HPDC 혁신: 알루미늄 폼 코어를 활용한 마그네슘 복합 주조로 35% 경량화 달성

이 기술 요약은 Iban Vicario 외 저자가 2016년 Metals 학술지에 게재한 “Aluminium Foam and Magnesium Compound Casting Produced by High-Pressure Die Casting” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 고압 다이캐스팅 (HPDC)
• Secondary Keywords: 마그네슘 복합 주조, 알루미늄 폼 코어, 하이브리드 마그네슘 알루미늄 폼 주조 복합재, 경량화

Executive Summary

• The Challenge: 연비 향상과 이산화탄소 배출 감소를 위해 자동차 및 운송 부품의 무게를 줄여야 하는 시급한 과제.
• The Method: 마그네슘 주조 부품 내부에 알루미늄 폼을 코어로 사용하여 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 통해 복합 주조품을 생산하는 방법.
• The Key Breakthrough: 외부 스킨이 있는 특정 알루미늄 폼(Alulight)을 사용하고, 사출 파라미터를 최적화하여 코어 파손 없이 건전한 복합 주조품을 개발하고 시제품에서 35%의 중량 감소를 달성.
• The Bottom Line: 알루미늄 폼 코어를 사용한 HPDC는 플라스틱이나 탄소 섬유의 대안으로, 경량 부품의 대량 생산을 위한 실행 가능한 솔루션임을 입증.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

운송 산업에서 부품 무게를 줄이는 것은 연비 개선과 직결되는 핵심 과제입니다. 이를 위해 기존의 철강 부품을 플라스틱, 탄소 섬유, 알루미늄, 마그네슘 합금 등으로 대체하려는 노력이 계속되고 있습니다. 특히 고압 다이캐스팅(HPDC)으로 생산된 마그네슘 부품은 경량성과 기계적 특성의 균형을 제공하지만, 더 큰 폭의 경량화를 달성하기 위한 새로운 방법이 요구됩니다.

기존에는 솔트 코어(salt core)를 사용하여 중공 부품을 만드는 방법이 있었으나, 코어 제거의 어려움과 부품에 구멍이 필요하다는 단점이 있었습니다. 알루미늄 폼을 코어로 사용하는 것은 매력적인 대안이지만, HPDC 공정의 높은 사출 속도와 압력으로 인해 폼 코어가 변형되거나 파손될 위험이 매우 큽니다. 따라서, 폼 코어의 붕괴를 막고 주조 결함을 방지하면서 안정적으로 복합 주조품을 생산하는 기술 개발이 중요한 산업적 과제였습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 자전거 부품인 로드(rod)를 대상으로, 마그네슘-알루미늄 폼 복합 주조품 개발을 목표로 했습니다. 연구진은 다음과 같은 재료와 방법론을 사용했습니다.

• 기본 합금: AM60B 마그네슘 합금
• 알루미늄 폼 코어: 세 가지 다른 유형의 알루미늄 폼을 테스트했습니다.
  1. Alporas: 외부 스킨이 없는 저밀도 폼 (0.25–0.4 Kg/dm³)
  2. Formgrip: 외부 스킨이 없는 폼 (0.4–0.65 Kg/dm³)
  3. Alulight: 외부 스킨이 있는 폼 (0.54–1.55 Kg/dm³)
• 핵심 변수: 최종 주조품의 품질에 영향을 미치는 다양한 공정 변수를 체계적으로 평가했습니다.
  • 알루미늄 폼의 종류 및 밀도
  • 용탕 온도 (680 °C 및 720 °C)
  • 사출 압력 (16–80 MPa)
  • 플런저 속도 (20–80 m/s)
  • 폼 코어의 금형 내 배치 방향
• 평가 방법: 제작된 복합 주조품은 시각 검사, X-ray 검사를 통해 내부 건전성을 확인했으며, 인장 시험을 통해 기계적 특성을 평가했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

연구진은 다양한 실험을 통해 HPDC 공정에서 알루미늄 폼 코어를 성공적으로 적용하기 위한 핵심 조건들을 발견했습니다.

Finding 1: 폼 코어의 ‘외부 스킨’이 성패를 좌우

알루미늄 폼 코어가 HPDC의 가혹한 조건을 견디기 위해서는 연속적인 외부 스킨(external skin)의 존재가 필수적이었습니다.

• 플라스틱 사출을 통한 압력 테스트에서, 외부 스킨이 없는 Alporas와 Formgrip 폼은 16 MPa의 낮은 압력에서도 파손되었습니다. 반면, 외부 스킨이 있는 Alulight 폼은 마그네슘 HPDC의 표준 압력인 40 MPa에서도 온전함을 유지했습니다 (Table 4 참조).
• 실제 마그네슘 HPDC 시험에서도 Alporas와 Formgrip 폼은 사출 과정에서 완전히 파괴되었지만(Figure 12), Alulight 폼은 손상 없이 코어로서의 역할을 수행했습니다. 이는 외부 스킨이 사출 압력에 대한 기계적 저항성을 제공하기 때문입니다.

Finding 2: 사출 조건 및 코어 배치의 최적화

건전한 복합 주조품을 얻기 위해서는 사출 조건과 코어 배치를 정밀하게 제어해야 했습니다.

• 용탕 온도: 용탕 온도가 680 °C일 때는 미충전(short fill) 및 콜드셧(cold shut) 결함이 발생했습니다(Figure 8a). 결함 없는 충전을 위해서는 최소 720 °C의 용탕 온도가 필요했습니다.
• 코어 배치: 폼 코어를 용탕 흐름에 수평으로 배치했을 때, 용탕의 직접적인 충격으로 인해 전단 파괴가 발생했습니다(Figure 15). 반면, 코어를 용탕 흐름에 수직으로 배치하자 코어 손상 없이 건전한 부품을 얻을 수 있었습니다(Figure 16).
• 사출 속도 및 압력: 2단 사출 속도를 20 m/s로 낮추자 심각한 미충전이 발생했습니다(Figure 18). 표준 마그네슘 HPDC 조건인 2단 사출 속도 80 m/s와 사출 압력 80 MPa를 적용했을 때, 미세한 수축 기공만 존재하는 건전한 부품을 얻을 수 있었습니다(Figure 19).

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 이 연구는 알루미늄 폼 코어 복합 주조 시 최소 720°C의 용탕 온도와 80 m/s의 2단 사출 속도 유지가 중요함을 시사합니다. 특히, 게이트 위치 대비 폼 코어의 방향을 수직으로 설계하여 용탕의 직접적인 충격을 최소화하는 것이 코어 파손을 막는 핵심 공정 변수입니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 X-ray 이미지(Figure 19)는 외부 스킨이 있는 코어를 사용했을 때 가스 기공 없이 내부 코어의 건전성이 유지됨을 보여줍니다. 이는 복합 주조품의 새로운 품질 검사 기준으로 활용될 수 있습니다.
• For Design Engineers: 본 연구 결과는 스퀴즈 핀(squeeze pin)과 같이 국부적으로 극히 높은 압력(최대 200 MPa)을 가하는 설계는 폼 코어 주변에 적용할 수 없음을 보여줍니다. 따라서 부품 설계 초기 단계부터 코어의 위치와 용탕 흐름을 고려하여 수축 기공을 제어하는 설계가 필요합니다.

Paper Details

Aluminium Foam and Magnesium Compound Casting Produced by High-Pressure Die Casting

1. Overview:

• Title: Aluminium Foam and Magnesium Compound Casting Produced by High-Pressure Die Casting
• Author: Iban Vicario, Ignacio Crespo, Luis Maria Plaza, Patricia Caballero, and Ion Kepa Idoiaga
• Year of publication: 2016
• Journal/academic society of publication: Metals
• Keywords: high pressure die casting (HPDC); hybrid magnesium aluminium foam cast composite; aluminium foam core; magnesium cast composite

2. Abstract:

오늘날 차량 설계에서 연비 소비와 이산화탄소 배출은 두 가지 주요 초점이며, 더 가벼운 재료를 사용하여 차량의 무게를 줄이는 것을 촉진합니다. 이 연구의 목적은 알루미늄 폼을 마그네슘 주조 부품의 코어로 사용하여 고압 다이캐스팅(HPDC)을 통해 얻어진 특성과 무게 사이의 절충안을 가진 복합 주조품을 얻기 위해 다른 알루미늄 폼과 사출 파라미터의 영향을 평가하는 것입니다. 최종 주조 제품 품질에 대한 다른 알루미늄 폼과 사출 파라미터의 영향을 평가하기 위해, 알루미늄 폼의 종류와 밀도, 금속 온도, 플런저 속도, 증배 압력이 적절한 값 범위 내에서 변경되었습니다. 얻어진 복합 HPDC 주조품은 시각 및 RX 검사를 수행하여 연구되었으며, 알루미늄 폼 코어가 있는 건전한 복합 주조품을 얻었습니다. 폼 표면의 외부 연속층의 존재와 사출 조건을 지지하기 위한 폼의 올바른 배치는 양질의 부품을 얻을 수 있게 합니다. HPDC 공정으로 처리된 마그네슘-알루미늄 폼 복합재는 자전거 응용 분야를 위해 개발되었으며, 기계적 특성의 적절한 조합과 특히 시연 부품에서 감소된 무게를 얻었습니다.

3. Introduction:

운송 산업에서 강철 및 주철 부품을 플라스틱, 탄소 섬유 또는 알루미늄 및 마그네슘 합금으로 대체하여 부품의 무게를 줄일 필요성은 운송 산업의 주요 동력 중 하나가 되었습니다. 자전거 산업의 경우, 고성능 자전거를 위해 강철, 알루미늄, 티타늄과 같은 재료를 탄소 섬유로 대체하는 것이 명확한 경향입니다. HPDC로 생산된 마그네슘 부품은 이미 많은 자동차 및 자전거 응용 분야에 사용되고 있지만, 업계는 마그네슘 경량 구조가 제공하는 가벼움과 기계적 특성의 균형이 해결책이 될 수 있는 새로운 부품을 계속 찾고 있습니다. HPDC는 생산 다이의 높은 비용이 상쇄되는 대규모 생산 시리즈(연간 약 5000-10,000개 이상)에 경제적으로 실행 가능한 고생산성 공정입니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

차량 경량화는 연비 향상과 CO2 배출 감소를 위한 핵심 과제입니다. 마그네슘은 경량 소재로 주목받고 있으며, HPDC는 복잡한 형상의 부품을 대량 생산하는 데 적합한 공정입니다.

Status of previous research:

기존의 경량화 기술로는 중공 부품을 만들기 위한 솔트 코어 사용, 이종 금속 복합재 등이 있었으나, 각각 공정의 어려움이나 계면 결합 문제 등의 한계가 있었습니다. 알루미늄 폼을 코어로 사용하는 아이디어는 있었지만, HPDC의 고압, 고속 환경에서 폼이 파손되는 문제 때문에 상용화가 어려웠습니다.

Purpose of the study:

본 연구는 HPDC 공정을 사용하여 알루미늄 폼을 코어로 내장한 마그네슘 복합 주조품을 개발하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 다양한 종류의 알루미늄 폼과 사출 공정 변수가 최종 제품의 품질과 무게 감소에 미치는 영향을 평가하고, 자전거 부품에 적용 가능한 최적의 공정을 확립하고자 합니다.

Core study:

세 가지 다른 알루미늄 폼(Alporas, Formgrip, Alulight)을 AM60B 마그네슘 합금과 함께 사용하여 HPDC 복합 주조를 수행했습니다. 용탕 온도, 사출 압력, 사출 속도, 폼 코어의 배치 등 주요 공정 변수를 변경하며 실험을 진행했습니다. 제작된 시편은 시각 검사, X-ray 검사를 통해 내부 결함 및 코어의 건전성을 평가하고, 인장 시험을 통해 기계적 특성을 분석하여 최적의 폼 종류와 공정 조건을 도출했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실험적 접근 방식을 통해 진행되었습니다. 먼저, 세 종류의 알루미늄 폼을 준비하고, 이들의 밀도와 특성을 파악했습니다. 이후, 용탕 온도, 사출 압력 등 핵심 HPDC 공정 변수를 체계적으로 변화시키면서 마그네슘 복합 주조품을 제작했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

제작된 주조품은 시각 검사를 통해 표면 결함을 확인하고, General Electric X-cube 44XL 장비를 이용한 X-ray 분석을 통해 내부 코어의 파손 여부와 기공 분포를 평가했습니다. 또한, Instron 3369 만능시험기를 사용하여 인장 강도, 항복 강도, 연신율 등 기계적 특성을 측정하고, 기본 AM60B 합금과 비교 분석했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 AM60B 마그네슘 합금과 세 가지 알루미늄 폼(Alporas, Formgrip, Alulight)을 사용한 HPDC 복합 주조에 한정됩니다. 주요 연구 주제는 (1) 알루미늄 폼의 종류와 밀도가 HPDC 공정에서의 안정성에 미치는 영향, (2) 용탕 온도, 사출 압력 및 속도, 코어 배치가 최종 주조품 품질에 미치는 영향, (3) 개발된 복합 주조품의 기계적 특성 및 경량화 효과 평가입니다. 최종적으로 자전거 로드 부품을 시제품으로 제작하여 실용 가능성을 검증했습니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 폼 코어의 건전성: 연속적인 외부 스킨이 있는 Alulight 폼만이 40 MPa의 HPDC 사출 압력을 견딜 수 있었습니다. 외부 스킨이 없는 Alporas와 Formgrip 폼은 공정 중 파괴되었습니다.
• 최적 주조 온도: 720 °C의 용탕 온도가 미충전 및 콜드셧 결함을 방지하기 위한 최소 온도로 확인되었습니다.
• 코어 배치: 폼 코어를 용탕 흐름에 수직으로 배치했을 때 코어 손상 없이 건전한 부품을 얻을 수 있었습니다. 수평 배치는 코어의 전단 파괴를 유발했습니다.
• 사출 조건: 2단 사출 속도 80 m/s, 사출 압력 80 MPa의 표준 HPDC 조건에서 가장 건전한 부품이 생산되었습니다.
• 경량화 효과: 0.56 Kg/dm³ 밀도의 Alulight 폼을 사용하여 제작된 자전거 로드 시제품은 기존 부품 대비 약 35%의 총 중량 감소를 달성했습니다.
• 기계적 특성: 복합 주조품의 인장 강도(122 MPa)는 순수 AM60B 부품(219 MPa)보다 낮았으나, 이는 알루미늄 폼과 마그네슘 간의 화학적 결합 부재에 기인합니다.

Figure List:

• Figure 1. Some of the most employed processes to produce aluminium foams.
• Figure 2. (a) 3D rod design; and (b) detail of the placement and example of an aluminium foam core.
• Figure 3. Metallic die to produce Aluminium foams with Alulight.
• Figure 4. Metallic die to die cast magnesium over the aluminium foam.
• Figure 5. The plastic injection mould with an aluminium foam.
• Figure 6. HPDC process in order to obtain the magnesium-aluminium foam core composite.
• Figure 7. Detail of fixing pins in the fixed die cavity for placing the aluminium foam.
• Figure 8. (a) Short fill and cold shut defects; and (b) gas porosity defects.
• Figure 9. Central aluminium core covered with AM60B.
• Figure 10. Different configurations for plastic injection over the aluminium foams.
• Figure 11. (a) Alpora’s foam (0.25 to 0.4 Kg/dm³); and (b) Formgrip’s foam (0.4 to 0.65 Kg/dm³).
• Figure 12. HPDC part with totally destroyed aluminium foam.
• Figure 13. (a) Placement of a skinned foam with a non-skin area in the die; and (b) release of gas from the foam in the non-skinned area.
• Figure 14. 1.55 Kg/dm³ Aluminium foam after squeeze pin application.
• Figure 15. Horizontal placement to the metal flow of the core.
• Figure 16. Horizontal core placement to metal flow.
• Figure 17. Rod made by magnesium HPDC with the internal core of aluminium foam.
• Figure 18. Reduced second phase speed (20 m/s) HPDC cast part.
• Figure 19. Injected HPDC with core foam at standard parameters.

7. Conclusion:

HPDC 마그네슘 알루미늄 폼 복합재는 부품 무게 감소가 요구되는 응용 분야를 위해 개발되었습니다. Alulight 공정으로 생산된 최적의 알루미늄 코어 폼은 실험적 접근을 통해 정의되었습니다. Alulight 공정은 복합재 내부 결함의 존재를 피하는 외부 스킨을 가진 폐쇄 기공 폼을 얻을 수 있게 합니다. 코어 폼의 밀도는 0.54에서 1.55 Kg/dm³까지 변경될 수 있습니다. 폼 기공률의 조절은 특정 성능에 맞게 특성을 조정하고 부품을 맞춤화할 수 있게 하지만, 주된 목표가 무게 감소인 응용 분야에서는 0.54 kg/dm³의 폼만이 주조 조건을 극복했습니다. 자전거 로드에 알루미늄 폼을 사용하여 재료 및 생산에 드는 예상 비용은 부품당 약 0.3유로로 합리적인 비용입니다. 개발된 복합 주조품은 자전거 로드 생산에 사용되었습니다. 인장 시험은 이 응용 분야에 대한 복합 주조의 유효성과 현재 사용되는 알루미늄, 티타늄 또는 탄소 섬유 재료를 대체할 실제 잠재력을 확인했습니다. 부품 총 무게의 35% 감소가 달성되었습니다. 부품에 따라 더 높은 감소가 가능합니다. 마그네슘 HPDC는 플라스틱 및 알루미늄 부품의 대안으로 폼을 사용한 복합재의 대량 생산을 위한 해결책이 될 수 있습니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 세 가지 다른 유형의 알루미늄 폼을 테스트했나요?

A1: 연구진은 알루미늄 폼의 밀도, 제조 방법, 그리고 특히 ‘외부 스킨’의 유무가 HPDC 공정의 고압, 고속 환경을 견디는 능력에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해 세 가지 유형을 선택했습니다. 이 비교를 통해 Alporas와 Formgrip(스킨 없음)은 파손되고 Alulight(스킨 있음)만 성공함으로써, 외부 스킨이 코어의 기계적 건전성을 유지하는 데 결정적인 요소임을 명확히 밝힐 수 있었습니다.

Q2: 논문에서 알루미늄 폼과 마그네슘 사이에 화학적 결합이 없다고 언급했는데, 이것이 기계적 특성에 어떤 의미를 갖나요?

A2: 이는 복합 주조품의 최종 기계적 특성이 주로 외부의 마그네슘 주조부에 의해 결정된다는 것을 의미합니다. 논문의 토론 섹션에서 언급했듯이, 폼 표면의 알루미나 산화막이 두 금속 간의 직접적인 결합을 방해합니다. 결과적으로 Table 5에서 볼 수 있듯이, 복합재의 인장 강도(122 MPa)는 순수 AM60B 합금(219 MPa)보다 현저히 낮습니다. 이 기술은 강도 향상보다는 경량화에 초점을 맞춘 응용에 더 적합합니다.

Q3: 폼 코어의 붕괴를 막는 가장 중요한 요인은 무엇이었습니까?

A3: 가장 중요한 요인은 폼 코어 표면에 존재하는 연속적인 ‘외부 스킨’이었습니다. Alulight 폼의 성공과 Alporas 및 Formgrip 폼의 실패가 이를 명백히 보여줍니다. 약 1mm 두께의 이 스킨은 사출 시 용탕의 높은 압력과 속도로부터 내부의 다공성 구조를 보호하는 견고한 방어막 역할을 했습니다.

Q4: 35%의 중량 감소는 어떻게 계산되었나요?

A4: 이 수치는 0.56 Kg/dm³ 밀도의 Alulight 폼 코어를 사용하여 제작된 최종 부품(자전거 로드)의 총 중량을, 동일한 형상의 순수 마그네슘 부품과 비교하여 계산한 것입니다. 즉, 부품 내부를 알루미늄 폼으로 대체함으로써 달성된 전체 무게 감소율을 의미합니다.

Q5: 이 공정은 모든 형상의 부품에 적용할 수 있습니까?

A5: 연구 결과는 형상에 제약이 있음을 시사합니다. 첫째, 코어 파손을 막기 위해 용탕 흐름에 대한 코어의 배치가 매우 중요합니다. 둘째, 스퀴즈 핀과 같이 국부적으로 매우 높은 압력을 가하는 설계는 코어 주변에 사용할 수 없습니다. 따라서 이 기술을 적용하려면 부품 설계 단계부터 용탕 흐름과 코어의 상호작용을 신중하게 고려해야 합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 외부 스킨을 가진 알루미늄 폼 코어를 사용하여 마그네슘 복합 주조품을 성공적으로 제조할 수 있음을 입증했습니다. 최적의 공정 변수 제어를 통해 자전거 부품에서 35%의 상당한 경량화를 달성했으며, 이는 운송 산업의 경량화 요구에 부응하는 혁신적인 솔루션이 될 수 있습니다. 이 기술은 강도보다는 무게 감소가 최우선인 부품에 대해 플라스틱이나 탄소 섬유의 대안으로서 대량 생산의 가능성을 열었습니다.

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Aluminium Foam and Magnesium Compound Casting Produced by High-Pressure Die Casting” by “Iban Vicario, et al.”.
• Source: https://doi.org/10.3390/met6010024

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