재료과학의 설계공정에 대해서

 

재료와 공정을 선택하기 위한 전략을 세우는 것이 중요하다.  즉 재료과학의 설계 공정이다.

다시 말하면 컴퓨터에 정보를 입력하듯 전략은 설계의 요구조건이 필요하다. 이것을 하기 위해 우리는 우선 설계에 대한 전반적인 내용을 간략하게 살펴보아야 한다.

 

설계 공정

 

최초 설계는 새로운 발상에서 시작하며, 설계를 하기 위해 필요한 정보를 수집한다. 재설계는 현재 사용되고 있는 물품에서 시작하며, 제품의 성능을 증가시키고, 비용을 절감하기 위해 또는 두 가지 모두를 변화시키기 위해 노력하는 작업이다.

 

 

최초 설계

최초 설계는 스크레치에서 시작한다. 그것은 새로운 아이디어 또는 작동원리를 포함한다. 최초설계는 새로운 재료들의 발생으로 영향을 받을 수 있다. 가끔 새로운 재료는 새로운 제품을 만들어낸다. 대신에 새로운 제품은 새로운 재료의 발생을 유도한다. 핵기술은 새로운 지르코늄 합금과 스테인리스 강의 발달을 유도했다. 또한 공간 테크놀로지는 베리늄합금과 가벼운 복합체의 발달을 자극했다. 오늘날의 터빈 테크놀로지는 고온의 합금과 세라믹의 발달을 유도한다.

 

설계공정의 시작점은 시장 수요 또는 새로운 아이디어이다. 최종점은 아이디어를 구체화하거나 또는 수요를 만족시키는 제품에 대한 완전한 제품이다. 수요는 만족되기 전에 반드시 확인이 되어야 한다. 수요를 정밀하게 정의하는 것은 중요하다. 

즉 수요조사를 명확히 하는 것은 어떤 작업을 하길 원하는 기기는 설계 요구로부터 정해진다는 형식으로 되어있다.

 

개념에 관한 설계 단계에서 모든 선택권은 열려 있다. 설계자들은 선택들을 분리할지 아니면 합칠지에 대한 양자택일의 개념과 방법을 고려한다. 다음 구체화의 단계는 유용한 개념을 선택하며 그리고 적절한 수준에서 그것들의 유효한 범위를 분석한다. 이것은 재료와 공정의 구성요소와 최초선택을 평가하며 성능과 비용과의 긴밀한 관계를 조사한다.

구체화 단계는 적절한(실행 가능한) 설계로 마무리된다. 그리고 그것은 상세한 설계단계에서 입력된다. 여기서 각각의 구성요소에 대한 디테일과 범위가 작성된다. 결정적인 구성요소는 정확한 기계적 또는 열적 분석을 해야 할 것이다.

최적화 방법은 성능의 최대화, 비용의 최소화 그리고 안전성을 확신하는 구성요소와 구성요소 그룹에 적용된다.

결합구조와 재료의 최종 선택은 이뤄지며, 생산 수단은 분석되고 비용이 계산된다. 그 단계는 상세한 제품 설명에서 마무리 된다.

 

재설계

 

대부분의 설계는 일반적으로 새로운 아이디어에서 시작하는 최초 설계가 아니다. 그것은 영향을 미치는 또는 그것의 많은 구성요소의 정도에서 벗어나지 않고, 현존하는 제품에서 착안하는 것 그리고 단점을 바로 잡은 것, 개선하는 것, 성능을 강화하는 것 또는 그것의 비용을 절감하는 것 등의 재설계이다.

 

여기 재설계를 요구하는 어떤 계획안이 있다. 우선 가장 명백한 것은 제품 소환 계획안이다. 만약 일단 시장에서 유통되고 있는 제품이 안전성 기준을 통과하지 못했다면, 우선적으로 재설계가 요구된다. 

보통 문제는 재료의 실패이다. 그때 대책안은 최초 특징(이점)을 계속해서 유지하며, 동시에 그것의 단점을 극복하는 데 그 기초를 두어야 한다. 그다음에는 돈에 대한 부족한 값어치 계획안이 있다. 제품이 안전하게 사용되나 그 성능은 성능을 강화하기 위해 재설계를 요하는 가격에 비해 그렇지 않다.

 

또한 제조가격이 시장에서 견딜 수 없는 가격을 넘어섰을 때, '부적절한 이익 마진' 계획이 있다. 대량생산제품의 가격 중 대부분은 만들어지는 재료와 그것을 만들기 위한 공정으로부터 정해진다. 가격을 절감하는 목적을 이루기 위해서는 이 두 가지를 생각해보아야 한다. 그러고 나서 '경쟁에서 앞서 나가기' 계획이 있다.

가정제품 및 전자제품의 제작자들은 매년 향상된 제품을 출시하고, 자동차 회사에서는 2,3년마다 새로운 모델의 자동차를 제작한다. 대부분의 제품들이 소비자들의 관심을 위해 경쟁하는 이런 시장 환경에서 다른 제품보다 우위에 설 수 있는 것이 시각적인 특징을 부각하는 것이다. 색상, 촉감, 느낌, 모양이 만들어지는 능력 등의 미적인 감각에 의해서 재료를 선택하고 재료를 바꾸는 대부분의 창조적인 생각들은 '산업적 설계'에 속한다.

 

필요한 변화는 배치와 설계 또는 심지어 다른 것에 의해 기능을 수행하는 방법 중에 하나로 대체하는 기초개념의 변화를 요구한다. 또한 현존하는 설계를 분석하고 개념이나 구체화 단계로 만들어지는 마지막 제품의 얼마나 자주 변덕스러운 자세함을 이해하는 도구로서 사용이 된다. 

 

설계를 위한 재료와 공정 정보

 

재료의 선택은 설계의 각 단계의 첫걸음이다. 최초 단계에서 제시된 본래의 데이터는 이후에 제시되는 정밀도와 크기의 기준과 매우 다르다. 개념단계에서 설계자는 단지 대략적인 특성 값을 요구할 뿐, 재료의 광범위한 범위에 대한 것이 아니다. 모든 선택은 열려 있다. 고분자 또는 금속의 경우 하나의 개념에 대한 최고의 선택일 수 있다. 이 단계에서 문제는 정밀도나 상세한 내용이 아니라 접근성에 의한 효과와 스피드이다. 대책 안을 생각하는 설계자에게 최고의 특권을 부여하기 위해 광범위한 데이터는 어떻게 제공될 수 있는가?

 

구체화단계에서 그 범위는 좁아진다. 여기서 우리는 높은 수준의 정밀도와 상세한 내용이 아닌 재료의 부분적인 데이터를 필요로 한다. 이러한 것들은 하나의 분류 또는 하위분류의 재료(예를 들어 금속 또는 알루미늄 합금)를 다룬, 좀 더 적절한 안내서와 프로그램에서 찾을 수 있다. 현재 위험한 것은 세부사항이 제대로 작동하지 않아 우리가 되돌아가야만 하는 재료의 큰 범위를 보지 못하고 놓치는 것이다. 또 다른 것들이 더 나은 해결책을 제시할 수 있는 가능성을 가짐에도 불구하고 오직 하나의 생각만을 고집하는 것은 함정에 빠지기 쉽다.