Filling Simulation

Numerical Simulation of Metal Flow and Solidification in Multi-Cavity Casting Moulds of Automotive Components

FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 다중 캐비티 주조 금형 내 금속 유동 및 응고의 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 자동차 부품 생산에서 다중 캐비티 주조 금형(Multi-Cavity Casting Mould)을 사용하면 생산 효율을 극대화할 수 있다.
    • 자동차용 회색 주철(Grey Iron) 부품인 브레이크 디스크(Brake Disc)와 플라이휠(Flywheel)을 자동 사형 주조(Automatic Sand Casting) 생산 라인을 통해 제작.
    • 주조 공정 중 금속 유동 및 응고 거동을 예측하는 것은 주조 품질 향상 및 결함 최소화에 중요하다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 자동차 부품 주조 공정의 3차원 수치 시뮬레이션을 수행.
    • 다중 캐비티 금형 설계의 적합성 평가주입 시스템(Running System)과 공급 시스템(Feeding System) 최적화.
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델의 신뢰성 검증개선 방안 제시.

연구 방법

  1. 금형 및 시뮬레이션 설정
    • 브레이크 디스크(3개 캐비티) 및 플라이휠(4개 캐비티)의 3D 솔리드 모델(STL 파일 형식)을 생성하고 FLOW-3D 소프트웨어에 적용.
    • 모델링 기법:
      • FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 형상에서도 정확한 해석 가능.
      • VOF (Volume-of-Fluid) 방법을 통해 용융 금속의 자유 표면 이동 및 변형을 추적.
    • 열 물성(Thermo-Physical Properties) 설정:
      • 주철, 실리카 몰드, 세라믹 필터열전도율, 비열, 밀도, 표면 장력 계수 등을 포함 (예: 주철의 밀도 7100 kg/m³, 용융 온도 1504K).
  2. 난류 및 다공성 매체 모델링
    • k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동(Turbulent Flow) 시뮬레이션.
    • 세라믹 필터를 통한 유동 저항 분석을 위해 D’Arcy 모델을 적용:
      • 다공성 매체 내 흐름 저항속도에 선형적으로 비례.
      • 필터 제조업체 제공 데이터를 바탕으로 드래그 계수(Drag Coefficient) 설정.
  3. 실험 설정 및 데이터 검증
    • 정밀 타이머를 이용하여 각 부품의 주입 및 응고 시간 측정:
      • 브레이크 디스크: 주입 시간 9.5초, 응고 시간 300초.
      • 플라이휠: 주입 시간 15초, 응고 시간 250초.
    • 적외선 온도계(Pyrometer)를 사용하여 용탕의 주입 전 온도(1703K) 측정.
    • 주조물 절단 및 현미경 분석을 통해 수축 결함(Shrinkage) 위치 확인.

주요 결과

  1. 브레이크 디스크 (Brake Disc) 결과
    • 주입 시뮬레이션 결과:
      • 주철 용탕이 주입구를 통해 1.0초 만에 1차 러너(Primary Runner) 충전, 6.0초 후 중간 캐비티(Middle Cavity)가 먼저 충전.
      • 시뮬레이션 예측 주입 시간 10.08초, 실험 측정 9.5초와 높은 일치도.
    • 응고 시뮬레이션 결과:
      • 80초 후 게이트(Gate) 부분 완전 응고, 166초 후 2차 러너(Secondary Runner) 응고 완료.
      • 285초 시뮬레이션 응고 시간, 실험 측정 300초와 비교 시 오차 5% 이내.
  2. 플라이휠 (Flywheel) 결과
    • 주입 시뮬레이션 결과:
      • 세라믹 필터를 통과한 용탕이 0.47초 만에 1차 러너 충전, 1.14초 후 게이트를 통해 캐비티 충전 시작.
      • 15.5초 만에 충전 완료, 실험 결과(15초)와 높은 일치도.
    • 응고 시뮬레이션 결과:
      • 50초 후 필터 및 게이트 영역 응고 시작, 100초 후 모든 게이트 응고.
      • 220초에 캐비티 응고 완료, 50초 후 주입 시스템도 응고.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 시뮬레이션을 통한 다중 캐비티 주조 공정의 금속 유동 및 응고 거동 분석이 실제 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 4개 캐비티 금형이 3개 캐비티 금형보다 균일한 주조 품질을 제공.
    • 첫 번째 게이트의 단면적을 줄여 기공(Porosity) 발생 가능성을 줄일 수 있음.
    • 모델은 주조 공정 매개변수(예: 용탕 과열 온도, 주입 속도, 금형 표면 거칠기)의 영향을 분석할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 게이팅 시스템 설계의 적합성 평가.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 주조 공정 최적화 시스템 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 대규모 실증 연구 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 다중 캐비티 주조 금형의 금속 유동 및 응고 거동을 정량적으로 평가하고, 자동차 부품의 생산 효율성과 품질을 극대화할 수 있는 실질적인 설계 기준을 제공하며, 자동차 및 중공업 산업의 비용 절감과 제품 신뢰성 향상에 기여할 수 있다​.

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Casting simulation

Replication Casting and Additive Manufacturing for Fabrication of Cellular Aluminum with Periodic Topology: Optimization by CFD Simulation

주기적 토폴로지를 가진 셀룰러 알루미늄 제작을 위한 복제 주조 및 적층 제조: CFD 시뮬레이션을 통한 최적화

연구 목적

  • 본 연구는 적층 제조(AM) 및 정밀 주조(Investment Casting)를 활용하여 셀룰러 알루미늄을 제작하는 방법을 제시함.
  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 통해 금속 폼(metal foam)의 충진 과정 및 형성 메커니즘을 최적화함.
  • 주기적(open-cell) 구조를 가진 다공성 금속 제작의 적절한 공정 변수를 결정하여 품질을 개선하고자 함.
  • 본 연구에서 개발된 공정이 충격 방지 장치, 진동 감쇠 장치 및 열 전달 향상 장치 등의 다기능 구조물 제작에 적용 가능함을 검증함.

연구 방법

  1. 프리폼(preform) 설계 및 제작
    • ABS 및 왁스를 사용한 3D 프린팅을 활용하여 다공성 구조의 프리폼을 제작함.
    • 정밀 주조 기법을 사용하여 A356 알루미늄 합금으로 프리폼을 금속화(replication casting)하여 최종 구조를 제작함.
    • Rhino 및 FLOW-3D® 소프트웨어를 활용하여 설계 모델을 최적화함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 수행
    • 용탕 충진(filling) 및 응고(solidification) 과정에서 온도 및 유동 패턴을 예측함.
    • 충진 과정에서 발생할 수 있는 기공 형성(porosity) 및 미세 구조 불균일성을 평가함.
    • 시뮬레이션 결과를 기반으로 주조 공정 변수(주조 온도, 주형 온도 등)를 조정하여 최적 조건을 도출함.
  3. 실험 검증 및 결과 분석
    • 충진 실험을 통해 시뮬레이션 결과와 실제 주조물의 품질을 비교 분석함.
    • 주조 후 X-ray 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 통해 미세 구조 및 결함을 평가함.
    • 최적화된 조건에서 제작된 시편을 기계적 특성 시험(충격 흡수, 강도 평가 등)하여 구조적 성능을 검토함.

주요 결과

  1. 주조 충진 거동 및 품질 평가
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과, 최적 충진 조건에서 금속 폼 구조의 85~100% 충진율을 확보함​.
    • 주조 온도와 주형 온도를 조정할 경우, 공기 갇힘(air entrapment) 및 기공 형성률이 감소함.
    • 온도 분포가 균일할수록 다공성 구조의 기계적 강도가 향상됨.
  2. 다공성 구조 특성 및 기계적 성능 평가
    • 주조된 알루미늄 폼의 미세 구조는 설계된 주기적 셀 구조와 일치함.
    • 720°C의 주조 온도와 500°C의 주형 온도에서 가장 높은 품질을 달성함​.
    • 충격 저항 및 기계적 강도가 높은 특성을 보여, 진동 감쇠 및 충격 방지 소재로 활용 가능함.
  3. 시뮬레이션 및 실험 결과 비교 검증
    • 실제 주조 결과와 CFD 시뮬레이션 예측 간 높은 상관관계 확인.
    • 다공성 구조 제작 시 균일한 충진 및 결함 최소화를 위한 시뮬레이션 기반 설계 최적화가 효과적임.
    • Rhino 및 FLOW-3D®를 결합한 설계-제조 프로세스가 고품질의 금속 폼 제작에 적합함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 다공성 금속 폼 제작 공정을 최적화할 수 있음을 입증함.
  • 720°C 주조 온도와 500°C 주형 온도에서 가장 높은 품질을 확보할 수 있음.
  • 적층 제조와 정밀 주조를 결합한 공정이 다양한 산업 분야(충격 방지, 열 교환 등)에 활용 가능함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 재료 및 주조 변수에 따른 기계적 성능 최적화를 추가적으로 검토할 필요가 있음.

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Coupling

Experimental and Numerical Analysis of Flow Behavior and Particle Distribution in A356/SiCp Composite Casting

A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포에 대한 실험적 및 수치적 분석

연구 목적

  • 본 연구는 A356/SiCp 복합재 주조 과정에서 유동 거동 및 입자 분포를 실험적·수치적으로 분석하는 것을 목표로 함.
  • 실시간 X선 방사 촬영(Real-time X-ray radiography)을 이용하여 주형 충진 과정을 관찰하고, 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션과 비교함.
  • Euler 및 Lagrangian 방법을 적용하여 유체 흐름 및 입자 분포를 모델링하고, 예측 결과와 실험 결과를 검증함.
  • 복합재 주조 과정에서 발생하는 입자 분리(particle segregation) 현상을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 데이터 수집
    • 실시간 X선 방사 촬영(RT-XRR)을 활용하여 주조 과정 동안 유체 유동 및 입자 이동을 추적함.
    • A356/SiCp 복합재의 입자 크기 분포 및 미세 구조를 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 분석함.
    • 실험 결과와 CFD 시뮬레이션을 비교하여 유동 거동 및 입자 분포를 평가함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 흐름을 해석하고, 입자 거동을 추적함.
    • 유동 해석(Euler 모델) 및 입자 추적(Lagrangian 모델)을 결합하여 복합재 충진 과정에서의 입자 분포를 예측함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 Large Eddy Simulation(LES) 모델을 비교하여 난류가 입자 분포에 미치는 영향을 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 입자 분포 및 유동 패턴을 실험 데이터와 비교하여 CFD 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
    • 충진 전후 입자 농도를 측정하여 입자 분포 변화를 정량적으로 분석함.
    • 예측 결과와 실험 데이터 간의 오차율을 분석하여 모델의 정확도를 검증함.

주요 결과

  1. 입자 유동 및 충진 과정에서의 거동 분석
    • 입자 유동은 주조 과정의 각 단계에서 서로 다른 흐름 패턴을 보임.
    • 중력 영향이 큰 영역에서는 소용돌이(Eddy Flow)가 형성되며, 이는 입자 농도 증가의 원인이 됨.
    • 유동 방향 변화에 따라 후류(Back Flow) 형성이 관찰되며, 이는 일부 입자의 이동을 제한함.
  2. 실험과 CFD 시뮬레이션 비교 검증
    • 실제 실험에서 관찰된 입자 농도와 시뮬레이션 예측 결과가 높은 상관성을 보임.
    • 그러나 일부 중력 영향이 큰 영역(R7, R8)에서 시뮬레이션이 입자 분포를 과소평가하는 경향이 있음.
    • 이는 후류(Back Flow)에 의한 입자 이동 제한 효과가 모델에서 과도하게 반영되었기 때문으로 분석됨.
  3. 입자 분포 최적화 및 개선 가능성
    • 입자 분포는 유동 패턴, 난류 강도 및 충진 속도에 의해 결정됨.
    • 충진 속도를 조절하여 후류 형성을 최소화하면 입자 분포의 균일성을 향상시킬 수 있음.
    • 입자가 중앙부에 집중되는 경향이 있으며, 표면부에서는 상대적으로 적은 입자가 분포함.
  4. 최적 주조 조건 도출
    • 충진 속도 및 유체 유동 조건을 조정하여 입자 분리를 최소화할 수 있음.
    • 유체 흐름을 최적화하면 주조물 내 입자 농도를 균일하게 유지할 수 있음.
    • 후류(back flow) 및 소용돌이 현상(eddy flow)을 조절하면 입자 분포의 균일성을 더욱 개선 가능.

결론

  • A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포를 CFD 시뮬레이션과 실험을 통해 성공적으로 분석함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관성을 확인하였으며, 일부 영역에서의 과소평가는 모델 개선이 필요함.
  • 입자 분포 최적화를 위해 후류 및 난류 영향을 고려한 충진 속도 조절이 필요함.
  • 향후 연구에서는 다양한 입자 크기 및 형상에 따른 유동 거동을 추가적으로 평가해야 함.

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HPDC

Design of Gating System for Radiator Die Castings Based on FLOW-3D Software

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.

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X-Z Plane

Computer Simulation of Low Pressure Casting Process Using FLOW-3D

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

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 저압 주조(LPC) 공정박벽(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 패턴일관되게 나타나며, 응고 결함 최소화.
  2. 응고 과정 및 온도 분포
    • 응고 완료 시간: 약 103.5초.
    • 액상에서 고상으로의 변화선형적으로 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 결과실험 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 적용된 압력-시간 프로파일람inar 충진 시퀀스를 제공하여 충진 결함 최소화.
    • 온도 분포합금의 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 설계실증 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​.

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