기능과 사용 환경에 적합한 재료를 선택하는 설계

기능과 사용 환경에 적합한 재료를 선택하는 설계

Material Suitability는 부품이나 구조물에 사용되는 재료가 요구 기능, 하중 조건, 작동 환경, 제조공정, 수명, 안전성 및 비용 조건에 적합한지를 평가하는 설계 영역이다. 한국어로는 재료 적합성, 재료 선정 적합성 또는 사용 조건에 따른 재료 적합성이라고 표현할 수 있다.

기계설계에서 재료는 단순히 부품을 만드는 물질이 아니다. 재료의 강도, 강성, 경도, 인성, 내식성, 내마모성, 열적 특성 및 가공성은 제품의 성능과 수명을 직접 결정한다.

같은 형상의 부품이라도 어떤 재료를 적용하느냐에 따라 다음 요소가 달라질 수 있다.

  • 허용 하중

  • 변형량

  • 피로수명

  • 마모 속도

  • 부식 가능성

  • 사용 가능한 온도 범위

  • 세척성과 위생성

  • 제조 난이도

  • 유지보수 주기

  • 제품 가격

  • 재활용성과 환경부담

따라서 재료 선정은 설계가 완료된 후 재질을 표기하는 작업이 아니라, 기능과 구조를 결정하는 초기 설계 활동에 포함되어야 한다.

Material Suitability는 다음 질문에서 시작한다.

  • 이 부품은 어떤 하중을 받는가?

  • 어느 정도의 변형이 허용되는가?

  • 반복 하중이나 충격이 발생하는가?

  • 물, 습기, 약품, 식품 또는 염분에 노출되는가?

  • 마찰과 마모가 발생하는가?

  • 온도 변화가 재료 성능에 영향을 주는가?

  • 용접, 절곡, 절삭 또는 성형이 가능한가?

  • 식품 접촉이나 인체 접촉에 적합한가?

  • 필요한 수명과 비용을 동시에 만족하는가?

  • 조달과 교체가 용이한가?

Material Suitability의 핵심 검토 요소는 다음과 같이 정리할 수 있다.

  • Mechanical Properties — 기계적 특성

  • Environmental Resistance — 환경 저항성

  • Thermal Suitability — 열적 적합성

  • Tribological Suitability — 마찰·마모 적합성

  • Manufacturability — 제조 적합성

  • Hygiene and Safety — 위생 및 안전 적합성

  • Compatibility — 재료 간 적합성

  • Cost and Availability — 비용과 조달성

  • Life Cycle and Sustainability — 수명주기와 지속가능성

재료 적합성의 기본 개념

재료 적합성은 재료 자체가 우수한지를 평가하는 것이 아니라, 특정 부품과 특정 사용 조건에 적합한지를 판단하는 것이다.

예를 들어 스테인리스강은 내식성과 위생성이 우수하지만 모든 부품에 가장 적합한 재료는 아니다. 높은 비용, 절삭 난이도, 열전도율, 마찰 특성 또는 중량 문제로 인해 다른 재료가 더 적합할 수 있다.

알루미늄은 가볍고 가공성이 우수하지만 높은 마모, 반복 충격, 강한 알칼리 세척제 또는 고온 환경에서는 적용이 제한될 수 있다.

엔지니어링 플라스틱은 낮은 마찰계수와 우수한 내식성을 제공하지만, 크리프, 온도 의존성, 수분 흡수 및 치수 안정성을 검토해야 한다.

따라서 재료 선정은 다음 관계를 함께 고려해야 한다.

기능 요구조건 + 작동 환경 + 제조공정 + 기대수명 + 비용조건 = 적합한 재료

재료의 우수성보다 중요한 것은 요구조건과 재료 특성 사이의 적합성이다.

재료 선정의 출발점

재료를 선정하기 전에 부품의 역할과 사용 조건을 명확히 정의해야 한다.

부품의 기능

재료 선정에 영향을 주는 대표적인 기능은 다음과 같다.

  • 하중을 지지한다.

  • 토크를 전달한다.

  • 운동을 안내한다.

  • 마찰을 감소시킨다.

  • 마모를 견딘다.

  • 유체를 밀봉한다.

  • 열을 전달하거나 차단한다.

  • 외부 충격으로부터 내부 장치를 보호한다.

  • 제품과 직접 접촉한다.

  • 세척수와 약품에 견딘다.

  • 전기를 전도하거나 절연한다.

  • 구조 진동을 흡수한다.

같은 재료라도 부품의 역할이 달라지면 적합성 판단 기준도 달라진다.

작동 조건

재료는 실제 작동 조건에서 평가해야 한다.

주요 조건은 다음과 같다.

  • 최대 정적 하중

  • 반복 하중

  • 충격 하중

  • 진동

  • 회전 속도

  • 미끄럼 속도

  • 접촉 압력

  • 사용 온도

  • 온도 변화 속도

  • 습도

  • 물과 증기

  • 세척제와 소독제

  • 산과 알칼리

  • 염분

  • 식품 성분

  • 자외선

  • 분진과 이물질

설계자는 정상 운전 조건뿐 아니라 세척, 정지, 비정상 운전, 장기 보관 및 운송 조건까지 검토해야 한다.

Mechanical Properties — 기계적 특성

기계적 특성은 재료가 힘과 변형에 어떻게 반응하는지를 나타낸다.

강도

강도는 재료가 파손되거나 영구 변형되기 전까지 견딜 수 있는 응력 수준을 의미한다.

주요 강도 특성은 다음과 같다.

  • 인장강도

  • 항복강도

  • 압축강도

  • 전단강도

  • 굽힘강도

  • 비틀림강도

  • 피로강도

부품의 재료를 선정할 때는 최대 인장강도만 보는 것이 아니라, 실제 설계에서 허용 가능한 변형과 반복 하중 조건을 함께 고려해야 한다.

예를 들어 회전축은 정적 강도만 충분하더라도 반복 굽힘과 비틀림에 의해 피로 파손될 수 있다. 따라서 축 재료는 항복강도뿐 아니라 피로강도, 표면 상태, 열처리 및 응력 집중에 대한 민감성을 검토해야 한다.

강성

강성은 하중에 대한 변형 저항성을 의미하며, 주로 탄성계수와 형상에 의해 결정된다.

강도가 충분해도 강성이 부족하면 다음 문제가 발생할 수 있다.

  • 축 처짐

  • 가이드 정렬 불량

  • 칼날 위치 변화

  • 진동 증가

  • 기어 맞물림 불량

  • 씰 접촉압 저하

  • 제품 치수 불균일

알루미늄 합금은 일부 강재와 유사한 강도를 가질 수 있지만, 탄성계수가 강재보다 낮기 때문에 동일한 형상에서는 변형량이 더 커질 수 있다.

따라서 경량화를 위해 재료를 변경할 때는 단순 강도 비교가 아니라 구조 강성까지 검토해야 한다.

경도

경도는 눌림, 긁힘 및 국부 소성변형에 대한 저항성을 나타낸다.

경도가 중요한 부품은 다음과 같다.

  • 베어링 접촉부

  • 기어

  • 캠

  • 롤러

  • 칼날

  • 슬라이딩 면

  • 위치 결정 핀

  • 체결 반복부

높은 경도는 내마모성을 향상시키지만 지나치게 높으면 취성이 증가하고 가공성이 저하될 수 있다.

따라서 표면만 경화하고 내부는 인성을 유지하는 침탄, 질화, 고주파 경화 등의 표면경화 방법을 적용할 수 있다.

인성

인성은 재료가 파손되기 전까지 에너지를 흡수할 수 있는 능력이다.

충격, 급격한 하중 변화 또는 저온 환경에서는 높은 인성이 필요하다.

인성이 부족한 재료는 정적 하중에서는 문제가 없더라도 다음 조건에서 갑작스럽게 파손될 수 있다.

  • 충격 하중

  • 낙하

  • 급정지

  • 모서리 응력 집중

  • 저온 취성

  • 용접부 결함

  • 반복적인 충격

안전 관련 부품과 회전체에는 단순 고강도 재료보다 강도와 인성의 균형이 중요하다.

연성

연성은 재료가 파손되기 전에 소성변형을 견딜 수 있는 능력이다.

연성이 높은 재료는 다음과 같은 장점을 가진다.

  • 갑작스러운 취성 파괴 가능성이 낮다.

  • 절곡과 성형이 용이하다.

  • 국부 응력을 분산할 수 있다.

  • 파손 전에 변형 징후가 나타난다.

그러나 지나치게 연한 재료는 마모, 눌림 및 체결부 변형에 취약할 수 있다.

피로특성

기계 부품은 항복강도보다 낮은 응력에서도 반복 하중에 의해 파손될 수 있다. 이를 피로 파손이라고 한다.

피로에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

  • 반복 응력의 크기

  • 평균응력

  • 하중 반복 횟수

  • 표면조도

  • 흠집과 가공 흔적

  • 노치와 단차

  • 용접부

  • 부식

  • 잔류응력

  • 열처리 상태

회전축, 스프링, 링크, 프레임 용접부 및 왕복 구동 부품에서는 피로수명을 별도로 검토해야 한다.

Environmental Resistance — 환경 저항성

재료는 실제 사용 환경에서 성능을 유지할 수 있어야 한다.

내식성

부식은 재료 표면이 물, 산소, 약품 또는 이온과 반응하여 열화되는 현상이다.

부식은 외관 문제를 넘어 다음과 같은 기능 저하를 일으킬 수 있다.

  • 단면 감소

  • 강도 저하

  • 표면 거칠기 증가

  • 오염 발생

  • 체결부 고착

  • 피로수명 감소

  • 씰 접촉면 손상

  • 식품 오염

내식성 평가 시 다음 환경을 구분해야 한다.

  • 일반 대기

  • 고습 환경

  • 물 접촉

  • 염수 환경

  • 산성 환경

  • 알칼리 환경

  • 염소계 세척제

  • 증기

  • 식품 성분

  • 세척 후 건조 불량 환경

스테인리스강도 모든 환경에서 부식되지 않는 것은 아니다. 염소계 세척제, 염분, 틈새, 용접 열영향부 및 산소 공급이 제한된 영역에서는 공식이나 틈새부식이 발생할 수 있다.

화학적 저항성

재료는 세척제, 윤활유, 식품 성분, 냉매 및 공정 유체와 화학적으로 안정해야 한다.

화학적 저항성을 검토할 때는 다음 요소를 확인해야 한다.

  • 약품의 종류

  • 농도

  • 온도

  • 접촉 시간

  • 반복 노출 횟수

  • 압력

  • 세척 후 잔류 여부

  • 재료의 응력 상태

플라스틱과 고무는 화학물질에 의해 다음과 같은 변화가 발생할 수 있다.

  • 팽윤

  • 경화

  • 연화

  • 균열

  • 변색

  • 강도 저하

  • 치수 변화

  • 표면 박리

따라서 단순 내약품성 표만으로 판단하지 않고 실제 온도, 농도 및 노출 조건을 반영해야 한다.

수분과 흡습성

일부 플라스틱과 복합재료는 수분을 흡수하여 치수와 기계적 특성이 변할 수 있다.

수분 흡수로 발생할 수 있는 문제는 다음과 같다.

  • 치수 증가

  • 강성 저하

  • 전기 절연성 변화

  • 마찰 특성 변화

  • 공차 이탈

  • 변형과 휨

정밀 가이드, 기어, 부시 및 위치 결정 부품에 플라스틱을 사용할 경우 흡습에 따른 치수 변화를 검토해야 한다.

자외선과 기후 저항성

실외 장비 또는 햇빛에 노출되는 부품은 자외선, 온도 변화, 비, 바람 및 오존의 영향을 받는다.

자외선은 일부 플라스틱과 고무에 다음 변화를 일으킬 수 있다.

  • 표면 균열

  • 취화

  • 변색

  • 강도 저하

  • 탄성 저하

실외 사용이 예상되는 경우 UV 안정제가 포함된 재료, 보호 코팅 또는 금속 커버를 적용해야 한다.

Thermal Suitability — 열적 적합성

온도는 재료의 강도, 강성, 치수, 마찰 및 화학적 안정성에 영향을 준다.

사용 온도 범위

재료는 정상 운전뿐 아니라 다음 온도 조건에서도 기능을 유지해야 한다.

  • 시동 전 저온

  • 정상 작동 온도

  • 마찰에 의한 국부 발열

  • 세척수 온도

  • 증기 세척 온도

  • 살균 온도

  • 주변 고온

  • 냉동 환경

  • 급격한 온도 변화

플라스틱과 고무는 온도가 상승하면 강성과 강도가 크게 감소할 수 있다. 저온에서는 취성이 증가할 수 있다.

금속도 고온에서는 항복강도와 피로강도가 감소하며, 반복적인 열변화로 열피로가 발생할 수 있다.

열팽창

재료는 온도 변화에 따라 치수가 변한다.

열팽창 차이가 큰 재료를 결합하면 다음 문제가 발생할 수 있다.

  • 간극 변화

  • 끼워맞춤 변화

  • 체결력 변화

  • 휨과 뒤틀림

  • 접착부 박리

  • 씰 압축률 변화

  • 축 정렬 불량

알루미늄과 강재, 플라스틱과 금속 등 열팽창계수가 크게 다른 재료를 함께 사용할 때는 상대 변위를 흡수할 수 있는 구조가 필요하다.

열전도성

열전도성이 높은 재료는 열을 빠르게 전달하고, 낮은 재료는 단열 기능을 제공한다.

열전도성이 중요한 부품은 다음과 같다.

  • 모터 장착판

  • 방열판

  • 베어링 하우징

  • 가열판

  • 냉각판

  • 단열 커버

  • 작업자 접촉부

열을 배출해야 하는 구조에서는 알루미늄이나 구리와 같이 열전도성이 높은 재료가 유리할 수 있다. 반대로 작업자 보호나 열손실 방지가 필요한 구조에서는 플라스틱, 고무 또는 단열재가 적합할 수 있다.

열충격 저항성

재료가 급격한 온도 변화를 받으면 내부 온도차로 인해 열응력이 발생한다.

열충격에 취약한 재료는 다음 조건에서 균열될 수 있다.

  • 고온 상태에서 냉수 세척

  • 냉동 상태에서 온수 세척

  • 반복 가열과 냉각

  • 국부 가열

  • 두께가 급격히 변하는 구조

세라믹, 유리 및 일부 경질 재료는 열충격에 특히 주의해야 한다.

Tribological Suitability — 마찰·마모 적합성

서로 접촉하고 움직이는 부품에서는 마찰, 마모 및 윤활 조건이 중요하다.

마찰 특성

마찰계수는 구동력, 발열, 소음 및 마모에 영향을 준다.

마찰이 낮아야 하는 구조는 다음과 같다.

  • 슬라이딩 가이드

  • 부시

  • 씰 접촉부

  • 체인 가이드

  • 제품 이송면

  • 힌지

  • 캠 팔로어

반대로 마찰이 필요한 구조도 있다.

  • 브레이크

  • 클램프

  • 마찰 구동

  • 미끄럼 방지 표면

  • 작업자 발판

  • 제품 그립부

따라서 마찰계수는 낮을수록 좋은 것이 아니라 기능에 적합한 수준이어야 한다.

내마모성

마모는 접촉면의 재료가 점진적으로 제거되거나 변형되는 현상이다.

주요 마모 형태는 다음과 같다.

  • 접착마모

  • 연삭마모

  • 피로마모

  • 침식마모

  • 프레팅 마모

  • 부식마모

마모가 예상되는 경우 다음 요소를 검토해야 한다.

  • 재료 경도

  • 상대 재료의 경도

  • 표면조도

  • 접촉압력

  • 상대 속도

  • 윤활 조건

  • 이물질 존재

  • 온도

  • 표면처리

금속과 금속이 직접 미끄러지는 구조에서는 소착과 갈링이 발생할 수 있다. 특히 동일 계열의 스테인리스강이 높은 접촉압력에서 미끄러지면 표면이 달라붙는 현상이 발생할 수 있다.

이 경우 다음 대안을 검토할 수 있다.

  • 서로 다른 재료 조합

  • 엔지니어링 플라스틱 부시

  • 표면경화

  • 코팅

  • 윤활

  • 접촉압력 감소

  • 롤링 접촉으로의 변경

윤활 적합성

재료는 사용되는 윤활유 또는 그리스와 화학적으로 호환되어야 한다.

식품기계에서는 식품등급 윤활제를 사용하더라도 식품 접촉 가능성을 최소화해야 한다.

윤활이 어려운 환경에서는 다음과 같은 재료를 검토할 수 있다.

  • 자기윤활성 플라스틱

  • 오일 함침 소결부시

  • 고체윤활 코팅

  • 건식 베어링 재료

  • 복합 슬라이딩 재료

Manufacturability — 제조 적합성

재료는 요구 형상을 실제로 제작할 수 있어야 한다.

절삭가공성

절삭가공성은 선반, 밀링, 드릴링, 연삭 등의 가공이 얼마나 용이한지를 나타낸다.

절삭가공성에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

  • 재료 경도

  • 가공경화

  • 열전도율

  • 칩 형성

  • 공구 마모

  • 절삭열

  • 표면 품질

  • 치수 안정성

스테인리스강은 가공경화와 낮은 열전도율로 인해 일부 탄소강보다 절삭이 어렵다. 고경도 재료는 내마모성이 우수하지만 가공비가 증가할 수 있다.

재료 선정 시 완성 부품의 성능뿐 아니라 가공시간, 공구수명 및 공급업체의 가공 능력을 함께 고려해야 한다.

성형성

판금 절곡, 프레스, 인발, 단조 및 압출 공정에서는 재료의 성형성이 중요하다.

성형성 검토 항목은 다음과 같다.

  • 연신율

  • 최소 절곡 반경

  • 스프링백

  • 균열 가능성

  • 판재 방향성

  • 성형 후 두께 변화

  • 잔류응력

같은 재료라도 열처리 상태와 판재 방향에 따라 절곡 특성이 달라질 수 있다.

용접성

용접 구조에서는 재료의 용접성이 중요하다.

용접성에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

  • 탄소당량

  • 열영향부 경화

  • 용접 균열

  • 변형

  • 잔류응력

  • 용접재와 모재의 조합

  • 용접 후 내식성

  • 용접 후 열처리 필요성

스테인리스강은 용접 후 열변색과 산화층을 제거하고, 필요한 경우 산세 또는 부동태 처리를 실시해야 한다.

식품 접촉면의 용접부는 연속적으로 용접하고 매끄럽게 연마하여 틈새와 오염 잔류를 방지해야 한다.

열처리 적합성

열처리는 재료의 강도, 경도, 인성 및 내마모성을 변화시키는 방법이다.

대표적인 열처리는 다음과 같다.

  • 풀림

  • 불림

  • 담금질

  • 뜨임

  • 침탄

  • 질화

  • 고주파 경화

  • 시효처리

  • 용체화 처리

열처리를 적용할 때는 다음 문제를 검토해야 한다.

  • 치수 변형

  • 균열

  • 잔류응력

  • 표면 산화

  • 후가공 필요성

  • 경도 분포

  • 검사 방법

표면처리 적합성

표면처리는 모재의 기본 특성을 유지하면서 표면 기능을 개선한다.

대표적인 표면처리는 다음과 같다.

  • 도금

  • 양극산화

  • 질화

  • 경질 크롬

  • DLC 코팅

  • 세라믹 코팅

  • 도장

  • 분체도장

  • 부동태 처리

  • 전해연마

표면처리 선정 시 다음을 확인해야 한다.

  • 모재와의 접착성

  • 처리 두께

  • 치수 변화

  • 마모 시 박리 가능성

  • 식품 접촉 적합성

  • 내식성

  • 보수 가능성

  • 처리 후 표면조도

Hygiene and Safety — 위생 및 안전 적합성

식품, 의약품, 화장품 또는 인체 접촉 장비에서는 재료의 위생성과 안전성이 중요하다.

식품 접촉 적합성

식품 접촉 재료는 다음 조건을 만족해야 한다.

  • 인체에 유해한 성분이 용출되지 않는다.

  • 식품의 맛, 냄새, 색상에 영향을 주지 않는다.

  • 반복 세척과 소독에 견딘다.

  • 부식 생성물이 발생하지 않는다.

  • 표면이 쉽게 세척된다.

  • 균열과 박리가 발생하지 않는다.

  • 사용 온도에서 안정하다.

식품 접촉 가능성이 있는 플라스틱, 고무, 윤활제, 접착제 및 코팅은 해당 사용 목적에 적합한 등급인지 확인해야 한다.

세척성과 표면 상태

위생성은 재료 종류뿐 아니라 표면 상태에 의해 크게 좌우된다.

위생 표면은 다음 조건을 가져야 한다.

  • 매끄러운 표면

  • 균열과 기공이 적은 구조

  • 박리가 없는 표면

  • 내식성

  • 세척제에 대한 안정성

  • 세척 후 잔류물 최소화

주조 표면, 거친 용접부, 다공성 재료 및 손상된 코팅은 오염물질이 잔류할 가능성이 높다.

독성 및 유해성

재료에 포함된 성분이나 가공 과정에서 발생하는 물질이 작업자와 사용자에게 영향을 줄 수 있다.

검토 대상은 다음과 같다.

  • 중금속

  • 유해 가소제

  • 휘발성 물질

  • 가공 분진

  • 용접 흄

  • 섬유 분진

  • 유해 코팅 성분

  • 고온 분해 생성물

재료 선정 시 정상 사용뿐 아니라 가공, 용접, 절삭, 폐기 과정의 안전성도 검토해야 한다.

화재 안전성

전기장치, 고온장치 및 밀폐 공간에서는 재료의 난연성도 중요하다.

검토 요소는 다음과 같다.

  • 발화 가능성

  • 연소 속도

  • 연기 발생

  • 유독가스 발생

  • 자기소화성

  • 고온 변형

플라스틱 커버, 케이블 덕트, 절연재 및 전장 하우징에는 용도에 적합한 난연 등급을 적용해야 한다.

Compatibility — 재료 간 적합성

하나의 부품 재료가 적합하더라도 주변 재료와의 조합이 부적절하면 문제가 발생할 수 있다.

전기화학적 부식

서로 다른 금속이 전해질 환경에서 접촉하면 전위차에 의해 갈바닉 부식이 발생할 수 있다.

대표적인 조합은 다음과 같다.

  • 알루미늄과 스테인리스강

  • 탄소강과 구리

  • 아연도금강과 스테인리스강

  • 이종 금속 체결부

습기나 세척수가 존재하는 환경에서는 다음 대책을 검토할 수 있다.

  • 절연 와셔와 부시

  • 비전도성 코팅

  • 배수 구조

  • 금속 조합 변경

  • 접촉면 실링

  • 적절한 체결재 선정

경도 조합

접촉하는 두 재료의 경도 관계는 마모 특성에 영향을 준다.

한쪽 재료가 지나치게 단단하면 상대 부품이 빠르게 마모될 수 있다. 반대로 두 부품이 모두 비슷한 경도와 재질을 가지면 소착이 발생할 수 있다.

교체가 쉬운 부품을 의도적으로 희생 부품으로 설계하는 방법도 있다.

예를 들면 다음과 같다.

  • 교체형 부시

  • 마모판

  • 체인 가이드

  • 스크레이퍼

  • 라이너

  • 슬라이드 패드

열팽창 조합

서로 다른 열팽창계수를 가진 재료를 강하게 고정하면 온도 변화에 따라 내부 응력이나 변형이 발생할 수 있다.

필요한 경우 다음 구조를 적용한다.

  • 슬롯 구멍

  • 플로팅 마운트

  • 탄성 체결

  • 유연한 접착층

  • 팽창 간극

  • 한쪽 방향만 구속하는 구조

접착과 실링 적합성

접착제와 실런트는 모든 재료에 동일한 접착력을 제공하지 않는다.

검토 항목은 다음과 같다.

  • 표면에너지

  • 표면 오염

  • 산화층

  • 프라이머 필요성

  • 온도

  • 습도

  • 화학약품

  • 반복 변형

  • 경화 조건

플라스틱은 종류에 따라 접착이 매우 어려울 수 있으므로 기계적 체결이나 표면처리를 함께 검토해야 한다.

Cost and Availability — 비용과 조달성

기술적으로 가장 우수한 재료가 항상 가장 적합한 재료는 아니다.

재료비 외에도 다음 비용을 포함하여 평가해야 한다.

  • 원재료 가격

  • 가공비

  • 열처리비

  • 표면처리비

  • 용접비

  • 검사비

  • 불량률

  • 유지보수 비용

  • 교체 비용

  • 폐기 비용

  • 재고 비용

고가 재료를 사용해 부품 수명을 크게 연장할 수 있다면 전체 수명주기 비용은 오히려 낮아질 수 있다.

반대로 기능에 필요하지 않은 고급 재료를 적용하면 제품 가격만 증가하고 실질적인 성능 개선은 없을 수 있다.

조달 가능성

재료는 필요한 규격과 수량으로 안정적으로 조달할 수 있어야 한다.

검토 항목은 다음과 같다.

  • 국내외 공급 가능성

  • 표준 규격 여부

  • 최소 주문수량

  • 납기

  • 공급업체 수

  • 재료 인증서 제공 여부

  • 대체 재료 가능성

  • 장기 공급 가능성

특수 재료를 적용할 경우 설계 단계에서 대체 재료와 공급 위험을 함께 검토해야 한다.

표준화

가능한 경우 표준 재료와 표준 두께, 봉재 직경 및 판재 규격을 사용하는 것이 좋다.

표준화의 장점은 다음과 같다.

  • 구매 용이성

  • 단가 절감

  • 재고 감소

  • 가공성 예측

  • 품질 안정성

  • 대체 공급처 확보

  • 도면 관리 단순화

Life Cycle and Sustainability — 수명주기와 지속가능성

재료 적합성은 제조 시점뿐 아니라 제품의 전체 수명주기를 고려해야 한다.

사용수명

재료는 목표 수명 동안 기능을 유지해야 한다.

사용수명에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

  • 피로

  • 부식

  • 마모

  • 크리프

  • 자외선

  • 열노화

  • 화학적 열화

  • 반복 세척

  • 조립과 분해 반복

부품 수명은 재료 자체뿐 아니라 표면처리, 윤활, 유지보수 및 사용 조건에 의해 결정된다.

교체 가능성

마모나 열화가 예상되는 재료는 교체 가능한 구조로 설계하는 것이 유리하다.

예를 들면 다음과 같다.

  • 교체형 라이너

  • 탈착식 마모판

  • 교체형 부시

  • 모듈형 씰

  • 탈착식 가이드

  • 교환 가능한 칼날

고가의 본체 전체를 교체하지 않고 저가의 소모 부품만 교체할 수 있도록 설계해야 한다.

재활용성

재활용성을 높이기 위해 다음을 고려할 수 있다.

  • 단일 재료 사용

  • 재료 표시

  • 접착보다 분해 가능한 체결

  • 도금과 복합 코팅 최소화

  • 이종 재료 분리 용이성

  • 유해물질 사용 제한

서로 다른 재료를 영구 접착하거나 복합적으로 성형하면 재활용이 어려워질 수 있다.

환경 영향

재료 선정 시 다음 환경 요소를 고려할 수 있다.

  • 생산 에너지

  • 탄소 배출

  • 자원 희소성

  • 유해물질 사용

  • 재활용 가능성

  • 운송 중량

  • 제품 수명

  • 유지보수 빈도

경량 재료는 운송과 구동 에너지를 줄일 수 있지만, 제조 에너지와 재활용성까지 함께 평가해야 한다.

주요 재료군과 적용 특성

탄소강

탄소강은 강도, 가격 및 가공성의 균형이 우수하여 일반 기계구조에 널리 사용된다.

장점은 다음과 같다.

  • 높은 강도와 강성

  • 우수한 용접성과 가공성

  • 낮은 가격

  • 다양한 규격

  • 열처리 가능

제한사항은 다음과 같다.

  • 부식에 취약

  • 표면처리 필요

  • 식품 직접 접촉에 제한

  • 습식 환경에서 유지보수 필요

적용 예는 다음과 같다.

  • 프레임

  • 브래킷

  • 축

  • 베이스

  • 용접 구조물

  • 비접촉 내부 부품

합금강

합금강은 크롬, 몰리브덴, 니켈 등의 합금원소를 첨가하여 강도, 인성, 경화능 및 내마모성을 향상시킨 재료다.

적용 예는 다음과 같다.

  • 고하중 축

  • 기어

  • 핀

  • 캠

  • 스핀들

  • 고강도 체결부

합금강은 열처리 조건에 따라 성능이 크게 달라지므로 재료 규격과 열처리 상태를 함께 지정해야 한다.

스테인리스강

스테인리스강은 내식성, 위생성 및 외관이 우수하여 식품기계와 습식 환경에 널리 사용된다.

장점은 다음과 같다.

  • 우수한 내식성

  • 세척성

  • 위생성

  • 도장 불필요

  • 우수한 외관

  • 비교적 높은 내열성

제한사항은 다음과 같다.

  • 높은 가격

  • 가공경화

  • 절삭 난이도

  • 용접 변형

  • 갈링 가능성

  • 염소 환경에서 국부부식 가능성

식품 접촉부, 세척수 노출부, 외장 커버, 호퍼, 슈트 및 위생 프레임에 적합하다.

알루미늄 합금

알루미늄 합금은 낮은 밀도와 우수한 가공성을 가진다.

장점은 다음과 같다.

  • 경량

  • 우수한 절삭가공성

  • 비교적 높은 열전도성

  • 자연 산화막에 의한 내식성

  • 압출 형상 활용 가능

제한사항은 다음과 같다.

  • 강재보다 낮은 강성

  • 표면 마모에 취약

  • 높은 열팽창

  • 일부 알칼리 환경에 취약

  • 용접 후 강도 저하 가능성

경량 프레임, 커버, 가이드, 방열부 및 이동 부품에 적용할 수 있다.

구리와 구리합금

구리와 구리합금은 전기전도성, 열전도성 및 일부 마찰 특성이 우수하다.

적용 예는 다음과 같다.

  • 전기 접점

  • 열전달 부품

  • 부시

  • 베어링 재료

  • 브레이징 부품

  • 접지 부품

다만 비용, 중량, 부식 및 식품 접촉 가능성을 검토해야 한다.

엔지니어링 플라스틱

엔지니어링 플라스틱은 금속보다 가볍고, 내식성과 마찰 특성이 우수한 경우가 많다.

대표적인 재료는 다음과 같다.

  • POM

  • PA

  • UHMW-PE

  • PTFE

  • PEEK

  • PET

  • PC

  • PVC

장점은 다음과 같다.

  • 경량

  • 낮은 마찰계수

  • 우수한 내식성

  • 전기 절연성

  • 소음 감소

  • 가공 용이성

제한사항은 다음과 같다.

  • 낮은 강성

  • 크리프

  • 온도 의존성

  • 열팽창

  • 수분 흡수

  • 자외선 열화

  • 일부 약품에 대한 취약성

가이드, 부시, 체인 레일, 마모판, 커버, 절연부 및 저하중 기어에 활용할 수 있다.

고무와 엘라스토머

고무와 엘라스토머는 탄성, 밀봉성, 진동 흡수 및 충격 완충 기능을 제공한다.

대표적인 재료는 다음과 같다.

  • NBR

  • EPDM

  • Silicone

  • FKM

  • TPU

  • TPE

적용 예는 다음과 같다.

  • 씰

  • 가스켓

  • 진동 흡수체

  • 롤러 표면

  • 방진 마운트

  • 호스

  • 그립

온도, 약품, 식품 접촉, 압축 영구변형 및 노화 특성을 검토해야 한다.

세라믹

세라믹은 높은 경도, 내마모성, 내열성 및 화학적 안정성을 가진다.

적용 예는 다음과 같다.

  • 고마모 부품

  • 절연 부품

  • 씰 면

  • 절삭 공구

  • 고온 부품

  • 정밀 베어링 요소

제한사항은 다음과 같다.

  • 취성

  • 충격 민감성

  • 가공 난이도

  • 높은 비용

  • 열충격 위험

복합재료

복합재료는 서로 다른 재료를 결합하여 강도, 경량성, 내식성 또는 감쇠 특성을 향상시킨다.

대표적인 예는 다음과 같다.

  • CFRP

  • GFRP

  • 섬유강화 플라스틱

  • 금속기지 복합재

  • 다층 패널

장점은 다음과 같다.

  • 높은 비강도

  • 경량

  • 방향성 설계 가능

  • 우수한 내식성

  • 진동 감쇠

제한사항은 다음과 같다.

  • 이방성

  • 접합 난이도

  • 내부 손상 검출 어려움

  • 재활용성

  • 높은 재료비

식품기계에서의 Material Suitability

식품기계에서는 재료가 기계적 성능뿐 아니라 위생, 세척, 부식, 식품 접촉 및 오염 방지 요구를 충족해야 한다.

식품 접촉부

식품 접촉부에 적용되는 재료는 다음 조건을 만족해야 한다.

  • 식품 접촉에 적합한 재료다.

  • 부식 생성물이 발생하지 않는다.

  • 독성 성분이 용출되지 않는다.

  • 표면이 매끄럽고 세척 가능하다.

  • 반복 세척과 소독에 견딘다.

  • 냄새와 맛을 흡수하지 않는다.

  • 균열과 박리가 발생하지 않는다.

대표적으로 스테인리스강과 식품용 엔지니어링 플라스틱이 사용된다.

비접촉 습식부

식품에 직접 닿지 않더라도 세척수와 습기에 노출되는 부품은 높은 내식성이 필요하다.

적용 가능한 재료와 대책은 다음과 같다.

  • 스테인리스강

  • 적절한 도금

  • 내수성 코팅

  • 밀폐 구조

  • 배수 구조

  • 교체 가능한 커버

세척약품과의 적합성

식품기계에서는 알칼리 세척제, 산성 세척제, 염소계 살균제 및 고온수가 사용될 수 있다.

재료 선정 시 다음을 확인해야 한다.

  • 세척제 농도

  • 사용 온도

  • 접촉 시간

  • 세척 빈도

  • 헹굼 조건

  • 틈새 잔류 가능성

  • 고무와 플라스틱의 열화

이물 발생 방지

재료 자체 또는 표면처리에서 이물이 발생하지 않아야 한다.

주의해야 할 문제는 다음과 같다.

  • 도장 박리

  • 도금 박리

  • 부식 분말

  • 플라스틱 마모 분진

  • 고무 파편

  • 용접 슬래그

  • 표면 균열

식품 상부에 위치하는 부품은 특히 표면 박리와 부식 가능성을 엄격하게 관리해야 한다.

Material Suitability 평가 절차

요구기능 정의

부품이 수행해야 하는 기능을 먼저 정의한다.

  • 하중 지지

  • 토크 전달

  • 운동 안내

  • 밀봉

  • 마모 저항

  • 내식

  • 절연

  • 열전달

  • 위생 유지

사용 환경 정의

재료가 노출되는 실제 환경을 정리한다.

  • 온도

  • 습도

  • 세척수

  • 약품

  • 식품

  • 염분

  • 자외선

  • 충격

  • 진동

  • 마찰

  • 반복 하중

필수 재료 특성 설정

요구조건을 재료 특성으로 변환한다.

예를 들면 다음과 같다.

  • 높은 항복강도

  • 높은 강성

  • 높은 내마모성

  • 우수한 내식성

  • 낮은 마찰계수

  • 낮은 수분 흡수율

  • 식품 접촉 적합성

  • 우수한 용접성

  • 낮은 열팽창

후보 재료 선정

재료군별로 복수의 후보를 선정한다.

  • 탄소강

  • 합금강

  • 스테인리스강

  • 알루미늄

  • 구리합금

  • 엔지니어링 플라스틱

  • 고무

  • 세라믹

  • 복합재료

후보 재료 비교

후보 재료를 다음 항목으로 비교한다.

  • 기능 성능

  • 내구성

  • 환경 저항성

  • 제조성

  • 위생성

  • 비용

  • 조달성

  • 유지보수성

  • 재활용성

제조공정 검토

재료가 실제 생산공정에 적합한지 확인한다.

  • 절삭

  • 절곡

  • 용접

  • 성형

  • 열처리

  • 표면처리

  • 검사

  • 조립

시제품 및 시험

필요한 경우 실제 조건을 모사하여 시험한다.

시험 항목은 다음과 같다.

  • 정적 하중 시험

  • 피로 시험

  • 충격 시험

  • 마모 시험

  • 부식 시험

  • 약품 침지 시험

  • 온도 사이클 시험

  • 세척 시험

  • 식품 접촉 시험

  • 치수 안정성 시험

최종 재료 규격화

재료를 선정한 후에는 단순 재료명만 표기하지 않고 다음 정보를 명확히 해야 한다.

  • 재료 규격

  • 재료 등급

  • 열처리 상태

  • 경도

  • 표면처리

  • 판재 또는 봉재 상태

  • 표면조도

  • 검사 기준

  • 재료 인증서 요구사항

  • 허용 대체 재료

주요 실패 유형

Material Suitability가 적절하지 않으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

강도 부족

재료의 항복강도나 피로강도가 부족하여 변형 또는 파손이 발생한다.

강성 부족

파손되지는 않지만 변형량이 커서 정밀도와 기능이 저하된다.

취성 파손

충격과 저온 환경에서 재료가 갑작스럽게 파손된다.

과도한 마모

접촉면이 빠르게 마모되어 유격, 진동 및 위치 오차가 증가한다.

부식

수분, 염분 또는 약품으로 인해 표면과 구조가 열화된다.

화학적 열화

플라스틱, 고무 또는 코팅이 세척제와 반응하여 팽윤, 균열 또는 박리된다.

열변형

열팽창과 강성 저하로 인해 간극과 위치가 변한다.

갈바닉 부식

서로 다른 금속의 조합으로 인해 특정 재료가 빠르게 부식된다.

제조 불량

선정한 재료가 절곡, 용접, 절삭 또는 성형에 적합하지 않아 균열과 변형이 발생한다.

위생 문제

부식, 표면 박리, 기공 및 약품 열화로 인해 식품 오염 가능성이 증가한다.

비용 과다

필요 이상의 고급 재료를 사용하여 제품 가격이 증가한다.

조달 문제

특수 재료의 납기와 공급 불안정으로 생산이 지연된다.

재료 적합성 검토 체크리스트

Function

  • 부품의 주요 기능이 명확하게 정의되어 있는가?

  • 재료가 해당 기능에 필요한 특성을 제공하는가?

  • 강도와 강성 요구가 구분되어 있는가?

  • 반복 하중과 충격이 고려되어 있는가?

  • 마모와 마찰 조건이 정의되어 있는가?

Environment

  • 온도 범위가 정의되어 있는가?

  • 물, 습기, 염분 및 약품 노출이 고려되어 있는가?

  • 세척제의 농도와 온도가 반영되어 있는가?

  • 자외선과 실외 환경이 고려되어 있는가?

  • 장기 보관과 운송 조건이 검토되어 있는가?

Mechanical Properties

  • 항복강도가 충분한가?

  • 피로강도가 충분한가?

  • 필요한 강성을 확보하는가?

  • 충격에 필요한 인성을 가지는가?

  • 마모부에 적절한 경도를 가지는가?

Thermal Properties

  • 사용 온도에서 강도와 강성이 유지되는가?

  • 열팽창이 간극과 정렬에 영향을 주지 않는가?

  • 서로 다른 재료의 열팽창 차이가 검토되었는가?

  • 열충격 가능성이 고려되어 있는가?

Manufacturing

  • 절삭과 성형이 가능한가?

  • 용접성이 적절한가?

  • 열처리 후 변형이 관리 가능한가?

  • 표면처리가 재료와 적합한가?

  • 공급업체가 반복 생산할 수 있는가?

Hygiene and Safety

  • 식품 접촉에 적합한가?

  • 반복 세척에 견디는가?

  • 유해 성분이 용출될 가능성이 없는가?

  • 표면 박리와 이물 발생 가능성이 없는가?

  • 난연성과 작업자 안전이 고려되어 있는가?

Compatibility

  • 이종 금속 접촉부의 부식 가능성이 검토되었는가?

  • 상대 재료와 마찰 및 경도 조합이 적절한가?

  • 윤활제와 화학적으로 호환되는가?

  • 접착제와 실런트가 재료에 적합한가?

Cost and Supply

  • 재료비뿐 아니라 가공비와 유지비가 고려되어 있는가?

  • 표준 규격으로 조달 가능한가?

  • 공급업체가 충분한가?

  • 장기 공급이 가능한가?

  • 대체 재료가 정의되어 있는가?

Life Cycle

  • 목표수명 동안 성능을 유지하는가?

  • 마모부품을 교체할 수 있는가?

  • 재활용과 분해가 가능한가?

  • 폐기 시 유해성이 없는가?

  • 전체 수명주기 비용이 합리적인가?

결론

Material Suitability는 단순히 강한 재료나 부식되지 않는 재료를 선택하는 작업이 아니다. 부품의 기능, 하중, 변형, 마모, 온도, 환경, 제조공정, 위생, 비용 및 수명주기를 종합적으로 검토하여 가장 적합한 재료를 결정하는 설계 과정이다.

적합한 재료는 다음 조건을 만족해야 한다.

  • 필요한 강도와 강성을 제공한다.

  • 반복 하중과 충격을 견딘다.

  • 작동 환경에서 부식과 화학적 열화가 발생하지 않는다.

  • 마찰과 마모 조건에 적합하다.

  • 사용 온도에서 치수와 성능을 유지한다.

  • 절삭, 성형, 용접 및 표면처리가 가능하다.

  • 주변 재료 및 윤활제와 호환된다.

  • 위생과 안전 요구를 충족한다.

  • 안정적으로 조달할 수 있다.

  • 제품의 목표수명과 비용 조건을 만족한다.

  • 유지보수와 재활용이 가능하다.

기계설계에서 재료는 형상을 구성하는 수단인 동시에 기능을 실현하는 핵심 요소다. 동일한 형상도 재료가 달라지면 강도, 변형, 수명, 제조방법 및 안전성이 달라진다.

따라서 재료 선정은 설계 마지막 단계의 부가 작업이 아니라, 구조와 기능을 결정하는 핵심 설계 활동이어야 한다.

결국 Material Suitability의 품질은 가장 고급 재료를 사용하는가가 아니라, 요구 기능과 사용 환경에 가장 적합한 재료를 합리적인 비용과 제조 조건 안에서 선택했는가에 의해 결정된다.