안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 기계공학에서 3D프린팅은 혁신적인 자리로 잡고 있다고 알고 있는데 3D프린팅의 장점과 단점은 무엇이 있을까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.장 단점을 나열 해 보면1, 장점비용절감평상 시 기계관련 제품 / 설비 제작 시 많은 자재가 낭비되기에, 소요비용이 증가하나3 D프린터 에서는 필요한 만큼의 재료만 사용 가능 하여 관련 소요 자재 비용이 절감됩니다. 과정에서 폐기물도 줄어 환경적으로도 도움이 됩니다빠른 제작복잡한 구조의 기계공작물 경우 CNC 밀링 같은 제작과정과 달리 생산속도가 빠르고 유연성이 향상되어 신속대응이 가능합니다.시제품을 신속제작하고 개선사항을 즉시 반영가능하여 개발/ 생산 기간이 단축 됩니다.설계 자유도3 D프린터를 통해 설계의 자유도가 높아져 복잡한 형태의 제품도 쉽게 제작이 가능합니다.경량화복잡한 내부 구조물을 제작함으로써 무게를 줄일 수 있습니다.재료의 다양성금속/플라스틱/세라믹/유기성 물질 등 다양한 재료로 제품 제작이 가능합니다.2, 단점크기과 속도제한적인 3 D프린터의 크기와 출력속도로 인해제작가능한 제품의 크기가 제한재료의 다양성이는 장점이기도 하나 이직까지 사용가능한 다양한 재료의 확보가 완벽하지 않음으로 인해출력물의 재질의 다양성이 아직까지는 다양하진 않음정도로 간단히 정리해 보았습니다.
기계공학
Q. 엔진의 열효율을 높이기 위해서는 어떤 방법들이 있을까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.가솔린 엔진을 기준으로 나열해 보겠습니다.일단 기본적으로엔진 열효율을 높이는 방법으로는 아트킨슨(Atkinson) 사이클 엔진 또는 배기가스재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation)을 활용하는 방법이 실용화되고 있습니다. 또한 엔진 열효율을 비약적으로 향상시키기 위해서는 과급 희박연소(lean burn)를 적용하기도 합니다.엔진 열효율 향상기술 나열아트킨슨 사이클은 Toyota자동차의 최초 HEV인 프리우스(Prius)때부터 사용되었고, 최고 열효율을 높임과 동시에 경 부하 영역에서도 높은 팽창 비가 얻어지고 펌프 손실이 감소하기 때문에 열효율이 높아지게 되었고, 냉각 EGR은 최근 프리우스에 적용되는 기술로 노킹의 개선과 냉각손실의 감소효과에 의해 최고 열효율을 더욱 높일 수 있습니다.열효율의 향상과 냉각손실을 감소하는 관점에서 희박연소가 EGR보다 효과가 큽니다. 그 이유는 연소 시 총 가스량을 증가시킬 수 있고 또한가스 열용량을 높여서 연소가스 온도를 낮출 수 있기 때문입니다.NA 엔진에서 희박연소를 적용하면 흡입공기량이 제한되기 때문에 엔진 토크가 낮아지게 되는데. 이렇게 하면 기계 손실량이 증가하여 최고 열효율의 향상을 기대하기 어렵기 때문에 여기에 과급기를 사용하여 토크를 증대시키는 것이 중요합니다.스킷슈(squish)율이 다른 피스톤을 사용하여 엔진 토크 또는 연소속도에 미치는 영향을 검토해야합니다. 스킷슈 율이란 실린더 직경 면적에 대한피스톤 헤드의 평탄한 부분인 스킷슈의 면적 비를 의미하며, 스킷슈 율을 80% 이상으로 높이면 특히 빠른 연소가 가능해집니다만90% 이상이 되면 토크 저하 또는 발생하게 됩니다.실린더 내 난류를 강하게 하고 점화계통을 강화시키면 연소촉진에 큰 효과가 있습니다. 또 열효율을 향상시키려면 과급기와 희박연소를 조합하면그 효과가 더욱 커집니다텀블(tumble)유동과 점화 계를 강화시키고 희박연소 한계를 확대시키면옥탄가가 높은 바이오 연료인 에탄올이나 부탄올을 사용할 경우에도 열효율을 향상시킬 수 있습니다
기계공학
Q. 기계공학 과목 중 유체역학의 과목 중에서 베르누이 방정식은 어떤건가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.유체역학에서 필수적으로 사용되는 ‘베르누이’ 방정식은 유체 속도의 증가는 정압의 감소 또는 유체의 위치에너지 감소와 동시에 발생한다는 비점성 유체에 대한 에너지보존을 나타내는 정리입니다. 1738년 다니엘 베르누이가 정리한 것으로, 유체에 가해지는 일이 없는 경우에 유체의 속도와 압력, 위치에너지와의 에너지 관계를 나타낸 식인데요.베르누이 방정식에는 선행 조건이 있는데첫째, 임의의 두 점이 같은 유선상에 있어야만 하고, 비압축성 유동이며 정상상태의 유동으로 규정되어야 합니다.또한 마찰이 없는 유동으로 가정되어야만 그들의 유동에 베르누이 방정식을 적용시킬 수 있습니다.베르누이 방정식은 마찰이 없는 정상, 비압축성 유동에서 하나의 유선을 따라 전체적인 기계적 에너지는 항상 일정하다는 것을 말해 줍니다.베르누이 방정식은 유도과정에서도 몇몇의 가정이 설정되었듯이 유체의 유동 중에 생기는 압력손실을 고려하지 않고 단지 에너지 보존의 법칙만을 이용하여 유도됩니다.그러므로 실제적인 유동에서 발생하는 고체 면과 접함으로서 생기는 마찰력의 발생 문제, 유체입자들의 상호간의 충돌에 의한 에너지 손실 문제, 점성의 영향으로 인한 전단력 발생의 문제 등으로 인하여 압력 손실이 발생하게 되지만이들의 손실요인을 정확하게 계산하기가 어렵기 때문에, 이들의 손실을 전체적으로 손실수두(HL)로 나타냄으로써 베르누이 방정식을 응용하여 실제의 유동에 적용합니다.베르누이 방정식을 적용하는 부분을 나열해 보면유체 흐름의 예측: 특정한 조건에서 유체의 속도, 압력, 밀도 등을 예측하는 데 사용 이를 통해 파이프, 노즐, 날개 등 다양한 유체 역학 시스템에서의 유체 거동을 이해유체 역학 시스템의 설계 및 최적화 : 급배수 및 소화배관의 파이프 네트워크, 항공기, 자동차, 선박 등 다양한 기술 시스템의 설계와 최적화에 적용 이를 통해 최적의 흐름 특성을 갖는 시스템을 설계하고 효율적으로 운영하여 에너지 소모를 최소화유체 역학 실험 및 모델링: 실험적 연구와 컴퓨터 모델링에서도 베르누이 방정식은 중요한 도구로 활용이를 통해 다양한 유체 흐름 조건에서의 예측과 실험 결과를 비교하여 최적의 유체 역학 시스템을 설계이처럼 베르누이 방정식은 유체 역학 분야에서 핵심적인 도구로서 폭넓게 활용되며, 다양한 공학 및 과학 분야 그리고 기계설비에서 유체의 흐름을 이해하고 분석하는 데 필수적인 개념입니다.
기계공학
Q. 미래에는 기계공학 산업은 어떤식으로 발전해 나갈까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.일단 기계공학 산업이라 한다면제조업과 밀접하다 볼 수 있습니다.그 제조업은 결국 스마트 팩토리 형식으로 변화하는 상황입니다.스마트 팩토리는 다양한 산업 분야에 적용될 수 있습니다. 예를 들면, 반도체, 자동차, 철강, 화학, 의료, 식품 등의 제조업은 물론, 에너지, 물류, 유통, 서비스 등의 비제조업에도 적용될 수 있습니다.몇 가지 예를 나열하면반도체 반도체 제조 공정은 매우 복잡하고 정밀하며, 미세한 오차나 불량이 큰 손실을 초래할 수 있습니다. 따라서 반도체 제조업체들은 스마트 팩토리를 통해 공정의 품질과 효율을 높이고자 합니다. 예를 들면, 삼성전자는 인공지능과 빅데이터를 활용하여 반도체 공정에서 발생하는 다양한 데이터를 실시간으로 분석하고 최적화하는 AI Factory 시스템을 구축하였습니다.자동차자동차 제조 공정은 다양한 부품과 조립 과정을 거치며, 맞춤형 대량생산이 요구됩니다. 따라서 자동차 제조업체들은 스마트 팩토리를 통해 공정의 유연성과 효율성을 높이고자 합니다. 예를 들면, 현대자동차는 인공지능과 로봇을 활용하여 자동차 부품의 품질 검사와 조립 공정을 자동화하고 최적화하는 스마트 팩토리 시스템을 구축하였습니다. 이 시스템은 인공지능 카메라로 부품의 불량 여부를 판단하고, 로봇 팔로 부품을 정밀하게 조립하며, 실시간으로 데이터를 분석하여 공정의 성능을 개선할 수 있습니다.철강철강 제조업체들은 스마트 팩토리를 통해 공정의 안전성과 친환경성을 높이고자 합니다. 예를 들면, 포스코는 디지털트윈과 빅데이터를 활용하여 철강 공정에서 발생하는 다양한 데이터를 가상으로 재현하고 분석하는 스마트 팩토리 시스템을 구축하였습니다.전망결국 스마트 팩토리란 인공지능과 로봇이 만들어내는 미래의 제조업이라고 할 수 있습니다. 스마트 팩토리는 센서, 인공지능, 로봇, 클라우드, 엣지 컴퓨팅, 빅데이터, 사이버-물리 시스템, 블록체인, 5G 등의 다양한 기술들이 융합되어 공장의 데이터를 수집하고 분석하고 제어하고 학습하는 공장입니다. 이 과정에서 기계공학의 역할은 엄청 핵심적이게 됩니다.스마트 팩토리는 제조업의 현재와 미래를 바꾸고 있으며, 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다. 제조업의 효율성, 품질성, 안전성, 친환경성 등을 높이는 데 기여할 뿐만 아니라, 새로운 비즈니스 모델과 가치 창출의 기회도 제공합니다. 스마트 팩토리는 제조업의 혁신과 경쟁력을 높이는 핵심 요소로 인식되고 있으며, 시장 규모와 성장률도 높습니다.이 과정안에서 기계공학의 로봇공학 부분은 필수 불가결한 부분으로관련된 기계공학 발전은 필수적이겠습니다그 안에서 인공지능과의 협업 관련이 유기적으로 발맞춰 가는 과정이 여전히 진행 중이며그 시너지가 결국 기계공학의 미래가 되리라 예상됩니다.
기계공학
Q. 가상현실과 증강현실에서 기계 공학이 더 발전 될수 있나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.VR 이란 Virtual Reality 가상 현실로사용자가 컴퓨터가 만든 가상 공간 안에서 사람의 5감을 활용해 현실과 유사한 체험을 가능하게 하는 기술인데1980년대 비행기 시뮬레이션 같은 군사훈련 목적으로 개발되었으며,2010년대 들어서 VR HMD 제작기업 오큘러스 , 삼성, 소니, 구글 등 글로벌 IT 중심으로 발전중입니다.이 기술의 궁극 목표는시공간을 뛰어넘는 경험을 제공하여, 사용자가 가상을 진짜로 느끼 게 하는 것 입니다. AR이란Augmented Reality 증강현실로실제 현실을 기반으로 가상물체를 겹쳐 보여주는 기술입니다.기술원리는 크게 2가지로 마커 방식과 마커리스 방식으로 디지털 기호와 매핑되어있는 3D영상/이미지를 찾아 현실에 이미지를 더하는 방식과이미지를 비추면 매핑되어있는 3D영상/이미지를 찾아 이미지를 씌우는 방식인데1980년대 전투기 조종사 HDD(Head Up Display ) 로 기술 개발이 시작되어2009년 아이폰 내 AR app 등장 이후 서비스 발전에 큰 영향을 주는 상황입니다.이 기술의 궁극목표는 AR Contents 를 소비하는 사용자가현실에 있는 가상정보를 현실처럼 느끼게 하는 것 입니다.이 둘의 기계공학과의 시너지는 엄청납니다.AR/ VR 의 환경을 만들기 위해 그에 필요한 핵심 시스템 개발을 하는 분야에서의기계공학의 기술 발전과기계공학 연구 개발에 있어서프로토 타입에서 실제 탑승/가동 등 상황의 VR 및실제 현장에서의 기계/ 장비 등의 현실성 /가동성/ 적응성/ 효율성 등을 미리 알아볼 수 있는 AR등을 생각한다면상상할 수 있는 범위보다 훨씬 많은 시너지가 있습니다.개발분야에서는 VR 환경에서실질적으로 촉감, 열감, 진동 등을 느낄 수 있는 장갑 및 각종 웨어러블이 개발되고 있고초미세 3D 프린팅을 통해 VR/AR 이 지금처럼 머리에 쓰는 방식이 아닌스마트 콘텍트렌즈 방식으로 착용되는 장비가 개발되고 있는 중입니다.개발이나 교육현장에서는기계공학과 내에서VR/AR 기기를 통하여 여러가지 기계공학적 장비의 다양한 구성요소와 작동원리를직접 살펴볼 수 있게 하는 시스템도 구축되고 있는 중입니다. 한 예로 대구가톨릭대 기계공학과 에서는 마이크로소프트 홀로렌즈2를 활용해 테슬라의 전기차 플랫폼을 기반으로 한 증강현실 교육 콘텐츠 를 통하여전기차의 다양한 구성 요소와 작동 원리를 직접 살펴보는 과정도 구축이 되어있습니다