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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박동삼
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 인천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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본 연구는 28kHz의 초음파 발진기에 활용될 수 있도록 28kHz의 공진주파수와 종진동 모드를 갖는 수작업용 초음파 커터 개발을 위해 커터의 모델을 제안하고, 제안 모델에 대한 모달해석을 통하여 커터의 최종 모델을 설계하고 시제품을 제작하였다.
시제품의 가진 시 나타나는 진동신호의 FFT 처리를 통하여 개발 커터의 진동특성 정합성 여부를 검증하였으며, 최종적으로는 시제품을 이용하여 햄이나 치즈 등 식료품을 커팅할 때 커터에의 초음파 가진 여부에 따라 커팅력이 어떻게 변하는지를 분석하여 초음파 가진을 이용한 커팅의 효율성을 검증하고자 하였으며 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
초음파 커팅용 커터에 대한 FE 모델링과 모달해석을 통하여 커터의 길이가 상대적으로 긴 Model-L와 길이가 짧은 Model-S를 제안하였다. Model-L의 경우 바람직한 종진동 모드를 갖는 공진주파수는 28,134Hz였으며, Modle-S의 경우 공진주파수는 28,078Hz로 나타났다. 제안된 두 모델의 공진주파수가 설계 목표치인 28kHz에 근접하여 시제품을 각각 제작하였다.
제작된 모델 Model-L에 대한 진동실험 결과 5회 평균 피크(Pick to Pick) 진폭은 약 36㎛, 5회 평균 공진주파수는
27,887Hz로 나타났다. 이 공진주파수는 초음파 발진기의 작동주파수가 28kHz±300임을 고려하면 칼날의 진동발생에 아무 문제가 없으며 커터의 설계와 제작은 적절히 이루어진 것으로 판단한다.
제작된 Model-S에 대한 진동실험 결과 5회 평균 피크 진폭은 약 43㎛으로 나타났으며, 각 진동신호의 FFT 분석결과 5회 모두 동일하게 공진주파수는 27,848Hz로 나타났다. 이러한 공진주파수는 Model-L과 같이 칼날의 진동발생에 아무 문제가 없으며 커터의 설계와 제작은 적절한 것으로 판단한다.
시제품 Model-L을 이용하여 치즈, 햄, 케이크, 단무지 등의 커팅 시편을 대상으로 무진동 상태와 28kHz의 초음파 진동을 주며 각각 5회씩 커팅할 때 커팅력의 크기와 커팅면의 표면을 분석하였다.
치즈의 커팅시 커터에 진동을 주지 않을 경우 5회 평균 최대 커팅력은 2.9N, 초음파 가진을 할 경우 1.0N으로 커팅력이 약
34.5%로 크게 감소하였으며 표면의 평탄도도 개선되는 것을 확인하였다.
햄의 커팅 시 커터에 진동을 주지 않은 경우 5회 평균 최대 커팅력은 3.2N, 초음파 가진을 한 경우 1.9N로 나타나 커팅력이 약 59.4%로 크게 감소하였다.
본 연구를 통하여 초음파 커팅 툴의 진동해석 등을 통한 설계 원천기술 확보하였으며 초음파 커팅에 사용되는 장비나 툴의 수입 의존도를 개선하고 수출 산업화에 기여할 수 있으리라 판단한다.
또한, 식품의 초음파 커팅 시 커팅력이 크게 감소함을 보임으로써 쇠고기나 돼지고기 등의 육류 및 섬유질이 많은 재료를 커팅할 때 가정주부 등 작업자의 손목에 걸리는 힘을 크게 경감하여 손목터널증후군 등으로 고통받는 커팅 작업자들에게도 도움이 될 것으로 판단한다.
시제품의 가진 시 나타나는 진동신호의 FFT 처리를 통하여 개발 커터의 진동특성 정합성 여부를 검증하였으며, 최종적으로는 시제품을 이용하여 햄이나 치즈 등 식료품을 커팅할 때 커터에의 초음파 가진 여부에 따라 커팅력이 어떻게 변하는지를 분석하여 초음파 가진을 이용한 커팅의 효율성을 검증하고자 하였으며 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
초음파 커팅용 커터에 대한 FE 모델링과 모달해석을 통하여 커터의 길이가 상대적으로 긴 Model-L와 길이가 짧은 Model-S를 제안하였다. Model-L의 경우 바람직한 종진동 모드를 갖는 공진주파수는 28,134Hz였으며, Modle-S의 경우 공진주파수는 28,078Hz로 나타났다. 제안된 두 모델의 공진주파수가 설계 목표치인 28kHz에 근접하여 시제품을 각각 제작하였다.
제작된 모델 Model-L에 대한 진동실험 결과 5회 평균 피크(Pick to Pick) 진폭은 약 36㎛, 5회 평균 공진주파수는
27,887Hz로 나타났다. 이 공진주파수는 초음파 발진기의 작동주파수가 28kHz±300임을 고려하면 칼날의 진동발생에 아무 문제가 없으며 커터의 설계와 제작은 적절히 이루어진 것으로 판단한다.
제작된 Model-S에 대한 진동실험 결과 5회 평균 피크 진폭은 약 43㎛으로 나타났으며, 각 진동신호의 FFT 분석결과 5회 모두 동일하게 공진주파수는 27,848Hz로 나타났다. 이러한 공진주파수는 Model-L과 같이 칼날의 진동발생에 아무 문제가 없으며 커터의 설계와 제작은 적절한 것으로 판단한다.
시제품 Model-L을 이용하여 치즈, 햄, 케이크, 단무지 등의 커팅 시편을 대상으로 무진동 상태와 28kHz의 초음파 진동을 주며 각각 5회씩 커팅할 때 커팅력의 크기와 커팅면의 표면을 분석하였다.
치즈의 커팅시 커터에 진동을 주지 않을 경우 5회 평균 최대 커팅력은 2.9N, 초음파 가진을 할 경우 1.0N으로 커팅력이 약
34.5%로 크게 감소하였으며 표면의 평탄도도 개선되는 것을 확인하였다.
햄의 커팅 시 커터에 진동을 주지 않은 경우 5회 평균 최대 커팅력은 3.2N, 초음파 가진을 한 경우 1.9N로 나타나 커팅력이 약 59.4%로 크게 감소하였다.
본 연구를 통하여 초음파 커팅 툴의 진동해석 등을 통한 설계 원천기술 확보하였으며 초음파 커팅에 사용되는 장비나 툴의 수입 의존도를 개선하고 수출 산업화에 기여할 수 있으리라 판단한다.
또한, 식품의 초음파 커팅 시 커팅력이 크게 감소함을 보임으로써 쇠고기나 돼지고기 등의 육류 및 섬유질이 많은 재료를 커팅할 때 가정주부 등 작업자의 손목에 걸리는 힘을 크게 경감하여 손목터널증후군 등으로 고통받는 커팅 작업자들에게도 도움이 될 것으로 판단한다.
목차
1. 서론 11.1 연구의 배경 및 필요성 11.2 연구 동향 31.3 연구의 내용 및 범위 42. 초음파 커팅의 기본 이론 62.1 초음파의 정의와 분류 62.2 초음파 커팅의 원리와 종류 82.3 초음파 식품 커팅 장비와 주요 구성요소 102.4 식품 커팅 공정의 비교 243. 초음파 커터의 해석 및 설계 이론 293.1 설계 및 해석 방법 293.2 초음파 커터의 설계 및 해석 과정 304. 커터의 진동해석 기반 설계 374.1 연구내용 개요 374.2 커터의 소재 선정 384.3 진동자의 선정 384.4 커터의 형상 설계 444.5 최종 모델의 진동해석과 시제품 제작 485. 개발 커터의 진동성능 검증 545.1 연구의 필요성 및 내용 545.2 진동실험을 위한 장치구성 및 실험 방법 545.3 실험 결과 및 분석 586. 개발 초음파 커터의 커팅력 636.1 연구내용 개요 636.2 실험장치 구성 및 실험 방법 636.3 치즈 커팅 실험결과 및 고찰 726.4 햄 커팅 실험결과 및 고찰 836.5 기타 식품류의 커팅력 937. 결 론 97참고문헌 100ABSTRACT 106
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