Result of Temperature

ProCAST 및 FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정 비교 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 고압 다이캐스팅(HPDC, High Pressure Die Casting)은 자동차, 항공우주, 건축 재료 등 다양한 산업에서 ADC12 알루미늄 합금을 사용하여 복잡한 형상의 부품을 대량 생산하는 데 활용된다.
    • HPDC 공정에서는 버블 모델(Bubble Models), 유동 마크(Flow Marks), 콜드 셧(Cold Shuts)과 같은 주조 결함이 자주 발생한다.
    • 이러한 결함은 시제품 제작 비용 증가, 생산 주기 지연, 제품 신뢰성 저하를 초래한다.
  • 연구 목적:
    • ProCAST 및 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 ADC12 알루미늄 합금 자동차 부품의 HPDC 공정을 시뮬레이션하고, 두 소프트웨어의 충진(Filling) 및 응고(Solidification) 과정 비교.
    • 주조 결함(기포 모델, 수축 캐비티 및 수축 다공성 결함)을 분석하고, 실제 생산과의 정확도 비교를 통해 최적의 시뮬레이션 방법 제시.

연구 방법

  1. 자동차 부품 모델링 및 HPDC 공정 설정
    • ADC12 알루미늄 합금을 사용한 회전체(Rotary Part) 구조의 복잡한 형상 부품을 대상으로 연구.
    • 부품의 순중량 0.45 kg, 최대 직경 68 mm, 평균 벽 두께 3.2 mm.
    • 게이팅 시스템(Gating System) 및 오버플로우 시스템(Overflow System)을 설계하여 CAD 모델 생성(Fig.1, Fig.2).
    • 주조 조건:
      • 주입 온도: 680℃
      • 금형 초기 온도: 200℃
      • 사출 속도: 2.4 m/s
      • 인게이트 속도(Ingate Velocity): 40 m/s
      • 냉각 조건: 공기 냉각
  2. ProCAST 시뮬레이션
    • 유한 요소법(FEM, Finite Element Method)을 사용.
    • 188,107개의 노드, 1,010,920개의 사면체 요소(Tetrahedron Elements)로 메쉬 생성(Fig.3).
    • 온도장(Temperature Field) 변화 분석:
      • 충진 시간 0.052 s 동안 액체 금속이 금형을 완전히 충전.
      • 버블 모델 및 수축 캐비티, 수축 다공성 결함이 A 및 B 영역에서 발생(Fig.4, Fig.5).
  3. FLOW-3D 시뮬레이션
    • 유한 차분법(FDM, Finite Difference Method)을 사용하여 고급 액면 추적 기능 제공.
    • STL 형식의 3D 모델을 사용하여 2개의 그리드 블록으로 분할(Fig.6).
    • 충진 과정 동안 튀김(Splash) 현상 발생(Fig.7):
      • A 영역에서는 고속 및 고압으로 공기를 쉽게 배출하여 기포 결함 발생 억제.
      • B 영역에서는 부드럽게 충진되어 기포 모델 결함 발생하지 않음.
    • 표면 결함 추적 결과(Fig.8):
      • 명확한 표면 결함 없음, 총 충진 시간 0.0455 s로 ProCAST보다 빠른 충진 속도.

주요 결과

  1. ProCAST vs. FLOW-3D 비교
    • ProCAST 시뮬레이션:
      • A 및 B 영역에서 기포 모델 결함 발생, 실제 주조물에서도 동일한 결함이 예상됨.
      • 수축 캐비티 및 다공성 결함의 총 부피 약 0.253 cm³.
    • FLOW-3D 시뮬레이션:
      • 오버플로우 성능이 우수하여 공기 배출 경로를 변경, 기포 모델 결함 발생을 억제.
      • A 및 B 영역에서 결함이 거의 발생하지 않음, 실제 주조물과 높은 일치도(Fig.9).
  2. 정확도 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 실제 생산과 더 높은 일치도를 보임.
    • ProCAST는 버블 모델 및 수축 결함을 과대 예측하였으나, FLOW-3D는 결함을 최소화.
    • FLOW-3D의 충진 속도가 더 빠르고 정확하게 금형을 충전할 수 있음을 확인.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어가 ProCAST보다 ADC12 알루미늄 합금 자동차 부품의 HPDC 공정에서 더 높은 정확도를 제공.
    • FLOW-3D는 액체 금속의 충진 과정과 표면 결함을 정밀하게 예측할 수 있으며, 실제 생산 품질을 보장할 수 있음.
    • ProCAST와 FLOW-3D의 알고리즘 차이로 인해 시뮬레이션 결과가 일치하지 않을 수 있음:
      • ProCAST: FEM 기반으로 세부 결함 분석에 유리.
      • FLOW-3D: FDM 기반으로 액체 유동 및 표면 결함 추적에 강점.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 주조 재료 및 공정 변수에 대한 추가 비교 연구.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 주조 결함 예측 모델 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 최적 HPDC 공정 설계 및 실증 실험 수행.

연구의 의의

이 연구는 ProCAST 및 FLOW-3D 시뮬레이션을 통한 HPDC 공정의 비교 분석을 통해 최적의 소프트웨어 선택 가이드라인을 제공하며, 자동차 및 항공우주 산업의 주조 품질 향상 및 생산성 증대에 기여할 수 있다​.

Reference

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  7. Information on http://www.flow3d.com.
Comparative analysis of HPDC process of an auto part with ProCAST and FLOW-3DDownload