CAE 시뮬레이션으로 압력 다이캐스팅 결함 제거: 공정 최적화 가이드

이 기술 요약은 Vinod V Rampur가 작성하여 2016년 IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology에 발표한 “PROCESS OPTIMIZATION OF PRESSURE DIE CASTING TO ELIMINATE DEFECT USING CAE SOFTWARE” 논문을 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D에 의해 기술 전문가들을 위해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: CAE 시뮬레이션
• Secondary Keywords: 압력 다이캐스팅, HPDC, Z-cast, 결함 제거, 공정 최적화, 게이팅 시스템

Executive Summary

• 과제: 알루미늄 합금 부품의 압력 다이캐스팅 공정 중 중요 위치에서 가스 혼입, 수축공 등과 같은 결함이 쉽게 발생합니다.
• 방법: Z-cast CAE 소프트웨어를 사용하여 금형 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하고, 게이팅 시스템, 러너 및 오버플로우 위치를 최적화했습니다.
• 핵심 돌파구: 시뮬레이션 결과를 바탕으로 게이팅 시스템과 오버플로우 설계를 수정하여 공기 혼입을 성공적으로 줄이고 용탕 충전 과정을 개선했습니다.
• 핵심: CAE 시뮬레이션은 생산 전 주조 결함을 예측하고 제거하여 시간과 비용을 절약하고 제품 품질을 향상시키는 필수적인 도구입니다.

과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

압력 다이캐스팅(HPDC)은 높은 치수 정확도와 복잡한 형상을 요구하는 소형 및 중형 부품의 대량 생산에 널리 사용되는 공정입니다. 그러나 이 공정은 가스 결함, 수축공, 금형 재료 결함 등 다양한 결함에 취약합니다. 특히 알루미늄 합금 부품의 경우, 중요 위치에서 결함이 쉽게 형성되어 최종 제품의 품질에 치명적인 영향을 미칠 수 있습니다.

기존의 방식은 실제 금형을 제작하고 시험 주조를 통해 문제점을 파악해야 하므로 시간과 비용이 많이 소요됩니다. 따라서 생산에 들어가기 전에 금형 충전 및 응고 과정을 정확하게 예측하고, 게이팅 시스템과 공정 변수를 최적화하여 결함을 사전에 방지할 수 있는 효율적인 방법이 필요합니다. 이 연구는 CAE 소프트웨어를 활용하여 이러한 산업적 난제를 해결하는 것을 목표로 합니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구에서는 주조 공정의 결함을 예측하고 최적화하기 위해 체계적인 시뮬레이션 접근법을 채택했습니다. 이 과정은 Z-cast 소프트웨어를 사용하여 자동차 부품인 ‘혼 커버(Horn Cover)’의 압력 다이캐스팅 공정을 분석했습니다.

1. 데이터 수집: 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위해 부품의 3D CAD 모델(STL 형식), 주조 재료(알루미늄 합금 ADC12) 및 금형 재료(HDS BHOLER-W-302)의 물성, 그리고 공정 변수(주입 시간, 온도 등)를 수집했습니다.
2. 설계 및 모델링: 파팅 라인, 게이팅 시스템, 러너, 라이저 및 금형 캐비티의 초기 설계를 진행했습니다.
3. 수치 시뮬레이션 (Z-cast 사용):
   • 금형 및 메쉬 생성, 재료 속성 및 온도를 지정했습니다.
   • 주요 공정 변수는 다음과 같이 설정되었습니다.
     • 충전 시간: 0.06초
     • 사출 속도: 1단 0.2m/sec, 2단 2m/sec
     • 사출 압력: 280 Kg/cm²
     • 용탕 온도: 640°C
     • 금형 예열 온도: 초기 150°C, 안정화 후 180°C (고정측), 220°C (이동측)
4. 최적화: 첫 번째 시뮬레이션 결과를 분석하여 결함의 원인을 파악하고, 게이팅 시스템과 오버플로우 설계를 수정했습니다. 이후 수정된 모델로 다시 시뮬레이션을 수행하여 개선 효과를 검증하는 반복적인 과정을 거쳤습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

시뮬레이션 분석을 통해 게이팅 시스템 및 오버플로우 설계가 주조 품질에 미치는 영향을 명확히 파악하고, 이를 개선하여 결함을 제거할 수 있었습니다.

결과 1: 초기 게이팅 시스템 설계

초기 설계에서는 두 개의 부품을 동시에 생산하기 위해 사이드 게이트를 적용한 게이팅 시스템을 구성했습니다. 이 설계는 캐비티의 수와 부품 형상을 고려하여 파팅 라인과 게이팅 위치를 결정한 기본적인 설정입니다. 이 초기 모델은 후속 시뮬레이션 결과와 비교하기 위한 기준선 역할을 합니다.

결과 2: 오버플로우 설계의 문제점 발견

두 번째 시뮬레이션 결과, 오버플로우의 설계에 중대한 문제점이 있음이 밝혀졌습니다. 오버플로우는 미충전 결함을 줄이기 위해 설치되었지만, 시뮬레이션 결과 상단 오버플로우 섹션에 갇힌 공기가 오버플로우의 측면 입구를 통해 다시 금형 캐비티로 역류하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 오버플로우가 의도와 달리 오히려 가스 결함의 원인이 될 수 있음을 보여주는 중요한 발견입니다.

결과 3: 오버플로우 설계를 통한 결함 해결

이전 결과에서 발견된 공기 역류 문제를 해결하기 위해 오버플로우 설계를 수정했습니다. 공기가 역류하던 경로에 ‘스텝(step)’ 구조를 추가하여 공기가 부품 내부로 다시 들어오는 것을 물리적으로 차단했습니다. 수정된 설계로 최종 시뮬레이션을 수행한 결과, 공기 혼입 문제가 해결되어 개선된 결과를 얻을 수 있었습니다. 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제작된 최종 주조품은 분석에서 예측된 것과 거의 일치하는 높은 정확도를 보여주었습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 게이팅 시스템과 특히 오버플로우의 위치 및 설계가 공기 혼입에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 시뮬레이션을 통해 이러한 요소들을 사전에 최적화함으로써 가스 관련 결함을 줄이고 공정 안정성을 높일 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 시뮬레이션 결과(결과 2)는 공기가 재유입될 수 있는 잠재적인 결함 발생 영역을 명확히 보여줍니다. 이는 품질 검사 시 다공성 결함에 대해 집중적으로 확인할 부분을 제시하며, 시뮬레이션이 품질 예측 도구로서 유효함을 입증합니다.
• 설계 엔지니어: 오버플로우와 같은 기능적 요소의 설계가 얼마나 중요한지를 강조합니다. 잘못 설계된 오버플로우는 오히려 역효과를 낼 수 있습니다. 이는 금형 설계 초기 단계부터 유동 해석을 고려하여 결함 발생 가능성을 최소화해야 함을 시사합니다.

논문 정보

PROCESS OPTIMIZATION OF PRESSURE DIE CASTING TO ELIMINATE DEFECT USING CAE SOFTWARE

1. 개요:

• 제목: PROCESS OPTIMIZATION OF PRESSURE DIE CASTING TO ELIMINATE DEFECT USING CAE SOFTWARE
• 저자: Vinod V Rampur
• 발행 연도: 2016
• 학술지/학회: IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology
• 키워드: Casting, HPDC, Z-cast, CAE Software, Simulation

2. 초록:

다이캐스팅은 액체 재료를 원하는 형상의 공동(hallow cavity)을 포함하는 금형에 압력을 가해 주입한 후, 용융 금속을 응고시키는 제조 공정이다. 응고된 부품은 주물(casting)이라고 하며, 공정을 완료하기 위해 배출되거나 분리된다. 이 프로젝트의 목표는 툴, 다이 및 게이팅 시스템을 개발하는 것이다. 가스 결함, 수축공, 금형 재료 결함, 주입 재료 결함, 야금학적 결함 등과 같은 결함을 식별하고 CAE 소프트웨어를 사용하여 결함을 줄이기 위한 조치를 취한다. 게이팅 시스템, 러너 및 오버플로우 위치를 변경하여 금형에 갇히는 공기의 양을 줄이고, 최상의 품질 제품과 향상된 생산성을 위해 게이팅 시스템과 공정 변수를 최적화한다. 알루미늄 합금 부품의 압력 다이캐스팅 중 중요 위치에서 결함이 쉽게 형성될 수 있다. 이는 주물에 결함 효과를 미친다. 부품의 금형 충전 및 응고 과정은 Z-cast 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션되었다.

3. 서론:

다이캐스팅은 액체 재료를 원하는 형상의 공동을 포함하는 금형에 압력을 가해 주입한 후, 용융 금속을 응고시키는 제조 공정이다. 다이캐스팅 합금은 저융점 합금(주석, 납, 아연)부터 고융점 합금(알루미늄, 마그네슘, 구리)까지 다양하다. 저융점 합금에는 열간 챔버 기계를, 고융점 합금에는 냉간 챔버 기계를 사용할 수 있다. 고압 다이캐스팅(HPDC)은 높은 치수 정확도와 복잡한 기하학적 형상을 요구하는 다수의 소형 및 중형 부품 생산에 적합하며, 저비용 부품에도 사용된다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡하고 정밀한 부품을 대량 생산하는 데 효율적이지만, 가스 혼입이나 수축공과 같은 결함이 발생하기 쉬워 제품 품질과 생산성에 영향을 미친다. 이러한 결함을 줄이기 위해 CAE(Computer-Aided Engineering) 시뮬레이션의 필요성이 대두되었다.

이전 연구 현황:

많은 주조 공장에서 CAD/CAM 및 시뮬레이션을 사용하여 특정 제품의 주조 리드 타임을 단축하고 있다. 주조 시뮬레이션은 이제 주조소 운영의 필수적인 부분으로 자리 잡고 있다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 CAE 소프트웨어를 사용하여 압력 다이캐스팅 공정에서 발생하는 결함을 식별하고 제거하는 것이다. 구체적으로 게이팅 시스템, 러너, 오버플로우 위치를 변경하여 금형 내 공기 혼입을 줄이고, 충전율과 응고율 분석을 통해 공정을 최적화하여 고품질의 제품을 생산하는 것을 목표로 한다.

핵심 연구:

자동차 부품인 ‘혼 커버’를 대상으로 Z-cast 소프트웨어를 사용하여 다이캐스팅 공정을 시뮬레이션했다. 초기 설계안의 시뮬레이션을 통해 문제점을 파악하고, 특히 오버플로우 설계 수정에 초점을 맞추어 공기 혼입 결함을 해결하는 과정을 분석했다. 수정된 설계를 통해 결함이 없는 시뮬레이션 결과를 도출하고, 이를 통해 최종 제품의 품질을 향상시켰다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 데이터 수집, 설계 및 모델링, 수치 시뮬레이션, 최적화의 4단계로 구성된 체계적인 절차를 따랐다. 각 시뮬레이션 라운드 후 결과를 분석하여 설계를 수정하고 다시 시뮬레이션하는 반복적인 접근법을 사용했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 데이터 수집: CATIA와 같은 CAD 소프트웨어를 사용하여 부품의 3D 모델(STL)을 개발하고, 주조 금속(ADC12) 및 금형의 재료 속성, 주입 시간 및 온도와 같은 공정 변수를 수집했다.
• 분석 방법: Z-cast 소프트웨어를 사용하여 금형 생성, 메쉬 생성, 재료 및 온도 설정, 다이캐스트 세부 사항 지정 후 시뮬레이션을 수행했다. 시뮬레이션 완료 후 충전 및 응고 패턴을 분석하여 결함을 식별했다.

연구 주제 및 범위:

연구 대상은 알루미늄 합금(ADC12)으로 제작되는 자동차 부품 ‘혼 커버’이다. 연구 범위는 CAE 시뮬레이션을 통한 게이팅 시스템 및 오버플로우 설계 최적화에 국한되며, 이를 통해 공기 혼입 결함을 제거하고 제품 품질을 개선하는 과정을 다룬다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 초기 게이팅 시스템 설계 후 시뮬레이션 결과, 오버플로우 상단에 갇힌 공기가 캐비티로 다시 유입되는 문제점을 발견했다.
• 오버플로우 설계에 ‘스텝’ 구조를 추가하여 공기의 역류를 차단함으로써 이 문제를 해결했다.
• 최종 수정된 설계를 통해 얻은 시뮬레이션 결과는 결함이 개선되었음을 보여주었으며, 이를 기반으로 제작된 실제 주조품은 예측과 거의 일치하는 높은 정확도를 보였다.

그림 목록:

• (Figure 1) COMPONENT – HORN COVER
• (Figure 2) Horn cover with proper gating systems
• (Figure 3) Filling regions in the casting after solidification
• (Figure 4) Component with gating system with modified overflows
• (Figure 5) FINAL COMPONENT AFTER CASTING

7. 결론:

• 주조 공정 중 샷 슬리브에 존재하는 공기를 줄여 제품 품질을 향상시킬 수 있다.
• HPDC 기계를 사용하여 주조 공정 전 설정 시간을 단축할 수 있다.
• 플런저 움직임을 통해 주조 공정에서 용탕의 흐름을 제어하여 주조 공정을 최적화할 수 있다.
• 툴 설계 공정에 소요되는 시간이 단축되고, 주조 공정에 필요한 최소 시간과 재료 낭비가 줄어든다.
• 시뮬레이션은 사용자에게 제품 품질의 수용 가능 여부에 대한 정보를 제공한다.
• HPDC 기계와 시뮬레이션 결과를 활용하여 스크랩, 낭비, 생산 시간을 줄이고 제품 품질을 향상시킬 수 있다.
• 시뮬레이션 결과를 통해 제조업체는 게이트, 러너, 라이저 위치 및 오버플로우 위치를 설계하여 금형 캐비티에 용탕을 채우는 최상의 솔루션을 얻을 수 있다.

8. 참고 문헌:

1. Dargusch M.S., Dour.G, Schauer.N, Dinnis C.M., Savage G., The influence of pressure during solidification of high pressure die cast aluminium telecommunications components, J. Mater. Process. Technol. 180 (1-3) (2006) 37-43.
2. Reddy A.P, Pande S.S and Ravi B., IIT – Bombay, “Computer Aided Design of die casting dies”
3. Muthu kumar. B., “Design and development of pressure die casting”, GT&TC, Bengaluru
4. Herman E.A, Heat Flow in the Die Casting Process, Society of Die Casting Engineers, 1985.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 연구에서 Z-cast 소프트웨어를 사용한 이유는 무엇인가요?

A1: 이 연구는 Z-cast를 사용하여 게이팅 시스템 변경에 따른 금형 내 공기 혼입량 감소와 같은 구체적인 분석을 수행했으며, 이를 통해 공정 최적화를 달성했습니다.

Q2: “최종 결과 3″에서 공기 재유입을 막기 위해 적용된 구체적인 수정 사항은 무엇이었나요?

A2: 논문에 따르면, 이전 결과에서 오버플로우가 파손되었던 부분에 ‘스텝(step)’을 제공했습니다. 이 오버플로우의 변경으로 인해 공기가 부품으로 들어오는 것을 차단할 수 있었습니다. 즉, 공기가 역류하던 경로에 물리적인 장애물을 설치하여 문제를 해결한 것입니다.

Q3: 시뮬레이션에 사용된 핵심 공정 변수들은 무엇이었나요?

A3: 시뮬레이션에 사용된 주요 변수는 다음과 같습니다. 충전 시간은 0.06초, 1단 사출 속도는 0.2m/sec, 2단 사출 속도는 2m/sec였습니다. 사출 압력은 280 Kg/cm², 시스템 압력은 150 Kg/cm²로 설정되었습니다. 또한, 용탕 주입 온도는 640°C, 금형 예열 온도는 150°C(초기)에서 180°C~220°C(안정화)로 설정되었습니다.

Q4: 게이팅 시스템, 러너, 오버플로우 중 이 연구에서 결함 제거에 가장 큰 영향을 미친 요소는 무엇이었나요?

A4: 연구 결과는 오버플로우 설계 수정에 가장 중점을 두고 있습니다. “결과 2″에서 오버플로우 설계로 인한 공기 역류 문제를 명확히 식별했고, “최종 결과 3″에서는 오버플로우 설계를 수정하여 이 문제를 해결했습니다. 따라서 이 연구에서는 오버플로우 설계가 공기 혼입 결함을 제거하는 데 가장 결정적인 역할을 했다고 볼 수 있습니다.

Q5: CAE 시뮬레이션이 제품 주조의 리드 타임을 어떻게 단축시킬 수 있나요?

A5: 논문의 3.1절에 따르면, 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 “가상 시험(virtual trails)”을 줄일 수 있습니다. 이는 물리적인 금형 제작과 시험 주조를 통한 시행착오 과정을 더 빠르고 비용 효율적인 디지털 시뮬레이션으로 대체할 수 있음을 의미합니다. 이를 통해 결함을 사전에 예측하고 설계를 최적화함으로써 전체 개발 기간과 리드 타임을 단축할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 압력 다이캐스팅 공정에서 발생하는 공기 혼입과 같은 고질적인 문제를 해결하는 데 CAE 시뮬레이션이 얼마나 효과적인지를 명확하게 보여줍니다. 특히 금형 충전 및 응고 과정을 분석하여 게이팅 시스템과 오버플로우 설계를 최적화하는 것이 결함 예방의 핵심임이 입증되었습니다. 이러한 사전 예측 및 최적화 접근 방식은 물리적 시험에 드는 시간과 비용을 절감하고, 최종 제품의 품질과 생산성을 크게 향상시킵니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “Vinod V Rampur”의 논문 “PROCESS OPTIMIZATION OF PRESSURE DIE CASTING TO ELIMINATE DEFECT USING CAE SOFTWARE”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
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