Fig.2 Casting filling process

특정 자동차 후방 캐빈의 일체형 다이캐스팅 부품 공정 분석 및 결함 개선

Fig.2 Casting filling process
Fig.2 Casting filling process

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 자동차 경량화는 연료 효율성과 환경 보호를 위해 필수적이며, 이를 위해 일체형 다이캐스팅 기술이 널리 활용됨.
  • 자동차 후방 캐빈(Rear Cabin)은 차체의 중요한 구조적 요소이며, 강도, 내구성, NVH(소음·진동·불쾌감) 성능에 영향을 미침.
  • 대형 다이캐스팅 부품은 두께 불균형 및 복잡한 형상으로 인해 기공(Porosity)과 기계적 강도 저하 문제가 발생할 가능성이 큼.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 자동차 후방 캐빈 다이캐스팅 공정 중 충진(Filling) 및 결함 발생 과정을 시뮬레이션.
  • U자형 슬롯(U-shaped groove)에서 발생하는 기공 결함을 분석하고 개선 방법을 제시.
  • 개선된 설계를 실험적으로 검증하여 기계적 성질 향상을 평가.

연구 방법

제품 구조 및 다이캐스팅 공정 설계

  • 대상 부품: 알루미늄 합금(JDA1B)으로 제작된 자동차 후방 캐빈.
  • 부품 크기: 1591mm × 1311mm × 777mm, 중량 63.377kg.
  • 평균 벽 두께: 2.5mm(최대 10mm 이상 불균형 구조 포함).
  • FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 충진 및 응고 거동 분석.

압력 다이캐스팅 시스템

  • 72,000kN 다이캐스팅 기계 사용(계산된 최소 요구 클램핑력: 69,060kN).
  • 금속 용탕(알루미늄) 주입 온도: 720℃.
  • 충진 속도: 저속(0.2m/s) → 고속(6.5m/s) 단계적 변화.
  • 압력: 34MPa 유지.

FLOW-3D 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
  • U자형 슬롯에서 발생하는 금속 유동 거동 및 공기 함유 현상 분석.

주요 결과

초기 충진 시뮬레이션 결과

  • U자형 슬롯 내부에서 충진 말기 공기 혼입(Entrapped Air) 발생 → 기공 형성 확인.
  • X-ray 분석 결과, 해당 부위에서 내부 기공 결함이 다수 발견됨.
  • 기공이 기계적 강도를 저하시켜, 평균 연신율(Elongation)이 요구 기준(≥5%)을 충족하지 못함.

개선된 설계 및 효과 분석

  • 기존 설계의 오버플로우(Overflow) 시스템을 최적화하여 공기 함유 현상을 줄임.
  • U자형 슬롯 내 독립적인 배기 시스템 추가 → 공기 방출 효율 증가.
  • FLOW-3D 재시뮬레이션 결과, 금속 유동이 안정화되고 기공 감소.
  • X-ray 분석 결과, 내부 구조가 더 조밀해졌으며 기공 결함이 현저히 감소.

기계적 성질 개선

  • 최적화된 설계로 생산된 샘플의 평균 연신율(Elongation)이 기존 대비 30% 증가.
  • 기공 감소로 인해 제품 강도 및 내구성 향상 확인.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션이 다이캐스팅 공정 최적화에 효과적임을 입증.
  • U자형 슬롯의 공기 함유 문제를 해결하기 위해 배기 시스템 최적화가 필요.
  • 최적화된 다이캐스팅 설계를 통해 내부 결함을 줄이고 기계적 강도를 향상시킬 수 있음.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과를 보다 정밀하게 분석.
  • 실제 생산 환경에서의 대규모 실험을 통한 추가 검증 수행.
  • 다양한 다이캐스팅 합금 및 주조 조건에 따른 결함 제어 연구 진행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 자동차 후방 캐빈 다이캐스팅 부품의 결함을 분석하고, 최적화된 설계를 통해 기계적 성질을 향상시킨 연구로, 향후 대형 일체형 다이캐스팅 기술의 품질 개선 및 산업 적용에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.

Fig.6 X-ray detection of the specimens
Fig.6 X-ray detection of the specimens
Fig.9 Die-casting flow field in the U-shaped groove area after optimizing overflow system
Fig.9 Die-casting flow field in the U-shaped groove area after optimizing overflow system
Fig.10 X-ray results of optimized sample
Fig.10 X-ray results of optimized sample

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