FLOW-3D MESH

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화

연구 목적

  • 본 논문은 **FLOW-3D®**를 사용하여 **고압 다이캐스팅(HPDC)**에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실을 수치적으로 분석함.
  • 주조 과정에서 발생하는 **기공(porosity), 공기 함유량, 유동 손실 계수(loss coefficient)**를 측정하고 모델링함.
  • 실험 데이터를 바탕으로 CFD 모델을 보정하여 실제 다이캐스팅 공정의 유동 손실을 예측함.
  • 공기 배출 및 유동 손실을 효과적으로 제어할 수 있는 주조 설계 최적화 방안을 제안함.

연구 방법

  1. 공기 유동 및 손실 모델링
    • 공기 유동 손실은 배출구, 이젝터 핀, 잔류 누출 경로에서 발생하는 것으로 가정됨.
    • FLOW-3D®의 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 활용하여 유동 손실을 분석함.
    • Darcy 마찰계수 및 Moody 다이어그램을 활용한 기존 이론 모델과 비교 검증함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 유체 유동을 분석하기 위해 압력 강하(pressure drop) 및 공기 배출 경로를 모델링함.
    • 공기 유동을 비압축성 가스로 모델링한 경우와 단열 기포 모델을 적용한 경우를 비교 분석함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  3. 실험 데이터 기반 검증
    • 실험은 Littler DieCast에서 수행되었으며, 금속이 없는 상태에서 공기 유동 실험을 진행함.
    • 다음의 5가지 조건에서 실험을 수행함.
      1. 모든 배출구 개방 (All Open)
      2. 배큠 밸브 닫힘 (Vacuum Closed)
      3. 분할선 닫힘 (Parting Line Closed)
      4. 이젝터 핀 및 분할선 닫힘 (Ejector and Parting Line Closed)
      5. 모든 배출구 닫힘 (All Closed)
    • 압력 변화 곡선을 측정하여 유동 손실을 정량화함.
  4. 추가 분석
    • 배출구 크기, 이젝터 핀 배치, 누출 경로 변화에 따른 유동 손실 변화를 분석함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교하여 손실 계수를 보정함.
    • 고압 다이캐스팅에서 공기 배출 효율을 높일 수 있는 설계 변경안을 평가함.

주요 결과

  1. 유동 손실 및 압력 강하 분석
    • 실험 결과, 배큠 밸브가 주요 배출 경로이며, 밸브가 닫힐 경우 내부 압력이 증가함.
    • 이젝터 핀이 열려 있을 경우에도 압력 강하가 크지 않음 (압력 차 2psi 이하).
    • 분할선 배출은 압력에 거의 영향을 미치지 않으며, 배출 설계 시 주요 고려 대상이 아님.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • “All Closed” 실험과 CFD 결과 비교 시, 압력 차이가 5% 이내로 유사하게 예측됨.
    • 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 적용한 경우, 실험과 가장 일치하는 압력 곡선을 보임.
    • 잔류 누출(Residual Leak)이 존재할 경우, 모델과 실험 간 차이가 발생하며, 이는 금형 설계 시 고려해야 함.
  3. 배출 경로 최적화 가능성
    • 배큠 밸브가 없는 경우에도, 연장된 러너 시스템이 자연 배출구 역할을 수행할 수 있음.
    • 잔류 누출 경로(shot sleeve, parting line 등)가 전체 유동 손실에 미치는 영향이 큼.
    • 이젝터 핀 및 잔류 배출구를 최적화하면 배큠 밸브 없이도 효과적인 공기 배출 가능.
  4. 설계 개선 및 향후 연구 방향
    • FLOW-3D®를 활용하여 밸브 형상 및 배출 경로 최적화 가능.
    • 잔류 누출을 고려한 CFD 모델을 추가적으로 보정할 필요가 있음.
    • 실제 금속 충진 실험과 결합하여 기공 형성 및 공기 배출 성능을 종합적으로 분석해야 함.

결론

  • FLOW-3D® 시뮬레이션은 고압 다이캐스팅의 공기 유동 손실 분석에 효과적임.
  • 배큠 밸브가 없어도 연장된 러너 시스템을 활용하여 공기 배출 가능함.
  • 단열 기포 모델을 적용한 CFD 결과가 실험과 가장 높은 일치도를 보임.
  • 향후 연구에서는 금속 충진 과정까지 포함한 종합적인 유동 해석이 필요함.

Reference

  1. White, F.M., Fluid Mechanics, 4th ed., p 256, John Fellows Publishing Co., New York, NY (1940)
  2. Flow of Fluids Through Valves, Fittings, and Pipe, Crane Technical Paper No. 410, Joliet, IL: Crane Co., 1988.
  3. C.W. Hirt and B.D. Nichols, “Volume-of-Fluid (VOF) Method for the Dynamics of. Free Boundaries,” J.
    Comp. Phys., 39, 1981, pp. 201-225.
  4. FLOW-3D® v 9.4 Manual
  5. Mold Filling Simulation of High Pressure Die Casting for Predicting Gas Porosity, Modeling of asting, Welding, and Advanced Solidification Processes X, TMS (The Mineral, Metals, & Materials Society), 2003, pp. 335
  6. Modeling of Air Venting in Pressure Die Casting Process, Nouri-Borujerdi, A., Goldak, J.A., AD, Journal of Manufacturing and Science and Engineering, ASME, 2004
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