Schematic-representation-of-the-structure-of-a-rapid-shell-system-2

코발트 보형물 정밀 주조에서 사용되는 최신 소재 및 방법의 발전

연구 목적

  • 본 논문은 MedCast 프로젝트의 일환으로 정밀 주조(investment casting)에서 사용되는 재료 및 공정 방법을 개선하는 연구를 진행함.
  • 특히, 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 기술과 주조 공정 시뮬레이션(Casting Modelling)에 중점을 둠.
  • 쉘 건조 시간 단축과 산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment, OFEM) 및 미세 기공 결함 감소를 목표로 함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 주조 결함 분석 및 최적화 전략을 도출함.

연구 방법

  1. 고속 쉘 건조 기술(Rapid Shell Technology) 평가
    • 기존 세라믹 쉘 시스템과 비교하여 고속 쉘 건조 기술이 주조 품질에 미치는 영향을 평가함.
    • 쉘의 미세 구조(microstructure) 변화, 기공 형성, 기계적 강도 감소(20%) 등을 분석함.
    • 추가적인 쉘 코팅을 통해 강도를 보완하면서도 건조 시간 단축(1/3 감소) 가능성을 탐색함.
  2. FLOW-3D® 기반 주조 공정 시뮬레이션
    • 산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment Model, OFEM) 모델을 적용하여 산화물 형성 및 최종 위치 예측.
    • 입자 추적 기법을 활용하여 주형 사전 가열 시 생성된 재의 거동을 모델링함.
    • 산화물과 미세 입자(ash particles)의 이동 경로를 예측하고, 결함이 발생하는 주요 영역을 파악함.
  3. 실험 데이터 검증
    • 실제 주조 실험(in-process foundry trials)을 수행하여 시뮬레이션 결과를 검증함.
    • 기공 발생 패턴과 OFEM 예측값을 비교하여 시뮬레이션의 정확성을 평가함.
    • 실험 데이터를 기반으로 주조 결함 저감 전략을 도출함.
  4. 추가 분석
    • 쉘 건조 속도, 산화물 형성 과정, 용탕 충진 패턴 등을 종합적으로 고려하여 최적화 방안을 연구함.
    • 주조 결함을 최소화할 수 있는 쉘 코팅 두께 및 건조 환경 조정 전략을 평가함.

주요 결과

  1. 쉘 건조 속도 및 기계적 특성 변화
    • 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 공정을 적용한 결과, 건조 시간이 1/3로 단축됨.
    • 그러나 기존 쉘 대비 기계적 강도가 20% 감소하는 경향이 확인됨.
    • 추가적인 코팅을 적용하면 강도 저하를 보완하면서도 건조 시간 단축 가능.
  2. 산화물 필름 및 미세 입자 추적 결과
    • FLOW-3D® OFEM 모델을 활용한 시뮬레이션에서, 산화물 필름 혼입이 특정 위치에 집중됨을 확인함.
    • 주형 사전 가열 과정에서 발생한 재(ash) 입자가 주형 내부에 부착됨 → 이는 최종 주조물 표면의 미세 기공 결함(pinhole defects) 발생 원인이 됨.
    • 실험 데이터와 비교했을 때, 입자 추적 시뮬레이션 결과가 높은 상관성을 보임.
  3. 주조 결함 분석 및 개선 가능성
    • 실험 결과, 주조물 상단(top row)에서 기공 결함이 가장 많음.
    • 이는 용탕 충진 시 난류(turbulent flow)와 산화물 혼입이 주요 원인으로 분석됨.
    • 용탕 충진 경로 및 주형 내부 표면 처리 방식을 개선하면 기공 결함을 30% 이상 줄일 수 있음.
  4. 실험과 시뮬레이션 비교 검증
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터 간 80~90%의 상관 관계를 확인함.
    • 다만, 실험에서는 예상보다 더 많은 미세 기공이 발생함 → 이는 주형 내부 잔류 왁스(wax residue) 연소 영향 때문으로 추정됨.
    • 주형 사전 세척 및 표면 처리 개선이 필요함.

결론

  • 고속 쉘 건조 기술은 기존 방식 대비 건조 시간 단축 효과가 크지만, 기계적 강도 저하 문제 해결 필요.
  • FLOW-3D® OFEM 시뮬레이션을 활용하여 산화물 및 미세 기공 결함 원인을 효과적으로 분석 가능.
  • 실험 결과와 시뮬레이션이 높은 일치도를 보이며, 주조 결함 개선을 위한 설계 최적화 가능성 확인.
  • 향후 연구에서는 주형 표면 처리 및 용탕 충진 최적화를 추가적으로 고려해야 함.

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