HPDC

FLOW-3D 소프트웨어를 기반으로 한 라디에이터 다이캐스팅 주입 시스템 설계

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D®를 사용하여 라디에이터 다이캐스팅 공정의 게이팅 시스템(Gating System) 설계 최적화를 수행함.
  • 두 가지 다른 게이트 구조를 비교 분석하여 금속 충진(filling) 및 결함 형성을 평가함.
  • 기포(Porosity), 산화물(Oxide Inclusion), 불완전 충진(Incomplete Filling) 등의 결함을 예측하고 최적의 설계안을 도출함.
  • 최적화된 게이팅 시스템이 충진 균일성 및 표면 결함 감소에 미치는 영향을 분석함.

연구 방법

  1. 다이캐스팅 모델링 및 실험 설정
    • 라디에이터 고압 다이캐스팅(HPDC)을 위한 두 가지 게이트 구조를 설계함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 금속 충진 과정 및 결함 발생 영역을 예측함.
    • 실험적으로 주입 온도(680°C), 금형 예열 온도(220°C), 주입 속도(60m/s) 조건을 설정함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 모델을 적용하여 충진 거동을 해석함.
    • 난류 모델 및 자유 표면 추적 기법을 활용하여 공기 혼입 및 금속 유동 패턴을 평가함.
    • 네 가지 게이팅 시스템 변형 모델을 추가적으로 분석하여 최적 설계를 도출함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 각 게이팅 구조에서 금속 충진 균일성, 표면 결함 분포, 산화물 혼입 여부를 평가함.
    • 시뮬레이션을 통해 예측된 결함 위치를 실제 주조 실험과 비교하여 검증함.
    • 최적의 게이트 및 오버플로우 트로프(Overflow Trough) 설계를 도출함.

주요 결과

  1. 충진 균일성 및 유동 패턴 분석
    • 최적의 게이팅 시스템에서는 금속이 고르게 충진되며 표면 결함이 최소화됨.
    • 일부 설계에서는 유속이 너무 빠르게 형성되며 산화물 혼입 및 불완전 충진 발생.
    • 오버플로우 트로프를 적절히 배치하면 유동 균형이 개선되며 기공 발생이 감소함.
  2. 결함 예측 및 최적화 가능성
    • 기포 및 산화물 결함은 특정 영역에서 집중적으로 발생하며, 게이팅 디자인 변경으로 30% 이상 감소 가능.
    • 충진 속도가 너무 빠르면 난류 효과가 증가하여 불완전 충진 및 산화물 혼입이 심화됨.
    • 유동 방향을 제어하기 위한 게이트 크기 및 배치 최적화 필요.
  3. CFD 시뮬레이션 검증 결과
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션은 실험 데이터와 85% 이상의 상관관계를 보임.
    • 시뮬레이션을 활용하여 충진 패턴 및 결함 예측이 가능하며, 최적 설계 도출에 효과적.
    • 추가 연구를 통해 다양한 재료 및 환경 조건에서도 적용 가능성 확인 필요.

결론

  • FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션을 활용하여 다이캐스팅 게이팅 시스템 최적화 가능.
  • 최적의 게이팅 설계로 기포 및 산화물 결함을 30% 이상 감소 가능.
  • 충진 속도 및 유동 균형을 고려한 설계가 표면 결함 억제에 중요.
  • 향후 연구에서는 다양한 다이캐스팅 소재 및 복합 설계 적용을 추가적으로 분석할 필요.

Reference

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