발전소 저탄장에 적용되는 풀코드스위치 부품의 구조최적화 3D 프린팅 제작기술 개발

Structure Optimization and 3D Printing Manufacture Technology of Pull Cord Switch Components Applied to Power Plant Coal Yard

3D 프린팅 기술은 다양한 산업분야에서 개념모델 및 기능성 시제품을 제작하는데 많이 응용되고 있지만, 3D 프린팅 소재 및 제작된 제품 신뢰성 등의 여러 가지 이유로 상용화 제품으로 적용되는 데 한계가 존재한다. 본 논문에서는 3D 프린팅 기술을 이용한 산업적 응용분야 중 하나로 발전소 저탄장에 사용되는 풀 코드 스위치 모듈의 부품들 중 잦은 돌발 상황으로 인해 파손이 자주 발생하는 허브 구동부와 레버 고정부 부품들에 대해 현장에서 작업자들이 단기 대체부품으로 적용이 가능하도록 하는 부품 최적 설계 및 FDM 방식 3D 프린팅 제조공정기술에 대한 연구결과를 제시하였다. 3D 프린팅 기술의 경우 소재 적용에 있어서 한계가 존재하므로, 본 논문에서는 구조 최적화 설계를 통해 구조 안정성을 확보하는 방안에 대해 연구를 수행하였다. 허브 구동부 부품에 대해 내부 구조 형상 및 구조 설계 변수 최적화를 수행하여 좌측구동모드에서는 안전계수가 153.67% 증가한 1.243을 확보할 수 있었으며, 우측구동모드에서는 404.96% 증가한 3.156을 확보할 수 있었다. 레버 고정부 부품의 경우, 반복적인 스위칭 구동에 의한 굽힘 모멘트로 인해 발생하는 파손을 최소화하기 위해 구조 최적화 설계를 수행하여 26% 증가한 구조 안전계수(7.52)를 확보할 수 있었다. 본 연구를 통해 3D 프린팅 기술을 단기 대체부품 제조공정에 적용함에 있어서 소재 최적화를 통한 설계보다는 3D 프린팅 공정의 적층특성을 활용한 구조적 최적화 설계기법 이 더욱 유연한 결과를 도출할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Recently, 3D printing technology has been applied to make a concept model and working mockup of an industrial application. On the other hand, this technology has limited applications in industrial products due to the materials and reliability of the 3D printed product. In this study, the components of a full cord switch module are proposed as a case of a 3D printed component that can be used as a substitute for a short period. These are hub-driven and lever lockup components that have the structural characteristics of breaking down frequently in the emergency operating status. To ensure the structural strength for a substitute period, research of structure optimization was performed because 3D printing technology has a limitation in the materials used. After optimizing the structure variables of the hub-driven component, reasonable results can be drawn in that the safety factors of the left and right switching mode are 1.243 (${\Delta}153.67%$) and 3.156 (${\Delta}404.96%$). The lever lockup component has a structural weak point that can break down easily on the lockup-part because of a cantilever shape and bending moment. The rib structure was applied to decrease the deflection. In addition, optimization of the structural variables was performed, showing a safety factor of 7.52(${\Delta}26%$).