 것을 두 번째 목표로 믹싱볼 접합부에서 물을 통해 액체가 새고 있는지 측정한다. 믹싱볼 내부에 식재료를 넣고 빼기 위한 분리와 조립의 용이성, 가격 경쟁력 등을 각각의 기준에 맞게 목표를 설정한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 기존의 음식 믹서(Food mixer)는 주로 베이킹 목적으로 사용되며, BBC good food에서는 Capacity, Versatility, Weight, Value for money를 기준으로 Kenwood KVL8300S Chef Titanium XL Stand Mixer( best stand mixer for versatility), VonShef 1000W black stand mixer(best affordable stand mixer) 등의 9가지 best stand mixers를 선정하기도 함.
2. 1996년 대만에서 설립된 식품 기계 전문 제조업체인 Ding-Han Machinery는 초기에는 주로 수산물(튀김, 어묵 등)을 가공하기 위한 교반기를 제작하였고, 최근에는 급변하는 식품 시장의 수요에 맞춰 위해 고기 페이스트 혼합, 케이크 베이킹 및 리본 블렌딩에 적합한 교반 및 혼합 기계를 제작하고 있음.
3. 음식물 혼합에 사용되는 기존의 제품은 stand mixer와 hand mixer, 대규모 식당이나 음식물 납품 업체에서 대용량 혼합에 사용하는 교반, 혼합기 등이 있는데 대부분 단순히 모터의 회전을 통제하는 방식으로 작동됨. 따라서 기존의 기계를 사용하면 작은 알맹이나 가루의 혼합, 반죽은 용이하나, 샐러드나 닭강정을 버무리는 작업은 어려움.
4. 국외에서는 gyroscopic mixer가 사용되고 있는 사례를 찾아볼 수 있음. Collomix gyroscopic mixer는 페인트, 석고, 인쇄 잉크, 접착제, 분말 기반 또는 화학 물질 등과 같은 다양한 재료를 혼합하기 위해 고안된 기계임. Radia gyroscopic mixer 또한 유사한 기계로, 내부 컨테이너를 수직 및 수평으로 동시에 회전시켜 고점도의 재료와 대용량 환경에 탁월한 혼합을 제공함.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 자이로스코프 식재료 혼합기는 ‘자이로스코프’라는 자연 법칙을 활용하고, 회전이 멈추지 않도록 도와주는 모터 하나와 LED 표시등만 필요하기 때문에 많은 양의 소비 전력을 요구하지 않는다.
2. 기존에 존재하는 혼합기처럼 한 쪽 방향으로만 회전하는 형태가 아닌 모든 방향으로 랜덤하게 회전하며 재료를 혼합할 수 있으므로 혼합 성능이 뛰어나다.
3. 버튼을 통해 회전 속도 및 시간을 설정하고 남은 시간 또한 확인할 수 있으며 취소 버튼을 통해 언제든지 취소할 수 있으므로 다양한 재료를 수용함과 동시에 개개인의 입맛에 맞는 음식 조리가 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 코로나19 사태로 인한 비대면 활동이 증가하는 추세이다. 특히 외식을 자제하고 가정에서 직접 식사를 하는 경우가 늘어나고 있다. 실제로 한국농촌경제연구원에서 조사한 코로나19 사태 이후 가정 식사 비율을 늘렸다고 답한 가정은 61.7%이며, 국내 식품기업들의 매출 또한 180% 이상 증가하는 모습을 보인다. 가정 요리가 증가한 만큼, 음식 재료를 편하게 혼합할 수 있는 자이로스코프 식재료 혼합기는 많은 수요가 있을 것으로 예상된다.
2. 서울경제 뉴스에 따르면, 자취생활을 하는 학생 및 직장인들은 아침 시간 출근 및 등교 준비로 인하여 끼니를 거르는 경우가 많다. 실제 20대 청년을 대상으로 조사한 결과 무려 52.6%의 사람들이 아침밥을 먹지 않는다는 결과가 있다. 이는 아침을 준비하는데 최소 10~20분의 시간이 소요되기 때문이다. 그러나 자이로스코프 식재료 혼합기는 미리 준비해둔 재료를 넣고 버튼만 누르면 자동으로 혼합되기 때문에 혼합되는 시간동안 등교 및 출근 준비를 할 수 있다는 점에서 1인가구로부터 큰 호응을 살 것으로 예상된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

1. 배예지 : 발명품의 디자인 설계, 발명품에 대한 피드백 후 디자인 수정, 최종 디자인 확정
2. 전은솔 : 금요일에 만나요 팀장. 식품 기계 시장조사, 소재 결정 및 단가 조사
3. 유혜리 : 발명품 실제 디자인 설계, 물품 구입 및 시제품 제작
4. 이승호 : 시제품 제작 및 테스트 진행, 시제품에 대한 보완점 확인
5. 한대규 : 시제품에 예상되는 이론값 실제값과 비교, 개선 방향 설정
6. 한유진 : 개선점을 반영하여 제품의 디자인 및 설계 수정, 최종 제품 제작

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1.발명품의 궁극적인 목적인 식재료 혼합 능력을 평가하기 위한 효과성 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 양배추 샐러드와 소스 / 순살 치킨과 치킨 소스 / 만두소 재료를 넣고 각 식재료에 맞는 조리 속도와 조리 기구를 이용했을 때 식재료가 부서지거나 으깨지지 않고, 골고루 섞여 랜덤한 패턴을 완성하는데 얼마의 시간이 소요되는지 측정함.

- 개발목표치 : 3분 이하

2.발명품의 내구성과 관련된 축 강도 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 튀김 가루와 같은 1.0kg의 식재료를 넣고 동작시켰을 때 축에 이상 없이 정상적으로 작동하는 시간을 측정함. (최대 20분 작동시킴.)

- 개발목표치 : 10분 이상

3.발명품 자체의 내구성 테스트

- 방법 : 발명품을 바닥에서 작동 / 미작동 상태에서, 1m의 높이에서 다양한 무게의 추를 자유 낙하시켜 충격을 가함. 이때, 이상 없이 정상 작동 가능한 추의 최대 무게를 확인함.

- 개발목표치 : 5kg 이상

4.발명품 정상 작동에 필요한 밀폐성 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 물 200mL를 넣고 가장 느린 / 빠른 속도로 작동시켰을 때 회전에 의해 뚜껑 등의 이음새 부분 사이로 새어나오는 액체의 양을 측정함.

- 개발목표치 : 테스트 용량의 5% 이하

5.발명품의 수용 가능 용량 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 물 / 튀김 가루를 넣어 뚜껑이 잘 닫히는 수준의 최대 용량과 가장 느린 속도로의 작동이 1분 동안 원활한 수준의 최대 용량을 모두 확인함.

- 개발목표치 : 모두 2L 이상

6.발명품의 오작동 테스트

- 방법 : 시간 계기판에 표시된 시간 간격이 실제 시간 간격과 일치하는지 5분간 핸드폰 타이머와 비교함.

- 개발목표치 : 1초 이하

개념설계안

◇ 본 조는 대량 혼합만 가능했던 기존 자동 혼합기를 소형화하여 가정이나 소규모의 식당에서도 쉽게 사용할 수 있는 방안에 대하여 고민해 보았다. 이에 혼합되는 식재료에 따라 최적의 혼합 강도를 설정하고 믹싱볼 내부의 날개를 재료에 맞게 교체할 수 있는 식재료 혼합기를 고안하였다. 이를 통해 식재료와 소스가 자동으로 혼합되어 사람의 노동력과 시간을 절약할 수 있다.

◇ 첫 번째로, 자이로스코프의 원리를 이용하여 믹싱볼을 회전시킨다. 혼합기의 전체적인 구조는 모터에 연결된 제 1 고리와 그 안쪽에 연결된 제 2고리, 믹싱볼로 구성되어 있다. 제 1축과 연결된 스텝 모터를 작동시키면 스텝 모터의 회전 속도에 따라 믹싱볼이 랜덤한 방향으로 돌아가며 식재료를 혼합할 수 있다.

◇ 다음으로 받침부에는 3개의 작동버튼 및 취소 버튼과 남은 작동시간을 보여주는 디스플레이가 정면 방향에 위치한다. 약 버튼, 중 버튼, 강 버튼은 혼합기의 회전 세기를 조절할 수 있으며, 한 번 누를 때마다 작동 시간이 30초씩 추가된다. 세기 조절 버튼을 누르면 해당 버튼의 아래에 위치한 작동표시 LED에 불빛이 들어와 현재 어떤 세기로 회전 중인지 확인이 가능하다. 또한 식재료 혼합을 중단하고 싶거나 다른 혼합 세기로 바꾸고 싶을 때에는 취소 버튼을 눌러 혼합을 중단할 수 있다.

◇ 축과 연결된 스텝 모터는 축 직경이 5mm 이므로 제 1축과 연결하여 효과적으로 토크를 전달하기 위해서 추가적인 장치가 필요하다. 이에 본 조는 커플링을 사용하여 모터의 동력을 전달하고 진동을 감소시켰다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

향후계획

1. 냉각장치 적용

본 설계는 가정 및 학교 급식실이나 군대, 대중 식당 등에서 사용할 수 있는 고상과 액상의 음식 재료를 효율적으로 혼합할 수 있는 장치에 관한 것이다. 이러한 식재료를 섞기 위하여 동력전달장치인 스텝 모터가 작동하는데 저항에 의한 온도 상승이 높다. 고온에서의 스텝 모터와 스텝 모터 드라이버의 장시간 노출은 열화가 우려되기 때문에 성능 개선을 위해 추가적인 냉각 장치가 필요하다. 냉각 팬과 같은 장치를 달아 외부의 공기를 이용하여 장치를 효과적으로 냉각할 수 있다. 

1. 믹싱볼의 소재 변경

현재 믹싱볼의 성능을 평가하기 위해 내부가 보이는 아크릴 소재의 구를 사용하였다. 이에 따라 선택할 수 있는 구의 크기와 두께 등이 정해져 있고 쉽게 부셔져 제작하는 데에 어려움이 있었다. 하지만 실제 제품을 만들 때에는 강도가 뛰어나고 식재료와의 반응성도 적은 스테인레스나 알루미늄 소재를 사용하여 제작할 수 있다. 

특허 출원 내용

내용