Unified Embodiment Description for functional evaluation of used components in circular manufacturing systems

현대 제조 산업의 세계에서, 물건을 만들고, 그것을 망가질 때까지 사용한 다음, 버리는 순환의 고리를 끊으려는 움직임이 커지고 있습니다. 순환 경제라고 알려진 이 접근 방식은 수리, 재건 또는 부품 재사용을 통해 재료를 가능한 한 오랫동안 사용 상태로 유지하는 것을 목표로 합니다. 그러나 이 비전 앞에는 큰 장애물이 놓여 있습니다. 바로 사용된 부품이 다시 서비스에 투입되기에 여전히 충분히 괜찮은지 어떻게 결정하느냐는 것입니다. 전통적인 공장에서 새 부품은 완벽한 청사진을 기준으로 측정됩니다. 만약 도면과 일치하면 양호한 것이고, 일치하지 않으면 폐기됩니다. 하지만 사용된 부품은 다릅로습니다. 그것은 마찰로 인해 마모되었고, 파편에 의해 긁혔으며, 아마도 무거운 하중에 의해 약간 휘어졌을 수도 있습니다. 그것은 더 이상 청사진과 똑같이 보이지 않습니다. 이를 재사용할지 여부에 대한 스마트한 결정을 내리기 위해, 엔지니어들은 단순히 현재 부품이 어떻게 보이는지가 아니라, 그러한 물리적 변화가 실제 기계가 작동하는 방식에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 합니다.

이것이 독일 카를스루에 공과대학교(Karlite Institute of Technology)의 연구진이 해결하고자 했던 과제입니다. 그들은 구체적이고 위험 부담이 큰 시나리오, 즉 앵글 그라인더의 스핀들 샤프트(spindle shaft)에 집중했습니다. 이것은 연마 휠을 회전시키는 금속 막대로, 많은 충격을 받는 핵심 부품입니다. 연구팀은 기존의 사용 부품 점검 방식들이 너무 파편화되어 있다는 점을 깨달았습니다. 어떤 방식은 원래의 설계만을 보았고, 어떤 방식은 부품이 만들어진 방식에 주목했으며, 또 다른 방식은 부품이 어떻게 마모되었는지에 주목했습니다. 이러한 접근 방식 중 어느 것도 공장 관리자에게 특정 낡은 샤프트가 새로운 기계에서도 여전히 매끄럽고 안전하게 회전할 수 있을지를 알려줄 수 없었습니다. 이 간극을 메우기 위해, 연구진은 '통합 형상 기술(Unified Embodiment Description)'이라 불리는 부품을 묘사하는 새로운 방법을 개발했습니다. 사용된 부품을 새 제품의 결함 있는 버전으로 취급하는 대신, 그것을 고유한 물리적 특성을 가진 독특한 상태로 취급하고, 그 특정 특성들이 기계의 성능을 어떻게 변화시키는지 테스트했습니다.

연구진은 먼저 부품의 물리적 상태에 대한 상세한 지도를 만드는 것으로 시작했습니다. 그들은 이상적인 설계를 바탕으로, 공장을 떠날 당시 샤프트가 가져야 할 정확한 직경과 매끄러움을 기록했습니다. 그런 다음, 다양한 제조업체에서 수집한 실제 사용된 샤프트들을 살펴보고, 그것들이 구체적으로 어떤 방식으로 변했는지 식별했습니다. 그들은 세 가지 주요 유형의 손상을 발견했습니다. 첫 번째는 연마 마모(polishing wear)로, 베어링 롤러의 지속적인 마찰로 인해 금속 표면이 매끄러워져 새 부품보다 더 반짝이고 거칠기가 덜해지는 현상입니다. 두 번째는 소성 변형(plastic deformation)으로, 롤러의 강한 압력으로 인해 금속이 약간 눌리면서 특정 지점에서 샤프트의 직경이 변하는 현상입니다. 세 번째는 스크래치(scratches)로, 움직이는 부품 사이에 끼어든 단단한 입자들에 의해 발생한 날카롭고 깊은 홈입니다.

이러한 변화가 어떻게 중요한지 이해하기 위해, 팀은 단순히 손상을 측정한 것이 아니라, 그 손상에 대한 기계의 반응을 측정했습니다. 그들은 실제 앵글 그인더의 힘과 속도를 모방한 특수 테스트 리그를 제작했습니다. 그들은 새 샤프트를 가져와서 사용된 부품에서 관찰된 손상과 일치하도록 정교하게 변형시켰습니다. 어떤 것들은 약간 얇게 갈아냈고, 어떤 것들은 더 매끄럽게 연마했으며, 다른 것들은 정밀한 도구를 사용하여 다양한 각도와 깊이로 긁었습니다. 그런 다음 기계를 가동하고 기계가 어떻게 작동하는지 경청했습니다. 그들은 시스템의 강성(stiffness), 즉 하중 하에서 굽힘에 저항하는 정도와 진동 정도를 측정했습니다.

결과는 기계의 기능에 실제로 무엇이 중요한지에 대해 명확한 이야기를 들려주었습니다. 연구진은 샤프트의 직경이 가장 결정적인 요소라는 것을 발견했습니다. 샤프트 두께의 아주 작은 변화조차도 전체 시스템의 강성을 크게 변화시켰습니다. 약간 얇아진 샤프트는 시스템의 강성을 낮추었고, 두꺼워진 샤프트는 강성을 높였습니다. 놀랍게도, 표면의 매끄러움(연마되었든 거칠든)은 테스트 범위 내에서 강성이나 진동에 거의 아무런 영향을 미치지 않았습니다. 이 발견은 매우 중요했는데, 이는 부품이 원래 설계와 비교했을 때 표면 질감 면에서는 매우 달라 보일지라도, 두께가 특정 안전 범위 내에 있다면 완벽하게 작동할 수 있음을 의미했기 때문입니다.

스크래치에 대한 이야기는 더 복잡했습니다. 팀은 스크래치의 각도가 기계의 진동을 변화시키지는 않는다는 것을 발견했습니다. 스크래치가 샤프트를 따라 길 방향으로 나 있든 가로 방향으로 나 있든 소음이나 흔들림에는 큰 차이가 없었습니다. 그러나 스크래치의 깊이가 모든 것이었습니다. 약 10 마이크로미터 깊이의 얕은 스크래치는 너무 작아서 기계의 자연스러운 진동에 완전히 가려졌으며, 기계는 마치 스크래치가 없는 것처럼 작동했습니다. 하지만 스크래치 깊이가 20 마이크로미터에 도달하자, 기계는 눈에 띄게 더 많이 진동하기 시작했습니다. 이는 명확한 임계치를 만들어냈습니다. 특정 깊이 미만의 스크래치는 해롭지 않지만, 더 깊은 스크래치는 부품이 실패하고 있다는 신호였습니다.

이러한 발견을 바탕으로, 연구진은 새로운 의사결정 프레임워크를 구축했습니다. 그들은 '허용 영역(tolerance region)', 즉 부품의 물리적 상태를 위한 안전 구역을 만들었습니다. 이 구역은 부품이 원래의 도면과 일치하는지에 기반하는 것이 아니라, 부품이 기계를 의도대로 작동하게 유지하는지에 기반합니다. 만약 사용된 샤프트가 이 안전 구역 안에 있다면 즉시 재사용할 수 있습니다. 만약 안전 구역을 약간 벗어났지만 두께를 복원하기 위해 재료를 추가하는 것과 같은 간단한 공정으로 고칠 수 있다면, 재가공할 수 있습니다. 만약 손상이 너무 깊거나 형태가 너무 왜곡되어 고칠 수 없다면, 그 부품은 재활용으로 보내집니다. 이 접근 방식은 공장이 경직되고 시대에 뒤떨어진 규칙이 아닌, 실제 성능에 근거하여 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있게 해줍니다.

이 연구는 부품이 사용되는 방식이 표준 설계 도면으로는 포착할 수 없는 방식으로 물리적 설명을 변화시킨다는 것을 보여주었습니다. 연마와 같은 지속적인 마모는 기존의 측정법을 사용할 수 있지만, 스크래치와 같은 갑작스러운 손상은 홈의 깊이와 위치를 기록하는 것과 같은 새로운 부품 묘사 방식이 필요합니다. 연구진은 이 방법이 일회성 해결책이 아니라, 새로운 유형의 손상이 발견됨에 따라 성장할 수 있는 유연한 시스템임을 강조했습니다. 구성 요소의 물리적 상태를 기계의 작동 방식과 직접 연결함으로써, 이 새로운 방법은 순환형 공장의 견고한 토대를 제공합니다. 이를 통해 엔지니어들은 가치 있는 재료를 더 오래 사용 상태로 유지하면서, 이전에는 폐기되었을 부품들을 안전하고 효과적으로 작동할 것임을 확신하며 자신 있게 재사용할 수 있습니다.