[논문]다구찌 방법을 이용한 신발 아웃솔 펠레타이징 기계 절단부의 강건설계

권오훈; 구평회; 권혁무

doi:10.7469/jksqm.2016.44.4.935

다구찌 방법을 이용한 신발 아웃솔 펠레타이징 기계 절단부의 강건설계
Taguchi-based robust design for the footwear outsole pelletizing machine cutter 원문보기

品質經營學會誌 = Journal of Korean society for quality management, v.44 no.4, 2016년, pp.935 - 949

권오훈 (부경대학교 기술경영전문대학원) , 구평회 (부경대학교 시스템경영공학부) , 권혁무 (부경대학교 시스템경영공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study attempts to find out the optimum condition of the rotary cutter making pellet in the footwear outsole process. The pellets are used in the process of outsole rubber fabrication to reduce cycle time and save raw material. Methods: Computer simulations are used to analyze the maximum stress in the rotary cutter after designing a variety of cutter shapes. Taguchi method is used to identify the robust condition of the cutter. In $L_{18}$ orthogonal array, the control factors such as knife width, twisted angle, number of knives, diameter, knife depth and supported angle are considered and noise factors like assembly tolerance and amount of antifriction are allocated. Results: It is found that the most important factors to reduce maximum stress in the cutter are supported angle and diameter. Using Tacuchi's results, we can reduce 70% cycle time and 9% raw material compared to the traditional method using cutting die. Conclusion: When designing the rotary cutter, the best conditions are the diameter at its maximum allowable value and supported angle in the boundary of machine inner space.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

품질특성치가 최대 응력이므로 최대 응력을 최소로 하는 망소특성에 해당한다. 로터리 커터에 작용하는 최대 응력은 반복 하중에 따른 피로 한도를 고려하고 커터에 작용하는 힘이 굽힘 하중뿐 아니라 조립 오차에 의한 비틀림 하중도 받을 우려가 있고, 여기에 안전 계수를 고려하여 인장강도의 1/10 수준이하로 목표를 설정하였다.
본 연구는 신발산업 생산성의 획기적인 향상을 위해 제조공정 싸이클타임의 큰 부분을 차지하는 아웃솔 공정을 펠렛 방식으로 변경함에 있어서 선결되어야 할 칼날의 최적 설계문제와 관련된다. 만약 공정의 변경으로 칼날에 걸리는 응력이 허용한계치보다 크게 되면 새로운 공법인 펠렛 방식을 채택할 수 없게 되므로 획기적인 생산성 향상도 기대할 수 없게 된다.
본 연구에서는 신발 아웃솔 공정에서, 공정시간단축과 원재료비 절감을 위해 생산 표준화를 통한 펠렛 생산 자동화 기계 칼날을 최적화하기 위한 조건을 찾고자 하였다. 커터의 여러 형상을 도출하여 이를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 칼날에서의 최대 응력값을 구하고 다구찌 방법을 활용하여 외란에 강건한 칼날의 설계 조건을 찾았다.

가설 설정

잡음인자는 칼날 원통의 조립 유격과 고무를 자르는 동안 펠렛끼리 엉겨 붙는 현상을 방지하기 위한 윤활제의 양이다. 조립 유격의 최대치를 5mm, 칼날의 최대 회전속도를 300rpm, 칼날의 최대 질량은 35kg으로 가정 시 편심력(eccentric force)은 172.7N이다. 윤활제는 고무와 칼날 간의 마찰계수에 영향이 있는데 윤활제가 전혀 없는 경우의 마찰계수는 실험적으로 0.

제안 방법

주요 인자는 칼날 반경 방향의 끝단 너비인 날 폭(Knife width), 봉의 한쪽 끝단으로부터 다른 쪽 끝단으로의 칼날 경사각인 Twisted angle, 날 수, 봉의 기본 직경인 Diameter, 봉의 외경으로부터의 칼날의 길이인 Knife depth, 칼날의 뒤편으로부터의 지지각도인 Supported angle로써 기하학적으로 설계 변경이 가능한 모든 요소를 고려하였다. Knife width는 가공성을 고려하여 3mm를 1수준으로 하였고 정배열의 특성 파악을 위해 6mm를 2수준으로 하였다. 기계의 크기에 영향을 주는 항목인 Diameter와 Knife depth는 Diameter와 Knife depth가 최대치인 경우에도 기계 내부에 장착이 되도록 각각의 수준을 결정하였다.
연구 대상인 원형회전칼날은 고무를 재료로 한 신발 아웃솔 생산 자동화를 위한 새로운 공법의 기계에 장착되는 것이다. 고무를 펠렛으로 만드는 원형 회전 칼날의 설계단계에서 시행착오를 줄임과 동시에 원류 품질 향상을 목적으로 절단부의 칼날 폭과 각도 및 칼날의 수, 외경 및 날 깊이, 지지각도를 결정한다. 본 논문의 2절에서는 개발하고자 하는 기계가 쓰이는 공정 소개와 더불어 공정 특성을 설명하며, 3절에서는 다구찌 방법을 사용하여 최적조건을 찾아내는 과정을 파라미터 설계 8단계로 설명하고 그 의미와 한계점을 살펴보며 4절에서 연구결과를 전체적으로 요약하고 향후의 연구방향에 대해 논의한다.
Knife width는 가공성을 고려하여 3mm를 1수준으로 하였고 정배열의 특성 파악을 위해 6mm를 2수준으로 하였다. 기계의 크기에 영향을 주는 항목인 Diameter와 Knife depth는 Diameter와 Knife depth가 최대치인 경우에도 기계 내부에 장착이 되도록 각각의 수준을 결정하였다. 칼날의 수는 다른 인자들을 동시에 고려하여 기하학적으로 배치 가능한 최대치인 8개를 3수준으로 정하고, 칼날의 수가 너무 적으면 동일 생산성 대비 회전수가 증가해야하기 때문에 최소 칼날 수를 4개로 제한하여 이를 1수준으로 하고 중간치인 6개를 2수준으로 정하였다.
그러나 이를 L₁₈ 직교 배열표를 사용하면 잡음 인자를 완전 배치로 하더라도 72회의 실험만 수행하면 되므로 실험 횟수와 시간이 대폭 절감이 된다. 또한 찾고자 하는 칼날에 작용하는 응력은 설정한 외부 잡음 조건에 영향이 크므로 이에 둔감한 설계가 필요하여 실험 횟수를 줄일 수 있고 강건한 설계가 가능한 다구찌 방법을 적용하기로 한다. 이 절에서는 칼날에 발생하는 최대 응력을 최소화하는 형상 인자의 도출을 파라미터 설계 8단계에 따라 설명한다.
허용차란 목표값의 산포 한계라고 볼 수 있다(Lee 2003). 본 연구는 칼날의 형상 설계 조건에 대해 2수준 1개 인자와 3수준 5개 인자를 고려하고, 잡음인자 2개에 대해 2수준의 실험이 필요하다. 이를 모든 경우에 대해 실험할 경우 1944(21*35*22)회가 필요하며 이 때 한 번의 실험 당 적어도 1시간의 시간을 요하므로 24시간 기준 81일이 걸린다.
본 연구에서는 고무에 적용되는 자동화 기계의 회전 칼날에 걸리는 응력을 출력반응으로 하여 다구찌 방법을 적용하여 칼날의 강건 설계조건을 구하였다. 연구 대상인 원형회전칼날은 고무를 재료로 한 신발 아웃솔 생산 자동화를 위한 새로운 공법의 기계에 장착되는 것이다.
본 연구에서는 제어 인자로 Knife width, Twisted angle, 날 수, Diameter, Knife depth, Supported angle 등 6개 인자를 선정하였고 잡음 인자로는 기계 제작 시의 유격과 기계 사용상의 윤활제를 고려하였다. L₁₈ 직교배열표를 사용하여 다구찌 방법을 활용한 결과 이 중 Supported angle과 Diameter가 칼날에서의 최대 응력을 줄이는 데 가장 중요한 인자임을 찾아내었다.
신발 바닥부분의 아웃솔 공정시간 개선과 원재료 절감을 위한 방안으로 펠렛 제작 자동화 기계의 칼날에 대해 다구찌 방법을 통해 최대 응력을 최소로 하는 설계 인자 최적화를 시도하였다. 본 연구를 이용해 펠렛을 생산하는 기계의 설계 단계부터 다구찌 방법을 활용해 원류 품질을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
Figure 7에 설계하려고 하는 칼날에 대한 제어 인자를 표시하였고 Table 3에 인자와 수준을 나타내었다. 주요 인자는 칼날 반경 방향의 끝단 너비인 날 폭(Knife width), 봉의 한쪽 끝단으로부터 다른 쪽 끝단으로의 칼날 경사각인 Twisted angle, 날 수, 봉의 기본 직경인 Diameter, 봉의 외경으로부터의 칼날의 길이인 Knife depth, 칼날의 뒤편으로부터의 지지각도인 Supported angle로써 기하학적으로 설계 변경이 가능한 모든 요소를 고려하였다. Knife width는 가공성을 고려하여 3mm를 1수준으로 하였고 정배열의 특성 파악을 위해 6mm를 2수준으로 하였다.
기계의 크기에 영향을 주는 항목인 Diameter와 Knife depth는 Diameter와 Knife depth가 최대치인 경우에도 기계 내부에 장착이 되도록 각각의 수준을 결정하였다. 칼날의 수는 다른 인자들을 동시에 고려하여 기하학적으로 배치 가능한 최대치인 8개를 3수준으로 정하고, 칼날의 수가 너무 적으면 동일 생산성 대비 회전수가 증가해야하기 때문에 최소 칼날 수를 4개로 제한하여 이를 1수준으로 하고 중간치인 6개를 2수준으로 정하였다. Twisted angle은 Figure 9의 옵션 9에서 보듯이 Diameter가 가장 작고 칼날이 가장 많은 경우에도 칼날 간에 간섭이 없도록 최대 20도를 3수준으로 하였고 칼날의 제작이 가장 용이한 각도인 0도를 1수준으로, 중간치인 10도를 2수준으로 하였다.
본 연구에서는 신발 아웃솔 공정에서, 공정시간단축과 원재료비 절감을 위해 생산 표준화를 통한 펠렛 생산 자동화 기계 칼날을 최적화하기 위한 조건을 찾고자 하였다. 커터의 여러 형상을 도출하여 이를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 칼날에서의 최대 응력값을 구하고 다구찌 방법을 활용하여 외란에 강건한 칼날의 설계 조건을 찾았다. 최대 응력값이 작으면 기계와 칼날의 신뢰성이 향상되어 긴 수명을 기대할 수 있다.
즉 칼날의 회전에 의한 전단력에 의해 고무판이 절단되며 이때 칼날에는 반작용력으로 응력이 발생하는데 칼날의 형상에 따라 응력 분포 및 최대 응력 크기는 달라진다. 프로젝트 범위는 일정속도로 회전하면서 고무판을 절단하는 회전 칼날의 최적 설계 조건의 도출이다.

성능/효과

본 연구에서는 제어 인자로 Knife width, Twisted angle, 날 수, Diameter, Knife depth, Supported angle 등 6개 인자를 선정하였고 잡음 인자로는 기계 제작 시의 유격과 기계 사용상의 윤활제를 고려하였다. L₁₈ 직교배열표를 사용하여 다구찌 방법을 활용한 결과 이 중 Supported angle과 Diameter가 칼날에서의 최대 응력을 줄이는 데 가장 중요한 인자임을 찾아내었다. 칼날이 기계 내에 설치될 수 있는 최대한의 범위에서 직경(Diameter)은 크게 하며 지지각(Supported angle)을 최대로 하는 것이 최적인 조건이다.
Prototype을 통해서 얻은 실험 결과는 모터 용량 등 제품을 생산하는 기계의 기본 스펙을 만들고 칼날의 최적설계에 대한 상세 자료로 활용될 예정이다. Prototype 크기는 기존 시설 면적인 84㎡ 대비 16㎡으로 공간 활용도는 81%가 개선되었다. 한편 Prototype 결과를 활용하여 실제 양산 기계를 만들었으며 일부 모델이 양산 기계를 통해 시험 생산중이다.
고무판을 칼날로 잘라 펠렛을 만들어 아웃솔을 제작하는 공법을 이용하면 생산시간을 70% 단축하고 생산원료는 9%를 절감할 수 있다. 또한 공장내의 공간을 활용하는 측면에 있어서도 기존의 방식은 6m×14m의 넓이와 5m의 높이는 확보되어야 하나 새로운 시스템에 의하면 4m×4m의 넓이와 2m 높이의 공간만 확보되어도 가능하다.
또한 조립 시 유격이 존재하는 경우, 유격이 없는 경우보다 편심의 영향으로 인해 칼날에도 더 많은 최대 응력이 발생할 것으로 예상이 된다. 따라서 잡음인자의 조합인 U1V1, U1V2, U2V1 U2V2 중에서 마찰력과 편심력이 가장 큰 U2V1 조건에서 최대 응력은 가장 클 것으로, 마찰력이 가장 작고 편심이 없는 U1V2 조건에서 최대 응력은 가장 작을 것으로 예상이 된다. 그러나 잡음 인자간의 교호작용으로 인한 영향이 충분히 파악된 것은 아니므로 잡음 인자에 대해서는 완전요인 배치로 적용한다.
본 사례 연구에서는 기존과 동일한 목적을 달성하기 위해 기존 공정과는 다른 새로운 개념의 공정을 개발하여 70% 싸이클 타임 단축과 9%의 원재료비 절감 효과를 달성할 수 있었다. 다구찌에 의하면 개념 설계를 올바르게 해야 품질 및 신뢰성에서 효과를 크게 달성할 수 있다.

후속연구

Figure 11은 다구찌 방법과 컴퓨터 해석 프로그램인 ABAQUS를 활용해 얻은 최적 인자를 고려해 만든 디자인 개념과 실제 제작한 Cutting machine의 Prototype이다. Prototype을 통해서 얻은 실험 결과는 모터 용량 등 제품을 생산하는 기계의 기본 스펙을 만들고 칼날의 최적설계에 대한 상세 자료로 활용될 예정이다. Prototype 크기는 기존 시설 면적인 84㎡ 대비 16㎡으로 공간 활용도는 81%가 개선되었다.
신발산업은 저렴한 노동력과 부피가 큰 기계가 필요한 것으로 인식이 되어 인건비가 저렴한 개발도상국으로의 진출이 생존의 유일한 방안으로 인식되고 있다. 그러나 다양한 생산 공정에서 기존 공법과는 완전히 다른 새로운 공법을 지속적으로 개발하여 생산성을 대폭 향상시키고 장치의 부피를 줄일 수 있다면 신발산업의 국내 회귀도 기대할 수 있을 것이다.
신발 바닥부분의 아웃솔 공정시간 개선과 원재료 절감을 위한 방안으로 펠렛 제작 자동화 기계의 칼날에 대해 다구찌 방법을 통해 최대 응력을 최소로 하는 설계 인자 최적화를 시도하였다. 본 연구를 이용해 펠렛을 생산하는 기계의 설계 단계부터 다구찌 방법을 활용해 원류 품질을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 조립 조건이나 윤활제의 유무 등을 잡음 인자로 고려하였지만 실제 환경에서는 예상치 못한 다른 요인들이 발생할 수 있어 유의한 인자들이 발견되는 경우 추가적인 실험이나 해석을 수반해야 할 것으로 생각된다.
다구찌에 의하면 개념 설계를 올바르게 해야 품질 및 신뢰성에서 효과를 크게 달성할 수 있다. 본 연구에서 개념 설계를 새롭게 하지 않고 기존의 공정을 고수한 상태에서 단순한 개선을 시도했다면 공정 개선효과는 그다지 크지 않을 수 있다. 신발에 대한 개선효과가 크게 나타나지 못한 기존의 연구들은 전통적인 생산 방식을 그대로 둔 상태에서 단순한 개선을 시도했기 때문이다.
하지만 절단의 대상이 되는 물체의 정밀도가 매우 중요한 항목인 가공물이라면 변형율도 고려하여 칼날의 형상을 설계하여야 할 것이다. 잡음인자 수준의 결정에 있어서도 본 연구에서는 다구찌가 제안한 최대값과 최소값을 그대로 사용했지만 Lee(2009)와 Yun(2010)에 의하면 잡음의 분산이 크지 않은 경우에 대해 빈도가 높은 값을 수준으로 정하면 좀 더 정확하고 현실적인 실험이 될 수 있으므로 실제 프로토타입을 업그레이드하기 위해서는 잡음인자를 더 구체적으로 정하는 것도 생각해볼만하다.
본 연구를 이용해 펠렛을 생산하는 기계의 설계 단계부터 다구찌 방법을 활용해 원류 품질을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 조립 조건이나 윤활제의 유무 등을 잡음 인자로 고려하였지만 실제 환경에서는 예상치 못한 다른 요인들이 발생할 수 있어 유의한 인자들이 발견되는 경우 추가적인 실험이나 해석을 수반해야 할 것으로 생각된다. 여기서는 커터의 변형률을 고려하지 않았는데 이는 커터의 변형이 크면 절단되는 소재의 정밀도가 떨어지게 되나, 그 변형되는 정도가 펠렛의 무게에 영향을 주는 정도는 아니기 때문이다.
신발에 대한 개선효과가 크게 나타나지 못한 기존의 연구들은 전통적인 생산 방식을 그대로 둔 상태에서 단순한 개선을 시도했기 때문이다. 현재 신발 공정은 예전의 방식을 답습하고 있으므로 개념 설계 단계부터 다구찌 방법 등 과학적인 방법으로 접근하여 방식 자체를 새롭게 개발한다면 본 연구에서 시도한 아웃솔 공정 외에도 많은 공정을 혁신적으로 개선할 수 있을 것이라 생각된다. 본 연구의 결과는 신발 생산의 자동화에 연관되므로 개념 설계 단계에 있어서도 각 공정 간의 연결 부분을 고려해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다구찌 방법은 어떤 방법으로 품질변동을 감소시키는가?	다구찌 방법은 품질개선과 원가절감 등의 목적을 달성하기 위하여 일본의 다구찌에 의해 구현된 것이다. 제품의 품질특성에 변동을 초래하는 여러 교란 요인들에 대해 직접적인 조치를 취하는 대신 이들에 둔감한 공정 조건을 찾음으로써 품질변동을 감소시키게 된다. 따라서 제조 혹은 사용 환경에 개입되는 다양한 교란요인(잡음인자)들의 영향에 둔감하다는 의미에서 로버스트(Robust) 설계라고도 한다(Kwon 2013).
	일반적으로 절단 시 영향을 주는 요인은 무엇인가?	이에 따라 파괴의 형태도 취성에서 연성, 다시 유동성 파괴로 바뀌게 된다. 일반적으로 절단 시 영향을 주는 요인으로는 절단물의 온도, 절단 속도, 칼날의 형상 등에 관련이 있다고 알려져 있다. 고무의 절단에 있어서 고분자 화합물인 고무의 비선형성으로 인해 해석적 연구가 매우 미진하며 다만 Choi et al.
	고분자의 파괴의 형태가 취성에서 연성 그리고 유동성 파괴로 크게 변하는 이유는 무엇인가?	또한, 고무는 절단 시 비선형적인 변형으로 인해 정확한 수치적 해석이 거의 불가능하여 수치적 계산만으로는 고무를 자르는 칼날의 조건을 찾기가 쉽지 않다. Nielsen(1975)에 의하면 고분자 재료는 온도의 상승에 따라 유리천이 온도(glass transition temperature)와 고무유동온도(rubber-flow temperature)에서 기계적 성질이 크게 변한다. 이에 따라 파괴의 형태도 취성에서 연성, 다시 유동성 파괴로 바뀌게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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