언박싱 속에 들어있는 공학 이야기 (최적 설계)

가전 제품을 살 때 언박싱 한 경험이 다 한번쯤은 있죠?

 

최근에 탄소중립이 사회가 해결해 나가야 할 주제로 떠오르고 있는데요. 수 많은 기업들도 이에 동참해 친환경 제품을 늘리고 환경오염 줄이기에 노력하고 있죠.

 

최적설계도 환경보호에 도움될 수 있다는 사실, 알고 계셨나요?

 

포장된 가전 제품을 언박싱 할 때 마주치는 포장재, 가전제품의 경우 이 포장재의 모양과 위치를 공학적으로 설계할 수 있다고 해요. 예를 들어, 아래 사진을 보시면 최적 설계 하기 위한 포장재의 설계안을 볼 수 있어요.

신태명, 김수범. (2014). 전자제품 완충포장재의 형상에 따른 최적설계 연구. 대한기계학회 춘추학술대회, 한국.

 

 

최적설계를 하면 완충재를 과하게 쓰지 않고 적정한 양을 유지하지만 포장재의 역할은 충분히 할 수 있어요. 궁극적으로 재료를 아껴 환경을 보호할 수 있고 재료에 들어가는 비용을 줄일수 있어요.

 

알고 보니 포장재에도 공학이 숨어 있었답니다.

 

그러면 어떻게 최적설계가 적용되는지 같이 살펴봅시다.

 

먼저 가전 제품에 가해지는 직접적인 충격을 줄이기 위해, 가상의 시뮬레이션을 돌려 검사합니다. 그리고 시뮬레이션을 기반한 최적설계 알고리즘을 통해 포장재의 위치와 모양을 설계할 수 있답니다.

 

생각보다 많은 논문들도 쓰였네요!

아래는 전자제품 완충포장에 대한 최적설계 논문이에요.

1.금대현, 김원진, 김성대, 박상후. (2004). 낙하충격해석을 통한 대형 전자제품의 완충포장재 최적설계. 한국소음진동공학회논문집, 14(2), 128-135.
2. 신태명, 김수범. (2014). 전자제품 완충포장재의 형상에 따른 최적설계 연구. 대한기계학회 춘추학술대회, 한국.
3. 이영명, 정의진, 박경진, 한인식, 김태경. (2015). 등가정하중법을 이용한 텔레비전 포장재의 구조최적설계. 대한기계학회 논문집 A권, 39(3), 311-318.

 

해당 논문들은 주로 ‘다구치 최적설계’와 ‘위상최적설계’를 이용했다고 합니다.

이 내용은 어려우니 다음에 다루도록 하죠.

 

위 눈문은 가전제품의 최적 포장을 통해 가전제품이 받는 최대 스트레스를 저감 시키는 방법을 소개합니다.

 

먼저 기계나 제품은 일정 이상의 ‘stress(스트레스)’를 받으면 고장날 수 있어요. 따라서 두번째 논문에서는 제품에 충격이 가해 졌을 때 받을 수 있는 ‘maximum stress (스트레스의 최고값)’를 목적함수로 설정하고, 설계 변수로는 포장재의 길이와 같은 수치들을 설정했어요. 또한 이런 변수들이 목적함수에 어떤 영향을 주는 지 분석했습니다. 이를 통해 각 치수들의 최적조건을 도출할 수 있었고 완충 포장 설계에 영향을 주는 요소들을 제시할 수 있었습니다.

 

여기서 stress는 외부에서 가한 힘에 의해 생긴 내부 힘에 넓이를 나눠준 값이에요.

쉽게 말해, 물체가 받고 있는 힘에 면적을 나눠준 값이에요.

 

이번 시간에는 가전제품 포장재에 관한 최적설계를 같이 살펴 보았습니다.

 

앞서 최적설계를 위해 꼭 필요한 설계변수나 목적함수와 같은 용어들을 잘 모르신다면,

하단의 링크를 꼭 참고해 주세요.

 

최적설계는 무엇일가? 1편

최적설계는 무엇일가? 2편

 

다음번에는 ‘종이접기를 우주기술에 쓴다고?’에 대해서 재밌는 글로 여러분을 찾아뵙도록 하겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.