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    학술대회 참관기 게시판 내용
    제목 SPE ANTEC 2018 Orlando 참관기
    작성자 김진수
    작성일 2018-05-28 오전 10:39:46
    첨부파일 첨부파일  SPE ANTEC 2018 Orlando 참관기 - 아주대학교 김진수.pdf







    올해로 74번째 개최되는 SPE ANTEC (Annual Technical Conference)은 플라스틱 재료 및 가공기술과 관련한 최신 기술과 연구내용이 발표되는 플라스틱 산업의 대표적인 학술대회로써, 미국 SPE (Society of Plastic Engineers)의 주관으로 매년 개최된다. 또한, 3년 주기로 미국 플라스틱 가공기술 전시회인 NPE(National Plastic Exhibition)과 함께 Orlando에서 개최되며, 올해가 이에 해당한다. 따라서 금년도 학회는 플라스틱 기술에 대한 해외 연구진과 산업체의 연구개발 결과에 대한 학술발표뿐만 아니라, NPE에서 플라스틱 산업의 트렌드를 직접 볼 수 있었다는 점에서 큰 의미를 가졌다.


    올해로 창립 76주년을 맞이한 SPE는 전 세계 플라스틱 기술을 선도하는 기관이다. SPE에는 분야별로 29개의 Technical Division이 있으며 (예를 들어 Injection Molding Division, Extrusion Division, Applied Rheology Division 등), 각 Division 별로 Conference를 개최하기도 한다 (예를 들어 IM Tech). 지역별로는 Geographical Section이 있고, 우리나라에는 SPE Korea Section에서 매년 2회 SPE Korea Conference를 개최한다.


    올해 ANTEC은 작년보다 규모가 커져 나흘 동안 개최되었고, 총 78개의 구두발표 Session을 통하여 32개의 기술 분야를 다루었다. 가장 많은 구두발표 세션은 근래 각광을 받는 Additive Manufacturing / 3D printing이었고, 그 뒤를 전통적인 주제인 Injection molding, Engineering Properties & Structure, Extrusion, Composites가 뒤따랐다. 이번 ANTEC에서 필자가 관심을 가졌던 Topic을 정리해보면 다음과 같다.


    * Injection molding


    * Industry 4.0 and Smart Factory


    * Automotive


    * Process monitoring and optimization


     



    학술대회가 열린 Orlando는 Disney World와 Universal Orlando Resort 등이 위치한 세계적인 관광도시이다. 또한, NPE가 열릴 수 있는 큰 규모의 Convention center가 있고 Chicago 보다 전시장의 대관료가 저렴한 탓인지, 2012년부터 NPE 가 개최되는 해에는 Orlando에서 학회가 개최된다. 학회 규모에 걸맞게 모든 학회 일정은 SPE Event application에서 확인할 수 있었으며, 일정표에서 본인이 듣고자 하는 발표를 따로 지정하여 본인만의 학회 일정표를 만들 수 있었다. 이전까지의 학술대회 구성과 금년도의 차별화된 점은, Technical marketing session에 산업체의 발표를 모아 쉽게 학회 참석자들이 참고할 수 있도록 한 점이었다. 학술발표 이외에도 “Plastics for Life”의 슬로건에 부합하는 제품을 선정하기 위한 제품 투표, 무료 증명사진 촬영 행사 등이 진행 중이었다.


     






    필자는 Injection molding session에서 "Valve gate open lag time in conventional hot runner system" 라는 제목으로 구두발표를 진행하였다. 해당 발표에서 필자는 사출성형 공정에서 널리 사용되는 Hot runner의 Sequence valve gating의 Sequence 설정 또는 최적화에서 고려되지 않는 Valve pin 가동시간의 공정상의 중요성과 보정방법을 제시하였다. 또한, 필자가 속한 연구실의 박사과정인 김봉주 학생은 "Study of an optical evaluation of surface adhesion in the multilayer injection molding process"의 주제로 같은 Session에서 구두발표를 진행하였고, Multi-layer 사출 성형품에서 발생하는 접착 불량에 대한 새로운 판단 방법을 제시하였다.


     



    ANTEC과 함께 개최된 NPE에서 업계의 화두는 Smart factory 및 Industry 4.0이었다. 각 제품이 생산되는 동안 적용된 공정조건을 기록하여 UPC-UA 또는 EUROMAP 등의 프로토콜을 이용하여 클라우드에 업로드 한 뒤, 이 정보를 적극적으로 공정 관리에 이용하거나 원격으로 공정을 모니터링 하고 판단할 수 있도록 하는 기능이 장비들에 추가된 점이 이전 NPE와의 차이점이었다. 최종 제품에 가까운 사출성형기 뿐만 아니라 금형 온도 조절기와 같은 부대장비에도 모니터링 기능 및 클라우드로의 데이터 업로드 기능이 추가된 점이 인상적이었다. 또한, 높아진 모니터링 수요에 따라 센서 및 모니터링 시스템 업체들은 무선 및 클라우드 공정 모니터링을 지원하는 시스템을 출시하였다. 기타 자세한 전시 내용은 NPE 홈페이지의 기사에서 확인할 수 있다. (참조; http://www.npe.org/npe2018-show-daily)


     





    총 28개의 Keynote speech와 4개의 Plenary lecture가 발표되었으며, 필자는 아래의 발표에 참석하였다.







    HP의 3D Printing (3DP) 사업부의 고객 및 시장개발 책임자인 Scott Schiller는 HP의 3DP 사업과 관련된 비전에 대해 발표하였다. 발표는 특이하게 Scott Schiller 뿐만 아니라 2명의 발표자가 추가로 나와서 발표자료에서 언급되는 제품 및 3DP 결과물을 직접 설명하였다. 3DP는 4차 산업혁명을 가속시키는 주요 요소로써, 더하는(Additive) 공정 방식의 특성상 기존의 빼는(Substrate) 공정의 사고방식을 바꾼다고 지적하였다. 또한, 3DP는 기존의 제품 생산방식에서 제품을 어떻게 생산할 것인지가 아니라, 제품이 어떻게 작동할 것인지에 대해 초점을 더욱 맞출 수 있도록 함으로써 제품 개발 및 제작 시간이 단축되고, 제품 시험 등에 더욱더 초점을 맞출 수 있다고 지적하였다.


    발표에서 3DP 의 역할을 Development / Manufacturing / Service, MRO, After market 의 3단계로 나누어 설명하였다. Development 단계에서 제품이 출시될 시장의 크기를 가늠하기 힘든 상황에서, 기존 대량생산 방식의 비용적인 장벽을 줄이고 디자인 기간을 단축하게 함으로써 제품 개발을 더 효율적으로 할 수 있고, 더욱더 빨라지는 시장의 변화에 대응할 수 있다고 지적하였다. Service, MRO, Aftermarket 단계에서는 제품의 예비 부품을 디지털 형식으로 저장하여 제품에 대한 사후 서비스를 하는데 사용할 수 있다고 제시하였다. Manufacturing 단계에서 지적됐던 제품 생산량과 관련해서는 부품의 기하학적인 형상을 이용하여 겹치거나 대칭을 이용하여 한정된 공간 안에서 최대한 많은 제품을 생산하는 방안을 제시하였고, 이를 위해서는 부피가 크고 Blackout 된 부분이 많은 골격 구조 대신 Foldable design이 한정된 공간에 다수의 제품을 직접(packing)시키기 유리하다고 제안하였다.


     




    Celanese Engineered Materials의 Global Automotive Manager인 Jeffery Helms 박사가 Keynote speech 발표를 하였다. Jeffery Helms 박사는 앞서 People's Choice Award 출품된 제품 중 2018 Hyundai Genesis Turbo Charger Outlet T-Joint, 2017 Chevrolet Traverse Engine Clevis Bracket으로 SPE Automotive Division Innovation Awards를 수상한 바 있다. 발표에서는 1980년대 Oil shock, 2000년대 Oil price rise and china effect, 2010년대 Climate action 를 거치면서 자동차에 사용되는 플라스틱 부품의 비율이 증가해온 역사를 바탕으로 미래 자동차에서의 플라스틱의 역할에 대해서 중점적으로 설명하였다. 또한, 플라스틱 재료를 통하여 100 kg 의 경량화 성과를 낸 Volkswagen 7th golf 등의 예시를 통하여, 자동차 경량화에서의 플라스틱의 역할에 대하여 설명하였다.


     





    사출성형 제품의 뒤틀림(warpage)은 제품의 국부적인 온도와 압력 차이에 의한 수축률의 차이에 의해 발생되고 이는 최종 제품의 치수 정밀도에 영향을 주게 된다. 수축률의 차이를 감소시키기 위해서 발표된 연구에서는 제품의 국부적인 온도를 제어하고자 사출금형의 고정측과 가동측에 각각 9개의 세라믹 히터를 설치하고, 13개의 냉각 채널을 설치하였다. 각 온도 제어 유닛에는 IR을 이용하여 제품의 표면 온도를 측정함으로써 히터 온도를 제어하였다. 측정한 온도와 압력을 이용하여 Schmidt pvT model을 이용하여 뒤틀림이 최소화되는 온도 프로파일을 도출하였다. 다만 금형은 매우 큰 열용량을 가졌으므로, 히터 온도 제어에 의한 금형 표면 온도의 반응성이 낮았고 일반적인 PID 제어를 통해서는 제어가 불가능하였다. 이 때문에 사이클 별 제품의 뒤틀림의 편차가 매우 큰 결과를 얻었다. 매우 큰 반응 시간을 상쇄하기 위하여 냉각채널-히터-금형-제품표면에 대한 열전달 해석을 진행하였고, 해당 결과를 바탕으로 Model predictive control을 이용하여 원하는 온도 프로파일에 대한 금형 표면 온도의 추이를 얻을 수 있다는 해석적 결과를 얻었다. 다만 해당 방법을 모든 사출금형에 적용하는 데는 무리가 있기 때문에, 대형 사출품의 경우에는 제품의 뒤틀림이 중요하게 작용하는 부분에 선택적으로 적용할 예정이다.


     






    제품 생산 공정 도출은 많은 수의 실험을 통하여 진행되며, Machine learning (ML)은 이러한 공정 설정을 체계적으로 최적화하는데 기여를 할 수 있다. 다만 ML을 위해서는 다수의 학습 데이터가 필요하고 이는 실험 데이터를 기초로 하기 때문에 시간 및 비용이 요구되게 된다. 발표된 IKV의 연구에서는 ML을 위한 학습 데이터로 사용되는 물리적인 시험을 시뮬레이션으로 대체함으로써 물리적인 시험 수를 줄이고자 하였다. 하지만 시뮬레이션 결과는 많은 가정과 고려되지 않는 물리적인 요인에 의하여 실제 실험 결과와는 차이가 있기 때문에, 시뮬레이션 결과를 통한 ML의 pre-training 후에 최소한의 실험 데이터를 이용하여 ML을 학습시키도록 하였다. 발표된 연구에서는 사출성형 공정조건 중 사출 시간과 용융 수지 온도 2가지 조건을 변수로 제품의 중량과 치수에 대하여 ML 학습을 진행하였고, 제시된 방법론을 토대로 ML 학습에 필요한 실제 시험 수를 최소화할 수 있다는 가능성을 제시하였다.


     






    마이크로 사출품의 경우 취출(Demolding or ejection)과정에서 발생하는 제품의 변형이 제품 정밀도를 저하하는 주요 원인으로 지적되어 왔다. 깊은 코어와 같은 형상은 제품의 수축으로 코어를 조이는 효과를 만들고 이로 인하여 높은 취출력(Ejection force)을 필요로 하게 된다. 취출력은 충전 과정에서 금형 및 코어의 topography를 용융 수지가 전사함으로써 발생하는 기계적 락킹(Mechanical interlocking) 및 마찰에 의한 효과에 영향을 받는다. 높은 취출력을 필요로 할 경우 제품이 취출되면서 변형되거나 심지어는 손상 및 파손되기도 하므로 취출력 저감이 필요하며, 발표된 연구에서는 이를 위하여 초음파를를 통한 취출방식을 제시하였다. 코어의 표면 거칠기를 다르게 하여 필요로 하는 취출력을 다르게 하였고, 취출력을 취출핀 뒤의 로드셀을 이용하여 측정하였다. 초음파는 금형 코어 표면에서의 국부적인 발열을 발생시키고, 맞닿고 있는 제품 표면의 연화(softening) 및 기계적 락킹의 저하를 가져옴으로써 취출력을 줄였다. 하지만 초음파의 취출력 저감 효과는 재료에 따라 차이가 있으며, 발표된 연구에서는 표면 거칠기와 플라스틱 재료의 물성을 통하여 취출력을 모델링 하였다.


     






    매년 Automotive session에서는 지난 연도의 SPE Automotive division의 Innovation Awards Winner를 소개하는 시간을 갖는다. 발표는 Delphi에서 Senior technical fellow로 은퇴를 한 Dr. Suresh Shah가 진행을 하였다. 발표에서 소개된 제품 대부분은 앞서 언급한 People's Choice Awards에서 직접 볼 수 있었다. 자동차 업계와 관련된 플라스틱 기술이기 때문에 자동차 경량화에 초점이 맞추어져 있었으며, Foaming을 통한 경량화 및 금속 대체가 주된 사례로 제시되었다. 또한, 금속에서 플라스틱으로 재료를 바꿈으로써 경량화뿐만 아니라 잡음 저감 등의 효과를 거둔 사례도 제시되었다. 발표된 사례는 Aftermarket, Body exterior/interior, Chassis & Hardwar 등의 11개의 카테고리로 나누어져 있으며 자세한 사항은 SPE Automotive division 홈페이지에서 확인할 수 있다. (참조; http://speautomotive.com/innovation-awards-gala)


     




    Strain hardening은 foaming, film forming, fiber extruding 등 다양한 플라스틱 공정과 재료구조를 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 플라스틱 재료에 마이크로 섬유를 첨가함으로써 효과적으로 strain hardening을 조절하는 방법이 연구되어왔다. 발표된 연구에서 열 수축 특성을 가지는 마이크로 섬유 (Heat-activated shrinking, HAS)가 적용된 플라스틱 재료의 전단(shear) 및 신장(extension)에 대한 유변학적 거동과 특성을 제시하였다. HAS 섬유가 적용된 재료는 낮은 주파수에서 일반 섬유가 포함된 재료보다 높은 저장탄성률과 손실탄성률을 보였다. 이를 적용하여 foam의 morphology 변화를 관찰한 결과, HAS 섬유를 적용할 경우 foam의 cell density와 expansion ratio가 효과적으로 증가하였다. 또한, 해당 거동은 온도에 따라 달라지는 양상을 보였기 때문에, 해당 연구에서는 HAS 섬유를 통하여 온도에 따라 strain hardening을 조절하여 cell density와 expansion ratio를 조절할 수 있다는 가능성을 제시하였다.


     




    열가소성 플라스틱 재료는 고분자 사슬의 구조로 되어 있고, 이러한 고분자 사슬은 불규칙적으로 뒤얽혀 있는 특성을 가진다. 만약 고분자 사슬이 어떠한 외부 요인에 의하여 일정 방향으로 배열되어 있으면 고분자 사슬은 원래 불규칙하게 뒤얽혀 있는 상태로 되돌아가려는 특성을 가진다. 온도가 일정이상 증가하게 되면 이러한 특성은 고분자 재료의 변형을 수반하게 되는데, 이를 이용하여 2D의 플라스틱 필름을 이용하여 3D 형상을 만드는 연구를 Mike dickey 교수가 발표하였다. Pre-stress가 가해진 (쉽게 말해 늘려 둔) 플라스틱 필름에 패턴을 인쇄하여 UV 등을 조사하게 되면, 패턴이 인쇄된 면이 반대 면보다 온도가 더 증가하게 된다. 국부적인 온도 상승은 수축을 발생시키게 되고 Figure 25와 같이 패턴이 인쇄된 면이 hinge와 같은 역할을 하게 된다. 인쇄되는 패턴에 따라서 단순히 종이를 접는 형상에서부터 구형의 형상을 얻을 수 있다. 인쇄되는 패턴의 색을 달리하면 조사되는 빛의 색에 따라 순차적인 반응을 얻을 수 있다. 인쇄뿐만 아니라 그래핀 잉크를 사용할 경우 빛이 아닌 microwave를 이용할 수 있으며, 레이저를 이용하여 국부적인 변형을 얻어낼 수 있다. 해당 연구는 Origami antenna 또는 로봇 등의 다양한 어플리케이션에 적용이 가능하다.


     






    사출 제품의 품질을 위해서는 사출 공정에서 제품의 균일한 온도분포가 중요하며 이를 위하여 형상적응형 냉각 채널 (Conformal cooling channel)을 사용하는 방법이 제시되어 왔다. 형상 적응형 냉각 채널은 대개 SLS(Selective laser sintering) 과 같은 Additive manufacturing 방식으로 제작된다. 하지만 중대형 금형을 제작하기에는 한계가 존재하기 때문에, 발표된 연구에서는 일반적인 Arc welding 과 Diffusion bonding을 Additive manufacturing에 접목하여 중대형 금형에 대한 형상 적응형 냉각 채널 제작의 가능성을 제시하였다. Additive arc welding을 이용하여 제작한 냉각 채널은 기존의 직선형 냉각 회로와 비교하여 균일한 표면 온도 분포를 보였으며, 냉각 또는 가열 시간이 약 25% 정도 단축하는 결과를 보였다.


     






    Additive manufacturing에 사용되는 재료가 다양화됨에 따라 이종재료를 사용하여 다양한 광학적 또는 촉감을 얻을 수 있다. 다만 이종재료 간 접착문제는 Additive manufacturing 뿐만 아니라 이중 사출 공정, 플라스틱 용접 등에서 언제나 중요한 이슈 중 하나였다. 발표된 연구에서는 Additive manufacturing에서 발생하는 이종재료 간의 접착력에 영향을 미치는 요인을 조사한 결과가 제시되었다. 시험편은 1차 시편이 평평한 표면과 Dovetail 형상의 홈을 가진 시편 두 종류로 나누었다. 적층되는 재료의 순서, 1차 재료 표면의 Sanding 및 가열 여부를 시험하였다. 2차로 적층되는 재료 온도가 높고 그로 인한 점도가 낮을수록 1차 재료 표면의 홈이나 미세한 Undercut 및 거친 표면을 잘 채울 수 있어 높은 접착력을 보였다. 또한, 발표된 연구에서는 2차 재료가 1차 재료보다 높은 유리 전이 온도를 가짐으로써 1차 재료 위에 적층될 때 1차 재료의 표면을 녹이는 효과를 가져와 플라스틱 재료의 확산과 접착이 더 증가할 것이라고 제시하였다.


     





    사출 성형과 같이 제품 품질에 영향을 주는 요인과 공정변수의 영향이 복잡하게 얽혀 있는 경우, 제품의 품질을 저하하는 각종 공정 내부 또는 외부의 영향을 판단하기는 어려울 뿐만 아니라 해당 영향에 의한 품질 저하 등의 반응이 뒤늦게 관찰되기 때문에 해당 생산 Lot의 폐기 및 원인 파악과 후속 조치에 필요한 비용이 매우 증가하게 된다. 또한, 실시간으로 모든 공정 상황을 모니터링 하는 것은 불가능하고, 몇몇 공정 변수 등을 모니터링 한다고 하더라도 공정의 복잡성으로 인하여 모니터링 결과를 분석하여 원인을 찾아내는 것은 많은 경험과 지식이 필요하게 된다. 다만 4차 산업혁명으로 인하여 대량의 공정 데이터가 얻어지고 축적되고 있고 이러한 데이터를 효과적으로 처리하는 방법이 필요하다. 발표된 연구에서는 공정에서 얻어지는 연속적인 공정 데이터(cycle-by-cycle data)를 기반으로 내외부의 외란(예를 들어 플라스틱 재료 특성의 변화 또는 사출 성형기의 작동부의 마모 등)에 의한 이상(anomaly)을 특정 패턴을 감지함으로써 효과적으로 감지하는 방안을 제시하였다. 연속 공정 데이터의 특징적인 패턴이 감지되는 요인들을 선별하면, 이를 토대로 품질 저하의 근본 원인을 더욱 빠르고 쉽게 찾을 가능성을 제시하였다. 발표된 연구는 아직 시작단계의 연구지만, 점점 더 많아지는 공정 데이터와 높은 수준의 공정 자동화가 요구되는 현재 업계 상황에서 활용 가능성이 높은 연구이다.


     





    금년도 ANTEC은 NPE와 함께 개최되어 볼거리가 풍성한 시간이었다. 필자의 연구 분야가 사출성형 공정의 모니터링 및 자동화이기 때문에, 이와 관련된 발표를 중점적으로 찾아보았다. 필자는 2013년도부터 꾸준히 ANTEC에 참가하였는데, 올해는 학회의 규모가 커진 점과 2016년도의 8개 발표부터 시작하여 올해 총 5개 Session 및 총 43개의 발표가 이루어진 3D Printing / Additive manufacturing의 폭발적인 연구내용의 증가가 인상 깊었다.


    NPE는 규모가 상당하여 나흘 동안 학술발표뿐만 아니라 전시회를 동시에 챙기기에는 시간이 빠듯하였다. NPE 에서는 평소에 궁금했던 사항을 해당 기기의 엔지니어로부터 직접 설명을 들을 수 있었고, 국내에서는 쉽게 접할 수 없는 기기들의 데모 시연을 볼 수 있어 유익했다.


    학술대회 2일 차인 화요일 저녁에는 SPE-KASEG (Korean American Scientist & Engineers Group)이 주최하는 Korean dinner에 참석하여 교류할 수 있는 시간을 가졌다. Dow chemical Senior Scientist이셨던 현건섭 박사님께서 학술대회에 발표를 진행한 학생들을 격려해주시는 시간을 가졌다. 다만 학회에 발표하는 한인 연구자들이 줄고 있는 점이 안타까운 점이었다. 앞으로 더 많은 국내 연구자들이 ANTEC 및 플라스틱 기술과 관련된 학술대회에서 활동을 했으면 한다.


    학술대회가 끝난 뒤에도 NPE는 하루 더 진행되었고, 마지막 날의 NPE 관람 이후에 가까운 Universal Orlando Resort에 들러 그동안 쌓였던 스트레스를 해소하였다. 당시 한국보다 높은 온도에도 불구하고 습도가 낮아 그다지 덥다는 느낌은 받지 못했고, Express ticket 덕분에 대부분 놀이기구를 기다리는 시간 없이 탈 수 있었다. 해리포터에 나오는 Butterbeer 를 마셔봤는데, 학술대회와 전시회를 알차게 돌아본 탓인지 “Beer” 치고는 상당히 달았다.



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    사용자 프로필 이미지
    |2018.05.30
    최근에 인터뷰하신 분은 자동차 경량화를 위해 외관을 플라스틱으로 만든것에 대한 이야기를 하시던데. 아무래도 저렴하고 또한 가벼운 플라스틱 소재의 개발이 중요한 이슈가 될것도 같습니다. 이와 더불어서 환경오염의 주범이 플라스틱인지라. 미세플라스틱 문제, 플라스틱의 분해등의 친환경적인 요소들도 앞으로 미래 연구의 이슈가 될거 같은데.. 여기에서는 이러한 논의가 이루어 졌는지 궁금하네요.
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