나사풀림 등 변형 스스로 감지하는 지능형 금속 부품 나왔다

UNIST 연구팀이 금속 부품(왼쪽)이 변형됐을 때 물리적 특성 변화를 확인할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 증강현실(AR)로 구현(오른쪽)해 해당 데이터를 실시간으로 확인할 수 있도록 했다. UNIST 제공

나사 풀림 위험이나 내외부 물리적 변형 요인을 구분할 수 있는 똑똑한 금속 부품이 개발됐다. 이 금속 부품을 증강현실(AR)에 구현해 금속의 특성 변화를 실시간으로 확인할 수도 있다. 
  
정임두 울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 교수팀은 3차원(3D) 프린팅 적층제조기술과 인공지능(AI) 기술을 이용해 ‘인지 가능한 스테인리스 금속 부품’을 개발했다고 26일 밝혔다. 이 금속 부품을 가상 세계에 구현한 디지털트윈도 개발했다. 이번 연구는 미국 조지아공대, 싱가포르 난양공대, 한국재료연구원, 포스텍, 경상국립대와 공동연구로 진행됐다. 

연구팀이 개발한 기술은 스테인리스 금속 부품 제조 과정에서 변형 센서를 심어 물리적 상태를 반영하는 데이터를 얻은 뒤, AI 분석을 통해 금속 부품 스스로 상태를 감지하는 기술이다. 스스로 주변 고정 나사의 풀림 정도와 풀린 나사 위치 등을 약 90%의 정확도로 감지한다. 손, 망치, 스패너 등 금속에 충격을 가한 수단까지 구분할 수 있다. 디지털트윈을 통해 혼합현실에서 해당 금속 내외부 응력 분포 변화를 실시간으로 확인할 수 있다. 

기존 금속 기반 기계 시스템은 금속이 변형됐을 때 물리적인 특성 데이터를 제대로 수집하기 어려워 AI 기술을 적용하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 센서를 삽입하는 방식을 택했다. 센서를 직접 삽입하면 표면 센서 부착, 외부 카메라 관찰, 소리 분석과 같은 간접 분석 방식 대비 더욱 정밀한 감지가 가능하다. 

금속 성형은 주로 1000도 이상의 고온에서 이뤄지기 때문에 내부에 센서를 삽입하는 작업은 까다롭다. 연구팀은 독자적으로 보유한 ‘금속 성형 센서 삽입 기술’을 활용했다. 이 기술은 분말 재료 위에 고온의 레이저를 조사해 선택적으로 결합시키는 ‘L-PBF’ 방식의 3D 프린팅 공정 기술이다. 이를 통해 열에 쉽게 파손되는 센서를 안전하게 설계 위치에 삽입할 수 있다. 연구팀은 센서 삽입으로 금속 부품의 기계적인 특성이 저하되지 않도록 삽입 위치를 설계하고, 센서 삽입 후에는 기계 분석과 미세조직 분석을 통해 안전성을 검증했다. 

정 교수는 “이번 연구 결과는 스테인리스 금속 부품만이 아닌 일반 철강이나 알루미늄, 티타늄 합금 등 제조업에 쓰이는 일반적인 다양한 기계 부품에 응용이 가능하다”며 “생산, 자동차, 항공우주, 원자력·의료기기 산업의 디지털 전환을 이끄는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘가상및물리적 프로토타이핑’ 이달 5일 자에 게재됐다. 

[서동준 기자 bios@donga.com]