1. Material의 의미

기계설계에서 Material은 단순히 “부품을 만드는 재료”만을 의미하지 않는다.
기계의 구조 강도, 내구성, 마찰, 위생성, 내식성, 열변형, 가공성, 조립성, 유지보수성, 비용을 결정하는 핵심 설계 요소이다.

따라서 Material 선정은 다음 질문과 함께 검토되어야 한다.

• 이 부품은 하중을 받는가?

• 마찰 또는 마모가 발생하는가?

• 물, 세척액, 산, 염분, 식품과 접촉하는가?

• 고온 또는 저온 환경에 노출되는가?

• 용접, 절삭, 굽힘, 주조, 사출 등 어떤 공정으로 제작되는가?

• 위생, 안전, 식품 접촉 규격을 만족해야 하는가?

• 수리와 교체가 쉬워야 하는가?

• 비용 대비 성능이 적절한가?

  
  

2. 금속 재료

금속 재료는 기계설계에서 가장 기본적으로 사용되는 재료군이다.
강도, 강성, 내열성, 가공성, 용접성, 표면처리성이 우수하여 프레임, 축, 브라켓, 기어, 베어링 하우징, 커버, 플레이트 등에 널리 사용된다.

2.1 철강 재료

철강 재료는 철을 기반으로 탄소와 합금원소를 포함한 재료이다.
가격 대비 강도가 우수하고 가공성이 좋아 산업기계에서 가장 많이 사용된다.

2.1.1 일반 구조용 강재

대표 재료:

• SS400

• S275

• S355

• ASTM A36

주요 특징:

• 가격이 저렴하다.

• 절단, 용접, 절곡, 절삭 가공이 쉽다.

• 프레임, 베이스, 브라켓, 지지대에 적합하다.

• 부식에 약하므로 도장, 도금, 흑착색 등의 표면처리가 필요하다.

주요 용도:

• 기계 프레임

• 베이스 플레이트

• 용접 구조물

• 일반 브라켓

• 지지 구조물

설계 시 주의점:

• 녹이 발생하기 쉬우므로 습기, 세척수, 염분 환경에서는 주의해야 한다.

• 식품기계에서는 식품 접촉부에 사용하기 어렵다.

• 도장면이 손상되면 부식이 빠르게 진행될 수 있다.

2.1.2 탄소강

대표 재료:

• S45C

• S50C

• AISI 1045

주요 특징:

• 일반 구조용 강재보다 강도가 높다.

• 열처리를 통해 경도와 내마모성을 높일 수 있다.

• 축, 핀, 롤러, 캠, 기계요소 부품에 많이 사용된다.

• 용접성은 일반 구조용 강재보다 떨어진다.

주요 용도:

• 회전축

• 핀

• 롤러

• 캠

• 기어 소재

• 기계 가공 부품

설계 시 주의점:

• 열처리 후 변형 가능성이 있다.

• 부식에 약하므로 표면처리가 필요하다.

• 식품 접촉부에는 적합하지 않은 경우가 많다.

2.1.3 합금강

대표 재료:

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• SNCM 계열

주요 특징:

• 크롬, 몰리브덴, 니켈 등의 합금원소를 포함한다.

• 강도, 인성, 피로강도, 내마모성이 우수하다.

• 열처리 특성이 좋다.

• 고하중 기계요소에 적합하다.

주요 용도:

• 고강도 축

• 기어

• 스핀들

• 볼트

• 동력전달 부품

• 고하중 핀

설계 시 주의점:

• 일반 탄소강보다 가격이 높다.

• 열처리 조건에 따라 성능 차이가 크다.

• 가공 후 열처리와 연삭 공정을 함께 검토해야 한다.

2.1.4 공구강

대표 재료:

• SKD11

• SKD61

• SKH51

주요 특징:

• 높은 경도와 내마모성을 가진다.

• 금형, 칼날, 절단부품, 마찰부품에 사용된다.

• 열처리 후 매우 단단해진다.

• 충격에는 취약할 수 있다.

주요 용도:

• 절단 칼날

• 금형 부품

• 펀치

• 다이

• 마모 플레이트

• 고경도 가이드 부품

설계 시 주의점:

• 열처리 후 가공이 어렵다.

• 충격 하중이 큰 부품에는 인성 검토가 필요하다.

• 식품기계 칼날에는 스테인리스계 칼날 소재와 비교 검토해야 한다.

2.2 스테인리스강

스테인리스강은 크롬을 포함하여 내식성이 우수한 철계 재료이다.
식품기계, 의료기기, 화학기계, 세척 환경의 장비에 필수적으로 사용된다.

2.2.1 오스테나이트계 스테인리스

대표 재료:

• STS304

• STS316

• STS316L

주요 특징:

• 내식성이 우수하다.

• 위생성이 좋다.

• 용접성이 좋다.

• 비자성 또는 약한 자성을 가진다.

• 가공 경화가 발생하기 쉽다.

주요 용도:

• 식품 접촉부

• 탱크

• 호퍼

• 커버

• 프레임

• 세척수 노출 부품

• 배관

• 믹싱 챔버

STS304:

• 가장 일반적인 식품기계용 스테인리스이다.

• 가격과 성능의 균형이 좋다.

STS316:

• 몰리브덴을 포함하여 염분, 산성 환경에 강하다.

• 해수, 염분, 산성 세척액 환경에 적합하다.

STS316L:

• 탄소 함량이 낮아 용접 후 부식에 강하다.

• 위생 배관, 탱크, 용접 구조물에 적합하다.

설계 시 주의점:

• 일반 철보다 가격이 높다.

• 절삭 가공 시 가공 경화와 열 발생에 주의해야 한다.

• 표면 거칠기, 용접 비드, 틈새 구조가 위생성에 큰 영향을 준다.

2.2.2 마르텐사이트계 스테인리스

대표 재료:

• STS410

• STS420

• SUS420J2

주요 특징:

• 열처리로 경도를 높일 수 있다.

• 내마모성이 좋다.

• 오스테나이트계보다 내식성은 낮다.

• 칼날, 샤프트, 절단 부품에 사용된다.

주요 용도:

• 식품 절단 칼날

• 커터

• 고경도 샤프트

• 마모 부품

• 펌프 부품

설계 시 주의점:

• 부식 환경에서는 STS304, STS316보다 불리하다.

• 식품 접촉부에서는 녹 발생 가능성을 반드시 검토해야 한다.

• 세척액, 염분 환경에서는 표면처리와 관리가 중요하다.

2.2.3 페라이트계 스테인리스

대표 재료:

• STS430

주요 특징:

• 자성을 가진다.

• 가격이 비교적 저렴하다.

• 내식성은 STS304보다 낮다.

• 장식 커버, 외장재, 저부식 환경 부품에 사용된다.

주요 용도:

• 외장 커버

• 보호 커버

• 비식품 접촉부

• 경량 판금 부품

설계 시 주의점:

• 식품 접촉부에는 제한적으로 사용해야 한다.

• 용접성과 내식성이 STS304보다 낮다.

• 세척 환경에서는 부식 가능성을 검토해야 한다.

2.3 비철금속

비철금속은 철을 주성분으로 하지 않는 금속 재료이다.
알루미늄, 동합금, 티타늄, 니켈합금 등이 대표적이다.

2.3.1 알루미늄 합금

대표 재료:

• A5052

• A6061

• A7075

• ADC12

주요 특징:

• 가볍다.

• 절삭성이 좋다.

• 열전도성이 좋다.

• 산화피막 처리가 가능하다.

• 강성은 철강보다 낮다.

주요 용도:

• 경량 브라켓

• 커버

• 플레이트

• 방열 부품

• 자동화 장비 부품

• 로봇 부품

• 알루미늄 프로파일 프레임

A5052:

• 판금, 절곡, 커버류에 적합하다.

• 내식성이 좋다.

A6061:

• 절삭 부품, 구조 부품에 많이 사용된다.

• 강도와 가공성의 균형이 좋다.

A7075:

• 고강도 알루미늄이다.

• 항공, 고강도 경량 부품에 사용된다.

• 가격이 높고 내식성은 상대적으로 낮다.

ADC12:

• 알루미늄 다이캐스팅용 재료이다.

• 복잡한 형상과 대량생산에 적합하다.

설계 시 주의점:

• 철강보다 탄성계수가 낮아 휨 변형이 커질 수 있다.

• 나사산 마모가 발생하기 쉬워 인서트 사용을 검토해야 한다.

• 식품 접촉부에서는 표면처리와 규격 검토가 필요하다.

2.3.2 동 및 동합금

대표 재료:

• 순동

• 황동

• 청동

• 인청동

주요 특징:

• 전기전도성과 열전도성이 우수하다.

• 마찰 특성이 좋다.

• 부싱, 베어링, 전기 접점에 사용된다.

• 일부 동합금은 내마모성이 좋다.

주요 용도:

• 부싱

• 슬라이딩 부품

• 전기 단자

• 열교환 부품

• 웜휠

• 베어링 메탈

설계 시 주의점:

• 철강보다 강도가 낮다.

• 식품 접촉부에서는 납 성분, 위생성, 부식 가능성을 검토해야 한다.

• 가격이 높은 편이다.

2.3.3 티타늄 합금

대표 재료:

• Ti Grade 2

• Ti-6Al-4V

주요 특징:

• 가볍고 강도가 높다.

• 내식성이 매우 우수하다.

• 생체적합성이 좋다.

• 고가이며 가공이 어렵다.

주요 용도:

• 항공 부품

• 의료기기

• 화학 장비

• 고내식성 부품

• 경량 고강도 부품

설계 시 주의점:

• 재료 가격과 가공비가 높다.

• 절삭 가공 시 공구 마모와 열 관리가 중요하다.

• 일반 산업기계에서는 비용 문제로 제한적으로 사용된다.

  
  

3. 고분자 재료

고분자 재료는 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 고무, 수지류를 포함한다.
금속보다 가볍고, 절연성, 내식성, 저마찰성, 충격흡수성이 우수한 경우가 많다.

3.1 범용 플라스틱

대표 재료:

• PE

• PP

• PVC

• ABS

• PS

주요 특징:

• 가격이 저렴하다.

• 성형성이 좋다.

• 가볍다.

• 강도와 내열성은 제한적이다.

주요 용도:

• 커버

• 손잡이

• 보호캡

• 케이스

• 가이드

• 비구조 부품

설계 시 주의점:

• 하중을 받는 구조부에는 제한적으로 사용해야 한다.

• 온도 변화에 따른 변형이 크다.

• 장기 사용 시 크리프 변형이 발생할 수 있다.

3.2 엔지니어링 플라스틱

엔지니어링 플라스틱은 일반 플라스틱보다 강도, 내열성, 내마모성, 치수 안정성이 우수한 재료이다.
기계 부품으로 직접 사용되는 경우가 많다.

3.2.1 POM

주요 특징:

• 절삭성이 좋다.

• 마찰계수가 낮다.

• 치수 안정성이 좋다.

• 기어, 롤러, 슬라이더에 적합하다.

주요 용도:

• 플라스틱 기어

• 롤러

• 가이드

• 부싱

• 슬라이딩 부품

• 지그 부품

설계 시 주의점:

• 접착성이 낮다.

• 고온 환경에는 제한이 있다.

• 식품기계에서는 식품 접촉 가능 등급 여부를 확인해야 한다.

3.2.2 PA, Nylon

주요 특징:

• 인성이 좋다.

• 내마모성이 좋다.

• 충격에 강하다.

• 수분을 흡수하여 치수가 변할 수 있다.

주요 용도:

• 기어

• 부싱

• 롤러

• 체인 가이드

• 마모 패드

설계 시 주의점:

• 흡습으로 인해 정밀 치수 유지가 어려울 수 있다.

• 습한 환경에서는 치수 변화와 강도 저하를 고려해야 한다.

3.2.3 PC

주요 특징:

• 투명성이 좋다.

• 충격 강도가 높다.

• 보호창, 안전커버에 적합하다.

주요 용도:

• 투명 커버

• 안전창

• 보호 가드

• 검사창

설계 시 주의점:

• 일부 세척제나 용제에 약할 수 있다.

• 스크래치가 발생하기 쉽다.

• 고온 세척 환경에서는 변형 가능성이 있다.

3.2.4 PTFE

주요 특징:

• 마찰계수가 매우 낮다.

• 내화학성이 우수하다.

• 비점착성이 좋다.

• 내열성이 좋다.

주요 용도:

• 씰

• 가스켓

• 슬라이딩 패드

• 라이닝

• 비점착 부품

• 식품기계 가이드 부품

설계 시 주의점:

• 강성이 낮고 크리프가 크다.

• 하중을 지속적으로 받는 부품에는 변형을 고려해야 한다.

• 체결부에서는 압축 변형을 검토해야 한다.

3.2.5 UHMW-PE

주요 특징:

• 내마모성이 매우 좋다.

• 마찰계수가 낮다.

• 충격 흡수성이 좋다.

• 식품기계의 가이드, 슈트, 체인 레일에 많이 사용된다.

주요 용도:

• 체인 가이드

• 컨베이어 레일

• 슬라이딩 플레이트

• 슈트 라이닝

• 식품 이송 가이드

설계 시 주의점:

• 열변형에 약하다.

• 정밀 치수 부품에는 적합하지 않을 수 있다.

• 장기 하중에 의한 크리프를 고려해야 한다.

3.3 슈퍼 엔지니어링 플라스틱

고온, 고하중, 고내식 환경에서 사용되는 고성능 플라스틱이다.

대표 재료:

• PEEK

• PPS

• PI

• PEI

주요 특징:

• 내열성이 높다.

• 강도와 치수 안정성이 우수하다.

• 내화학성이 좋다.

• 가격이 매우 높다.

주요 용도:

• 고온 지그

• 고성능 부싱

• 절연 부품

• 반도체 장비 부품

• 의료기기 부품

• 고내열 기계 부품

설계 시 주의점:

• 재료비가 높아 사용 부위를 명확히 제한해야 한다.

• 가공 조건에 따라 치수 정밀도가 달라질 수 있다.

• 금속 대체용으로 사용할 경우 강성 차이를 반드시 검토해야 한다.

  
  

4. 고무 및 탄성 재료

고무 재료는 탄성, 밀봉성, 진동 흡수성, 충격 흡수성이 필요한 곳에 사용된다.

대표 재료:

• NBR

• EPDM

• Silicone

• Viton

• Urethane Rubber

4.1 NBR

주요 특징:

• 내유성이 좋다.

• 일반 오일 씰, 패킹에 많이 사용된다.

• 가격이 비교적 저렴하다.

주요 용도:

• 오일 씰

• O-ring

• 패킹

• 가스켓

주의점:

• 고온, 오존, 자외선에는 약하다.

• 식품 접촉부에는 전용 등급을 확인해야 한다.

4.2 EPDM

주요 특징:

• 내수성, 내오존성, 내후성이 좋다.

• 물, 증기, 세척 환경에 적합하다.

• 오일에는 약하다.

주요 용도:

• 방수 패킹

• 세척 장비용 가스켓

• 도어 씰

• 외부 노출 씰

주의점:

• 오일 환경에서는 사용하지 않는 것이 좋다.

• 식품기계에서는 식품용 등급 확인이 필요하다.

4.3 Silicone

주요 특징:

• 내열성과 내한성이 좋다.

• 탄성이 안정적이다.

• 식품용, 의료용 등급으로 많이 사용된다.

주요 용도:

• 식품기계 패킹

• 고온 씰

• 튜브

• 가스켓

• 도어 패킹

주의점:

• 기계적 강도와 내마모성은 높지 않다.

• 찢김에 약할 수 있다.

4.4 Viton

주요 특징:

• 내열성, 내화학성, 내유성이 매우 우수하다.

• 고온, 화학약품, 오일 환경에 적합하다.

주요 용도:

• 고성능 O-ring

• 화학 장비 씰

• 고온 패킹

• 내유 씰

주의점:

• 가격이 높다.

• 저온 탄성은 Silicone보다 불리할 수 있다.

4.5 우레탄 고무

주요 특징:

• 내마모성이 매우 좋다.

• 충격 흡수성이 좋다.

• 롤러, 패드, 스토퍼에 적합하다.

주요 용도:

• 롤러

• 충격 흡수 패드

• 스토퍼

• 휠

• 마모 라이너

주의점:

• 고온 환경에서는 물성이 저하될 수 있다.

• 식품 접촉부에는 전용 등급을 검토해야 한다.

  
  

5. 세라믹 재료

세라믹은 금속이나 플라스틱보다 경도, 내열성, 내마모성, 절연성이 우수한 재료이다.
하지만 취성이 강해 충격에는 약하다.

대표 재료:

• Alumina

• Zirconia

• Silicon Carbide

• Silicon Nitride

주요 특징:

• 매우 단단하다.

• 마모에 강하다.

• 고온에서 안정적이다.

• 전기 절연성이 좋다.

• 충격에 약하고 깨지기 쉽다.

주요 용도:

• 절연 부품

• 고온 부품

• 베어링 볼

• 노즐

• 씰링 부품

• 마모 플레이트

• 반도체 장비 부품

설계 시 주의점:

• 충격 하중을 피해야 한다.

• 나사 체결부에는 응력 집중을 줄여야 한다.

• 금속 부품과 조립할 경우 열팽창 차이를 고려해야 한다.

6. 복합재료

복합재료는 두 가지 이상의 재료를 조합하여 단일 재료로 얻기 어려운 성능을 확보하는 재료이다.

대표 재료:

• CFRP

• GFRP

• FRP

• 금속 매트릭스 복합재

• 섬유강화 플라스틱

6.1 CFRP

주요 특징:

• 매우 가볍고 강성이 높다.

• 피로 특성이 좋다.

• 열팽창이 작다.

• 가격이 높다.

주요 용도:

• 로봇 암

• 항공 부품

• 고속 이동 구조물

• 정밀 장비 프레임

• 경량 구조물

주의점:

• 충격 손상이 내부에 발생할 수 있다.

• 가공 시 분진 관리가 필요하다.

• 금속과 체결할 때 전식 부식을 고려해야 한다.

6.2 GFRP / FRP

주요 특징:

• 내식성이 좋다.

• 전기 절연성이 좋다.

• 금속보다 가볍다.

• CFRP보다 저렴하다.

주요 용도:

• 커버

• 탱크

• 덕트

• 절연 구조물

• 부식 환경 구조물

주의점:

• 치수 정밀도가 금속보다 낮을 수 있다.

• 체결부 강도 검토가 필요하다.

• 장기 사용 시 자외선, 수분, 온도 영향을 고려해야 한다.

7. 표면처리 및 코팅 재료

기계설계에서는 모재 자체보다 표면 특성이 더 중요한 경우가 많다.
표면처리와 코팅은 내식성, 내마모성, 윤활성, 위생성, 외관, 청소성을 개선하기 위해 사용된다.

7.1 도금

대표 방식:

• 아연도금

• 니켈도금

• 크롬도금

• 무전해 니켈도금

주요 목적:

• 부식 방지

• 외관 개선

• 내마모성 향상

• 치수 보정

주의점:

• 식품 접촉부에서는 도금 박리 위험을 검토해야 한다.

• 도금 두께가 치수에 영향을 줄 수 있다.

• 모서리와 구멍 내부의 도금 품질 차이를 고려해야 한다.

7.2 산화피막

대표 방식:

• 알루마이트

• 흑착색

• 산화피막 처리

주요 목적:

• 알루미늄 내식성 향상

• 외관 개선

• 표면 경도 향상

• 절연성 확보

주의점:

• 코팅층이 손상되면 모재가 노출된다.

• 식품 접촉부에서는 처리 방식과 사용 가능 여부를 확인해야 한다.

7.3 질화, 침탄, 고주파 열처리

주요 목적:

• 표면 경도 향상

• 내마모성 향상

• 피로강도 향상

• 기어, 축, 캠의 수명 향상

주요 용도:

• 기어

• 샤프트

• 캠

• 슬라이딩 부품

• 베어링 접촉부

주의점:

• 열처리 변형을 고려해야 한다.

• 후가공, 연삭, 치수 보정이 필요할 수 있다.

• 내부 인성과 표면 경도의 균형이 중요하다.

7.4 불소수지 코팅

대표 재료:

• PTFE 코팅

• PFA 코팅

• FEP 코팅

주요 특징:

• 비점착성이 우수하다.

• 마찰이 낮다.

• 내화학성이 좋다.

• 식품 이송부, 슈트, 가이드에 사용된다.

주의점:

• 코팅 박리 가능성이 있다.

• 날카로운 모서리, 충격, 마찰이 심한 곳에서는 수명이 짧아질 수 있다.

• 식품기계에서는 박리된 코팅 조각의 혼입 위험을 검토해야 한다.

8. 접착제, 실란트, 윤활 재료

기계설계에서 접착제, 실란트, 윤활제는 보조 재료이지만 실제 장비 성능과 유지보수성에 큰 영향을 준다.

8.1 접착제

대표 종류:

• 에폭시

• 순간접착제

• 혐기성 접착제

• 구조용 접착제

주요 용도:

• 부품 고정

• 나사 풀림 방지

• 복합재 접합

• 금속과 플라스틱 접합

주의점:

• 온도, 습도, 진동, 세척액에 대한 저항성을 확인해야 한다.

• 분해 정비가 필요한 부위에는 사용을 제한해야 한다.

• 식품기계에서는 식품 접촉 가능 여부를 반드시 검토해야 한다.

8.2 실란트

대표 종류:

• 실리콘 실란트

• 우레탄 실란트

• 액상 가스켓

주요 용도:

• 방수

• 누유 방지

• 틈새 밀봉

• 커버 밀봉

주의점:

• 세척성과 위생성을 고려해야 한다.

• 틈새에 오염물이 쌓이지 않도록 설계해야 한다.

• 분해 정비 시 제거 가능성을 검토해야 한다.

8.3 윤활제

대표 종류:

• 그리스

• 오일

• 식품용 윤활제

• 고온 윤활제

• 건식 윤활제

주요 용도:

• 베어링

• 체인

• 기어

• 리니어 가이드

• 볼스크류

• 슬라이딩 부품

주의점:

• 식품기계에서는 식품용 윤활제 사용 여부가 중요하다.

• 세척수에 의한 윤활제 유실을 고려해야 한다.

• 윤활 주기와 유지보수 접근성을 설계 단계에서 반영해야 한다.

9. 기능성 재료

기능성 재료는 단순 구조 강도보다는 특정 기능을 제공하는 재료이다.

9.1 전기 절연 재료

대표 재료:

• POM

• PTFE

• PEI

• PEEK

• 세라믹

• 에폭시 글라스

주요 용도:

• 전기 절연판

• 센서 브라켓

• 단자대

• 절연 부싱

• 전장부 보호 부품

설계 시 주의점:

• 절연 내압을 확인해야 한다.

• 습도와 오염에 따른 절연 저하를 고려해야 한다.

• 열변형과 난연성을 검토해야 한다.

9.2 내열 재료

대표 재료:

• 스테인리스강

• 내열강

• 세라믹

• PEEK

• PTFE

• 실리콘 고무

주요 용도:

• 히터 주변 부품

• 고온 챔버

• 오븐 장비

• 열풍 장비

• 고온 씰

설계 시 주의점:

• 열팽창을 고려해야 한다.

• 고온에서의 강도 저하를 검토해야 한다.

• 인접 부품과의 열전달을 관리해야 한다.

9.3 내마모 재료

대표 재료:

• SKD11

• SCM 계열 열처리강

• UHMW-PE

• PTFE

• 세라믹

• 우레탄

• 청동

주요 용도:

• 가이드

• 롤러

• 슬라이더

• 칼날

• 체인 레일

• 마모 플레이트

설계 시 주의점:

• 마찰 상대재와의 조합이 중요하다.

• 윤활 조건을 함께 검토해야 한다.

• 교체 가능한 구조로 설계하는 것이 좋다.

9.4 위생 재료

식품기계, 제약기계, 의료기기에서는 위생성이 매우 중요한 Material 선정 기준이다.

대표 재료:

• STS304

• STS316

• STS316L

• 식품용 Silicone

• 식품용 UHMW-PE

• 식품용 POM

• 식품용 PTFE

주요 조건:

• 부식에 강해야 한다.

• 세척이 쉬워야 한다.

• 표면이 매끄러워야 한다.

• 틈새, 기공, 박리 위험이 적어야 한다.

• 식품과 접촉해도 안전한 등급이어야 한다.

설계 시 주의점:

• 식품 접촉부와 비접촉부를 구분해야 한다.

• 용접부는 연마와 패시베이션 처리를 고려해야 한다.

• 도장, 도금, 박리성 코팅은 식품 접촉부에서 신중히 사용해야 한다.

• 패킹, 가스켓, 플라스틱 부품도 식품용 등급 확인이 필요하다.

10. 기계설계 관점의 Material 선정 기준

Material을 선정할 때는 단순히 강도만 보면 안 된다.
실제 설계에서는 다음 항목을 종합적으로 판단해야 한다.

10.1 기계적 특성

검토 항목:

• 인장강도

• 항복강도

• 경도

• 탄성계수

• 피로강도

• 충격강도

• 마모 특성

• 크리프 특성

적용 예:

• 프레임에는 강성과 용접성이 중요하다.

• 축에는 피로강도와 비틀림 강도가 중요하다.

• 기어에는 표면 경도와 내마모성이 중요하다.

• 가이드에는 마찰계수와 내마모성이 중요하다.

10.2 화학적 특성

검토 항목:

• 내식성

• 내산성

• 내알칼리성

• 내유성

• 내세척제성

• 내염분성

적용 예:

• 식품기계는 물, 세척액, 염분, 지방에 노출된다.

• 화학 장비는 산, 알칼리, 용제에 대한 저항성이 중요하다.

• 외부 장비는 빗물, 습기, 자외선을 고려해야 한다.

10.3 열적 특성

검토 항목:

• 내열온도

• 열팽창계수

• 열전도율

• 열변형온도

• 저온 취성

적용 예:

• 히터 주변 부품은 내열성이 필요하다.

• 정밀 장비는 열팽창에 의한 치수 변화를 줄여야 한다.

• 냉동 장비는 저온 취성을 검토해야 한다.

10.4 가공성

검토 항목:

• 절삭성

• 용접성

• 절곡성

• 주조성

• 사출성

• 연삭성

• 열처리성

적용 예:

• 복잡한 형상은 주조나 사출을 고려한다.

• 소량 제작은 절삭 가공이 유리하다.

• 프레임은 용접성과 변형 관리가 중요하다.

• 판금 커버는 절곡성과 표면 품질이 중요하다.

10.5 조립성과 유지보수성

검토 항목:

• 체결 안정성

• 나사산 강도

• 분해 가능성

• 마모 후 교체성

• 표면 손상 가능성

• 청소성

적용 예:

• 마모 부품은 교체 가능한 소재와 구조가 좋다.

• 플라스틱 부품은 인서트 너트를 고려할 수 있다.

• 식품기계는 분해 세척 구조가 중요하다.

10.6 비용과 공급성

검토 항목:

• 재료 단가

• 가공비

• 열처리비

• 표면처리비

• 납기

• 표준 규격품 availability

• 유지보수 비용

적용 예:

• 과도한 고급 재료 사용은 제품 원가를 높인다.

• 일반 부품은 범용 재료를 우선 검토한다.

• 핵심 마모 부품이나 위생 부품에는 고성능 재료를 선택한다.

11. 기계 부품별 대표 Material 선정 예시

11.1 프레임

대표 재료:

• SS400

• S355

• STS304

• 알루미늄 프로파일

선정 기준:

• 강성

• 용접성

• 비용

• 부식 환경

• 위생 요구

일반 산업기계:

• SS400 용접 프레임 + 도장

식품기계:

• STS304 또는 STS316 프레임

자동화 장비:

• 알루미늄 프로파일 또는 알루미늄 가공 프레임

11.2 축

대표 재료:

• S45C

• SCM440

• STS304

• STS420

선정 기준:

• 비틀림 강도

• 피로강도

• 내마모성

• 내식성

• 열처리 가능성

일반 축:

• S45C

고하중 축:

• SCM440

식품기계 축:

• STS304 또는 STS420

11.3 기어

대표 재료:

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• POM

• MC Nylon

• 청동

선정 기준:

• 동력 전달 하중

• 소음

• 윤활 조건

• 마모

• 충격 하중

고하중 금속 기어:

• SCM 계열 침탄 또는 열처리

저소음 경량 기어:

• POM 또는 Nylon

웜휠:

• 청동

11.4 커버

대표 재료:

• STS304

• STS430

• A5052

• PC

• ABS

선정 기준:

• 안전성

• 외관

• 위생성

• 투명성

• 탈착성

식품기계 커버:

• STS304

투명 안전커버:

• PC

경량 커버:

• 알루미늄 또는 플라스틱

11.5 가이드 및 슬라이딩 부품

대표 재료:

• UHMW-PE

• POM

• PTFE

• 청동

• 열처리강

• 세라믹

선정 기준:

• 마찰계수

• 내마모성

• 윤활 조건

• 상대재 손상 여부

• 교체성

식품 이송 가이드:

• 식품용 UHMW-PE

정밀 슬라이딩 부품:

• POM, PTFE, 청동

고마모 부품:

• 열처리강 또는 세라믹

11.6 패킹 및 씰

대표 재료:

• NBR

• EPDM

• Silicone

• Viton

• PTFE

선정 기준:

• 온도

• 압력

• 화학물질

• 식품 접촉 여부

• 탄성 회복성

식품기계 패킹:

• 식품용 Silicone

• 식품용 EPDM

• PTFE

오일 씰:

• NBR 또는 Viton

고온 씰:

• Silicone 또는 Viton

12. 식품기계 설계에서의 Material 선정 방향

식품기계에서는 일반 산업기계보다 Material 선정 기준이 엄격하다.
강도와 가격만으로 판단할 수 없으며, 위생성, 세척성, 부식성, 이물 혼입 가능성을 함께 검토해야 한다.

12.1 식품 접촉부

권장 재료:

• STS304

• STS316

• STS316L

• 식품용 UHMW-PE

• 식품용 POM

• 식품용 PTFE

• 식품용 Silicone

피해야 할 요소:

• 녹 발생 가능성이 높은 일반 철

• 박리 가능성이 있는 도장

• 식품용 등급이 확인되지 않은 플라스틱

• 세척이 어려운 다공성 재료

• 틈새가 많은 표면처리 구조

12.2 비접촉 구조부

사용 가능 재료:

• SS400 도장

• STS304

• 알루미늄

• 엔지니어링 플라스틱

선정 기준:

• 세척수 노출 여부

• 장비 외관

• 비용

• 강도

• 유지보수성

주의점:

• 비접촉부라도 세척수와 습기에 노출되면 부식 대책이 필요하다.

• 식품 생산 현장에서는 외관 커버와 프레임도 스테인리스 사용이 선호된다.

12.3 세척 환경

세척 환경에서 중요한 요소:

• 내수성

• 내세척제성

• 내염분성

• 표면 조도

• 틈새 최소화

• 용접부 처리

• 배수성

권장 방향:

• 식품 접촉부는 STS304 이상을 기본으로 검토한다.

• 염분, 산성 세척액, 강한 화학 세척 환경에서는 STS316 또는 STS316L을 검토한다.

• 플라스틱 가이드와 패킹은 식품용 등급과 세척제 저항성을 확인한다.

13. Material 선정의 기본 원칙

기계설계에서 Material 선정은 다음 원칙을 따르는 것이 좋다.

13.1 기능 중심으로 선정한다

부품의 기능이 먼저이고, 재료는 그 기능을 만족하기 위한 수단이다.

예를 들어:

• 하중을 받는 부품 → 강도와 강성 중심

• 마찰 부품 → 내마모성과 마찰계수 중심

• 식품 접촉부 → 위생성과 내식성 중심

• 고온 부품 → 내열성과 열팽창 중심

• 투명 커버 → 충격강도와 투명성 중심

13.2 환경 조건을 먼저 확인한다

같은 재료라도 사용 환경에 따라 적합성이 크게 달라진다.

검토해야 할 환경:

• 건식 또는 습식

• 실내 또는 실외

• 고온 또는 저온

• 세척수 노출 여부

• 염분 노출 여부

• 오일 노출 여부

• 식품 접촉 여부

• 화학약품 노출 여부

13.3 제조 공정과 함께 결정한다

재료는 가공 방법과 분리해서 선택할 수 없다.

예를 들어:

• 용접 구조물 → 용접성이 좋은 재료 필요

• 절삭 부품 → 절삭성이 좋은 재료 필요

• 판금 커버 → 절곡성과 표면 품질 필요

• 대량생산 부품 → 주조, 사출, 프레스 가능성 검토

• 정밀 부품 → 열처리 변형과 후가공 고려

13.4 유지보수성과 교체성을 고려한다

기계는 사용 중 마모, 부식, 파손이 발생한다.
따라서 Material 선정은 수명뿐 아니라 교체 가능성까지 고려해야 한다.

예를 들어:

• 마모 부품은 저렴하고 교체 쉬운 재료를 선택한다.

• 핵심 구조부는 수명이 긴 재료를 선택한다.

• 식품 접촉 마모 부품은 이물 혼입 위험이 낮은 재료를 선택한다.

• 세척이 필요한 부품은 분해성과 표면 청소성을 고려한다.

14. 정리

기계설계에서 Material은 다음과 같이 크게 구분할 수 있다.

1. 금속 재료
   구조 강도, 강성, 내열성, 기계 가공성이 중요한 부품에 사용된다.

2. 스테인리스 재료
   내식성, 위생성, 세척성이 중요한 식품기계와 화학 장비에 사용된다.

3. 비철금속
   경량화, 열전도, 전기전도, 특수 내식성이 필요한 부품에 사용된다.

4. 고분자 재료
   경량성, 저마찰성, 절연성, 내식성이 필요한 부품에 사용된다.

5. 고무 및 탄성 재료
   씰링, 충격흡수, 진동흡수, 밀봉 기능이 필요한 부품에 사용된다.

6. 세라믹 재료
   고경도, 내마모성, 절연성, 고온 안정성이 필요한 부품에 사용된다.

7. 복합재료
   경량 고강도, 고강성, 내식성, 특수 기능이 필요한 구조물에 사용된다.

8. 표면처리 및 코팅 재료
   모재의 내식성, 내마모성, 윤활성, 청소성을 보완하기 위해 사용된다.

Material 선정은 단순히 “무엇이 강한가”의 문제가 아니다.
기능, 하중, 환경, 위생, 가공, 조립, 유지보수, 비용을 모두 고려하여 결정해야 한다.

특히 식품기계에서는 식품 접촉 여부, 세척성, 내식성, 이물 혼입 가능성, 표면처리의 박리 위험까지 함께 검토해야 한다.
따라서 Material은 기계설계의 마지막 선택 항목이 아니라, 구조와 기능을 결정하는 핵심 설계 기준으로 다루어야 한다.