Evaluation of Cleaning Method for Remanufacturing Using Start Motor of Vehicle

차량용 스타트모터를 활용한 재제조 세척방법 평가

Abstract

The necessity and the importance of the remanufacturing are increasing day by day along with environmental problems. Many studies are being conducted on remanufacturing, but the research for cleaning is much lacking. This study aims to evaluate the effective cleaning method for remanufacturing of start motors, one of the automobile parts. The cleaning process consists of oil stain removal, drying and rust removal processes. In this study, the two processes were conducted except for the drying process which has little influence on cleaning. The methodology for cleaning agent selection, degreasing and rust removal process was presented. For each methodology, five analysis factors were calculated by two-way comparison according to the process, and the values were evaluated quantitatively by substituting them into the evaluation table. In the selection of cleaning agent, neutral system, ultrasonic cleaning in degreasing, and grinding in rust removal were selected as the best cleaning methods.

1. 서론

한정된 자원으로 인해 이를 확보하기 위한 국가들 간의 경쟁은 치열해지고 있고, 가중되는 환경오염과 이에 따르는 2차적인 문제들로 인해 제품의 생산과 유통의 전 과정에 대한 환경규제도 강화되고 있다. 이러한 자원의 확보와 환경적인 문제를 해결하기 위해 자원순환의 필요성이 점차 부각되고 있다. 자원순환을 통한 부족한 자원의 확보와 관련된 산업은 에너지와 자원 소모량을 절감시키며, 물가안정과 내수 활성화를 위해 반드시 필요한 국가적 산업이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 재제조산업의 중요성이 날로 증가하고 있다. 재제조산업은 사용 후 제품(이하 코어)을 회수하고 재제조의 공정을 거쳐 신품과 동일한 성능으로 복원이 가능하기 때문에[1], 88%의 자원회수량, 신품생산대비 14%의 CO2 배출량 및 물질재활용 대비 70%이상의 비용절감이 가능한 효율적인 자원순환 방법이다[2].

재제조에 관련된 연구 역시 활발히 진행 중이다. Mok 등은 미국과 유럽의 자동차부품 재제조 산업의 현황에 대해서 분석하였으며[3-4], Son 등은 재제조 제품의 공정분석을 통한 개선방안에 관한 연구를 진행하였다[5]. 자동차부품 재제조 외에 Lee 등은 산업용 유압제품의 재제조 기술에 대하여 연구를 진행하였다[6]. 하지만, 세척 공정과 관련된 연구는 미비한 것이 사실이다. 세척과 관련된 연구동향을 살펴보면 Shin 등은 제품 세척에 사용할 수 있는 세정제의 세척성 평가방법에 대해 서술하였으며, 현재의 세정제를 대체하기 위한 세정제 선정의 평가 가능한 방법들을 비교/분석하였다[7]. Bae 등은 레이저 복합기의 세척 시스템에 대해 연구를 진행하였으며, 세척 방법들에 대해 정량적인 실험 및 분석을 진행하였다[8].

본 논문에서는 앞서 진행된 연구를 바탕으로 최적 세척 방법을 찾기 위해 세정제 선정, 기름때 제거 및 녹 제거 공정을 통해 차량용 스타트모터의 최적 세척 방법을 도출하고자 한다.

2. 세척방법론

2.1 문제정의 및 실험방법

재제조 대상제품의 세척 시 Fig. 1과 같이 기름때, 녹 등의 오염물질이 존재한다. 현재 재제조 기업에서의 세척공정은 기름때 제거, 건조, 녹 제거로 구분하여 진행한다. 각각의 공정을 독립적인 공정으로 보고 연구를 진행하였다. 기름때 제거 공정은 기름때를 용해시키기 위한 화학적 방법과 기름때를 떼어내는 탈지를 위한 기계적 방법으로 나뉜다. 건조공정은 자연건조, 열풍건조, 고온건조 등이 존재하나 녹 제거 공정을 위한 전 단계로 최종제품에는 영향을 미치는 공정이 아니기 때문에 본 논문에서는 제외한다. 녹 제거 공정은 대상제품을 약품에 담가 녹을 제거하는 화학적 방법과 고온으로 녹을 떼어내거나 직접 녹을 깎아 내는 기계적 방법이 있다.

Fig. 1 Cleaning mechanism

각 세척 공정이 실효성이 있는지를 평가하기 위해 분석인자로 경제성, 시간, 세척성, 품질유지성, 환경유해성을 고려하여 각각의 공정에 맞는 가중치를 측정하고, 각 분석 인자에 대해 정량적으로 점수를 배점하여 평가/검증하고 효율적인 세척 방법을 도출해 낸다.

2.2 연구 대상

세척성 평가를 위해 실험에 사용된 제품은 승용차량용 스타트모터로 선정하였다. 스타트모터는 재제조제품의 품질인증을 위해 교류발전기와 더불어 가장 우선적으로 품질인증제품으로 등록된 제품이기에 연구대상으로 선정하였다[9]. R사의 S모델 스타트모터를 분해하여 Fig. 2와 같이 파트리스트 및 부품-소재별 분류를 나타내었다. 총 18가지의 부품으로 나뉘며, 소재별로는 철, 알루미늄, 플라스틱, 마그네틱 등으로 구분하였고, 형상으로는 기어형, 나사형 등으로 구분하여 정리하였다.

Fig. 2 Start motor part list, material and type

2.3 적용 가능 세척 방법

작업 현장에서 제품 세척을 위해 적용 가능한 방법으로는 Table 1에서 보는바와 같이 기름때 용해와 탈지의 기름때 제거 공정과 녹 제거 공정으로 나뉜다. 기름때 제거 공정은 화학적인 방법을 거치지 않고 단순히 기계적인 방법으로만 세척하는 것은 불가능하다.

Table 1. Applicable cleaning method

따라서 기름때를 용해하기 위한 세정제를 선정하기 위하여 알칼리계, 중성계, 탄화수소계 세정제를 비교하였으며, 기름때 탈지를 위해서는 초음파, 스팀, 와이핑, 드라이아이스 및 열 세척 방법을 비교분석하였다. 녹 제거 공정에서는 산소-아세틸렌 용접, 그라인딩 및 산계 세척의 방법을 분석하였다.

2.4 분석인자

세척 분석에 대한 분석인자는 5가지 요소를 고려하였다. 기존 연구에서는 세척성, 품질유지성 및 환경유해성에 대해서 언급하였으나, 본 논문에서는 실제 제조업체의 경제적인 측면을 고려하여 경제성과 시간이라는 인자를 추가하여 진행하였다.

2.4.1 품질유지성

품질유지성의 경우 ‘세척을 피세정물에 적용하였을 때 피세정물인 소재의 형상 수치와 상태의 변화 유무’로 정의하였다. 품질유지성은 일정 수준 이상의 변화가 생기면 기능상 문제가 발생하기 때문에 기준을 통과하지 못할시 해당 방법을 제외하는 필수요인으로 고려하였다.

2.4.2 세척성

세척성은 ‘피세정물에 대해 세척을 계속 진행해도 더 이상 세척 정도에 변화가 없을 때 까지 진행하였을 때의 오염정도’로 정의하였다. 세척 공정을 마친 시편을 면으로 된 헝겊으로 1분간 닦아내기를 실시한다. 객관성을 부여하기 위하여 닦아낸 정도를 실험 비참여자 10명을 선정하여 육안으로 판정하여 순위를 책정하였다.

2.4.3 경제성

경제성은 ‘대상을 1개 세척하는데 사용된 비용’으로 정의하였다. 초기비용, 재료비, 유틸리티 비용으로 세분화하여 계산하였다. 재제조 산업동향 연구조사에 따르면, 5인 미만의 기업이 전체의 74%를 차지하고 있다[10]. 따라서 재제조 기업의 평균 1일 작업량 기준을 20개로 설정하고 연 근무 일수에 맞춰 예상 산출량을 도출하였다. 점수 배점은 최저 비용에 가장 높은 점수를, 초고 비용에 가장 낮은 점수를 부여하여 그 사이를 5구간으로 나누어 점수를 부여하였다.

2.4.4 시간

시간의 경우 ‘피세정물을 세척하였을 때 더 이상 세척 정도에 변화가 없을 때까지 진행한 시간’으로 정의한다. 기름때 제거 시간이 60분을 넘어가는 경우는 현장에서 실효성이 없는 것으로 가정하였다. 녹 제거의 경우도 30분을 초과하지 않는 것을 기준으로 각각을 시간대별로 5구간으로 나누어 점수를 배점하였다.

2.4.5 환경유해성

‘세척을 진행할 때 인체나 주위 환경에 발생할 수 있는 유해 가능성’을 환경유해성으로 정의한다. 환경유해성은 안전보건공단에서 발표한 물질안전 보건자료(MSDS)를 바탕으로 판단한다[11]. Table 2에서는 세부 항목을 나타내고 있으며, 반응성 및 유해성, 독성, 환경에 미치는 영향 세 가지의 세부 항목에서 각 항목의 영향 유무로 점수를 배점하였다. 생태 독성의 경우 물질의 특성을 나타내는 항목이기 때문에 제외하였다.

Table 2. Environmental hazard assessment details

2.5 분석인자 가중치 책정

본 연구에서는 세 가지의 실험별로 분석인자를 다르게 설정하였다. 모든 실험에서 품질유지성은 필수요인으로 평가하였다. Table 3에서와 같이 실험별 적용 분석인자를 설정하였다.

Table 3. Experimental analysis factors

세정제 선정에서는 세정제별로 동일한 시간을 세척하고 세척성을 평가하기 때문에 시간 요소를 고려하지 않았으며, 기름때 세척 방법에서는 환경 유해성을 그리고 녹 제거에서는 모든 관련요소들을 포함하여 고려하였다.

분석인자별 가중치를 책정하기 위하여 AHP(Analytic Hierarchy Process) 분석 기법을 적용하여 각 분석인자별로 이원비교를 진행하여 가중치를 산정하였다[12]. 품질유지성의 경우 필수요인으로 평가하여 이원비교에서는 제외하였다. 각각의 이원비교는 한국자동차부품재제조협회에 등록된 회원사의 대표 7인에게 설문을 통해 진행하였다. 이원비교의 척도는 5점 척도를 사용하였으며, Table 4는 세정제 선정, 기름때 제거, 녹 제거에 대한 이원비교의 결과값이며, 각각의 비교가 일관성이 있는지에 대하여 일관성 지수(CI : Consistency Index)와 일관성비율(CR : Consistency Ratio)을 표기하였으며, 모두 0.1이하의 값을 나타내었다.

Table 4. The pair comparison matrix of each experiment

세정제 선정에서는 경제성(0.26), 세척성(0.6), 환경유해성(0.14)의 가중치가 선정되었고, 기름때 제거 방법에는 경제성(0.26), 세척성(0.6), 시간(0.14), 그리고 녹 제거에서는 경제성(0.25), 세척성(0.51), 시간(0.15), 환경유해성(0.09)로 각각 책정되었다.

3. 세정제 선정

세정제 선정 실험은 기름때를 제거하는 공정에서 사용할 수 있는 세정제들의 세척력을 도출하기 위함이다. 세정제는 알칼리, 탄화수소계, 중성계 세정제를 사용하였다. 품질유지성은 필수요인으로 실험전과 후의 일반 가공 공차범위 기준으로 평가하며, 세척성, 경제성, 환경유해성을 기초로 평가를 진행한다.

3.1 품질유지성 평가

품질유지성을 측정하기 위해 4가지 소재(플라스틱, 고무, 알루미늄, 철)의 시편으로 세정 전후의 수치를 측정해 Table 5와 같이 세정제의 품질유지성을 분석하였다. 일반 공차인 0.2mm 기준을 적용하였으며[13], 모든 세정제가 공차 범위내로 측정되어 기준을 통과하였다.

Table 5. Quality maintenance results of cleaner selection

3.2 세척성 평가

세척성 평가는 세정 후 헝겊을 사용한 닦아내기 방법으로 기름때가 씻겨나간 정도를 평가한 결과로 Fig. 3에서 보는바와 같이 중성계 세정제가 가장 세척력이 좋은 것으로 평가 되었다.

Fig. 3 Results of cleaning efficiency

3.3 경제성 평가

세정제의 가격과 세정제 사용 비율을 계산하여 경제성을 평가한 결과 Table 6과 같이 알칼리계가 가장 높은 경제성을 보였다.

Table 6. Results of economic efficiency

경제성은 2.4.3절에서 설명한바와 같이 비용이 가장 낮은 가격과 높은 가격을 다섯 구간으로 나누어서 Table 7과 같이 배점하였다.

Table 7. Score standard of economic efficiency

3.4 환경유해성 평가

환경유해성은 2.4.5절의 Table 2의 19개 항목에 대하여 점수를 산정하였으며, 산정결과는 Table 8과 같다. 5점 단위로 환산하였으며, 탄화수소계, 알칼리계, 중성계 순으로 결과값이 결정되었다.

Table 8. Results of environmental hazard

3.5 세정제 선정 종합 점수

각 분석인자의 가중치를 적용하여 나타난 결과는 Table 9와 같이 중성계 세정제가 가장 높은 점수인 4.33을 획득하였다. 따라서 중성계 세정제를 다음 실험을 위한 최종 세정제로 선정하였다.

Table 9. Final score of cleaner selection

4. 기름때 제거

기름때 제거 방법 실험은 세정제 선정 실험에서 선정된 세정제를 이용한 기름때 세척 방법들의 세척력을 평가한다. 세척 방법은 초음파, 스팀, 와이핑, 열 및 드라이아이스 세척으로 구성하였다. 품질유지성은 필수요인으로 공차 범위내의 통과유무로 진행하며, 세척성, 경제성 및 시간으로 평가를 진행한다.

4.1 품질유지성 평가

세정제 선정 실험과 동일하게 4가지 소재의 시편으로 중성계 세정제를 사용해 실험을 한 결과 Table 10과 같이 다섯 가지 세척 방법 모두 공차 범위 내로 측정되어 기준을 통과하였다.

Table 10. Quality maintenance results

4.2 세척성 평가

세척성 평가 결과 Fig. 4와 같이 나타났다. 총 16가지의 부품에 대해서 5가지 세척방법을 시행한 후, 닦아내기 방법으로 육안으로 확인하였다. 종합 점수를 바탕으로 최고점과 최저점을 5구간으로 설정한 후 배점을 진행하였다. 결과는 초음파 세척과 드라이아이스 세척이 가장 우수한 세척력으로 평가되었다.

Fig. 4 Results of cleaning efficiency

4.3 경제성 평가

기름때 제거 방법에서의 경제성 평가는 앞서 진행되었던 세정제 선정 시의 경제성 평가와 같이 각 세척방법에 따라 장비 가격 개당 배분값, 개당 소모품 가격, 유틸리티비용(수도세, 전기세)을 계산하여 개당 세척 비용을 산정하여 최고비용(드라이아이스세척/2,394원 개당)과 최저비용(초음파세척/1,610원 개당)의 구간을 5등분하여 점수를 배 점하였다. Table 11과 같이 초음파, 스와이핑, 열세척이 각각 5점으로 가장 높았으며, 스팀은 4점, 드라이아이스는 1점으로 최저점을 기록하였다.

Table 11. Results of economic efficiency

4.4 시간평가

기름때 제거 실험 시간평가는 Table 12와 같은 결과를 나타내었다. 셋업, 작업, 마무리시간 등을 수행한 총 세척시간을 측정한 결과 드라이아이스 세척이 개당 세척시간이 가장 빨랐고, 와이핑의 경우 60분을 초과하는 결과를 나타내어 실효성이 없다는 결과가 나왔다. 시간평가 는 60분을 기준으로 5구간으로 나누어서 점수를 배정하였으며, 드라이아이스 세척이 가장 높은 4점을 획득하였다.

Table 12. Results of time evaluation

4.5 기름때 제거 종합 점수

기름때 제거 실험을 통해 각 분석인자에 가중치를 적용하여 Table 13 과 같이 결과값을 반영하였다.

Table 13. Final score of degreasing

5가지의 기름때 제거 방법에서 초음파 세척이 최종점수 4.72점을 획득하여 가장 높은 세척 방법으로 선정되었다.

5. 녹 제거

녹 제거의 평가는 산소-아세틸렌 용접, 그라인딩, 산계세척으로 구성되며, 품질유지성은 필수요인으로 육안으로 평가하며, 세척성, 경제성, 시간 및 환경유해성으로 평가를 진행한다.

5.1 품질유지성 평가

녹 제거의 품질 유지성은 육안으로 판정하였다. Fig. 5와 같이 산소-아세틸렌 용접, 그라인딩, 산계세척으로 진행한 결과를 보여주고 있다. 산소-아세틸렌 용접은 불꽃 열로 인해 도금된 부분이 녹았지만 원소재인 철은 녹지 않았으므로 도금 및 도색을 하면 품질에 이상이 없을 것으로 나타났다. 그라인딩 세척의 경우 도금 부분이 다 벗겨지지 않았고, 내부 소재는 손상이 없으므로 도금 및 도색을 진행시에 품질에 이상이 없을 것으로 보인다. 마지막으로 산계 세척은 변색이 발생하였지만, 도금 및 도색 진행 후에 재사용이 가능하다.

Fig. 5 Quality maintenance results

5.2 세척성 평가

녹 제거 세척성을 평가하기 위해 Table 2의 스타트모터 부품리스트 중 P9, P11, P13, P15, P18번에 대해서 평가를 실시하였으며, 그라인딩 세척이 랭크 평균 1등급으로 가장 높은 5점을 배점 받았고, 산계세척이 4점, 산소-아세틸렌 용접의 경우는 최저인 1점으로 평가되었다.

5.3 경제성 평가

녹 제거의 경제성 평가결과는 Table 14와 같다. 전동 그라인더가 제품과 소모품의 수명에 비해 가격이 저렴하여 가장 높게 나타났으며, 산계 세척의 경우 소모품인 산 세정제의 가격으로 인해 그라인더 보다는 낮은 결과를 보였다. 산소-아세틸렌 용접의 경우 용접기와 소모품인 산소, 아세틸렌의 가격이 높게 책정되어 가장 낮은 경제성을 나타내었다.

Table 14. Results of economic efficiency

5.4 시간 평가

녹 제거 시 시간은 셋업, 작업, 마무리 시간을 포함하여 총 세척시간을 측정한 결과 산소-아세틸렌 용접(21분), 그라인딩(18분), 산계(26분) 으로 각각 측정되었다. 기름때 제거와 같은 방법으로 60분을 5구간으로 나누어서 평가를 진행하였으며, 그라인더 세척이 가장 높은 3점, 산소-아세틸렌이 2점, 산계세척이 1점으로 점수가 배점되었다.

5.5 환경유해성 평가

환경유해성은 세정제 선정 실험과 같이 19개 항목에 대하여 점수를 산정하였으며 산정결과는 Table 15와 같이 나타났다. 5점 단위로 환산하였으며, 그라인딩, 산소-아세틸렌 용접, 산계세척 순으로 결과 값이 결정되었다.

Table 15. Results of environmental hazard

5.6 녹 제거 종합 점수

녹 제거 실험을 통해 각 분석인자에 가중치를 적용하여 Table 16과 같이 결과값을 반영하였다. 3가지의 녹 제거 방법에서 그라인딩 세척이 최종 점수 4.61점을 획득하여 가장 좋은 세척 방법으로 선정되었다.

Table 16. Final score of rust removal

6. 실험결과

본 연구에서는 스타트모터를 대상으로 세정제 선정, 기름때 제거 및 녹 제거의 순으로 실험을 진행하였고 각각의 결과를 Table 17에 요약하여 나타내었다. 세정제 선정에서는 중성계 세정제가 최종점수 4.33으로 가장 적합한 것으로 나타났으며, 기름때 세척에서는 초음파 세척이 4.72점으로 가장 세척력이 좋고 경제적인 세정제로 선정되었다. 마지막으로 녹 제거 방법에서는 그라인딩 세척이 4.61점으로 세척성과 경제성에서 높은 점수를 받았으며, 환경유해성 측면에서도 높은 점수를 획득하여 가장 좋은 방법으로 선정되었다.

Table 17. Final score and features

7. 결론

본 연구에서는 승용차량용 스타트모터를 대상으로 세척공정을 분석한 후 세척 방법들의 평가를 통해 현장에서 사용가능한 효율적인 세척방법을 선정하고자 하였다. 스타트모터의 세척공정을 기름때 제거와 녹제거로 구분하고 각 공정에 대한 적합한 세척방법을 찾기 위해 연구를 진행하였다.

우선 5가지의 분석인자(품질유지성, 세척성, 경제성, 시간, 환경유해성)에 대해 정의하고 각 세척 공정별 가중치 값을 부여하기 위해 AHP를 이용한 이원비교를 통해 가중치를 산정하였다. 세정제 선정에서는 중성계 세정제(4.33)가 가장 높은 점수를 획득하였고, 기름때 제거 공정에서는 초음파세척(4.72)이 높은 점수를 획득하였다. 마지막으로 녹제거 공정에서는 그라인딩(4.61)을 활용하는 방법이 고득점을 보였다.

따라서 본 연구결과를 통한 세척방법을 적용함으로써 재제조 기업의 세척공정 방법으로 활용될 것으로 기대한다.