열 다이 사이클링 시뮬레이션에서 다이의 온도 분포를 정확하게 예측하려면 스프레이 냉각의 공간 변화를 모델링해야 합니다. 새로운 다이 스프레이 냉각 모델은 이러한 목적으로 개발되었으며 현재 FLOW-3D의 최신 버전에서 사용할 수 있습니다. 이 모델은 전체 다이 캐비티에 걸쳐 일정한 열 전달 계수를 가정하는 대신 각 스프레이의 냉각을 명시적으로 계산합니다. 다이 표면의 스프레이 영역은 스프레이 노즐의 움직임으로 인해 지속적으로 계산되고 업데이트됩니다. 또한 모델은 분무되는 유체의 차단을 고려하여 살수 각도와 다이 표면의 형태로 인해 냉각에 미치는 영향을 고려한다. 새로운 모델은 안정적이고 현실적인 입력 매개 변수를 사용하여 다이 표면에 정확한 온도 분포를 제공하여 엔지니어가 냉각 프로세스를 보다 효율적으로 설계하고 최적화하여 핫 스팟을 제거할 수 있도록 도와 줍니다.

스프레이 구역 계산 / Spray Area Computation

새 모델에서는 다이 표면의 형상과 분무 노즐 위치가 살수 냉각에 미치는 영향을 고려합니다. 아래 그림과 같이 다이 표면에 분사되는 일부 영역은 막히고 일부 영역은 2개 이상의 스프레이로 덮여 있습니다. 이러한 영역은 다양한 스프레이 냉각 효과를 구별하기 위해 광선 추적 알고리즘을 사용하여 계산하고 식별합니다. 스프레이 영역은 FlowSightTM에서 시각화할 수 있으며, 스프레이 냉각을 통해 유닛 영역별로 제거된 총 분사 시간 및 총 열 등의 다른 특성도 확인할 수 있습니다.

Spray area computation

열 전달 계수 결정 / Heat Transfer Coefficient Determination

스프레이 냉각 메커니즘은 복잡하며 스프레이 냉각 열전달 계수 (HTC)는 스프레이 모양, 냉각수 유량, 스프레이 압력, 금형 온도, 스프레이 각도 및 스프레이 거리와 같은 다양한 변수에 따라 달라집니다. 스프레이 냉각 HTC 계산을 단순화하기 위해, 모든 스프레이 표면 요소에 대해 HTC는 기본 요소 HTC에 종속 요소 ( : 원추형 스프레이)를 곱하여 계산됩니다.

스프레이 냉각 메커니즘은 복잡하며, 스프레이 냉각 열 전달 계수(HTC)는 스프레이 형태, 냉각수 유량, 스프레이 압력, 금형 온도, 스프레이 각도, 스프레이 거리 등 다양한 변수에 따라 달라집니다. 스프레이 냉각 HTC의 계산을 단순화하기 위해 모든 스프레이 표면 요소에 대해 HTC는 기본 HTC에 원뿔형 스프레이의 경우와 같은 의존성 요인을 곱한 후 계산됩니다.

\displaystyle HTC=HT{{C}_{0}}(T)\cdot {{f}_{d}}(d)\cdot {{f}_{b}}(\beta )\cdot {{f}_{e}}(\varepsilon )

여기에서

  • 0HTCHTC는 노즐이 지정된 거리에서 몰드에 분사할 때 기본 스프레이 열 전달 계수입니다. 기준 열 전달 계수는 분무 콘의 특성, 살수 매체 및 살수 압력 등에 따라 달라지며, 주형 표면 온도의 함수입니다.
  • dff는 거리 d종속 인자 함수이다.
  • bff는 살수 각도β의존적 인자 함수이다.
  • eff는(표면 법선과 살수 방향 사이의)살수 각도이며, Eu의존적 인자 함수이다.

스프레이 거리 d와 스프레이 각도 β 및 ε의 의미는 아래 그림과 같습니다

Spray distance and angle

기본 열 전달 계수 및 의존 계수 함수는 이론 또는 경험으로부터 유도 된 실험 측정으로부터 곡선 맞춤을 할 수 있습니다. 스프레이가 원추형이 아닌 경우 종속 요소가 다를 수 있습니다.

스프레이 노즐 정의 / Spray Nozzles Definition

분무 노즐은 뱅크로 분류된다. 동일한 뱅크의 노즐은 스프레이 콘 각도와 같은 특성을 가지고 있다. 또한, 동일한 살수 매체 온도와 동일한 그룹의 다이 구성 요소에 분사하고, 동일한 상태 제어 표를 공유하며, 동일한 열 전달 계수 기능을 가진다.

모든 스프레이 노즐 뱅크는 사실상 동일한 로봇 암에 장착됩니다. 로봇 암의 변환 및 회전 이동은 FLOW3D 에서 지정할 수 있습니다. 모션 데이터가 외부 파일에 저장된 경우 외부 파일에서 가져오거나 연결할 수 있습니다. 스프레이 기계에 프로그래밍된 제어 데이터를 모델에 직접 사용할 수 있기 때문에 외부 파일을 가져오거나 연결할 수 있으면 입력이 상당히 간단해 집니다.

노즐 속성은 노즐 데이터베이스에서 직접 읽을 수 있습니다. 열 전달 계수 기능은 스프레이 콘 각도를 포함한 스프레이 콘 특성에 따라 달라지기 때문에 노즐 데이터베이스에 포함된 모든 노즐 특성의 일부입니다. 데이터베이스에 노즐이 정의되어 있지 않으면 그 속성을 직접 입력할 수 있습니다. 열 전달 계수 기능은 상수이거나 표로 정의할 수 있습니다. 다른 테이블 입력과 마찬가지로 데이터를 외부 파일에 연결할 수 있습니다. 동일한 노즐을 자주 사용하는 경우 재료 데이터베이스에 새 재료를 추가하는 것과 유사하게 해당 특성을 노즐 데이터베이스에 쉽게 추가할 수 있습니다.

각 노즐에 대해 스프레이 출처 및 엔드 좌표 또는 스프레이 방향을 정의해야 합니다. 노즐 위치가 미리 설계되어 있고 데이터를 사용할 수 있거나 노즐 수가 상대적으로 많을 경우 외부 파일에서 이 위치를 읽을 수 있습니다. 노즐 수가 적으면 위치를 대화식으로 선택하고 표 형식으로 입력할 수 있습니다.

Sample Results

새로운 모델의 성능과 다이 스프레이 프로세스를 명시적으로 시뮬레이션하는 것의 중요성을 입증하기 위해 사례 연구가 수행되었습니다. 이는 큰 치수와 얇은 벽 두께를 가진 차량 구조 부품의 생산에 기초한다. 이젝터 다이의 다이 표면 안에 세개의 열전대가 배치됩니다. 위치는 다음 그림에 나와 있습니다. 첫번째 열전대는 주조 영역의 다이 표면에 배치됩니다. 두번째 열전대는 캐비티 밖에서 정의됩니다. 따라서 용해된 부분은 접촉하지 않지만 분사 과정 중에는 냉각되는 부분이 있습니다. 세번째 열전대는 비스킷에 있는데, 이것은 다이 내부의 핫 스폿입니다.

Thermocouples die spray cooling model

시뮬레이션은 5개의 사이클을 기반으로 하며, 각 사이클은 응고, 방출, 스프레이 냉각 및 주거라는 4개의 세그먼트로 정의됩니다. 전체 다이 캐비티에 걸쳐 일정한 열 전달 계수를 가정하는 암시적 다이 스프레이 냉각 시뮬레이션에서는 실제 공정 값을 사용할 수 없으므로 항상 스프레이의 평균 시간을 추정하기가 어렵습니다. 이 사례 연구에서는 열전대 1의 온도가 측정과 일치하도록 평균 시간을 추정하고 조정합니다. 반대로 각 스프레이 노즐의 냉각을 명시적으로 시뮬레이션하는 새로운 스프레이 냉각 모델의 경우, 실제 분사 프로세스에는 모든 시간 값이 포함되어 있어 시뮬레이션에 직접 전달될 수 있습니다. 이는 새로운 다이 스프레이 냉각 모델의 장점 중 하나입니다.

아래의 첫번째 애니메이션은 스프레이 냉각 중 다이 표면의 스프레이 영역을 보여 줍니다. 두번째 애니메이션은 다섯번째 주기에서 스프레이 냉각 중의 다이 표면 온도를 보여 줍니다. 글로벌 스프레이 및 핫 스팟 스프레이의 효과를 명확하게 확인할 수 있습니다.

Spray area during spray cooling. Simulation courtesy of Audi AG.

Die surface temperature at the fifth cycle of spray cooling. Simulation courtesy of Audi AG.

다섯번째 사이클 동안 세개의 열전대 온도가 다음 그림에 표시되어 있습니다. 실선은 암시적 모델의 결과를 나타내고 점선은 새로운 다이 스프레이 냉각 모델의 결과를 나타냅니다. 사이클이 끝날 때 세개의 열전대의 온도 차이도 표시됩니다. 암시적 모델에서 열전대 1의 온도를 일치시키기 위해 비스킷 영역이 지나치게 냉각되어 열전대 3에서 다이 온도의 90°C차이가 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 극적인 차이입니다. 다이 캐스터의 경우 비스킷의 온도는 다이 캐스팅 프로세스에서 매우 민감한 온도입니다. 사이클이 끝날 때 캐비티(열전대 2)외부의 온도 차이는 20°C입니다. 이러한 값은 실제 공정에서 우수한 품질의 주물이 생산되거나 사출 중에 다이에 응고되는지 여부를 결정합니다. 다이 스프레이 냉각 프로세스의 명확한 시뮬레이션은 정확한 다이 온도 분포를 예측하는 데 매우 중요합니다.

Temperatures thermocouples - die spray cooling model

Conclusions

새로운 다이 스프레이 냉각 모델은 몰드 표면 형태의 영향과 스프레이 노즐의 위치 및 움직임을 고려하여 FLOW-3D 사용자에게 다이 준비의 모든 측면을 모델링 할 수 있는 능력을 제공합니다. 또한 열 다이 사이클 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있고 사실적인 입력 파라미터를 사용하여 다이 표면의 정확한 온도 분포를 정확하게 예측할 수 있습니다. 이를 통해 금속 주물 엔지니어는 다이의 내부 냉각 구조와 스프레이 냉각 매개 변수를 보다 효율적으로 설계하고 평가할 수 있습니다.

References

  1. Müller, et al., A die spray cooling model for thermal die cycling simulations, Transactions of NADCA 2015 Die Casting Congress & Exposition, Indianapolis, T15-101, 2015