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 평가 및 주입 시스템(Running System)과 공급 시스템(Feeding System) 최적화.
- 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델의 신뢰성 검증 및 개선 방안 제시.
연구 방법
- 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 필터의 열전도율, 비열, 밀도, 표면 장력 계수 등을 포함 (예: 주철의 밀도 7100 kg/m³, 용융 온도 1504K).
- 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 저항은 속도에 선형적으로 비례.
- 필터 제조업체 제공 데이터를 바탕으로 드래그 계수(Drag Coefficient) 설정.
- 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.
- 정밀 타이머를 이용하여 각 부품의 주입 및 응고 시간 측정:
주요 결과
- 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.
- 주입 시뮬레이션 결과:
- 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.
- 주입 시뮬레이션 결과:
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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