기계설계의 출발점은 ‘형상’이지만, 완성도를 결정짓는 핵심 요소 중 하나는 ‘재료 선택’입니다. 동일한 도면이라도 어떤 재료를 쓰느냐에 따라 제품의 강도, 수명, 무게, 비용은 전혀 달라질 수 있습니다. 특히 초보 설계자일수록 재료를 단순히 “금속 vs 플라스틱”처럼 구분하고 깊이 있게 고려하지 않는 경우가 많습니다. 이 글에서는 설계에서 재료를 선택할 때 반드시 검토해야 할 6가지 주요 기준과 함께, 대표적인 금속/비금속 재료의 특성도 함께 정리해 보았습니다.
1. 기계적 성질 (Mechanical Properties)
1) 인장강도(Tensile Strength)
재료가 끊어지지 않고 견딜 수 있는 최대 인장 하중. 구조물의 파손을 방지하려면 반드시 확인해야 합니다.
2) 경도(Hardness)
표면에 대한 긁힘 저항. 마모되는 부위에는 높은 경도의 재료를 선택해야 합니다.
3) 충격 인성(Impact Toughness)
충격 하중에 얼마나 견디는지를 나타내며, 안전성 요구가 높은 구조물에 중요합니다.
4) 피로 강도(Fatigue Strength)
반복 하중에 대한 내구성. 회전 부품, 자동차 부품 등에는 피로 시험 데이터를 확인하는 것이 필수입니다.
2. 환경 적응성 (사용 조건)
1) 내식성(Corrosion Resistance)
습기, 염분, 화학물질 등에 노출되는 환경에서는 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄 등 부식에 강한 재료를 사용합니다.
2) 내열성(Heat Resistance)
고온 환경에서는 강도가 급격히 떨어지지 않는 재료(예: 내열합금, 세라믹 등)가 필요합니다.
3) 절연성 또는 전도성
전기 절연이 필요한 제품에는 플라스틱, 세라믹, 고무 계열을 사용하며, 전도성이 필요한 경우는 구리, 알루미늄 등이 적합합니다.
3. 가공성 및 가공 공정
절삭 가공성
탄소강(S45C 등)은 일반적으로 가공성이 좋지만, 경도가 너무 높은 재료는 절삭이 어렵습니다.
용접성
스테인리스나 알루미늄은 용접이 까다로우며, 특수한 용접 조건이 필요합니다.
성형성 및 주조성
복잡한 형상에는 알루미늄 다이캐스팅이나 플라스틱 사출이 적합합니다.
4. 무게 (비중 또는 밀도)
경량화를 위한 선택
자동차, 드론, 로봇 등 이동성이 중요한 부품에는 알루미늄, 탄소복합재(CFRP), 엔지니어링 플라스틱이 많이 사용됩니다.
밀도 비교 예시
- 철강: 약 7.8 g/cm³ - 알루미늄: 약 2.7 g/cm³ - POM(플라스틱): 약 1.4 g/cm³
5. 비용 (재료비 + 가공비)
재료 자체 가격
동일한 강종이라도 열처리 여부, 수입 여부에 따라 단가가 다를 수 있습니다.
가공비 포함 총비용 고려
재료 가격이 저렴해도 가공이 어렵거나 공정이 많으면 오히려 전체 단가가 올라갈 수 있습니다.
6. 표준화 및 조달성
규격화된 재료를 우선 고려
KS, JIS, ASTM 등 표준 규격에 맞는 재료는 구매가 쉽고 납기 대응도 빠릅니다.
자재 확보 가능성
소재가 희귀하거나 수입 품목일 경우, 긴 납기와 고비용 문제가 생길 수 있습니다. 공급 안정성도 반드시 확인하세요.
7. 대표 재료별 특징 정리
금속 재료
- **탄소강(S45C, SM45C)**: 범용성 높고 가공성 우수 - **스테인리스강(SUS304, SUS316)**: 내식성 우수, 용접성 중간 - **알루미늄(AL6061)**: 경량, 가공성 우수, 내식성 양호 - **구리(Cu)**: 전도성, 열전도율 우수
비금속 재료
- **POM (델린)**: 내마모성, 가공성 우수 - **ABS, PP**: 사출성형에 적합한 범용 플라스틱 - **CFRP**: 초경량 고강도 복합재, 고가
마무리하며
기계설계에서 재료 선택은 단순한 선택지가 아니라, 제품의 기능성과 수명, 생산성과 원가를 모두 좌우하는 전략적인 결정입니다. 위에서 소개한 기준들을 참고하여 설계 목적에 가장 적합한 재료를 선택하는 습관을 들이세요. 실무에서는 기술 자료와 함께 가공 현장의 피드백, 자재팀의 조달 데이터까지 함께 고려하는 종합적 판단이 필요합니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
1. 재료 선택 시 가장 먼저 고려할 점은 무엇인가요?
기능과 사용 환경입니다. 예를 들어 고하중이면 인장강도, 실외 환경이면 내식성을 가장 먼저 봐야 합니다.
2. 가격만 보고 저렴한 재료를 쓰면 안 되나요?
단기적으론 가능하지만, 가공비, 내구성, 품질 이슈까지 고려해야 하므로 총비용과 성능을 함께 봐야 합니다.
3. CAD 도면에 재료는 어떻게 표기하나요?
도면 제목란(Material)에 S45C, AL6061 등으로 재질명을 명확히 적어야 하며, 필요한 경우 열처리 또는 표면처리 조건도 추가 기재합니다.