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FLOW-3D를 이용한 저압 주조(LPC, Low Pressure Casting) 공정 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 저압 주조(LPC) 공정은 박벽(Thin-Walled) 및 중공(Hollow) 부품 제조에서 우수한 품질과 미적 요소를 충족할 수 있는 주조 기술로 인정받고 있다.
    • 그러나 LPC 공정의 복잡한 처리 매개변수(예: 용탕 온도, 금형 온도, 압력 및 지속 시간)로 인해 최적화가 어렵다.
    • 수치 시뮬레이션을 통해 이러한 매개변수를 효과적으로 제어할 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 LPC 공정 중 몰드 충진 및 응고 과정을 시뮬레이션.
    • 금형 충진 시 발생 가능한 결함(예: 가스 포집, 수축 다공성)을 분석.
    • 최적의 압력 시퀀스를 도출하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어의 유한 차분법(FDM, Finite Difference Method)을 사용.
    • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 통해 금형 형상 모델링.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 추적(Free Surface Tracking) 수행.
    • 열전달(Heat Transfer) 및 상변화(Phase Change)를 포함한 에너지 방정식을 사용하여 응고 과정 시뮬레이션.
  2. LPC 공정 설정 및 초기 조건
    • 금형 설계 및 재료:
      • LM6 알루미늄 합금을 사용하여 H13 강철 금형에 주조.
      • 금형 초기 온도: 350°C, 용탕 온도: 760°C 설정.
    • 압력 시퀀스:
      • 초기 대기압(Atmospheric Pressure)을 적용하고, 작은 벤트(Small Vent) 입구를 통해 점진적 압력 증가.
      • 압력 램프(Pressure Ramp) 기법을 통해 몰드 충진 중 난류(Turbulence) 최소화.
    • 격자 설정:
      • 1.6백만 개의 보셀(Voxel)을 사용한 3.5 mm 메쉬 크기.
      • 최적 메쉬 크기를 사용하여 모델 정확도 향상.

주요 결과

  1. 몰드 충진 시퀀스 분석
    • 몰드 충진 시간: 약 6.5초 소요.
    • 충진 시 층류 흐름(Laminar Flow)을 유지하여 가스 포집(Gas Entrapment)과 같은 결함 발생 억제.
    • 금형 내 온도 분포:
      • 용탕이 몰드에 진입 시 687°C의 온도를 유지.
      • 냉각 패턴이 일관되게 나타나며, 응고 결함 최소화.
  2. 응고 과정 및 온도 분포
    • 응고 완료 시간: 약 103.5초.
    • 액상에서 고상으로의 변화가 선형적으로 진행.
    • 고상 분율(Solid Fraction)이 0에서 1로 변환되는 동안 열전달이 균일하게 이루어짐.
    • 실험적으로 얻은 주조물(Fig. 4)과 비교 시 완전 충진 및 결함 없는 주조물을 확인.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 적용된 압력-시간 프로파일이 람inar 충진 시퀀스를 제공하여 충진 결함 최소화.
    • 온도 분포가 합금의 고상온도(Solidus Temperature) 이상을 유지하여 주조물의 완벽한 충진 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어가 LPC 공정 시 주조물의 몰드 충진 및 응고 과정을 정확하게 예측할 수 있음.
    • 적절한 압력 시퀀스 설정을 통해 람inar 흐름을 유지하고 가스 포집 및 응고 결함을 억제할 수 있음.
    • 온도 분포와 금형 온도 설정이 적절하여 완벽히 충진된 주조물 제조 가능.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 합금 재료 및 금형 재질을 대상으로 모델 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 LPC 공정 최적화 시스템 개발.
    • 산업 응용을 위한 최적 LPC 공정 설계 및 실증 실험 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 저압 주조 공정의 몰드 충진 및 응고 과정을 정량적으로 평가하고, 주조물의 품질을 향상시킬 수 있는 최적의 공정 매개변수를 제시하며, 자동차 및 항공우주 산업의 생산성 증대와 비용 절감에 기여할 수 있다​.

Reference

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