국제 기계공학교육 학술대회를 통해 본 설계 교육 발전 방향

박 찬 일 강릉원주대학교 기계자동차공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글은 2012년 12월 중국 북경에서 개최된 국제 기계공학교육 정상 학술대회를 소개하고, 여기에서 보고된 영국 Bath대학과 미국 Georgia공대 등의 교과과정과 설계 교육의 발전방향을 기술한다.

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설계 교육은 한국의 산업이 외국의 설계도면에 의해 제작하는 단계에서 벗어나 자체의 설계에 의해 제작을 하여 전세계에 상품을 수출하는 단계에서 그 중요성이 더 해지고 있다. 이러한 산업 환경에 대응하기 위해 한 국의 대학은 한국 공학 인증 제도에서 요구하는 설계 교과목을 교과과정에서 중요하게 반영하도록 요구 받 고 있다. Fielden report에 의하면 공학 설계는 최대의 경제성과 효율을 가지고 규정된 기능을 하기 위해 제 품, 기계 혹은 시스템의 정의에서 과학의 원리, 기술 정 보와 상상력을 사용하는 분야이다. “공학설계는 주어 진 요 구 를 만 족 하 는 시 스 템 (system), 구 성 요 소 (component) 또는 과정(process)를 고안해 내는 과정 이다.”라고 ABET은 규정한다. 실제로 설계는 제품원가 의 5% 정도이지만 70% 정도의 영향을 미친다고 알려져 있 고 그 림 1은 B.S. Thompson이 쓴 Creative Engineering Design 4판에 있는 이것을 설명한 그림이다.

국내에서도 설계 교육 과정을 개발하기 위해 각 대학 의 기계공학 관련 학과에서는 창의 설계 교과목을 저학 년에 개설하고 고학년에 Capstone design 교육을 하고 있다. 설계 교육의 질적 향상을 위하여 기계학회 교육 부문에서는 2011년부터 학생 설계 경진대회를 개최하 여 올해 3회 대회부터는 에너지 개발 기술을 포함한 사 회의 따뜻한 기술 개발을 주제로 대학생 부문뿐 아니라 고등학교 부문까지 그 영역을 확대하고 있다. 이 글은 본인이 참석한 2012년 12월 중국 북경에서 개최된 국제

기계공학교육 정상 학술대회(2012 International Mechanical Engineering Education Summit: 2012 IMEES)를 소개하고, 여기에서 보고된 영국 Bath대학과 미국 Georgia공대 등의 교과과정을 중심으로 국외 대학 의 설계 교육의 현황과 발전방향을 기술한다.

2012 기계공학교육 정상 국제학술회의

중국기계학회(CMES)는 미국기계학회(ASME)와 영국 기계학회(IME)와 함께 기계공학학장, 학과장을 대상으 로 2-3년마다 기계공학교육 학술대회를 개최해 왔다고 한다. 2012년 학술대회를 개최를 하면서 대한기계학회 에 참여를 요청하여 본인이 참여하게 되었다. 이 학술

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그림 1제작비에 영향을 미치는 요소

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대회는 2012년 12월 11일부터 12일까지 북경에서 개최 되었고 학술대회 명에서 알 수 있듯이 초청논문 형식으 로 진행되었다. 주제는 Education System Design Focused on Students’Competence, Evaluation Process of Students’Outcomes, Measures and Pathways to Promote Students’Engineering Ability, Measures and Pathways to Promote Students’

Innovation Ability의 4개의 대 주제로 진행되었다. 초청 연사는 한국을 포함하여 미국, 영국, 캐나다, 중국의 교 수와 회사 임원들이었다. 그림 2는 미국기계학회 회장, 영국기계학회 회장 등 주요 초청 연사와 찍은 사진이고 그림 3은 본인이 발표하는 사진이다. 이 학술대회는 영 어와 중국어로 동시 통역되었고 중국CCTV에 40분 간 소개되는 비중 있는 학술대회이었다.

각 주제에 주요발표자로 Education System Design Focused on Students’Competence에는 미국 콜로라도 주립대 Allan Kirkpatrick 교수가 design of outcomes- based mechanical engineering education programs의 제목으로 미국기계학회가 시도하고 있는 ASME Vision 2030을 소개하였다. 영국 Coventry 대학의 Peter White 교수는 Educating Engineers fit for purpose in the 21st Century의 제목으로 영국의 공학교육 개혁을 위해 Royal Academy of Engineering에서 팀을 조직해 영국 대학과 산업계의 견해를 조사하였다. 그 결과 이론적인

지식이 실제 산업 문제에 적용해야 한다는 의견이 29%, 깊은 이론적인 이해를 유지해야 한다는 의견이 20%, 창 의력과 혁신을 격려해야 한다는 의견이 19%, 팀워크 개 발이 15% 등이었다. 이것은 Problem-based learning접 근, 설계와 제작 연습, 개인과 그룹 프로젝트, 산업과 대 학 사이의 긴밀한 협력, 산업체가 이끄는 프로젝트 등 으로 해결될 수 있다고 생각하고 있다. Evaluation Process of Students’Outcomes의 분야에는 미국 Rose- Hulman Institute of Technology 대학의 Patrica Brackin 교수가 Using IDEALS to demonstrate a program’s development of professional skills의 제목으로, 영국 Bath 대 교수인 Steve Culley가 The Design Continum:

Building Engineering Design Competence의 제목으로 발표하였다. Measures and Pathways to Promote Students’Engineering Ability의 분야에는 영국의 Rolls- Royce 회사의 부사장인 Patrick Kniveton이 How we find and develop innovative engineers-An industry view의 제목으로 회사가 원하는 인물의 견해를 발표했 고 , 미 국 의 Imtiaz Haque 교 수 는 Developing engineering talent for the automotive industry: A case study의 제목으로 자동차 전문 인력을 개발하기 위한 대학의 노력을 전달하였다. Pathways to Promote Students’Innovation Ability에서는 본인이 Mechanical Engineering Education Activities in Korea의 주제로 한

그림 22012 IMEES에 참가한 주요 관계자 그림 32012 IMEES에서 강연하는 필자

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국 기계공학 교육에 대해 소개하였고, 미국 Georgia Tec.의 교과과정 개편 내용인 Measures & pathways to promote student creativity and innovation이란 주제로 ASME의 Thomas Perry가 발표하였다.

설계 교육 및 교과과정

앞서 언급한 바와 같이 최근 설계 교과목의 중요성으 로 인해 설계 초급 단계에서부터 종합 설계 단계까지 많은 교과서가 국내외에서 발간 되고 있다. 대개 국내 의 초급 단계 설계 교과서에서는 창의력 개발에 대한 내용이 많이 다루어 지고 있고 설계 과정의 언급은 초 급 설계이상에서 주로 다루고 있다. 설계 과정의 단계 는 여러 학자들에 의해 다양하게 제시되고 있으며, 작 게는 개념설계와 상세설계의 2단계로부터 많게는 여러 단계를 두어 구분하고 있다. 그러나 설계 세부 영역을 어떻게 나누느냐의 문제이지 그 내용의 차이는 크지 않 다고 사료된다. 설계의 시작은 고객의 요구를 수렴하는 과정부터 시작하여 개념설계 단계에서 많은 창의적인 아이디어의 도출 및 평가가 이루어지고 개념설계 안이 선정된다. 이 안을 토대로 구체화 설계(embodiment design) 혹은 예비설계(preliminary design)하에서 해석 을 통하여 설계 내용이 정해지고 상세설계 단계에서 도 면의 제작 등이 완료된다. 이러한 설계 과정은 독일의 Pahl과 Beitz 등에 의한 3단계 설계 과정으로 많은 교과 서에서 채택된다. 그림 4는 Dym의 Engineering design 3판에 포함된 고객의 문제점 진술에 의한 설계 문제 정 의, Pahl과 Beitz 모델에 근거한 3단계 설계 과정, 보고 서, 도면, 제작 제원 등 최종 설계를 문서화하는 단계와 각 단계에서 하여야 되는 주요 내용을 소개하고 있다.

영국의 Bath 대학에서도 이러한 3단계 설계 과정을 교육하고 있고 전체적인 설계 교과목은 3개의 Phase로 나누어서 구성되고 있다. Phase 1에서는 도면과 스케치 연습으로 배치 및 외형 스케치를 포함한다. Phase 2에 서는 서브 어셈블리 설계, 제품설계, 기계설계, 그룹으

로 기술적인 가능성 연구를 한다. 마지막으로 Phase 3 에서는 전 학생이 그룹 설계와 산업 프로젝트를 수행한 다. 이를 위하여 1학년에서는 도면과 스케치 연습을 하 고 설계 요소와 원리를 가리킨다. 또한 국내 대학과 특 별히 다른 것은 제작과 관련된 절삭가공, 소성가공, 조 립과 재질의 특성과 마이크로 구조물도 강의 내용에 포 함하고 있다는 것이다. 2학년에서는 앞서 언급한 Phase 2에 해당되는 프로젝트로 강의 내용은 설계, 선택, 해석 을 종합하여 강의하며 설계 방법, 제작 고려설계, 조립 고려설계, 환경 고려설계 등의 DFX(Design for X)와 전 문적인 면도 강의 내용에 포함한다. 3학년에서는 Phase 3단계로 학기에 6시간으로 공학자를 위한 사업과 연결 시켜 가능성 연구와 상세 설계와 상세 사업계획을 한 다. 이 과정은 외국이나 산업체에서 할 수도 있다. 4학 년에서는 전문가 선택이란 주제로 학기에 8시간하며 프 로젝트 계획, 가능성 연구, 제원을 정하여 상세 설계, 해 석, 선택을 하고 제작과 시험을 하며 산업체와 연계하 여 한다.

미국 조지아 공대의 기계공학부(The George W.

Woodruff School of Mechanical Engineering)는 1888 년 10월에 시작되었고 조지아 공대에서 가장 오래되었 으며, 미국에서 기계공학 학부 프로그램 3위, 대학원 프

그림 4설계 과정

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로그램 6위의 명문 학부이다. 등록 학부생은 2,097명, 대학원생은 814명이고 전체는 2,911명이다. 최근 이 학 부는 ASME Vision 2030을 토대로 교과 과정을 개편하 였다. ASME Vision 2030에서는 학생들에게 더 풍부한 실습에 기반한 경험을 제공하고 더 강력한 전문 기술을 공급하도록 하고 더 큰 혁신과 창의력 등을 요구한다.

이를 근거로 기계공학과 다학제적 공학을 융합하여 설 계 교과목의 체계를 완성하였다. ME 1770 Introduction to Engineering Graphics and Visualization 과목에서는 공학 그래픽과 스케치, 2차원 line drawing과 3차원 solid modeling을 포함한 가시화(visualization)를 소개 하고 도면 해석과 제품 현실화를 위한 제원 개발을 한 다. 향후에 프로토 타이핑(proto-typing), 설계, 아이디 어 창출, 창의력의 초기 개념을 교육하는 형태로 변경 할 예정이다.

ME 2110 Creative Decisions & Design 과목에서는 팀 과 개인의 노력을 통하여 유연성, 적응성, 창의성을 갖 고 개방형 문제에 설계 해를 창조, 해석, 종합과 이행하 기 위한 기본적인 기술을 배운다. 또한 Mechatronic 설 계 프로젝트를 경쟁방식으로 진행한다. 3학년에는 설 계 과목이 없으나 ME 4182 Capstone design에서는 팀 을 이루어 학제간 문제들에 시스템적인 설계 과정을 적 용한다. 문제들은 생의학(biomedical), 생태학, 환경, 기계공학, 열공학 등 다양한 관심 영역에서 선택된다.

다학제적인 팀을 유도하고 회사 지원을 받고 한 학기 또는 두 학기에 진행된다. 이 밖에 2012년 500명의 학 생이 참가한 발명상 대회가 있고 GT Motorsports, Solar Jackets 등 학생 팀 동아리를 운영하고 있다. 조지아 공 대 기계공학부 설계 교과목의 특징은 다학제 적인 팀을 유도하고 추진한다는 점이고 본인이 조지아 공대 기계 공학부에 방문 연구차 체류할 때에 학생들이 Co-op프 로그램에 한 학기를 참여하고 있었다.

이 글은 2012년 12월 중국 북경에서 개최된 국제 기 계공학교육 정상 학술대회를 소개하고, 여기에서 보고 된 영국 Bath대학과 미국 Georgia공대 기계공학부의 설계 교육의 현황을 기술하였다. Bath 대학에서는 잘 정의된 설계 과목을 제시하고 특히 1학년부터 제작방법 과 재료특성을 교육시키고 있었다. Georgia공대 기계 공학부는 ASME Vision 2030을 기준으로 교과과정을 개 편하고 기계공학과 학제간의 융합을 시도하여 설계 교 과목에서 학제간 팀을 이루어 설계를 진행하였다. 미국 과 영국은 기계공학교육의 미래 비전을 제시하고 있고, 이 미래 비전에 근거하여 각 대학은 창의적인 설계 교 육 개선을 위한 끝없는 노력을 하고 있었다. 따라서 우 리도 설계 교육 발전을 위한 조직적인 노력이 필요하 고, 이러한 노력이 창의적인 설계를 촉진시켜 창조 경 제 발전에도 기여할 것으로 믿는다.

기계용어해설

나노유체(Nanofluid)

나노유체란 기존의 열교환 작동유체에 나노크기의 입자 를 분산부유 시킨 유체로서, 기존의 작동유체보다 열적성 능이 뛰어나다고 알려져 있다. 최근에는 열적성능 뿐만 아니라 뛰어난 태양열 흡수특성이 밝혀지면서 태양열 집 열기의 작동유체로서 새롭게 주목받고 있다.

가속수명시험(Accelerated Life Test)

수명 시험 대상 시료의 정상적인 평균 작동 부하 보다 가 혹한 시험 부하를 인가하여 단기간에 시료의 수명(신뢰 도)을 확인하는 시험으로 정상 작동 조건 때와 동일한 고 장모드가 가속시험 시에 재현되어야 가속성이 성립함.

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