목재다면체 생산성향상 연구 -정다면체를 중심으로-

투고일_2020.10.10 심사기간_2020.11.01-14 게재확정일_2020.11.27

목재다면체 생산성향상 연구 -정다면체를 중심으로-

A Study on Productivity Improvement of Wood Polyhedron -Focusing on Regular Polyhedron-

김상섭, 서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원 / 서진환(교신저자), 서울과학기술대학교 조형대학 금속공예디자인학과

Kim, Sang Sub_Graduate School of Nano IT Design Fusion, Seoul National University of Science and Technology / Suh, Jin Hwan(Corresponding author)_Dept. of Metal Art & Design, College of Art and Design,

Seoul National University Science and Technology

차례 1. 서론

1.1. 연구배경 및 목적 1.2. 연구방법 및 범위 1.3. 연구내용구성 1.4. 연구의 제한점

2. 목재다면체 실험제작 2.1. 도면작업

2.2. 소재선택

2.3. 실험제작에 사용할 목공기계 2.4. 목재다면체를 만들 때 주의할 점 2.5. 소재 초벌재단

2.6. 정 재단을 위한 보조구 제작 2.7. 정 재단작업

2.8. 접합 작업 2.9. 완성 및 내용분석

3. CNC 기계를 활용한 실험제작 3.1. CNC 기계가공 및 접합 작업

3.2. CNC 기계를 활용한 실험제작 결과분석

4. 접합 작업 단축실험 4.1. 1차 실험 4.2. 2차 실험 4.3. 3차 실험

4.4. 접합작업 단축실험 결과분석 5. 실험결과 종합분석

6. 결론 References

목재다면체 생산성향상 연구 -정다면체를 중심으로-

A Study on Productivity Improvement of Wood Polyhedron -Focusing on Regular Polyhedron-

김상섭, 서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원 / 서진환(교신저자), 서울과학기술대학교 조형대학 금속공예디자인학과

Kim, Sang Sub_Graduate School of Nano IT Design Fusion, Seoul National University of Science and Technology / Suh, Jin Hwan(Corresponding author)_Dept. of Metal Art & Design, College of Art and Design,

Seoul National University Science and Technology

요약

중심어 목재다면체 생산성향상 CNC 기계

초, 중, 고등학교용 다면체교구 중에 목재다면체는 제작난이도가 높아서 숙련된 인력의 수공업으로 소 량 생산되기 때문에 공급에 한계가 있었다. 이런 환경을 극복하기 위해서 본 연구는 목재다면체의 생산 성향상에 목적을 두고, 기존에 숙련된 인력의 수공업에 의존하던 생산방법을 CNC(computer numerical control)기계를 활용해서 제작하는 것으로 생산방법을 개선하고자 하였다. 연구범위는 제작기술적인 부분에 집중하였고 실험제작물로는 정다면체를 선정했다. 연구방법은 첫째, 기계공정과 숙련된 인력 의 수작업공정을 거치는 기존 작업과정을 재연하면서 나타나는 문제점을 도출하고, 둘째, CNC 기계를 활용하는 실험제작과정을 통해서 생산성향상의 가능성을 찾는 실증적 연구이다. 연구내용은 첫째, 목 재 정다면체 5종 가운데 3종을 기존의 수공업으로 실험제작 하는 과정을 거치면서 제작의 난이도 때 문에 생산에 한계가 있다는 것을 확인하였다. 둘째, 정십이면체를 CNC 기계로 실험 제작하면서 정밀 함과 생산량에서 기존 수공업에 의존하던 방법보다 품질과 생산성에 크게 앞설 수 있다는 것도 확인 했다. 셋째, 접착공정까지 단축시킬 수 있는 가능성실험은, 소재의 얇게 남긴 부분의 가로결이 쉽게 부 서지고 또한 부피가 커질수록 작업이 불편해져서 원하는 성과를 얻지 못했다. 오히려 기존의 접착공정 이 더 합리적이라는 것만 확인했다. 이번 연구는 연구자 개인의 소규모 실험 및 생산에 관련된 부족한 자료 등으로 일반화하기에는 무리가 있을 수 있다. 완성된 제품이 소비자의 평가가 반영되지 않은 점 이 아쉽지만 CNC 기계로 정밀하게 제작된 완성도가 높은 제품에 소비자의 호응이 있기를 바란다. 그 리고 앞으로 깊이 있는 후속연구가 우수한 결과로 도출되어서 생산현장에 반영되길 기대한다.

ABSTRACT

Keyword wood polyhedron productivity improvement CNC machine

Among the polyhedral teaching aids for elementary, middle, and high schools, the supply of wooden polyhedrons is limited because they are produced in small quantities by skilled workers’

handwork due to high manufacturing difficulty. In order to overcome this environment, this study aims to improve the productivity of wooden polyhedrons, and to improve the production method by using a CNC(computer numerical control) machine from previously depending on the hand made of skilled personnel. The research scope was focused on manufacturing technology, and a regular polyhedron was selected as the experimental work. The research method is, first, to derive problems that appear while reproducing the existing working process through a mechanical process and manual process by skilled manpower, and second, it is empirical research to find the possibility of improving productivity through the experimental production process using CNC machines. The research contents are as follows; first, it was confirmed that production was limited due to the difficulty of manufacturing while going through the process of experimental production of three of the five types of wooden regular polyhedrons by hand, second, while experimenting with a dodecahedron with a CNC machine, it was also confirmed that the precision and production volume could be significantly ahead of the existing methods of handicrafts in terms of quality and productivity, and third, the possibility of shortening the adhesion process was not possible because the short grain of the material left it thinner was easily broken, and the larger the volume, the more inconvenient the work was. Rather, it was confirmed that the existing bonding process was more reasonable. This study may be difficult to generalize due to small-scale experiments by an individual researcher and insufficient data. It is

1. 서론

1.1. 연구배경 및 목적

우리나라 수학교구의 수요가 급속하게 확대되기 시작한 것은 교육부의 2007년 개정된 수학교 육과정에서 교수, 학습방법과 평가에 교구를 명시적으로 언급하고 교구의 확보와 그 활용까지 강조하면서부터이다. 관념적인 수학을 직접 보고 느낄 수 있는 수학교구를 활용한 수업의 효과 가 긍정적인 것은 현장의 수학교사들의 호응과 오인선의 수학교구를 활용한 수학교육지도 (2010) 등 다수의 학위논문과 학술지논문 및 여러 단행본으로도 확인할 수 있다. <Figure 1>은 교구활동에 대한 교사들의 인식 실태조사이다.

<Figure 1> Mathematics Education with Utilizing Mathematical Material, Oh, I. (2010) pp.34-36

2020년 대도시에는 수학체험관과 각 학교에는 수학실과 수학동아리 및 체험활동으로 수학교 육에 교구를 쓰는 게 일반화 되어있다. 따라서 교구를 찾는 수요도 많아지고 공급업체도 늘어났 지만 플라스틱 교구가 주류를 이루고 있고 목재 다면체교구는 선호도는 있어도 수공업적 생산 의 어려움으로 공급이 한정되는 한계에 있다. 이런 문제를 해결하려면 결국 수공업을 최소화하 고 기계작업 영역을 확장해서 생산성향상을 통한 공급 확대로 수요층을 넓혀야하는 과제를 안고 있다. <Figure 2>처럼 현재 사용되는 수학교구들의 소재는 대부분 플라스틱과 종이이고 이 소재들은 대중성과 정밀함 등에 장점이 있다. <Figure 3>과 같이 목재교구는 소비자의 선호도가 높고 친환경적이지만 제작과정에서 약간의 기계작업 후에 많은 시간을 숙련된 인력 의 수작업으로 마무리하기 때문에 공급에 제약이 따르는 단점이 있다.

<Figure 2> Plastic Regular Polyhedron(Puzzllo), Kim, J. (n.d.)

<Figure 3> Preferred Toy Material, Kwon, H. (2009) p.79

하지만 현대의 무한경쟁시대에서는 높은 기술력을 바탕으로 양질의 제품을 공급해야 하므로, 숙련된 기능 인력에 의한 수공업의 한계로 낮은 생산성에 따른 수요가 한정되는 어려움은 반드 시 해결해야 할 과제이며, 본 연구는 이와 같은 어려움을 극복하기 위한 방안으로 CNC 기계 가공을 접목하여 생산성향상에 기여하는데 목적이 있다. 또한 CNC 기계제작방식을 적용하면 경제성과 디자인 발전에도 기여할 것으로 본다.

1.2. 연구방법 및 범위

연구방법 및 범위는 첫째, 정다면체 5종 가운데 제작실험이 가능한 정팔면체, 정십이면체, 정이 십면체 3종을 기존 수공업 제작방법대로 진행하면서 문제점과 개선점을 찾아보고 둘째, 정십이 면체 이면각에 맞춰 제작한 날물을 활용해서 CNC 기계로 실험가공을 하면서 품질과 생산성에서 만족할지 결과를 확인하며 셋째, 정육면체를 전개도형태로 이면각을 깎고 이것을 한 번에 조립 할 수 있는 구조로 만들면 조립공정 단축이 가능한지를 확인하려고 한다. 정육면체 전개도는 목재 결의 약점이 가장 잘 들어나는 구조인데 목재의 세로결이 약해서 쉽게 떨어질 것 같지만 칠 작업공정 때문에 미리 UV코팅(Ultraviolet coating)한 것이 조금이라도 형태유지에 도움이 되길 기대한다. 실험 장소는 20년간 수학교구를 개발해온 남양주에 소재하는 김상섭제작소로 하였다.

1.3. 연구내용구성

연구내용구성은 총 6장으로 구성했으며 1장은 서론으로 연구배경과 목적, 연구방법과 범위, 내용구성 및 연구의 제한점을 기술하였고, 2장은 실증적 연구를 위한 목재다면체 실험제작단계 로 기존의 생산방법을 따라가며 제품제작에 대한 실제내용을 살펴보고, 3장은 CNC 기계를 활용한 실험제작을 통해서 그 가능성을 확인하고, 4장은 접합 작업 단축실험으로 CNC 기계로 전개도작업까지 진행해서 한꺼번에 접합하는 것의 가능성을 실험해보려고 한다. 5장은 실험결 과를 정리하고 6장은 결론으로 마무리한다.

1.4. 연구의 제한점

본 연구는 다음과 같은 제한점을 갖고 있다.

첫째, 생산관련 자료조사의 한계로 비교할 자료가 미비해서 객관화 하지 못하는 것과 둘째, 소규모 생산시설에서 생산하는 과정을 담고 있어서 대규모 생산시설과는 잘 맞지 않을 수 있으 며, 셋째, 연구자 개인의 실험으로 일반화하기엔 무리가 있을 수 있다.

CAD(computer aided design) 컴퓨터를 사용해 설계를 하는 시스템 CNC (computer numerical control) 공작기계 가공을 컴퓨터로 제어하는 시스템 UV코팅(Ultraviolet coating) 자외선 속성 경화도료로 피막을 입히는 것

<Table 1> Terminology (Mechanical Engineering Metabolism)

2. 목재다면체 실험제작

먼저 기존 제작방법으로 작업하면서 나타나는 문제를 살펴본다.

2.1. 도면작업

제작을 하려면 매우 익숙한 작업이 아니면 도면작업부터 한다. 2000년대까지도 손으로 그리는 사람들이 있었지만 이제는 모두 컴퓨터로 작업한다고 해도 과언이 아니다. 작도하는 프로그램 도 다양한데 여기서는 CAD(computer aided design)로 작도했다. 3D 프로그램으로 작도를 하면 전체 크기에 따른 각 조각들의 크기와 이면각까지 확인해서 작업할 수 있다는 게 큰 장점 이다. 도면을 그리는 과정에서 소재에 맞는 구조와 기능 및 디자인까지 온갖 환경을 살펴야하기 때문에 여러 번 수정을 하며 이것은 꼭 거쳐야 하는 과정이다. 그리고 만약 CNC 기계작업으로 넘어간다면 그 도면이 바탕이 되어 프로그램을 짠다.

<Figure 4> Regular Octahedron <Figure 5> Regular Dodecahedron A Drawing Drawn up by CAD Program

2.2. 소재선택

어떤 소재로 할지 여러 가지 환경을 감안해서 선택한다. 목재다면체를 제작하려면 원목을 깎는 가공방법이나 또는 판재를 붙이는 방법을 생각해볼 수 있고, 원목을 깎는 가공방법을 선택하면 제작할 다면체의 크기보다 원목은 더 커야 하고 굵은 나무의 선택은 목재의 구입과 건조과정, 그리고 가공까지 어려움이 많고, 원하는 규격이 없으면 얇은 판재를 붙여서 가공을 해야 하므로 원목을 선택하면 여러 가지 가공공정이 늘어난다. 또 원목은 건조된 목재라고 해도 변형을 대비 해야 하고 다량생산에도 어려움이 따른다. 한 손 안에 들어오는 작은 규격이라면 원목으로 제작 하는 게 합리적이나 일정한 크기를 넘어서면 판재를 붙여 만드는 게 수축이나 가공성, 갈라짐 등에서 안전하다. 참고로 <Figure 6>과 같이 목재는 수축한다. 그래서 목재는 꼭 함수율 10~15% 이내로 건조해서 사용해야 하며 그렇게 건조해도 여름철 습도가 높을 때는 습기를 머금어서 부피가 늘어나고 겨울철 건조기에는 또 줄어들기를 반복한다.

<Figure 6> Shrinkage and Deformation of Wood

Blog : https://m.blog.naver.com/image555/100116333007

우리가 만들어야 할 정다면체는 크기는 정십이면체 기준으로 가장 긴 반대편 꼭지점 간의 거리 가 260mm로 소재가 안정되지 않으면 균열이나 휨 등으로 인해서 쉽게 불량품이 생긴다. 따라 서 변형이 심한 목재보다 비교적 물성이 안정된 자작나무합판을 소재로 선택했다. 자작나무합 판은 내부조직도 다른 합판에 비해서 치밀하지만 표면이 곱고 밝으며 무늬가 잔잔해서 목재다 면체 제작용 소재로 바람직하다. 본래 합판은 나무의 단점을 보완하기 위해서 만들어진 것인데 얇게 벗긴 목재를 가로와 세로로 교차해가면서 쌓아올린 판재로 폭이 넓고 수축이나 휨 등이 비교적 안정적이다. 2000년 이후부터는 자작나무합판이 수입, 유통되고 있으며 CNC 기계의 가공성이 좋아서 다량생산에도 적합하다.

2.3. 실험제작에 사용할 목공기계

아래 <Figure 7> <Figure 8> <Figure 9>는 실험제작에 사용될 목공기계들이다.

<Figure 7> Coaxial Sawing Machine <Figure 8> Foundation <Figure 9> CNC Router Woodworking Machines and CNC Machines to Be Used in Experimental Production.

<Figure 7>은 축경사용 둥근톱기계로 일반적으로 널리 쓰이는 목공기계인데 목재를 각도에 맞춰서 켜거나 자를 수 있으며 기존 생산 작업은 이 기계를 주로 쓴다. <Figure 8>은 재단기계 로 판재를 자르고 톱날도 각도에 따라 기울어지며 밀대도 각도에 따라 조절할 수 있어서 넓은 판재를 각도에 맞춰서 섬세하게 재단할 수도 있다. 넓은 합판을 작업하기 좋은 규격으로 미리 자르는 초벌재단을 이 재단기로 한다. <Figure 9>는 CNC 라우터(CNC Router)기계로 컴퓨터 프로그램에 의해서 움직이는데 정확하고 빠르며 섬세하다. 이 기계를 활용해서 생산성을 올리 는 방법을 찾으려고 한다.

2.4. 목재다면체를 만들 때 주의할 점

목재다면체를 제작할 때 주의할 점은 첫째, 정확한 삼, 사, 오각형과 둘째, 정확한 이면각과 셋째, 단단한 압착이 있어야 한다. 만약 첫째, 삼, 사, 오각형의 각도가 맞지 않으면 조립할 때 형태 자체가 성립되지 않고 어긋난다. 둘째, 이면각이 맞지 않을 때는 형태는 성립하지만 맞닿는 부분이 안이나 또는 밖으로 벌어진다. 밖으로 벌어지면 닿는 부분이 뜨게 되고 안으로 벌어지면 닿는 부분이 약해서 쉽게 부서진다. 셋째, 외각과 이면각은 정확하지만 단단하게 고정 시키지 않아서 생기는 현상은, 붙인 자리가 벌어져서 보기도 흉하고 접착이 약해서 작은 충격에 도 부서진다. 따라서 접합할 때는 접착제가 굳을 때 까지 단단하게 고정시켜야 하고 그 고정 작업을 할 때는 일반 테이프를 사용했다. 목재다면체의 기울어진 각도 때문에 일반 클램프를 사용해서 압착 고정을 할 수가 없고 테이프는 고정 작업을 도와주나 단점은 접착제가 굳은 뒤에 테이프 제거작업이 오래 걸리고 또한 테이프의 접착제가 제품에 남아있는 단점이 있으나 아직 대용품을 찾지 못했다.

정사면체 정육면체 정팔면체 정십이면체 정이십면체

면의 형태 3각형 4각형 3각형 5각형 3각형

면의 수 4 6 8 12 20

이면각 70.53˚ 90˚ 109.47˚ 116.56˚ 138.18˚

<Table 2> Check in Drawing Regular Polyhedron Number of Face and Dihedral Angle(Angle Two Decimal Place Omitte)

2.5. 소재 초벌재단

제품의 크기를 정십이면체 기준으로 꼭짓점에서 반대편 꼭짓점까지의 거리를 260mm로 정하 고 그린 도면에 나타난 치수에 따라서 재단기에 자작나무합판을 좁게 잘라서 테이프로 한꺼번 에 묶어서 정삼각형 자르기를 한다. 이면각까지 자르는 정 재단을 하기 전에 초벌재단을 하는 이유는 정 재단을 할 때 큰 판으로 재단하지 않아 작업이 편리하기 때문이다.

<Figure 10> To Work by Tying Several Sheets Together

<Figure 11> Equilateral Trianngle by First Foundation

Picture of First Foundation

2.6. 정 재단을 위한 보조구 제작

범용기계는 모든 작업을 편리하게 해주지 않고 일반적인 단순작업만 가능하며 그 단순작업의 범위를 넘어서려면 보조구를 만들어서 사용하게 된다. 하지만 그 기계를 이용하는 작업자가 보조구를 만드는 것은 작업의 성패 및 품질과 능률까지 좌우하는 중요한 일이다. 우리가 만들어 야 하는 다면체는 나무 조각 여러 개를 잘라 붙여서 완성해야 하고, 그 여러 조각으로 자른 나무를 모두 접합했을 때의 허용오차는 바늘 틈도 허용하지 않는 정밀도를 요구하는 작업이다.

<Figure 12> <Figure 13> <Figure 14>는 그런 정재단을 위한 작업 보조구들로 재단했을 때 삼, 사, 오각형이 정확히 유지하게 하고 이면각 재단은 기계의 톱날각도를 맞춰서 외곽선과 이면각 재단을 동시에 한다.

<Figure12> Regular Octahedron Auxiliary Tool

<Figure13> Regular Dodecahedron Auxiliary Tool

<Figure14> Regular Icosahedron Auxiliary Tool

Auxiliary Tool for Polyhedron Fabrication

<Figure 15> <Figure 16>은 이면각 재단의 필요성에 대한 비교사진이다.

<Figure 15> Before Cut Dihedral Angle

<Figure 16> After Cut Dihedral Angle

Comparison Picture Cut Dihedral Angle

<Figure 15>은 이면각 재단을 하지 않은 합판의 측 단면 노출 때문에 하나로 된 느낌이 들지 않고 <Figure 16>은 이면각 재단을 한 합판은 측면 노출이 되지 않아 모두 하나의 원목처럼 깔끔하다.

2.7. 정 재단작업

자작나무 두께 6.5mm를 양면 UV코팅을 해서 도면의 각도에 따라 정 재단을 했고 재단된 소재

의 꼭지가 이면각이 예각일수록 칼날처럼 날카롭다. <Figure 17> <Figure 18> <Figure 19>에서 보듯이 결이 서있는 곳은 견디겠지만 가로로 된 나뭇결들은 자르는 충격을 견디지 못하고 떨어진다. 대안은 마지막 자를 때 가로로 된 나뭇결이 되지 않도록 처음 시작할 곳을 잘 살펴야 한다. 도형의 꼭지가 떨어지면 원하는 품질을 얻지 못한다.

<Figure 17> Cutting Regular Octahedron

<Figure 18> Cutting Regular Dodecahedron

<Figure 19> Cutting Regular Icosahedron

Cutting Parts

축경사용 둥근톱기계에 사용한 톱날은 <Figure 20>으로, 규격은 지름 255mm 톱날 수 100개, 두께 3mm를 썼다. 조금 작은 톱날을 쓴 이유는 모터의 축에서 재단점이 멀어지면 미세한 흔들 림의 영향으로 단면이 거칠어서 톱날의 흔들림을 최소화하려는 것이고 톱날 수가 많은 날을 사용한 것은 본래 재단용 톱날로 자르는 면을 곱게 하려는 의도이다. <Figure 21>의 오른 쪽 큰 톱날은 지름 355mm, 톱날 수 40개, 날 두께 3mm인데 목재를 세로로 켜는 용도의 톱날로 정다면체 제작용 255mm 재단톱날과 비교한 사진이다.

<Figure 20> Used Saw Blade <Figure 21> Comparison Saw Blade in Diameter 355mm Picture of Comparison Saw Blade

2.8. 접합 작업

접합할 때 쓰는 접착제는 일반 목공접착제를 썼고 접착제가 굳을 동안 압착하는 방법은 테이프 로 당겨서 붙였다. 다면체의 난처한 생김 때문에 일반적으로 많이 쓰는 클램프나 고무줄은 쓸모 가 없었고 접착테이프를 썼을 때가 가장 편하고 밀착이 잘 되었으며 접착과정은 <Figure 22>~<Figure 27>과 같다.

<Figure 22> Before Applying Adhesive

<Figure 23> Tape Operation <Figure 24> Half Finished Regular Octahedron

<Figure 25> Before Finished Regular Octahedron

<Figure 26> Regular Dodecahedron Joint Work Process

<Figure 27> Regular Icosahedron Joint Work Process

Joint Work Process Photograph

2.9. 완성 및 내용분석

접착제가 굳은 후에 테이프를 제거하고 표면에 묻은 접착제 제거와 마무리 사포질, 그리고 칠 작업이 남았다.

<Figure 28> Removing Tape Process

<Figure 29> Removing Tape Process

<Figure 30> Finished Sanding

<Figure 31> Finished Sanding <Figure32> Finished Sanding <Figure 33> Finished Painting Work

Removing Tape and Finishing Process

지금까지 작업을 통해서 나타난 내용분석

첫째, 숙련된 인력의 수공업으로 첫 작업부터 마무리까지 한다. 둘째, 삼각형의 예각꼭지는 끝이 날카로워서 가로결은 자를 때 톱날의 충격을 이기지 못하고 떨어져서 불량률이 높다.

셋째, 수공업형태로 생산성이 낮다.

3. CNC 기계를 활용한 실험제작

앞의 2. 목재다면체 실험제작에서 2.1. 도면작업과 2.2. 소재선택과 2.4.정다면체를 만들 때 주의할 점까지는 CNC 기계작업에도 필요한 과정이다.

3.1. CNC 기계가공 및 접합 작업

오래전에 CNC 기계 활용가능성을 확인하기 위해서 목재다면체 부품제작을 외부 CNC 기계가 공업체에 의뢰했었으나 그때는 조립을 했을 때 모두 틈이 심하게 벌어져서 실패하였다. 당시는 실패한 원인을 알지 못했기 때문에 지금 다시 시도해도 참고자료가 없어서 신중하게 점검하며

진행했다. 실험제작은 정십이면체로 하고 먼저 공구인 날물을 이면각(116.56˚)에 맞춰서 주문 제작을 한 날물이 도착했다. <Figure 34>와 같은 날물을 소수점 아래 각도까지 섬세한 주문을 할 수 있는 환경은 작업에 큰 도움을 준다. 작업과정은 <Figure 35>의 화면처럼 CNC 기계를 움직이는 캠 프로그램을 짜는 과정을 거쳐서 <Figure 36> CNC 기계로 가공을 진행했다.

<Figure 34> CNC Sharp Angular Blade

<Figure 35> Creating a Program

<Figure 36> Processing with Angle Blade

CNC Processed Photograph

이 실험에서 가장 중요한 역할을 할 날물에 대한 기대가 크다.

<Figure 37> Screen that Has Ended the Operation

<Figure 38> Completed Regular Pentagon

<Figure 39> Adhesive Application and Bonding After CNC Processed, Photograph of Starting Joint Work

<Figure 37> 작업을 끝낸 기계화면 <Figure 38>가공한 흔적들을 청소한 CNC 기계의 작업 테이블 위에 남은 정오각형 조각들과 <Figure 39>정오각형 조각들로 조립을 시작하는 과정 모서리 꼭지가 떨어지지 않고 기대보다 깨끗하게 가공되었다.

<Figure 40> Joint in Progress 1

<Figure 41> Joint in Progress 2

<Figure 42> Joint in Progress 3 Photograph of a Joint in Progress Using Tape

<Figure 40>테이프를 써서 접합하는 과정 <Figure 41>정교하게 가공된 조각으로 접합 작업 진행과정 <Figure 42>12조각을 모두 붙여서 정십이면체 접합 작업을 마감했다.

Completed Photograph

3.2. CNC 기계를 활용한 실험제작 결과분석

CNC 기계를 활용한 실험제작 결과는 기대 이상의 결과를 얻었다. 이 실험을 통해서 확인한 결과는 첫째, 재단과 이면각재단을 동시에 할 수 있어서 빠르고 둘째, 정오각형의 각도와 이면 각의 정밀함이 범용기계로 숙련공이 만든 것보다 정교함이 뛰어났다.

<Figure 44> Inside of Junction <Figure 45> Exterior of Junction

Joint Confirmation Photograph

<Figure 44>접합부의 내부와 <Figure 45>접합부의 외부가 틈도 없이 정교하게 잘 맞는다.

정교함에 의구심을 가졌던 각도날물의 각도가 잘 맞았고, CNC 기계 가공할 때 진공흡착바닥의 작은 조각들이 움직이지 않았던 것이 확인됐다. 이제부터 나머지 접합과정은 범용기계로 작업 한 과정을 거치더라도 재단과 이면각 재단작업까지는 새로운 제작방법을 찾았다. 몇 해 전에 외부 CNC 기계 가공업체에 의뢰했을 때 실패했었던 것은 각도날물의 정밀함 부족과 무리하게 작업했던 게 원인일 수 있다.

4. 접합 작업 단축실험

지금까지 외형재단과 이면각재단작업을 CNC 기계를 활용해서 제작해 본 결과는 만족스럽지만 아직 접합 작업은 개선시키지 못했다. 따라서 접합 작업시간을 단축하려면 전개도형식으로 제 작해서 한 번에 여러 조각을 붙이는 것을 생각하게 됐고 전개도형식으로 접합 작업을 할 때 조각과 조각 사이의 두께를 어느 정도를 남겨야 하고 또 가로결이 약한 나무의 특성을 넘어서 접합 작업이 가능할지 CNC 기계를 활용해서 실험해본다.

4.1. 1차 실험

전개도형식의 조립가능성을 확인하기 위해서 가로와 세로의 결에 가장 영향을 많이 받는 형태 인 정육면체를 선정해서 CNC 기계로 가공하는데 바닥에서 남기는 두께를 0.2mm로 설정했다.

<Figure 46> Programming <Figure 47> Planar Figure Processing

<Figure 48> First Experiment Result

Programming and CNC Cutting, Experiment Result Picture

<Figure 46>가로와 세로의 길이가 각기 100mm인 정육면체 전개도를 만들고 바닥에 0.2mm 가 남도록 프로그램 작업을 했다. <Figure 47> 90도 각도의 날물로 전개도를 따라서 가공하는 과정이다. <Figure 48>남기는 두께가 너무 얇은지 가로결이나 세로결 모두 힘없이 떨어졌다.

4.2. 2차 실험

<Figure 49> Cut and Tear with a Knife

<Figure 50> A Photograph Detached during Assembly Second Experiment Picture

이번엔 0.3mm 두께를 주고 다시 시도했다. <Figure 49><Figure 50>과 같이 1차 실험 때처 럼 모두 떨어지지는 않았지만 정육면체로 접는 과정에서 또 떨어졌다. 그런데 0.3mm 남긴 것 때문에 원판에서 가공물이 떨어지지 않아서 칼로 떼어냈으나 흔적이 깨끗하지 않다.

4.3. 3차 실험

<Figure 51> Added Outer Foundation

<Figure 52> Fallen Pieces Again Third Experiment Picture

<Figure 46>과 같이 바닥을 0,3mm 남기는 것은 그대로 두고 이면각 재단작업 후에 외곽재단 작업을 추가하는 2차 작업을 진행했다. 가공 후에 남는 두께는 불과 0.3mm이지만 칼로 자르기 도 불편하고 자른 자리도 깔끔하지 않아서 CNC 기계로 재단작업을 추가했는데 <Figure 46>

처럼 외형은 깔끔하지만 정육면체를 접는 과정에서 또 떨어졌으며, 남아있는 조각들로 조립과 정에서 많은 조각 수가 접합 작업을 불편하게 했다.

<Figure 53> Flipping Tape Operation

<Figure 54> Completed Cube A Picture Completed by Working on the Existing Method

<Figure 53>지금까지 실험했던 것 보다 기존방법을 따라서 뒤집어서 테이프를 붙여가면서 전개도를 만들었다. <Figure 54> 정육면체를 완성했다. CNC 기계로 전개도를 만들어서 작업

가능성에 대한 실험의 결론은 다음과 같다.

첫째, CNC 기계로 0.2mm~0.3mm정도의 두께를 남기는 작업은 가능하지만 결과물은 나뭇결 을 따라서 쉽게 떨어졌다.

둘째, 전개도형식의 조립방법은 크기가 크면 불편하고 또 조각수가 많아질수록 더 불편하다.

셋째, 표면을 얇게 남긴 전개도를 만들어서 붙이려던 접착방법은 소재에 코팅이 되어있어도 나뭇결이 떨어지는 것을 극복하지 못했고 붙어있던 것도 크기 때문에 조립과정에서 떨어져서 실패하였고 오히려 기존의 하나씩 붙여가는 조립방법이 합리적이란 것을 확인했다.

5. 실험결과 종합분석

지금까지 실험해온 결과를 종합하면 <Table 3>과 같다.

기존 제작방법 CNC 기계 활용 제작 CNC 기계 활용 접합

장점 없음 정밀하고 빠르게 진행되

며 결과물이 우수하다. 없음 단점

작업과정이 복잡하고 숙련된 인력이 작업해 도 생산에 한계가 있다.

없음

나뭇결이 부서지고 조각 수와 크기가 커질수록 작업이 어렵다.

결과요약

이번 실험에서 얻은 것은 CNC 기계를 활용해서 재단시간단축과 정밀생산에 의한 품질향상이다. 또한 숙련된 인력이 아니어도 손쉽게 작업을 할 수 있는 것은 큰 소득이다. 따라서 목재다면체 제작은 기존 제작방법을 탈피하여 CNC 기계를 활용해서 재단하며 접합 작업은 다른 방법을 찾을 때까지 수작업형태 로 진행한다.

<Table 3> Comprehensive Analysis of Experimental Results

6. 결론

본 연구는 기계 활용을 통한 효율적인 생산성향상을 위한 실증연구이며 실험제작대상은 정다 면체를 무작위로 선정해서 첫째, 기존방식대로 제작하기와 둘째, CNC 기계로 이면각 재단하기 셋째, 전개도방식으로 제작해서 한 번에 접합하기 등의 실험을 통해서 나타난 문제들을 찾아서 그 자료를 바탕으로 문제점을 개선해서 수작업을 최소화하고 기계화작업을 통한 작업의 편의 성과 생산성을 향상시키려고 했다.

이번 실험을 통해서 얻은 것은 CNC 기계 각도날물의 활용으로 우수한 정밀도를 지닌 제품을 빠르게 제작할 수 있는 것과, 목재다면체 제작에서 숙련된 인력의 손을 거치지 않아도 다면체를 더 정교하게 제작할 수 있는 것을 확인했다는 것만으로도 매우 큰 성과이다. 한편 접착 작업 개선실험에서 원하는 성과를 얻지 못했어도 생산성 개선에 대한 노력은 계속되어야 한다. 또한 아쉬운 것은 완성된 제품의 사후평가가 이뤄지지 않은 한계점으로 소비자의 반응 등을 살피지 못한 것으로 이것은 후속 연구과제로 남기며, 끝으로 이 연구결과가 목재 조형물제작과 공예 및 기타 조형물관계자들의 연구에 도움이 되면 기쁘겠다.

References

Choi, J, & Kim, M, (2016). A Case Study of Industrialization Using CNC in Traditional Woodcraft.

Journal of Cultural Product & Design,

Kim, J, (n.d.)

Puzzllo.

Kwon, H, (2009).

A Study on the scheme for color improvement of domestic infant toys - focused on playing toys for Use of Imitation

Naver Blog (n.d.)

Naver

Oh, I, (2010).

Teaching Mathematics using Tools – Centered on middle School First Year Course

Approach -