[첨단 헬로티]

공구 수명 연장·AI 기반 기술·가스터빈 블레이드 국산화 등 선정 돼

▲두산중공업의 가스터빈 블레이드(좌)와 두산인프라코어의 메인컨트롤밸브 DCV300(우)

올해 10대 기계 기술에는 절삭공구 가공 기술, 가스터빈 블레이드 제작 기술, 수술 로봇, 인공지능 기반 상태예측 진단 시스템 등이 선정되었다. 눈에 띄는 부분은 해외에 의존했던 기술들의 국산화였다.

한국기계산업진흥회는 11월 6일 ‘2019 기계의 날’을 개최하고, 이 자리에서 한 해 동안 국내에서 개발된 기계분야 우수제품과 기술을 선정하는 ‘올해의 10대 기계기술’을 발표했다.

 

올해의 10대 기계기술

소속	개발품목
한국생산기술연구원	-196℃의 액체질소를 이용하여 공구 수명을 5배 이상 향상시키는 기술
진영TBX	가스터빈 터빈 블레이드 국산화 제작 기술
한국화이바	고강도 탄소 섬유로 제작된 복합재 격자 구조체 설계 및 제작 기술
LG전자	빅데이터 기반 AI 기술을 활용한 최적 라이프 사이클 확보 시스템 에어컨
한국과학기술원 이지엔도서지컬	유연 내시경 수술 로봇, K-FLEX
주식회사 원프레딕트	인공지능 기반 상태예측 진단 시스템
재료연구소	저마찰, 내마모 향상을 위한 무수소 탄소 코팅 기술
두산인프라코어	중형 굴착기용 메인 컨트롤 밸브 국산화 개발/DCV300
한국철도기술연구원	철도차량 마모, 분진, 소음 저감을 위한 도시 철도 차량용 능동조향대차 기술
한국조선해양 현대중공업 현대삼호중공업	LNG 추진 기술이 적용된 세계 최초 대양 항해 114K 유조선

 

1. -196℃의 액체질소를 이용하여 공구 수명을 5배 이상 향상시키는 기술

▲액체질소을 통한 절삭공구의 극저온냉매

기술개발기관｜한국생산기술연구원

기술의 정의｜항공부품용 난삭 소재인 티타늄 가공에 절삭유 대신 극저온 액체질소(-196℃)와 나노MQL을 사용하는 친환경 공정 기술을 적용하여 절삭부하 44% 감소, 공구 수명 5배 향상, 절삭 속도 50% 향상을 구현한다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ -196℃의 액체질소를 상분리기(액상/기상)를 통하여 균일하고 안정적으로 공급하는 분사 시스템 개발 및 지멘스(Simens) 제어기와 연계하여 제어

▪ 극저온 가공 전용 공구 개발 → Internal 및 Indirect 분사 공구 개발

▪ 난삭소재의 가공에 절삭유 대신 극저온 액체질소(Cryo, -196°C)와 나노MQL(nMQL)을 이용하는 친환경 가공공정기술 개발

 - 공구수명 향상 : 티타늄 가공 시 절삭유 대비 공구수명 5배 향상

 - 절삭부하 감소, 절삭속도 향상 : ‘액체질소+ 나노MQL’ 사용하여 티타늄 가공 시 절삭유 대비 절삭부하 44% 감소, 절삭속도 52% 향상

▪ 극저온 액체질소 제어와 공구모니터링 기능을 지멘스 제어기와 연계한 고강성/고토크 가공시스템 개발 → 화낙(Fanuc) 제어기와도 연계

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2. 가스터빈 터빈 블레이드 국산화 제작 기술

▲두산중공업 가스터빈 블레이드

기술개발기관｜진영 TBX

기술의 정의｜국내 터빈은 대부분이 외산 제품으로 국내 기술 수준의 부족으로 터빈 부품의 손상이 발생하는 경우 시급한 교체가 어려우며 제품 수급에 오랜 시간이 걸린다. 1년에 약 2,480억원의 비용이 고온 부품 조달과 유지보수 비용 등으로 해외에 유출되고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 두산중공업에서는 300MW급 가스터빈 국산화 고유모델 개발을 추진하게 되었다. 진영TBX(주)은 두산중공업에서 개발 중인 대형 GT 국산화 고유모델 개발에 참여하게 되었다.

주요 성과는 △가스터빈 압축기 Blade/Vane 제작, △JIG & Fixture 설계 및 제작, △모델링 및 5 Axis 가공 프로그램 개발, △대형 가스터빈 압축기 Rig & 1/4 Scale 제작, △Full Scale Blade/Vane 가공 및 제작, △Full Scale Blade/Vane 검사 수행.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 복잡한 블레이트 형상 및 난삭재 등의 까다로운 가공 조건을 만족하기 위하여 5축 가공 프로그램 설계 및 시뮬레이션을 통하여 사전 검증을 거치고, 1/4 Scale 모델 제작을 통하여 이를 실 검증한 뒤 실Scale 제품 제작을 진행하였다.

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3. 고강도 탄소섬유로 제작된 복합재 격자 구조체 설계 및 제작 기술

▲복합재 격자구조체의 민수 분야 적용 가능 사례

기술개발기관｜한국화이바

기술의 정의｜우주발사체의 동체 및 연결부에 적용하기 위한 굽힘/압축/비틀림 등의 요구 하중을 최소한의 두께로 지지하는 격자 구조체의 설계 및 제작 기술을 개발하였다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 본 기술은 민군협력진흥원(ICMTC)의 재원으로 개발된 기술로, 신뢰성 기반 최적설계를 통해 복합재 격자 구조체의 설계 및 구조해석을 수행하며 단위 시편에 대한 시험을 통해 설계 변수의 최적화, 해석모델의 파손특성 교정을 수행하였다.

▪ 필라멘트 와인딩 공법을 통해 복합재 격자구조체를 제작하여 비파괴 검사 및 구조시험을 통해 구조물의 안전성을 검증하였다.

▪ 경량화 된 복합재 격자구조체는 군수 분야(유도무기 연결부 등) 및 민수 분야(발사체 동체 및 연결부, 항공기 동체 등)에 적용할 수 있다.

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4. 빅데이터 기반 AI기술을 활용한 최적 라이프 사이클 확보 시스템 에어컨

기술개발기관｜LG전자

기술의 정의｜기계학습 기반 부하 매칭 제어를 통한 시스템에어컨 운전 효율 증대. AI 기술을 활용한 세계 최고 정확도의 FDD(자가 고장 감지&진단) 기능.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 기계학습을 통한 실내룸 현열 및 잠열 부하를 측정 최적 제어

▪ 제품 운전 사용 시 최적 제어를 통한 제품 운전 비용 30% 절감

▪ AI 기술을 활용한 자가 고장 감지 및 진단 기능(라이프 사이클 보증)

▪ 세계 최고/최초의 정확한 시스템 봉입 냉매량 판단(정량적 표시)

시스템에어컨 효율 향상을 통한 에너지 절감 및 에너지 정책에 부합한다. 현재 소형 상업용 및 가정용 에어컨 등에 기술 파급 적용 진행 중이다. 특히 빅데이터 기반 AI기술을 통하여 제품 운전 비용 절감과 시운전 시 사전 제품 불량 검출 및 냉매량 정량 측정하여 제품 운전 효율 확보 가능하다.

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5. 유연 내시경 수술로봇, K-FLEX

▲유연 내시경 수술로봇, K-FLEX

기술개발기관｜한국과학기술원, 이지엔도서지컬

기술의 정의｜K-FLEX는 입, 항문 등의 자연개구부로 진입하여 흉터 없이 수술을 수행하는 유연 내시경 수술 로봇이다. K-FLEX는 다자유도 굽음이 가능한 오버튜브와 수술 팔, 마스터 조종장치로 구성된다. 유연한 오버튜브가 굴곡진 경로를 통해 환부에 접근한 후, 두 개의 수술 팔을 이용해 수술을 수행한다. 직관적인 마스터 조종장치를 이용해 한 명의 시술자가 오버튜브와 수술 팔을 원격 조종한다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 기존의 수술로봇보다 향상된 환부 접근성 - 유연하게 구부러지는 오버튜브를 이용해 기존의 수술도구가 접근하지 못하는 부위에 접근할 수 있다.

▪ 작은 직경에도 큰 힘을 낼 수 있는 수술도구 - 내시경 수술로봇은 유연성과 소형화로 인해 수술도구가 큰 힘을 내지 못하는 점이 난제인데, 외력에 의한 변형에 저항성을 가지며 큰 페이로드를 낼 수 있는 강인한 소형 관절 기술을 개발하여 상기 난제를 극복한다.

▪ 직관적이고 인체공학적인 조작이 가능한 전용 마스터 조종장치

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6. 인공지능 기반 상태 예측진단 시스템

▲GuardiOne Wind(좌), GuardiOne Transformer(우)

기술개발기관｜원프레딕트

기술의 정의｜산업인공지능 기술을 활용하여 IoT 장비에서 취득된 산업데이터로부터 각 시스템의 산업정보(가용도, 품질, 생산성, 에너지 효율 등)를 정확히 예측하는 머신지능화 기술을 의미한다. 딥러닝, 초기자율학습, 진화학습 등 고도의 인공지능 응용기술에 다채널센서융합, 다채널 신호전처리, 디지털트윈 등의 산업 도메인지식을 융합하여 머신지능화 솔루션인 GuardiOne 제품군을 개발하였다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ GuardiOne Bearing - 초기자율학습 기반 베어링 건전성 상태 조기진단, 건전성 트렌드 회기분석을 통한 베어링 잔여수명 예측

▪ GuardiOne Turbine - Root Cause Analysis(RCA)를 통한 다양한 고장 모드 예측진단

▪ GuardiOne Wind - 풍력발전기의 운행조건에 따른 진단 클래스 분류, 포락신호 및 주파수분석을 통한 베어링 고장 위치 진단

▪ GuardiOne Transformer - Dissolved Gas Analysis(DGA) 기반 변압기 이상 감지

▪ GuardiOne Robot - 진동신호 기반 로봇 동작 자동 인식 기술

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7. 저마찰, 내마모 향상을 위한 무수소 탄소 코팅 기술

▲무수소 탄소 코팅 공정 개념도

기술개발기관｜한국기계연구원 부설 재료연구소

기술의 정의｜본 개발 기술은 고체 카본을 활용, 진공/플라즈마 속에서 증착하면, 다이아몬드처럼 단단하면서 카본처럼 잘 미끄러지는 성질의 막(무수소 탄소코팅막)을 만들 수 있으며, 이를 수송기기, 절삭공구 및 로봇 등 전방위 기계 산업 분야에 활용하면, 친환경, 에너지 저감 및 소재/부품을 고품위화 할 수 있는 표면 코팅 공정 및 장치 기술이다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 본 개발 기술은 기존의 탄화수소가스(메탄, 아세틸렌)를 이용하여 가스 플라즈마로 생성 증착한 수소함유 탄소막(비정질 탄화수소막 :a-C:H, DLC)과는 차별화된 기술이다.

▪ 무수소 탄소막의 경우 기준 수소함유 탄소막에 비하여 1.8배의 고온에서 사용 가능하며, 3배 이상 높은 표면 경도를 가지도록 제조가 가능하다.

▪ 무수소 탄소막의 실용화를 위한 장시간 카본 아크 방전 안정화 기술 - 자기장 및 전기장을 활용 고체 카본 타겟의 사용 시간을 기존 5시간에서 최대 24시간의 사용 가능하도록 한다.

▪ 1㎛ 두께 이상의 무수소 탄소 코팅막 설계 및 증착 기술

▪ 자동차 수송기기의 엔진 피스톤 링 상 무수소 탄소 코팅막 적용기술 - 무수소 탄소 코팅막을 최대 20 μm 두께로 증착할 수 있는 공정 기술을 확보했다.

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8. 중형 굴착기용 메인컨트롤밸브 국산화 개발/DCV300

▲두산인프라코어 굴착기에 적용된 메인컨트롤밸브 DCV300

기술개발기관｜두산인프라코어

기술의 정의｜일본 등으로부터 수입에 의존하던 굴착기 핵심부품인 메인컨트롤밸브를 순수 독자기술로 완성하였다. 동급제품에서 Mono Block Housing을 세계 최초로 구현함으로써 최고수준의 기술난이도를 극복하였다.

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 설계/소재개발/검증/제작 모든 과정을 순수 독자기술로 완성하여 굴착기 핵심부품인 메인컨트롤밸브의 원천기술 내재화 달성

▪ 세계적으로 가장 광범위하게 사용되고 있는 일본산 제품 대비 가격 21% 절감, 연비 12% 개선, 동적제어성 우위수준 달성. 특히, 동급(직경 28mm급) 제품 중 세계최초로 Mono Block Housing을 구현

▪ 기존의 기계식 유압시스템 뿐만이 아니라, 차세대 유압시스템으로 주목받고 있는 FEH(Full Electric Hydraulic : 완전전자화 유압시스템)에도 적용가능토록 설계

▪ 두산인프라코어만의 벤치/내구/실차 검증기술을 총 동원하여 세계 최고 수준인 B5 Life 10,000(1만 시간 사용시 불량률 5%) 내구성 확보

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9. 철도차량 마모, 분진, 소음 저감을 위한 도시철도차량용 능동조향대차 기술

▲능동조향대차 기술의 구성(좌), 능동조향대차 시제(우)

기술개발기관｜한국철도기술연구원

기술의 정의｜도시철도차량 급곡선 주행 시 조향기능 저하로 발행하는 발생하는 차륜, 레일의 과도한 마모, 소음 및 분진(미세먼지 포함) 발생 등의 문제점을 근원적으로 개선하기 위한 도시철도차량용 능동조향대차 기술

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 능동조향대차는 센서부, 조향구동부, 제어부로 구성. △센서부는 곡선구간을 실시간 감지하여 곡률정보를 추출, △제어부는 곡선감지 신호를 이용하여 조향각을 연산해 구동부를 제어, △조향구동부는 제어부 출력 제어신호에 의해 윤축의 조향작용을 발생시킨다.

▪ 능동조향대차의 특징은 △실용성이 우수한 곡률반경 실시간 추정기술 적용 능동조향시스템, △경량 고추력 Electro-mechanical 형식 구동부 적용, △조향각 구현 성능이 우수한 조향메커니즘 적용되었다.

▪ 주요 개발 내용은 △철도차량용 능동조향시스템 설계 및 시제 개발, △능동조향시스템 적용 도시철도차량용 능동조향대차 개발, △능동조향대차 적용 시운전 열차 편성 등이다.

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10. LNG 추진 기술이 적용된 세계 최초 대양 항해 114K 유조선

▲세계 최초 대양 항해 LNG연료 추진 원유운반선(S919 – S924)

기술개발기관｜한국조선해양, 현대중공업, 현대삼호중공업

기술의 정의｜LNG를 선박의 추진 연료로 사용하는 선박의 연료공급 및 추진 시스템

핵심기술 내용(기술적 난이도)｜

▪ 대양 항해 LNG연료추진선박 건조는 국내/외 주요 조선소에는 전무하다.

▪ 본선은 114K급 연료추진 탑재 세계 최초 원유 운반선으로 길이 250m, 폭 44m, 높이 21m이다.

▪ 본 기술은 LNG 운반선에서 적용 및 운영되고 있는 연료공급장치 구성에서 최소한으로 필요한 장비를 탑재하였다. 또한 가스와 기름을 번갈아 사용할 수 있는 DF 엔진이 장착하여 LNG를 주 연료로 사용하며, 북극해 운항에 적합하도록 내빙기능(Ice Class 1A)도 갖추도록 설계되었다.

▪ 항해경로를 고려하여 850㎥급 ‘타입-C LNG 연료탱크’를 2개 적용하여 연료 저장의 여유를 가지고 있으며, 정비필요 수명에 따른 장비를 공급하여 정기점검 전까지 무리 없이 운영될 수 있도록 구성되었다.