다이캐스팅 | FLOW-3D

다이캐스팅 머신의 진화: 초고속 충전 및 전동화 기술이 품질을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 Journal of The Japan Institute of Light Metals에 게재된 Yuji ABE의 논문 “Die-casting machine”(2019)을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

Primary Keyword: 다이캐스팅 머신
Secondary Keywords: 단시간 충전, 전동화, 사물 인터넷(IoT), 에너지 절약, 주조 품질, 가스 결함, 수축 결함

Executive Summary

도전 과제: 자동차 산업의 경량화 요구에 따라 더 얇고, 더 크며, 더 복잡한 형상의 다이캐스팅 제품을 높은 품질로 생산해야 하는 기술적 과제가 대두되었습니다.
해결 방법: 서보 기술을 이용한 초고속 사출, 2플래튼 및 전동 토글과 같은 혁신적인 형체 기구, 그리고 국부 가압 및 고진공 다이캐스팅과 같은 공정 기술의 발전을 통해 대응하고 있습니다.
핵심 돌파구: 사출 속도의 고속화 및 가속 성능 향상은 충전 시간을 단축하여 박육 제품의 외관 및 내부 품질을 동시에 개선하며, 특히 승압 시간을 최소화하는 것이 내부 결함 감소에 매우 효과적임을 입증했습니다.
핵심 결론: 최신 다이캐스팅 머신 기술은 단순한 생산성 향상을 넘어, 기존에 성형이 어려웠던 고품질·고부가가치 부품의 양산을 가능하게 하여 제조업의 경쟁력을 한 단계 끌어올리고 있습니다.

도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유

다이캐스팅은 우수한 표면과 높은 정밀도의 주물을 대량 생산할 수 있어 자동차 산업을 중심으로 널리 사용되어 왔습니다. 최근 자동차 업계는 xEV(전동화 차량)로의 전환과 함께 연비 향상 및 저비용화를 위한 ‘경량화’라는 필수 과제에 직면해 있습니다. 알루미늄, 마그네슘과 같은 경금속은 다이캐스팅 공법을 통해 이러한 경량화 요구에 효과적으로 대응할 수 있습니다.

이러한 배경 속에서 다이캐스팅 제품은 점점 더 얇아지고(박육화), 여러 부품을 하나로 통합하는 일체화 및 대형화가 진행되고 있습니다. 이는 용탕이 응고되기 전에 금형 캐비티를 완전히 채워야 하는 다이캐스팅 공정의 근본적인 원리에 큰 도전이 됩니다. 기존의 다이캐스팅 머신으로는 용탕의 유동성 한계로 인해 미충전, 탕경계 불량과 같은 외관 결함이나 내부 수축 결함이 발생하기 쉬웠습니다. 따라서 더 빠른 속도로 용탕을 충전하고, 더 효과적으로 가압하여 고품질의 박육·대형 부품을 안정적으로 생산할 수 있는 혁신적인 다이캐스팅 머신 기술이 절실히 요구되었습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 논문은 다이캐스팅 머신의 기본 원리부터 최신 기술 동향까지 체계적으로 분석합니다. 연구는 크게 기계 구조의 변천과 공정 기술의 진화 두 가지 축으로 진행됩니다.

기계 구조의 변천:
- 사출 능력의 진화: 기존의 유압 방식에서 서보 밸브와 같은 고응답성 부품을 채용한 ‘초고속 다이캐스팅 머신’의 개발 과정을 설명합니다. 이를 통해 기존 4~5m/s 수준이었던 공타 고속 사출 속도를 10m/s 수준까지 끌어올려 충전 시간을 단축하고 응답성을 향상시킨 과정을 분석합니다. 또한, 고속화에 따른 서지 압력(Surge Pressure) 문제를 해결하기 위한 감속 제어 기술도 함께 다룹니다.
- 형체부의 다양화: 전통적인 유압 토글 방식에서 벗어나, 설치 공간과 에너지 효율을 개선한 ‘2플래튼 방식’과 사이클 타임 단축 및 정밀도 향상을 이룬 ‘전동 토글 방식’ 다이캐스팅 머신의 구조적 특징과 장점을 비교 분석합니다.
공정 기술의 진화:
- 주조 품질 향상 기술: ‘단시간 충전·단시간 승압’이라는 개념을 중심으로, 사출 가속 성능과 승압 시간이 내부 결함(수축결함)에 미치는 영향을 데이터(그림 11, 표 1)를 통해 정량적으로 분석합니다.
- 결함 제어 기술: 특정 부위의 수축 결함을 제어하기 위한 ‘국부 가압(Local Squeeze Die Casting)’ 기술과, 가스 결함을 근본적으로 줄여 열처리나 용접이 가능한 제품을 생산하는 ‘고진공 다이캐스팅’ 기술의 원리와 적용 사례를 소개합니다.

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: ‘단시간 충전’이 박육 제품의 품질을 결정한다

서보 기술을 적용한 초고속 다이캐스팅 머신은 기존 기술의 한계를 뛰어넘었습니다. 논문에 따르면, 기존 4~5m/s의 공타 고속 사출 속도를 10m/s 수준으로 향상시킬 수 있게 되었습니다. 이는 단순히 속도만 빠른 것이 아니라, 응답성이 뛰어난 고속 가속이 가능함을 의미합니다.

그림 10은 가속 시간 5ms의 차이가 고속 구간을 약 10mm 단축할 수 있음을 보여줍니다. 이 짧은 시간 단축이 용탕이 응고되기 전에 캐비티를 완전히 채울 수 있게 하여, 2~5mm 두께의 박육 제품에서 발생하는 미충전이나 탕경계 불량과 같은 외관 품질 문제를 해결하는 핵심 요소가 됩니다. 또한, 빠른 가속은 용탕이 게이트를 통과할 때 미세하게 비산하게 만들어, 내부 가스 결함을 미세화하고 분산시키는 효과도 있습니다.

결과 2: 내부 품질은 ‘승압 시간’이 좌우한다

제품 내부의 수축 결함을 억제하기 위한 증압 공정에서, 단순히 압력을 높이는 것보다 ‘얼마나 빨리’ 목표 압력에 도달하는지가 더 중요하다는 점을 데이터로 입증했습니다.

그림 11과 표 1은 승압 시간을 10ms에서 100ms로 변경했을 때의 금형 내 압력과 결함 비율을 비교합니다. 승압 시간이 10ms일 때(실제 금형 내 승압 시간 17ms) 최대 금형 내 압력은 52MPa에 도달했고 결함 비율은 0.80%였던 반면, 승압 시간이 100ms일 때(실제 금형 내 승압 시간 120ms) 최대 압력은 40MPa로 떨어지고 결함 비율은 0.97%로 증가했습니다. 이는 승압이 늦어지면 게이트 부위가 먼저 응고되어 압력이 제품 내부에 효과적으로 전달되지 못함을 의미합니다. 따라서, 내부 품질 확보를 위해서는 버(flash) 발생에 유의하면서 승압 시간을 최소화하는 것이 가장 효과적인 전략입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어: 본 연구는 사출 프로파일 설정 시, 단순히 최고 속도뿐만 아니라 ‘가속 성능’과 ‘승압 시간’이 품질에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 이를 바탕으로 박육 제품의 충전 불량이나 두꺼운 부위의 수축 결함 문제를 해결하기 위한 최적의 공정 조건을 설정하는 데 기여할 수 있습니다.
품질 관리팀: 그림 11과 표 1의 데이터는 승압 시간이 금형 내 실제 압력 전달 및 내부 결함률에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 수축 결함 발생 시, 단순히 주조 압력 설정값만 확인할 것이 아니라 실제 승압 시간을 모니터링하고 관리하는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 중요한 근거가 될 수 있습니다.
설계 엔지니어: 초고속 사출 기술의 발전으로 기존에는 성형이 불가능하다고 여겨졌던 더 얇은 두께의 설계가 가능해졌습니다. 또한, 국부 가압 기술은 특정 부위에 두께 변화가 큰 설계에서 발생하는 수축 결함을 효과적으로 제어할 수 있으므로, 초기 설계 단계에서부터 이러한 공법을 고려하여 제품의 기능성과 경량화를 극대화할 수 있습니다.

논문 정보

ダイカストマシン (Die-casting machine)

1. 개요:

제목: ダイカストマシン (Die-casting machine)
저자: 阿部裕治 (Yuji ABE)
발행 연도: 2019
게재 학술지/학회: 軽金属 (Journal of The Japan Institute of Light Metals), Vol. 69, No. 10, 512-517
키워드: short time filling; electrification; Internet of Things; energy saving

2. 초록:

(논문에 초록이 제공되지 않았습니다.)

3. 서론:

다이캐스팅은 우수한 주물 표면과 높은 정밀도를 가진 주물을 대량 생산할 수 있어 자동차 산업을 중심으로 다양한 분야에서 활용되어 왔다. 최근 자동차 산업이 xEV화 등 변혁의 시기를 맞이하면서 연비 향상, 저비용화, 첨단 안전 기술 대응이 과제로 떠오르고 있다. 특히 연비 향상과 저비용화를 위해서는 자동차의 경량화가 필수적이며, 리사이클성이 우수한 경금속(알루미늄, 마그네슘)을 사용하는 다이캐스팅 공법이 주목받고 있다. 이러한 시대적 요구에 부응하기 위해 다이캐스팅 머신은 구동 방식의 변화(수동→유압→전동)와 성능 향상(사출 속도 고속화, 응답성 향상)을 거듭해왔다. 최근에는 안전 및 환경 성능 요구와 더불어, 주조 품질 향상을 위해 IoT 기술을 도입하는 방안도 주목받고 있다. 본고에서는 다이캐스팅 머신의 기본 원리부터 구조의 변천, 그리고 향후 개발 동향과 과제에 대해 소개한다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업의 경량화 요구 증대에 따라 다이캐스팅 제품은 더욱 얇고, 크고, 복잡해지고 있다. 이에 따라 기존 다이캐스팅 머신의 성능 한계를 극복하고 고품질 제품을 안정적으로 생산하기 위한 기술 혁신이 필요하다.

기존 연구 현황:

다이캐스팅 머신은 수동식, 수압식에서 유압식, 전동식으로 구동 방식이 발전해왔다. 성능 면에서는 용탕이 응고되기 전에 충전 및 가압을 완료한다는 기본 원리에 충실하기 위해 사출 속도를 높이고 응답성을 개선하는 방향으로 진화해왔다.

연구 목적:

다이캐스팅 머신의 기본 원리와 구조적 변천 과정을 설명하고, 최신 기술 동향인 초고속 사출, 형체부의 다양화, 그리고 주조 품질 향상을 위한 공정 기술(단시간 충전·승압, 국부 가압, 고진공)을 소개함으로써 미래의 개발 방향과 과제를 제시하고자 한다.

핵심 연구:

본 연구는 다이캐스팅 머신의 핵심 기능인 사출부와 형체부의 기술적 진화를 중심으로 분석한다. 특히 서보 기술을 이용한 초고속 사출이 박육·대형 제품의 품질에 미치는 긍정적 효과와, 2플래튼 및 전동 토글 방식이 생산성과 에너지 효율에 기여하는 바를 설명한다. 또한, 단시간 승압이 내부 결함 감소에 미치는 영향을 정량적 데이터로 제시하고, 국부 가압 및 고진공 다이캐스팅과 같은 첨단 공정 기술을 소개한다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다이캐스팅 머신의 기술적 발전 과정을 기술 문헌 및 실제 개발 사례를 바탕으로 분석하는 기술 해설(Technical Review)의 형태를 취한다.

데이터 수집 및 분석 방법:

다이캐스팅 머신의 구조(사출부, 형체부)와 작동 원리, 그리고 공정(저속/고속 사출, 증압)에 대한 이론적 설명과 함께, 실제 주조 시뮬레이션 및 실험 데이터를 인용하여 기술의 효과를 설명한다. 특히 승압 시간에 따른 금형 내 압력 변화와 결함률 데이터를 제시하여(그림 11, 표 1) 주조 품질과의 상관관계를 분석한다.

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 콜드챔버 다이캐스팅 머신을 중심으로 하며, 핵심 구성 요소인 사출부와 형체부의 구조 및 기능, 그리고 이와 관련된 주조 품질 향상 기술(단시간 충전·승압, 국부 가압, 고진공 다이캐스팅)에 초점을 맞춘다. 또한, 미래 기술로서 IoT 및 전동화 기술의 적용 가능성과 과제를 논의한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

서보 기술을 이용한 초고속 다이캐스팅 머신은 공타 고속 사출 속도를 10m/s 수준까지 향상시켜, 박육·대형 제품의 외관 및 내부 품질 개선에 기여한다.
주조 시 승압 공정에서는 압력의 크기보다 목표 압력까지 도달하는 ‘승압 시간’을 단축하는 것이 내부 수축 결함 감소에 더 효과적이다. (표 1)
2플래튼 방식 형체 기구는 기계 전체 길이를 줄여 공간 효율성을 높이고, 전동 토글 방식은 고속·고정밀 형개폐 및 사이클 타임 단축에 유리하다.
국부 가압 기술은 제품의 특정 후육부(두꺼운 부분)에 발생하는 집중적인 수축 결함을 효과적으로 억제할 수 있다.
고진공 다이캐스팅은 금형 내 가스를 제거하여 가스 결함을 줄이고, 이를 통해 후속 열처리나 용접이 가능한 고품질 제품 생산을 가능하게 한다.

그림 목록:

図1 各部の構成
図2 トグル機構と型締力
図3 油圧式押出装置
図4 射出部外観
図5 ダイカストの射出工程
図6 2プラテン式ダイカストマシン外観
図7 トグル式ダイカストマシン外観
図8 鋳巣の種類
図9 短時間充填の概念
図10 高速加速時間と高速区間の関係例
図11 昇圧時間と型内圧力の関係
図12 局部加圧制御の考え方

7. 결론:

다이캐스팅 기술은 제품의 품질과 생산성을 결정하는 다양한 파라미터를 관리해야 하는 복잡한 공법이다. 미래의 다이캐스팅 공장은 IoT 기술을 활용하여 기계와 주변 설비의 데이터를 통합 관리하고, AI를 통해 품질에 영향을 미치는 핵심 인자를 분석하여 생산에 반영하는 스마트 팩토리로 진화할 것이다. 또한, CO2 배출량 삭감이라는 산업계의 요구에 따라 에너지 효율이 높은 전동화 기술의 채용이 더욱 중요해질 것이다. 현재는 고속·고압을 구현하는 데 유압 기술이 여전히 우위를 점하고 있지만, 제어성과 에너지 효율이 뛰어난 전동 기술을 적재적소에 배치한 하이브리드형 다이캐스팅 머신이 환경 부하 저감과 생산성 향상을 동시에 달성하는 최적의 솔루션이 될 것으로 전망된다.

8. 참고 문헌:

1) 日本ダイカスト協会:新版ダイカスト技能者ハンドブック, (2012), 34-118.
2) 相田悟:気泡・ボイドの発生メカニズムと未然防止・除去技術, 技術情報協会, (2014), 317-319.
3) 蓮野昭人:電気製鋼, 78 (2007), 325.
4) 辻真:鋳造工学, 75 (2003), 435-436.
5) 藤岡俊治:素形材, 48 (2007), 25.
6) 西直美, 菊池政男, 岡本実, 井澤龍介, 神戸洋史:鋳造要素技術概論―ダイカスト, 日本鋳造工学会, (2017), 60-68.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 최신 다이캐스팅에서 사출 ‘가속 성능’이 그토록 강조되는 이유는 무엇입니까?

A1: 용탕이 금형 캐비티에 충전되는 시간은 매우 짧습니다. 특히 벽 두께가 2~5mm에 불과한 박육 제품의 경우, 용탕이 응고되기 전에 충전을 완료해야 합니다. 높은 가속 성능은 고속 사출 구간에 더 빨리 도달하게 하여 전체 충전 시간을 단축시키고, 이는 미충전이나 탕경계 불량을 방지하는 데 결정적입니다. 또한, 논문에 따르면 높은 가속은 게이트 통과 시 용탕을 미세하게 비산시켜 내부 가스 결함을 줄이는 데도 기여합니다.

Q2: 논문에서 언급된 고속 사출 시의 ‘서지 압력’ 문제는 무엇이며, 서보 기술은 이를 어떻게 해결합니까?

A2: 서지 압력은 고속으로 움직이던 플런저가 캐비티 충전 완료 시점에 용탕과 충돌하며 급격히 정지할 때 발생하는 순간적인 압력 급등 현상입니다. 이 압력은 금형 파팅면에 버(flash)를 발생시키는 주요 원인이 됩니다. 서보 사출 기술은 사출 실린더의 2차측(로드측)에 서보 밸브를 배치하여, 충전 완료 직전에 플런저를 정밀하게 감속시키는 제어가 가능합니다. 이를 통해 서지 압력 발생을 억제하여 버 없이 안정적인 고속 충전을 실현할 수 있습니다.

Q3: 전통적인 토글 방식과 2플래튼 방식 형체 기구의 근본적인 차이점은 무엇입니까?

A3: 가장 큰 차이는 힘을 증폭시키는 메커니즘과 구조에 있습니다. 전통적인 토글 방식은 3개의 플래튼(고정반, 이동반, 링크 하우징)과 링크기구를 이용해 형체 실린더의 힘을 증폭시킵니다. 반면, 2플래튼 방식은 링크 하우징을 없애고 2개의 플래튼만 사용하며, 타이바에 설치된 직압 실린더를 통해 직접 형체력을 발생시킵니다. 이 구조적 차이로 인해 2플래튼 방식은 기계 전체 길이가 짧아져 공장 내 공간 활용도를 크게 높일 수 있습니다.

Q4: 그림 11에 따르면, 승압 시간이 짧을 때 오히려 최대 금형 내 압력이 더 높게 나타납니다. 그 이유는 무엇입니까?

A4: 이는 게이트 응고 현상 때문입니다. 용탕이 제품 캐비티로 들어가는 좁은 통로인 게이트는 금형과 접촉 면적이 넓어 매우 빠르게 응고됩니다. 승압 시간이 길어지면, 압력이 충분히 전달되기도 전에 게이트가 막혀버려 제품 내부에 압력 전달 효율이 급격히 떨어집니다. 반면, 승압 시간이 짧으면 게이트가 응고되기 전에 신속하게 압력을 전달할 수 있어, 더 높은 실효 압력을 제품 내부에 가할 수 있고 수축 보상 효과를 극대화할 수 있습니다.

Q5: 논문에서 소개된 ‘국부 가압’과 ‘고진공 다이캐스팅’은 어떤 경우에 각각 선택해야 합니까?

A5: 두 기술은 해결하고자 하는 결함의 종류가 다릅니다. ‘국부 가압’은 제품 내 특정 부위, 특히 두께가 두꺼워 최종적으로 응고되는 부분에 집중적으로 발생하는 ‘수축 결함’을 해결하기 위한 기술입니다. 반면, ‘고진공 다이캐스팅’은 사출 과정에서 슬리브나 캐비티 내의 공기가 말려 들어가 발생하는 ‘가스 결함’을 근본적으로 줄이기 위한 기술입니다. 따라서 열처리나 용접이 필요하여 내부 기공을 최소화해야 하는 제품에는 고진공 방식을, 특정 부위의 기밀성이나 강도가 문제 될 때는 국부 가압 방식을 적용하는 것이 효과적입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 논문은 자동차 산업의 경량화 요구에 부응하기 위해 다이캐스팅 머신 기술이 어떻게 진화해왔는지를 명확하게 보여줍니다. 서보 기술을 통한 초고속 사출과 정밀한 감속 제어, 그리고 단시간 승압 기술은 기존에 성형이 어려웠던 박육·대형·고품질 부품의 생산을 현실로 만들었습니다. 또한, 2플래튼 및 전동 토글과 같은 혁신적인 기계 구조는 생산 현장의 효율성을 극대화하고 있습니다. 이러한 기술 발전은 단순한 성능 향상을 넘어, 제조업의 새로운 가능성을 열고 있습니다.

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연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “[Yuji ABE]”의 논문 “[Die-casting machine]”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://doi.org/10.2464/jilm.69.512

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AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

본 보고서는 고압 다이캐스팅 공정에서 주입구(Pouring slot)의 기하학적 구조가 주조 품질에 미치는 영향을 수치 해석 시뮬레이션을 통해 분석한 연구를 다룹니다. 특히 AZ91D 마그네슘 합금을 대상으로 주입구 너비 변화에 따른 유동 속도 및 기공 결함의 상관관계를 규명하여 산업적 공정 최적화 방안을 제시합니다.

Paper Metadata

Industry: 주조 및 금속 가공 (Foundry and Metal Processing)
Material: AZ91D 마그네슘 합금 (AZ91D Magnesium Alloy)
Process: 고압 다이캐스팅 (Pressure Die Casting)

Keywords

AZ91D
마그네슘 합금
고압 다이캐스팅
MAGMASoft
수치 시뮬레이션
주입구 최적화
기공 분석

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 MAGMASoft 소프트웨어를 활용하여 핫 챔버(Hot chamber) 방식의 고압 다이캐스팅 공정을 모델링하였습니다. 시뮬레이션 모델에는 금형의 냉각 채널, 공기 배출구(Vents), 오버플로우(Overflows)가 포함되었으며, STL 이진 포맷을 통해 지오메트리를 구성하였습니다. 특히 실제 공정의 열적 평형 상태를 모사하기 위해 수십 회의 주조 사이클을 반복 계산하여 금형의 온도 분포를 안정화한 후 최종 해석을 수행하였습니다.

Key Findings

주입구 너비를 1mm에서 1.4mm로 변경함에 따라 주입구에서의 용탕 유속이 220 m/s에서 98 m/s로 약 55% 감소하였습니다. 1mm 너비에서는 과도한 유속으로 인해 금속 분사(Metal spraying) 현상이 발생하여 공기 혼입과 기공 결함이 주물 내부에서 다수 발견되었습니다. 반면, 1.4mm 너비에서는 용탕이 피스톤과 같은 압축 유동을 형성하여 공기를 외부로 효과적으로 밀어냄으로써 주물 내부의 결함을 제거하고 기공을 오버플로우 영역으로 국한시키는 결과를 얻었습니다.

Industrial Applications

이 연구 결과는 마그네슘 합금 다이캐스팅 금형 설계 단계에서 주입구 설계를 최적화함으로써 실제 금형 제작 후 발생할 수 있는 수정 비용을 절감하는 데 기여합니다. 또한, 고속 유동에 의한 금형 침식(Erosion)을 방지하여 금형 수명을 연장하고 주조품의 기계적 신뢰성을 확보하는 공정 가이드라인으로 활용될 수 있습니다.

Theoretical Background

수치 해석 기반 주조 시뮬레이션

주조 시뮬레이션은 초기 Fourier-Kirchhoff 방정식을 기반으로 한 단순 열 흐름 해석에서 발전하여, 현재는 금속 유동과 열 교환을 동시에 고려하는 수치 해석 모델을 사용합니다. 이는 온도 맵(Temperature maps)과 응고 조건을 결합하여 복잡한 금형 내부의 물리적 현상을 예측합니다. 특히 고압 다이캐스팅과 같이 고속으로 용탕이 주입되는 공정에서는 난류 유동과 공기 배출 메커니즘을 정확히 모사하는 것이 품질 예측의 핵심입니다.

AZ91D 마그네슘 합금의 특성

AZ91D는 우수한 주조성, 물리적 강도 및 내식성 덕분에 다이캐스팅 분야에서 가장 널리 사용되는 마그네슘 합금입니다. 그러나 액체 상태에서 산소와 결합하려는 친화력이 매우 높아 격렬한 산화 반응을 일으키는 특성이 있습니다. 따라서 용해 및 주입 과정에서 산소 접촉을 차단하는 보호 가스 기술이 필수적이며, 시뮬레이션 시에도 이러한 재료적 특성과 유동성을 고려한 파라미터 설정이 요구됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

시뮬레이션은 MAGMASoft를 사용하여 수행되었으며, AZ91D 합금의 화학 조성과 열물리적 데이터를 입력하였습니다. 플런저 속도는 4 m/s로 고정하였으며, 주입구 너비를 1mm와 1.4mm 두 가지 조건으로 설정하여 비교 분석하였습니다. 금형 모델은 슬라이드, 냉각 채널, 반할 금형(Half-moulds)을 포함하며, 계산 효율을 높이기 위해 동일 재질의 부품은 단일 입체 형상으로 통합하여 최적화하였습니다.

Figure 1: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1mm 주입구)

Visual Data Summary

Figure 1과 Figure 3의 비교 분석 결과, 1mm 주입구 조건에서는 용탕이 금형 내부에서 불규칙하게 분사되며 공기를 가두는 현상이 관찰되었습니다. 반면 1.4mm 조건에서는 용탕이 조밀한 유동(Compact flow)을 형성하며 전진하는 양상을 보였습니다. Figure 2와 Figure 4의 기공 분포 데이터는 1.4mm 조건에서 주물 본체의 기공이 거의 사라지고, 잔류 공기가 오버플로우 영역으로 완전히 배출되었음을 시각적으로 증명합니다.

Variable Correlation Analysis

주입구 너비와 유동 속도는 반비례 관계에 있으며, 이는 주조 결함 발생률과 직결됩니다. 1mm 너비에서 발생한 220 m/s의 초고속 유동은 금형 표면의 침식을 가속화할 뿐만 아니라 난류를 유발하여 미충전(Misruns) 및 기공(Porosity) 결함을 생성합니다. 주입구 너비를 1.4mm로 확장함으로써 유속을 100 m/s 이하로 제어할 수 있었으며, 이는 안정적인 충전 패턴을 유도하여 최종 주조품의 건전성을 확보하는 결정적 요인이 되었습니다.

Paper Details

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

1. Overview

Title: OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY
Author: Grzegorz Piwowarski, Witold K. Krajewski, Janusz Lelito
Year: 2010
Journal: METALLURGY AND FOUNDRY ENGINEERING

2. Abstract

압력 다이캐스팅은 시작 이래로 지속적인 발전을 거듭해 왔습니다. 주조품 제조에 새로운 재료가 사용됨에 따라 기술도 함께 발전하고 있습니다. 의심할 여지 없이, 특히 압력 기계 설계와 관련하여 가장 큰 기술적 변화는 금형 캐비티 내로의 금속 주입 사이클을 3단계로 나눈 것이었습니다. 그 결과 제조된 부품의 품질이 상당히 향상되었습니다. 압력 다이캐스팅 공정은 생산 기술 준비 비용, 특히 금형 제조 비용으로 인해 생산 초기 단계부터 구체적인 접근 방식이 필요하며, 이는 완성된 금형에 주요 변경 사항을 도입하는 능력을 제한합니다. 따라서 사용된 기술이 실패할 경우 새로운 금형 전체 또는 내부 패드만이라도 새로 제작해야 하므로 비용이 크게 증가합니다. 그러나 정보 기술의 발전으로 엔지니어는 컴퓨터 메모리 상의 가상 모델을 통해 특정 부품의 주조 시험을 수행할 수 있게 되었습니다. 이러한 시험은 비용을 발생시키지 않으며 주조 공정 파라미터와 제조된 주물의 품질을 모두 평가할 기회를 제공합니다. 또한 설계 단계에서 주조 기술을 최적화하여 하나 이상의 성능 지표를 개선할 수 있습니다. 이 과정은 수치 해석 방법과 이를 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션의 도입 덕분에 상당히 개선되었습니다. 주조 공정의 컴퓨터 시뮬레이션 분야에서는 1980년대 후반에 상당한 진전이 이루어졌습니다. 초기 시뮬레이션 프로그램은 Fourier-Kirchhoff 방정식의 단순한 형태를 기반으로 했으며 주물-금형 시스템의 열 흐름을 단순화된 방식으로만 설명할 수 있었습니다. 이러한 프로그램은 금형 캐비티 주조 과정 중 금속의 움직임을 고려하지 않았습니다.

3. Methodology

3.1. 파라미터 수집: 시뮬레이션 수행에 필요한 압력 기계 유형, 합금 등급 및 온도, 플런저 이동 속도 등의 데이터를 수집함.
3.2. 모델 준비: 주물 및 금형의 지오메트리를 STL 이진 포맷으로 저장하고 시뮬레이션 프로그램에 로드함.
3.3. 그리드 최적화: 얇은 벽 결함을 제거하기 위해 “그리드 조밀화(Grid densification)” 기술을 적용하여 계산 격자를 정밀하게 조정함.
3.4. 열적 안정화: 실제 공정 조건과 유사한 결과를 얻기 위해 수십 회의 주조 사이클을 반복하여 금형의 열적 상태를 안정화함.

4. Key Results

1mm 너비의 주입구를 사용한 첫 번째 시뮬레이션에서는 유속이 220 m/s에 도달하여 금형 침식과 공기 혼입을 유발하는 것으로 나타났습니다. 반면 주입구 너비를 1.4mm로 확장한 두 번째 시뮬레이션에서는 유속이 98 m/s로 감소하였습니다. 이로 인해 금속 분사 현상이 억제되고 용탕이 공기를 외부로 밀어내는 피스톤 효과가 발생하였습니다. 결과적으로 주물 내부의 기공이 제거되었으며, 잔류 기공은 가공 시 제거되는 오버플로우 영역으로 이동하여 결함 없는 주조품을 얻을 수 있었습니다.

5. Mathematical Models

Not described in the paper

Figure List

Figure 1: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1mm 주입구)
Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석
Figure 3: 215ms, 223ms, 230ms, 245ms에서의 금형 캐비티 내 공기 배출 양상 (1.4mm 주입구)
Figure 4: 두 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석

References

Dańko J.: Maszyny i urządzenia do odlewania pod ciśnieniem, Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2000
Ignaszak Z.: Virtual prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002
http://www.alpha.krakow.pl (10.09.2007)
Piwowarski G.: Optymalizacja technologii wytwarzania odlewu podczas odlewania ciśnieniowego stopów magnezu, AGH, Kraków 2008

Technical Q&A

Q: 주입구 너비가 1mm일 때 발생하는 가장 심각한 기술적 문제는 무엇입니까?

주입구 너비가 1mm일 경우 용탕의 유속이 약 220 m/s까지 상승합니다. 이러한 과도한 유속은 금형 표면에 상당한 침식(Erosion)을 일으켜 금형 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 용탕이 분사되는 현상을 유발하여 공기를 내부에 가두고 심각한 기공 결함을 발생시킵니다.

Q: 시뮬레이션에서 수십 회의 주조 사이클을 반복하는 이유는 무엇입니까?

금형의 열적 파라미터를 실제 공정 조건과 최대한 유사하게 맞추기 위함입니다. 금형은 주조가 반복됨에 따라 가열과 냉각(이형제 살포 등)을 거치며 특정 온도 범위에서 안정화됩니다. 이러한 안정화된 조건에서 시뮬레이션을 수행해야만 최적으로 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

Q: 1.4mm 주입구 조건에서 공기 배출이 개선되는 메커니즘은 무엇입니까?

주입구 너비가 넓어지면 유속이 약 98 m/s로 감소하며 용탕이 더 조밀한 유동(Compact flow)을 형성합니다. 이 조밀한 유동은 금형 캐비티 내에서 피스톤처럼 작동하여 공기를 가두지 않고 점진적으로 외부로 밀어내는 역할을 수행하여 공기 배출 효율을 높입니다.

Q: 시뮬레이션 모델링에서 “그리드 조밀화(Grid densification)”가 필요한 이유는 무엇입니까?

주물과 오버플로우 사이의 연결부와 같이 얇은 벽(Thin walls)이 형성되는 영역은 수치 해석 시 불안정성을 초래할 수 있습니다. 그리드 조밀화를 통해 이러한 특정 좌표의 격자를 정밀하게 재구성함으로써 해석의 정확도를 높이고 수치적 오류를 방지할 수 있습니다.

Q: 시뮬레이션 결과에서 기공이 오버플로우 영역에 집중되는 것이 왜 유리합니까?

오버플로우(및 라이저)는 주조 완료 후 본체에서 절단되어 제거되는 부분이기 때문입니다. 기공 결함이 주물 본체가 아닌 오버플로우 영역으로 몰리게 되면, 최종 제품은 결함이 없는 상태(Flawless)로 유지될 수 있어 품질 관리 측면에서 매우 유리합니다.

Conclusion

본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 고압 다이캐스팅 공정에서 주입구 너비가 주조 품질을 결정짓는 핵심 변수임을 입증하였습니다. 주입구 너비를 적절히 확장함으로써 유속을 제어하고 공기 혼입을 방지하여 결함 없는 AZ91D 마그네슘 합금 주조품을 얻을 수 있었습니다. 이는 컴퓨터 시뮬레이션이 실제 금형 제작 전 설계 최적화를 통해 비용을 절감하고 생산성을 높이는 강력한 도구임을 시사합니다.

Source Information

Citation: Grzegorz Piwowarski, Witold K. Krajewski, Janusz Lelito (2010). OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY. METALLURGY AND FOUNDRY ENGINEERING.

DOI/Link: Not described in the paper

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SLS 및 진공 다이캐스팅을 이용한 환자 맞춤형 유연 실리콘 임플란트 개발

Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS and Vacuum Die Casting

본 연구는 심부전 환자를 위한 외부 심장 지원 시스템의 기술적 한계를 극복하기 위해 선택적 레이저 소결(SLS) 기술과 진공 다이캐스팅을 결합한 새로운 제조 공정을 제시한다. 환자 개개인의 해부학적 구조에 최적화된 유연 실리콘 임플란트를 신속하게 제작함으로써, 인접 장기에 대한 영향을 최소화하고 심장 수축을 효율적으로 보조할 수 있는 공학적 방법론을 다룬다.

Paper Metadata

Industry: 의료 기기 및 생체 공학
Material: 실리콘(RTV-2 PlatSILITA 13.45H), 폴리아미드 12(PA12)
Process: 선택적 레이저 소결(SLS), 진공 다이캐스팅, 침적 코팅(Dip Coating), 로스트 코어(Lost Core) 공법

Keywords

선택적 레이저 소결(SLS)
진공 다이캐스팅
실리콘 임플란트
환자 맞춤형 설계
심부전 지원 시스템
적층 제조

Executive Summary

Research Architecture

본 연구의 실험 체계는 SLS 공정을 통해 제작된 정밀 금형 및 로스트 코어를 활용하여 복잡한 형상의 실리콘 구조체를 성형하는 데 중점을 둔다. EOS Formiga P110 장비와 PA12 분말을 사용하여 외측 쉘과 보강 헬릭스, 그리고 침적 코팅용 로스트 코어를 제작하였다. 제조된 프로토타입은 Cup A(SLS 외측 쉘과 실리콘 막 조합)와 Cup B(내부 보강재가 통합된 전체 실리콘 구조)의 두 가지 설계 경로로 구분된다. 시스템의 기능 검증을 위해 IABP(대동맥 내 풍선 펌프) 컨트롤러를 사용하여 실제 심장 박동과 유사한 공압 부하를 가하는 실험 환경을 구성하였다.

FIGURE 1. Schematic of the cup designs A,
(left) and B, (right) — FIGURE 1. Schematic of the cup designs A, (left) and B, (right)

Key Findings

정량적 분석 결과, SLS로 제작된 0.5mm 두께의 로스트 코어는 침적 코팅 공정에서 충분한 안정성을 유지하면서도 성형 후 용이하게 제거됨이 확인되었다. 성능 테스트에서 내부 보강 구조가 없는 실리콘 컵은 가압 시 폭 방향으로 최대 17%의 팽창을 보였으나, SLS 보강 헬릭스가 통합된 Cup B는 외부 팽창을 효과적으로 억제하였다. 특히 원형 프로파일의 헬릭스를 적용한 Cup B는 가장 높은 내측 체적 변위를 기록하여, 에너지 효율적인 심장 압박이 가능함을 입증하였다. 100 mbar의 정압 조건에서 각 설계안의 외부 및 내부 변위 상관관계를 도출하였다.

Industrial Applications

이 제조 공정은 환자의 CT 또는 MRI 데이터를 기반으로 한 맞춤형 의료 기기 제작에 직접적으로 응용될 수 있다. 고가의 금형 제작 없이도 복잡한 언더컷 구조를 가진 실리콘 부품을 신속하게 생산할 수 있어, 소량 다품종 생산이 필요한 임플란트 산업에 적합하다. 또한, 심장 지원 장치 외에도 유연성과 맞춤형 형상이 동시에 요구되는 다양한 소프트 로보틱스 및 인공 장기 개발 분야에 기술적 토대를 제공한다.

Theoretical Background

Selective Laser Sintering (SLS)의 간접 활용

SLS 공정은 고분자 분말을 레이저로 소결하여 복잡한 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 장점이 있으나, 일반적으로 사용되는 PA12 재료는 인체 내 직접 삽입을 위한 의료용 인증을 받지 못한 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 SLS 부품을 최종 제품이 아닌, 의료용 실리콘을 성형하기 위한 정밀 금형이나 로스트 코어로 활용하는 간접 제조 방식을 채택한다. 이를 통해 SLS의 설계 자유도와 실리콘의 생체 적합성을 동시에 확보할 수 있는 이론적 근거를 마련한다.

FIGURE 2. Schematic of the manufacturing of a complex silicone
structure using SLS lost cores and dip coating process — FIGURE 2. Schematic of the manufacturing of a complex silicone structure using SLS lost cores and dip coating process

로스트 코어(Lost Core) 공법의 메커니즘

복잡한 내부 공동이나 언더컷이 포함된 중공 구조를 성형하기 위해, 성형 후 제거 가능한 코어를 사용하는 기법이다. 본 연구에서는 SLS 공정 파라미터를 조절하여 코어의 강도와 제거 용이성 사이의 균형을 맞춘다. 특히 0.5mm의 얇은 벽 두께를 가진 코어를 제작하여 실리콘 침적 코팅 시 형상을 유지하게 하고, 성형 완료 후에는 물리적 또는 화학적 방법으로 코어를 파쇄하여 제거함으로써 복잡한 내부 막 구조를 형성한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 EOS사의 Formiga P110 SLS 장비와 PA2200(PA12) 분말이 사용되었다. 빌드 챔버 온도는 167°C, 교환 프레임 온도는 145°C로 유지되었으며, 0.1mm의 층 두께로 적층되었다. 실리콘 재료는 상온 가교형(RTV-2)인 PlatSILITA 13.45H를 선정하여 낮은 점도와 높은 유연성을 확보하였다. 성능 평가를 위해 IABP 컨트롤러(Arrow Auto CAT 2 Wave)를 사용하여 주기적인 가스 이동을 구현하였으며, 100 mbar의 공압을 가해 심장 확장기 압력(80 mmHg)과 유사한 조건을 조성하였다.

Visual Data Summary

실험 결과 데이터에 따르면, 보강재가 없는 실리콘 구조체는 가압 시 외부로 크게 부풀어 오르는 현상이 관찰되었다(그림 4). 반면, SLS 보강 구조가 통합된 설계에서는 외부 팽창이 거의 발생하지 않았으며, 모든 에너지가 내부 심장 모델을 압박하는 데 집중되었다. Cup A는 수축 시 3개 겹의 막 구조를 형성하며 수축하였고, Cup B는 보강재의 형상(원형 vs 타원형 헬릭스)에 따라 서로 다른 체적 변위 특성을 나타냈다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수인 보강 구조의 유무 및 형상과 체적 변위 간의 상관관계를 분석하였다. 외부 팽창이 억제될수록 내부로 전달되는 체적 변위량이 증가하는 정비례 관계가 확인되었다. 원형 프로파일 헬릭스를 사용한 Cup B는 타원형 프로파일에 비해 더 높은 강성을 제공하여 외부 변위를 최소화하였고, 결과적으로 심장 모델에 대해 가장 높은 압박 효율을 달성하였다. 이는 보강재의 기하학적 설계가 시스템의 에너지 효율성을 결정하는 핵심 변수임을 시사한다.

Paper Details

Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS and Vacuum Die Casting

1. Overview

Title: Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS and Vacuum Die Casting
Author: Martin Launhardt, Nina Ebel, Markus Kondruweit, Michael Weyand, Tilmann Volk, Dietmar Drummer
Year: 2019
Journal: AIP Conference Proceedings 2055, 140005

2. Abstract

심부전은 점진적이고 의학적으로 복잡한 질환으로, 결국 심장 이식을 필요로 한다. 그러나 내부 유연 심장 지원 장치는 기증 장기가 확보될 때까지 환자의 심장을 지원하거나, 이식이 불필요할 정도로 심장 기능을 개선할 수 있다. 기술적으로 이는 환자 개별화된 기하학적 구조, 유연한 구조 및 보강재를 필요로 하며, 압축력이 주변 장기가 아닌 심장에만 영향을 미치도록 해야 한다. 선택적 레이저 소결(SLS) 공정은 고가의 금형 없이 복잡한 열가소성 부품 제조를 가능하게 한다. 그러나 가용한 재료 포트폴리오가 매우 좁고 의료용 실리콘 고무 유형의 재료를 제공하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 환자 맞춤형 유연 실리콘 임플란트 제조를 위한 SLS 진공 다이캐스트의 적용 가능성을 분석한다. SLS 진공 다이캐스트를 이용한 실리콘 시편의 성형 및 탈형에 관한 기초 연구와 유연 보강 구조 포함 가능성을 조사한다. 단순화된 기계적 테스트를 통해 제조 공정의 타당성과 환자 맞춤형 기하학적 구조를 이용한 최적화 잠재력을 보여준다. 첫 번째 기능성 실리콘 심장 지원 구조가 성공적으로 제조되었으며 의료용 인비트로(in-vitro) 테스트에 사용될 수 있다.

3. Methodology

3.1. SLS 부품 제조: PA12 분말과 EOS Formiga P110 장비를 사용하여 외측 쉘, 보강 헬릭스 및 로스트 코어를 제작함. 표준 파라미터를 사용하되 로스트 코어는 제거 용이성을 위해 10W의 레이저 출력과 0.5mm 두께로 최적화함.
3.2. 실리콘 성형 공정: RTV-2 실리콘을 사용하여 진공 다이캐스팅 및 침적 코팅을 수행함. 복잡한 내부 막은 SLS 로스트 코어 위에 실리콘을 코팅한 후 코어를 제거하는 방식으로 제작함.
3.3. 시스템 조립: SLS로 제작된 외측 쉘(Cup A) 또는 실리콘 내부에 통합된 보강 헬릭스(Cup B)를 실리콘 막과 결합하여 최종 프로토타입을 완성함.
3.4. 기능 테스트: IABP 컨트롤러를 연결하여 주기적인 공압 부하를 가하고, 물이 채워진 풍선 모델을 통해 심장 방향으로의 체적 변위를 측정함.

4. Key Results

실험 결과, SLS 기반의 로스트 코어 공법은 복잡한 언더컷을 가진 실리콘 임플란트 제작에 매우 효과적임이 입증되었다. 보강재가 없는 구조는 가압 시 폭 방향으로 17% 팽창하며 에너지 손실이 발생했으나, SLS 보강재를 통합한 Cup B는 외부 팽창을 차단하고 에너지를 내부로 집중시켰다. 특히 원형 단면의 보강재를 사용했을 때 가장 높은 체적 변위 효율을 보였으며, 이는 환자 맞춤형 설계를 통해 심장 지원 성능을 최적화할 수 있음을 의미한다. 또한, SLS 외측 쉘을 사용한 Cup A는 주변 장기에 대한 압박을 완벽히 차단하는 특성을 보였다.

Figure List

그림 1: Cup A(좌) 및 Cup B(우) 설계의 개략도
그림 2: SLS 로스트 코어 및 침적 코팅 공정을 이용한 복잡한 실리콘 구조 제조 개략도
그림 3: 심장 모델 없이 수축 시 3개 겹의 막 형상을 보이는 Cup A
그림 4: Cup B의 팽창 테스트(원형, 타원형 보강재 및 보강재 없음 비교)
그림 5: Cup B의 외부 방향 체적 변위(폭 및 높이 기준)
그림 6: Cup A와 Cup B의 심장 방향 체적 변위 비교

References

Statistisches Bundesamt (2017). Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
S. J. Park et al. (2012). Circulation. Heart Failure 5 (2).
H. Gorler and A. Haverich (2004). Herz 29 (7).
M. Launhardt et al. (2015). iJES 3 (2).
Datenblatt PolyConForm GmbH, Silikone PlatSilita 13-45 H.

Technical Q&A

Q: 왜 SLS 부품을 직접 임플란트로 사용하지 않고 실리콘 성형용 금형으로만 사용합니까?

현재 SLS 공정에 주로 사용되는 폴리아미드 12(PA12) 재료는 인체 내 장기 삽입을 위한 의료용 인증을 받지 않았기 때문입니다. 반면 실리콘은 생체 적합성이 검증된 재료이므로, SLS의 뛰어난 성형 자유도를 활용하여 금형이나 코어를 제작하고 최종 임플란트는 실리콘으로 제작하는 간접 방식을 취한 것입니다.

Q: 로스트 코어(Lost Core) 제작 시 레이저 출력을 10W로 설정한 이유는 무엇입니까?

로스트 코어는 실리콘 코팅 과정에서는 형상을 유지할 수 있는 최소한의 강도를 가져야 하지만, 성형 후에는 좁은 입구를 통해 쉽게 파쇄되어 제거되어야 합니다. 10W의 출력은 0.5mm 두께의 얇은 벽을 형성하면서도 과도하게 단단하지 않게 하여, 성형 후 코어 제거 공정을 용이하게 하기 위한 최적의 파라미터입니다.

Q: Cup A와 Cup B 설계의 핵심적인 기능적 차이는 무엇입니까?

Cup A는 딱딱한 SLS 외측 쉘이 실리콘 막을 감싸고 있어 주변 장기로의 압력 전달을 물리적으로 완벽히 차단합니다. 반면 Cup B는 실리콘 내부에 보강재를 통합하여 전체적으로 유연한 구조를 유지하면서도, 보강재의 강성을 통해 팽창 방향을 제어하여 환자의 착용감과 에너지 효율성을 동시에 고려한 설계입니다.

Q: 실험에서 사용된 실리콘 재료(PlatSILITA 13.45H)의 장점은 무엇입니까?

이 재료는 RTV-2(상온 가교형) 실리콘으로, 제조 시 점도가 낮아 복잡한 SLS 금형 내부로 주입하기 용이합니다. 또한 가교 후 높은 유연성과 기계적 내구성을 제공하여, 심장 박동과 같은 반복적인 동적 하중이 가해지는 임플란트 응용 분야에 적합한 특성을 가지고 있습니다.

Q: 보강 헬릭스의 단면 형상이 성능에 미치는 영향은 어떠합니까?

실험 결과, 원형 단면(지름 2mm)의 헬릭스가 타원형 단면(1.5 x 2.5mm)보다 외부 팽창을 억제하는 데 더 효과적이었습니다. 이는 원형 단면이 가압 조건에서 더 균일한 강성을 제공하여 에너지가 외부로 분산되는 것을 막고, 심장 모델을 압박하는 내부 체적 변위를 극대화했기 때문입니다.

Conclusion

본 연구는 SLS 기술과 실리콘 주조 공정을 결합하여 환자 맞춤형 심장 지원 임플란트를 제작할 수 있는 혁신적인 공정 경로를 성공적으로 제시하였다. 특히 SLS로 제작된 로스트 코어와 보강 구조의 통합은 기존의 표준화된 임플란트가 해결하지 못한 해부학적 적합성 및 에너지 효율성 문제를 동시에 해결할 수 있는 가능성을 보여주었다. 이러한 기술적 성과는 향후 인비트로 테스트를 거쳐 실제 임상 적용을 위한 중요한 토대가 될 것이며, 맞춤형 소프트 임플란트 제조 분야의 새로운 표준을 제시한다.

Source Information

Citation: Martin Launhardt, Nina Ebel, Markus Kondruweit, Michael Weyand, Tilmann Volk, Dietmar Drummer (2019). Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS and Vacuum Die Casting. AIP Conference Proceedings.

DOI/Link: https://doi.org/10.1063/1.5084908

Technical Review Resources for Engineers:

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Fig. 14 Displacement achieved from First time step

고압 다이캐스팅의 금형 수명 평가: Altair Inspire Cast 및 SIMSOLID를 통한 온도 역학 및 내구성의 상관관계 분석

Evaluating Die Life in High-Pressure Die Casting: Correlating Temperature Dynamics and Durability through Altair Inspire Cast and SIMSOLID

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 반복적인 열 응력을 받는 금형의 피로 패턴과 실패 지점을 분석한다. Altair Inspire Cast와 SIMSOLID를 활용한 수치 시뮬레이션을 통해 온도 역학이 금형 내구성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 금형 수명 최적화를 위한 기술적 통찰력을 제공한다.

Paper Metadata

Industry: 자동차 및 항공우주 부품 제조
Material: AISI H11 공구강 및 알루미늄 합금
Process: 고압 다이캐스팅 (HPDC)

Keywords

HPDC
피로 손상
피로 수명
SIMSOLID
Inspire Cast
제조
온도 매핑
EN-시간

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Altair Inspire Cast를 사용하여 HPDC 공정을 설정하고, 50회의 사이클 시뮬레이션을 통해 금형의 열적 평형 상태를 도출하는 사이클링 접근 방식을 채택하였다. 이후 HyperView를 통해 추출된 온도 데이터를 SIMSOLID로 매핑하여 열 및 구조 해석을 수행하였다. 피로 해석을 위해 에너지 기반의 반경험적 모델을 통합하였으며, 이는 평균 응력, 응력 진폭 및 변형률 데이터를 결합하여 금형이 실패하기 전까지 견딜 수 있는 사이클 수를 추정하는 프레임워크를 제공한다.

Key Findings

실험 결과, 금형 온도는 초기 150°C에서 시작하여 50회 사이클 후 349.95°C에서 열적 평형에 도달함을 확인하였다. 피로 해석 데이터에 따르면, 사이클 수가 500회에서 100,000회로 증가함에 따라 최대 피로 손상은 5.3428e-01에서 1.0686e+02로 기하급수적으로 증가하였다. 반면, 최소 피로 수명은 1.87167에서 0.00935833으로 급격히 감소하여, 고주기 사이클에서 금형의 파손 위험이 매우 높음을 정량적으로 입증하였다.

Industrial Applications

이 연구 결과는 자동차 및 항공우주 산업의 고정밀 부품 제조 시 금형 설계 최적화에 직접적으로 적용될 수 있다. 특히 냉각 채널 설계 개선 및 재료 두께 조정을 통해 열 구배를 관리함으로써 금형의 조기 균열을 방지하고 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 기반의 수명 예측 모델은 생산 계획의 신뢰성을 높이고 예기치 않은 가동 중단 시간을 최소화하는 데 기여한다.

Theoretical Background

고압 다이캐스팅(HPDC)의 열 피로 메커니즘

고압 다이캐스팅 공정에서 금형은 용융 금속의 주입과 냉각 과정이 반복됨에 따라 극심한 열 사이클을 경험한다. 이러한 급격한 온도 변화는 금형 표면과 내부 사이에 높은 열 구배를 형성하며, 이는 반복적인 열 팽창과 수축을 유발한다. 결과적으로 금형 재료의 미세 구조 변화와 함께 표면 균열(Heat checking)이 발생하며, 이는 금형의 수명을 단축시키는 주요 원인이 된다. 본 연구는 이러한 열 역학적 거동을 이해하고 예측하는 것이 금형 내구성 확보의 핵심임을 강조한다.

변형률-수명(E-N) 접근법을 이용한 피로 해석

E-N 접근법은 탄소성 변형률 결과를 사용하여 재료의 변형률 진폭과 파손까지의 사이클 수 사이의 관계를 분석하는 방법이다. 이 모델은 일반적으로 고주기 피로(High-cycle fatigue), 저주기 피로(Low-cycle fatigue), 그리고 피로 한도(Fatigue limit)의 세 영역으로 나뉜다. 저주기 피로 영역은 높은 변형률 진폭과 적은 파손 사이클 수가 특징이며, 피로 한도는 재료가 무한한 사이클 동안 파손 없이 견딜 수 있는 최대 변형률 진폭을 나타낸다. 본 연구에서는 이 모델을 통해 금형의 누적 손상도를 정밀하게 평가하였다.

Results and Analysis

Experimental Setup

해석 모델은 AISI H11 열간 공구강을 재료로 사용하였으며, 탄성 계수 215,000 MPa, 포아송 비 0.3, 밀도 7.85 g/cm³의 물성을 적용하였다. Inspire Cast 시뮬레이션에서는 5단계 워크플로우(캐비티, 러너 시스템, 구성 요소 정의, HPDC 곡선 설정, 실행)를 통해 공정을 설정하였다. 금형의 초기 온도는 150°C로 설정되었으며, 실제 생산 환경을 모사하기 위해 50회의 연속 사이클을 수행하여 열적 평형 상태를 구현하였다. 이후 2 MPa에서 80 MPa 사이의 가변 압력을 금형의 각 위치에 매핑하여 구조 해석을 수행하였다.

Visual Data Summary

HyperView를 통해 시각화된 온도 분포 데이터는 금형 표면의 핫스팟(Hot spots)을 명확히 식별하였다. 상단 섹션의 최대 온도는 294°C, 하단 섹션은 300°C로 기록되었으며, 이는 열 피로가 집중될 수 있는 구역을 나타낸다. Von Mises 응력 해석 결과, 하단 섹션에서 최대 221.46 MPa의 응력이 발생하였으며, 변위 해석에서는 최대 0.032369 mm의 변형이 관찰되었다. 이러한 시각적 데이터는 금형의 구조적 취약 지점을 파악하는 데 결정적인 근거를 제공한다.

Variable Correlation Analysis

분석 결과, 사이클 수와 피로 손상 사이에는 강한 양의 상관관계가 존재함이 밝혀졌다. 1,000 사이클을 기점으로 피로 손상이 1.0686e+00으로 증가하며 최소 피로 수명이 1 사이클 미만(0.935833)으로 떨어지는 현상이 관찰되었다. 이는 특정 임계 온도와 응력이 반복될 때 재료의 내구성이 급격히 저하됨을 의미한다. 따라서 온도 역학의 미세한 변화가 금형의 전체 수명에 지대한 영향을 미친다는 점이 통계적으로 확인되었다.

Paper Details

Evaluating Die Life in High-Pressure Die Casting: Correlating Temperature Dynamics and Durability through Altair Inspire Cast and SIMSOLID

1. Overview

Title: Evaluating Die Life in High-Pressure Die Casting: Correlating Temperature Dynamics and Durability through Altair Inspire Cast and SIMSOLID
Author: Sourav Das, Saurabh Bhamania, Sandhya Parate
Year: 2025
Journal: Journal of Materials and Engineering

2. Abstract

이 논문은 반복적인 열 응력을 받는 금형의 피로 패턴과 실패 지점에 초점을 맞추어 고압 다이캐스팅(HPDC)의 효율성을 탐구한다. 유한 요소 해석(FEA)을 통해 평균 응력, 응력 진폭 및 변형률을 통합하여 피로 수명을 예측하기 위한 에너지 기반의 반경험적 모델을 제안한다. 이 연구에는 HPDC 중 금형 온도 프로파일의 실험적 특성화와 온도 역학을 내구성 지표와 연결하는 통계적 상관관계 연구가 포함된다. Altair의 Inspire Cast 및 SIMSOLID를 사용한 수치 시뮬레이션은 금형의 열적 거동을 분석하고 온도 분포를 예측하여 피로 실패로 이어지는 조건에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 또한 AISI H11 공구강 부품의 피로 분석을 제시하여 사이클 수와 피로 손상 누적 사이의 명확한 관계를 밝히고, 신뢰성과 성능을 향상시키기 위한 설계 공정에서의 철저한 평가의 중요성을 강조한다. 전반적으로 이 연구는 HPDC 응용 분야에서 금형 수명에 대한 이해와 최적화를 개선하여 제조된 부품의 안전성과 효율성을 보장하는 데 기여하는 것을 목표로 한다.

3. Methodology

3.1. 캐비티 부품 지정: 주조할 부품의 정확한 형상, 치수 및 내부 구조를 캡처하는 정밀 디지털 모델을 생성한다.
3.2. 러너 시스템 정의: 용융 금속이 금형으로 유입되는 경로인 게이트, 러너 및 채널을 설정하여 원활한 흐름을 보장한다.
3.3. 추가 구성 요소 할당: 오버플로, 샷 슬리브, 냉각 채널 등 금속 흐름과 응고 관리에 필수적인 요소를 지정한다.
3.4. HPDC 곡선 정의: 위상 변화 접근 방식 또는 시간/속도 기반 입력을 사용하여 주조 공정의 열역학을 반영한다.
3.5. 사이클링 접근 방식 적용: 50회의 사이클 시뮬레이션을 수행하여 금형의 열적 평형 상태를 구현하고 실제 생산 조건을 복제한다.
3.6. 피로 해석 수행: SIMSOLID를 사용하여 500회에서 100,000회 사이의 다양한 사이클 수에 대해 EN 시간 곡선 분석을 실시한다.

4. Key Results

피로 해석 결과, 사이클 수가 증가함에 따라 금형의 취약성이 급격히 증가하는 양상을 보였다. 500 사이클에서 최대 피로 손상은 0.53428이었으나, 10,000 사이클에서는 10.686으로 증가하였고, 100,000 사이클에서는 106.86에 도달하였다. 최소 피로 수명은 500 사이클 시 1.87167에서 100,000 사이클 시 0.00935833으로 감소하였다. 이는 AISI H11 공구강 부품이 반복적인 하중 하에서 시간이 지남에 따라 피로 실패에 점점 더 민감해짐을 나타내며, 100% 손상 값은 부품이 임계 실패 임계값에 도달했음을 의미한다.

5. Mathematical Models

본 연구에서 사용된 총 변형률 모델은 탄성 변형률과 소성 변형률의 합으로 정의되며, 다음과 같이 표현된다:
$$\epsilon_{total} = \epsilon_{elastic} + \epsilon_{plastic}$$
또한, 변형률-수명(E-N) 관계는 재료의 피로 강도 계수($S_f = 517.5$ MPa), 피로 강도 지수($b = -0.087$), 피로 연성 지수($c = -0.58$), 피로 연성 계수($E_f = 0.35$) 등의 파라미터를 통합하여 분석되었다.

Figure List

Fig. 1. Inspire Cast를 이용한 HPDC 설정
Fig. 2. 금형 온도 플롯 (사이클별 변화)
Fig. 3. 금형 온도 분포 (평형 상태)
Fig. 4. HyperView 온도 데이터 추출 화면
Fig. 5. 금형의 구조적 설계 3D 모델
Fig. 6. 금형 위치별 압력 매핑
Fig. 7. AISI H11 공구강의 상세 재료 물성
Fig. 8. EN 곡선 (변형률-수명 관계)
Fig. 9. 마지막 타임 스텝의 압력 매핑 상세
Fig. 10. 마지막 타임 스텝의 변위 크기 분포
Fig. 11. 마지막 타임 스텝의 Von Mises 응력 분포
Fig. 12. 금형 상단 섹션의 온도 매핑 결과
Fig. 13. 선택된 페이스의 평균 온도 분석
Fig. 14. 하단 섹션의 변위 해석 결과
Fig. 15. 상단 섹션의 변위 해석 결과
Fig. 16. 첫 번째 타임 스텝과 연결된 Von Mises 응력
Fig. 17. 500 사이클에서의 피로 손상 분포
Fig. 18. 500 사이클에서의 피로 수명 분포
Fig. 19. 1,000 사이클에서의 피로 손상 분포
Fig. 20. 1,000 사이클에서의 피로 수명 분포
Fig. 21. 10,000 사이클에서의 피로 손상 분포
Fig. 22. 10,000 사이클에서의 피로 수명 분포
Fig. 23. 50,000 사이클에서의 피로 손상 분포
Fig. 24. 50,000 사이클에서의 피로 수명 분포
Fig. 25. 100,000 사이클에서의 피로 손상 분포
Fig. 26. 100,000 사이클에서의 피로 수명 분포

References

S. Das, “Design and weight optimization of aluminum alloy wheel,” 2014.
P. Cleary et al., “3D SPH flow predictions and validation for HPDC…”, 2006.
R. Lumley, “The development of high strength and ductility in HPDC…”, 2019.
H. Kang et al., “Influence of the solution and artificial aging treatments…”, 2022.
F. Bonollo et al., “High-pressure die-casting: Contradictions and challenges,” 2015.

Technical Q&A

Q: 금형의 열적 평형을 시뮬레이션하기 위해 몇 번의 사이클을 수행했는가?

본 연구에서는 실제 연속 생산 환경을 정확하게 복제하기 위해 50회의 사이클 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 금형 온도가 초기 150°C에서 시작하여 349.95°C의 평형 상태에 도달하는 과정을 캡처하였으며, 이는 이후의 구조 및 피로 해석을 위한 현실적인 기초 데이터를 제공하였다.

Q: 피로 해석에 사용된 AISI H11 공구강의 주요 기계적 물성은 무엇인가?

AISI H11 공구강은 탄성 계수 215,000 MPa, 포아송 비 0.3, 밀도 7.85 g/cm³, 인장 항복 응력 1,550 MPa, 압축 항복 응력 1,300 MPa의 물성을 가진다. 또한 5%의 크롬을 함유하여 높은 인성과 적절한 적열 경도를 제공하도록 설계된 열간 공구강이다.

Q: 사이클 수 증가에 따른 피로 손상의 변화 양상은 어떠한가?

500 사이클에서 0.53428이었던 최대 피로 손상은 100,000 사이클에서 106.86으로 급격히 증가한다. 이는 사이클 수가 증가함에 따라 금형이 반복적인 하중 하에서 피로 실패에 점점 더 취약해짐을 나타내며, 특히 10,000 사이클을 기점으로 손상 누적 속도가 가속화되는 경향을 보인다.

Q: SIMSOLID 소프트웨어가 본 연구에서 수행한 핵심 역할은 무엇인가?

SIMSOLID는 전통적인 격자 생성(Meshing) 과정 없이 복잡한 기하학적 구조에 대해 신속한 유한 요소 해석(FEA)을 수행하는 데 사용되었다. 구체적으로 금형의 열 및 구조적 거동을 모델링하고, 온도 분포, 열 유속, 열 응력 및 기계적 응력을 계산하여 최종적으로 피로 수명을 예측하는 역할을 담당하였다.

Q: 피로 손상 값이 100% 또는 1.0686e+02와 같이 나타나는 것은 무엇을 의미하는가?

피로 손상 값은 무차원 수치로 표현되며, 100% 또는 1.0 이상의 값은 해당 부품이 임계 손상 임계값에 도달했거나 이미 초과했음을 의미한다. 이는 부품이 실패할 위험이 매우 높거나 이미 실패가 발생했을 가능성이 크다는 것을 나타내며, 수리 또는 교체가 필요한 시점임을 시사한다.

Conclusion

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 금형의 온도 역학이 내구성에 미치는 영향을 Altair Inspire Cast와 SIMSOLID를 통해 성공적으로 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 반복적인 열 사이클에 따른 금형의 열적 평형 도달 과정과 그에 따른 응력 집중 및 피로 손상 누적 양상을 정량적으로 제시하였다. 특히 사이클 수 증가에 따른 피로 수명의 급격한 감소는 금형 설계 초기 단계에서의 철저한 시뮬레이션 기반 평가가 필수적임을 입증한다.

결론적으로, 본 연구에서 제안된 통합 해석 프레임워크는 금형의 조기 실패를 방지하고 수명을 연장하기 위한 설계 최적화 도구로서 높은 가치를 지닌다. 향후 연구에서는 다양한 냉각 시스템 설계와 표면 처리 기술이 피로 저항성에 미치는 영향을 추가로 탐구하여, HPDC 공정의 전반적인 신뢰성과 생산 효율성을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.

Source Information

Citation: Sourav Das, Saurabh Bhamania, Sandhya Parate (2025). Evaluating Die Life in High-Pressure Die Casting: Correlating Temperature Dynamics and Durability through Altair Inspire Cast and SIMSOLID. Journal of Materials and Engineering.

DOI/Link: 10.61552/JME.2025.04.002

Technical Review Resources for Engineers:

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Figure 3. The comparison between the numerical simulation (right) results and the flow visualization experiment (left) within the transparent windows.

고압 다이캐스팅 공정의 직접 관찰: CFD 시뮬레이션 정확도 검증과 기공 예측의 새로운 지평

이 기술 요약은 Hanxue Cao 외 저자들이 2019년 Materials에 발표한 논문 “[Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction in High Pressure Die Casting]”을 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석 및 요약했습니다.

키워드

주요 키워드: 고압 다이캐스팅
보조 키워드: 충전 공정, 기공 예측, 유동 가시화, CFD 검증, 결함 분석

Executive Summary

도전 과제: 복잡한 박벽 부품의 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 발생하는 복잡한 충전 현상으로 인해, 수치 시뮬레이션의 정확도가 불충분하며 실험적 검증이 어렵습니다.
연구 방법: 투명한 보로실리케이트 유리창을 금형에 설치하고 고속 카메라를 사용하여 실제 용융 알루미늄의 충전 과정을 직접 촬영하는 유동 가시화 실험을 수행했습니다.
핵심 돌파구: 시뮬레이션이 예측하지 못하는 용탕의 파편화 및 무화(atomization)와 같은 복잡한 유동 현상을 직접 관찰했으며, 이를 통해 특정 유동 패턴이 기공 결함의 주요 원인임을 밝혔습니다.
핵심 결론: 유동 가시화 실험은 CFD 시뮬레이션의 정확도를 검증하는 효과적인 방법이며, 충전 과정의 직접 관찰을 통해 기공 발생 위치를 정확하게 예측하고 공정을 최적화할 수 있습니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 박벽 부품을 고속으로 생산하는 핵심 공정이지만, ‘기공’이라는 고질적인 결함 문제에 직면해 있습니다. 기공은 제품의 기계적 특성을 심각하게 저하시키는 주요 원인이며, 대부분 용융 금속이 금형 캐비티를 채우는 충전 과정에서 공기가 혼입되어 발생합니다.

따라서 충전 과정을 정확히 예측하고 제어하는 것이 품질 확보의 관건입니다. 현재 Computational Fluid Dynamics(CFD) 시뮬레이션이 널리 사용되고 있지만, 특히 박벽의 복잡한 형상에서는 용탕의 파편화, 비산, 무화 등 예측이 어려운 현상들로 인해 정확도에 한계가 있습니다. 기존의 물을 이용한 모사 실험(water analogue experiment)은 실제 용탕과 물리화학적 특성이 다르고 온도 변화를 고려할 수 없다는 단점이 있으며, X-ray를 이용한 관찰법은 고가이고 특수 설계된 흑연 금형이 필요해 적용이 제한적이었습니다.

결론적으로, 실제 공정 조건에서 용탕의 거동을 직접 관찰하고 시뮬레이션 결과를 검증할 수 있는 효과적인 방법이 절실히 필요한 상황이었습니다. 이 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구팀은 실제 고압 다이캐스팅 공정 중 용탕의 흐름을 실시간으로 관찰하기 위해 독창적인 유동 가시화 실험 장치를 구축했습니다.

핵심 장비 및 재료: 수평형 콜드 챔버 다이캐스팅 머신을 사용했으며, 주조 재료로는 99.7% 순수 알루미늄을 사용했습니다. 금형은 P20 강철로 제작되었고, 용탕 주입 전 200°C로 예열되었습니다.
핵심 실험 설계: 이동측 금형에 두 개의 투명한 보로실리케이트 유리창을 설치했습니다. 이 창을 통해 고속 카메라(초당 1000 프레임)로 캐비티 내부로 유입되고 충전되는 용탕의 흐름 패턴을 직접 촬영했습니다. 이를 통해 기존에는 볼 수 없었던 실제 충전 과정을 밀리초(ms) 단위로 포착할 수 있었습니다.
주요 변수: 고속 사출 속도를 0.88 m/s, 1.59 m/s, 2.34 m/s 세 가지 조건으로 변경하며 속도가 충전 패턴과 기공 형성에 미치는 영향을 분석했습니다.
결과 검증 및 비교: 실험 후, 주조품의 특정 위치(왼쪽 창의 L1, L2, L3 및 오른쪽 창의 R1, R2, R3)에서 시편을 채취하여 정수압 칭량법(hydrostatic weighing method)으로 기공률을 측정했습니다. 또한, 상용 주조 해석 소프트웨어인 Anycasting을 사용하여 동일한 조건으로 충전 과정을 시뮬레이션하고, 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 정확도를 평가했습니다.

Figure 1. Geometry of die castings for the flow visualization experiment.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 시뮬레이션과 실제 충전 과정의 현저한 차이

시뮬레이션은 충전 초기 단계, 즉 유동이 비교적 안정적인 층류(laminar flow) 상태일 때는 실제 현상과 거의 일치하는 예측을 보여주었습니다. 그러나 유속이 빨라지면서 용탕이 부서지고 파편(fragment)이 형성되거나 무화(atomization)되는 복잡한 단계에 이르자, 시뮬레이션과 실제 실험 결과 사이에 상당한 차이가 나타났습니다 (그림 3 참조).

실제 실험에서는 다수의 미세한 파편이 발생하고 공기 혼입이 역동적으로 일어나는 반면, 시뮬레이션에서는 이러한 현상이 거의 관찰되지 않고 유동 전단이 매끄럽게 표현되었습니다. 특히, 그림 3h에서 관찰된 와류(vortex)는 실제 실험에서 더 거친 경계면을 가지며 역동적으로 공기를 휘감는 모습을 보였지만, 시뮬레이션에서는 비어있는 영역이 더 크고 경계가 명확하게 나타났습니다. 이는 현재의 CFD 모델이 용탕의 파괴 및 무화 현상을 정확히 모사하는 데 한계가 있음을 명확히 보여줍니다.

발견 2: 유동 패턴이 기공 발생 위치를 결정

유동 가시화 실험을 통해 기공이 주로 발생하는 위치와 그 원인을 명확히 규명했습니다. 왼쪽 창(Left Window)에서는 금형 상부 벽에 부딪힌 후 되돌아오는 유동(back flow)과 게이트에서 유입되는 유동(incoming flow)이 만나는 지점에서 기공이 집중적으로 발생했습니다.

그림 6의 데이터에 따르면, 모든 사출 속도 조건에서 두 유동이 합류하는 L2 영역의 기공률이 다른 영역(L1, L3)보다 현저히 높았습니다. 특히 0.88 m/s의 저속 조건에서는 L2의 기공률이 21.519%에 달했습니다. 이는 두 유동의 충돌이 난류를 유발하고 가스를 혼입시키는 주요 메커니즘임을 증명합니다. 고속 사출 속도는 이 합류 지점의 위치를 변화시켜 기공 분포에 직접적인 영향을 미쳤습니다.

발견 3: 장애물 주위 유동의 ‘항력 위기(Drag Crisis)’ 현상과 기공 분포 변화

오른쪽 창(Right Window)에 배치된 두 개의 원통형 장애물 주위의 유동을 관찰한 결과, 사출 속도(즉, 레이놀즈 수)에 따라 유동 패턴이 급격히 변하는 ‘항력 위기(drag crisis)’ 현상이 발생하며, 이로 인해 기공률이 가장 높은 위치가 바뀌는 것을 발견했습니다.

저속 (0.88 m/s): 레이놀즈 수가 임계 영역(critical regime) 미만일 때, 상류 실린더 후방에 넓은 후류(wake) 영역이 형성됩니다. 이 후류 영역에 위치한 R2 시편의 기공률이 15.815%로 가장 높았으며, 기공률 순서는 R1 < R3 < R2 였습니다 (그림 11 참조).
고속 (1.59 m/s 및 2.34 m/s): 레이놀즈 수가 임계 영역을 넘어서면서 후류 영역이 급격히 좁아지고, 유동이 두 실린더 사이의 틈을 통과하게 됩니다. 이로 인해 유동이 가장 늦게 채워지는 하류 실린더의 후방, 즉 R3 영역의 기공률이 가장 높아졌습니다. 기공률 순서는 R1 < R2 < R3 로 역전되었습니다. 이는 고속 유동 조건에서 부품의 기하학적 형상이 어떻게 기공 결함을 유발하는지에 대한 중요한 통찰을 제공합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어: 이 연구는 고속 사출 속도가 유동 합류 지점과 후류 영역의 형태를 변화시켜 기공 분포를 직접적으로 제어할 수 있음을 시사합니다. 특정 결함을 줄이거나 효율을 높이기 위해 사출 속도와 같은 공정 변수를 조정하는 근거로 활용될 수 있습니다.
품질 관리팀: 논문의 그림 11과 같은 데이터는 특정 조건(사출 속도)이 핵심 결함(기공)에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 이는 후류 영역이나 유동 합류 지점과 같이 기공 발생 가능성이 높은 영역에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 정보를 제공할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 연구 결과는 특정 설계 형상(예: 엇갈린 원통형 보스)이 응고 중 결함 형성에 큰 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다. 이는 초기 설계 단계에서부터 기공 발생을 최소화하기 위해 유동 경로를 고려하는 것이 중요함을 시사합니다.

논문 상세 정보

Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction in High Pressure Die Casting

1. 개요:

제목: Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction in High Pressure Die Casting
저자: Hanxue Cao, Chao Shen, Chengcheng Wang, Hui Xu and Juanjuan Zhu
발행 연도: 2019
발행 학술지/학회: Materials
키워드: direct observation; filling process; porosity prediction; high pressure die casting

2. 초록:

수치 시뮬레이션의 정확도가 빠르게 발전하고 있음에도 불구하고, 고압 다이캐스팅(HPDC), 특히 박벽의 복잡한 다이캐스팅 제품에서는 충전 과정의 복잡한 현상과 실험적 검증의 어려움으로 인해 아직 불충분한 단계에 있다. 따라서 본 논문에서는 유동 가시화 실험을 수행하고, 세 가지 다른 고속 사출 속도 하에서 다른 위치의 기공률을 예측했다. 실제 충전 과정과 수치 시뮬레이션 간의 유동 패턴 차이를 비교했다. 유동 가시화 실험은 실제적이고 실시간적인 충전 과정을 직접 관찰할 수 있으며, HPDC의 유동 시뮬레이션 모델 정확도를 위한 효과적인 실험적 검증 방법이 될 수 있음을 보여준다. 또한, 실제 실험과 Anycasting 솔루션 간의 유동 패턴에서 파편 또는 무화 형성 이후에 상당한 차이가 나타나기 시작한다. 마지막으로, 고속 사출 속도는 역류가 유입 흐름과 만나는 위치를 결정한다. 두 유체의 흐름이 만나는 지점은 다른 위치보다 더 많은 기공을 생성한다. 두 개의 엇갈린 실린더 주위에서 높은 고속 사출 속도 하의 항력 위기로 인해 유동 패턴에 전환이 있었으며, 이로 인해 기공률 관계도 R1 < R3 < R2 (0.88 m/s)에서 R1 < R2 < R3 (1.59 및 2.34 m/s)로 변경되었다.

3. 서론:

고압 다이캐스팅(HPDC) 공정은 고속 충전 및 고압 응고의 특징을 가지며, 복잡한 박벽 부품의 주요 제조 공정 중 하나가 되었다. 금형 설계는 알루미늄 합금 다이캐스팅의 표면 조도, 생산성, 미세구조 미세화와 같은 품질에 막대한 영향을 미친다. 충전 과정 중 용탕 흐름은 금형 설계에 의해 제어되며, 스프루, 게이트, 금형 위치, 이형제, 충전될 두께, 냉각 시스템 등 금형 설계와 관련된 매개변수를 신중하게 고려해야 한다. 기공은 다이캐스팅의 주요 결함이며, 기계적 특성을 심각하게 손상시킬 수 있다. 충전 과정 중 액체 금속 내 공기 혼입이 기공의 주요 원인이다. 따라서 고성능 주조품을 얻기 위해서는 다이캐스팅 충전 과정을 관찰하고 공기 혼입을 예측하는 것이 매우 중요하다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

고압 다이캐스팅에서 기공 결함은 제품 품질을 저하하는 가장 큰 문제이며, 이는 대부분 복잡한 충전 과정에서 발생한다. CFD 시뮬레이션은 이를 예측하는 데 중요한 도구이지만, 실제 현상과의 차이로 인해 정확도 검증이 필수적이다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 주로 물을 이용한 모사 실험이나 X-ray 회절법을 통해 충전 과정을 관찰하려 했으나, 각각 물리적 특성의 차이, 비용 및 설비의 제약이라는 한계가 있었다. 실제 용융 금속을 이용한 직접적이고 실시간적인 관찰 연구는 부족했다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 투명 창을 이용한 유동 가시화 실험을 통해 실제 HPDC 충전 과정을 직접 관찰하고, 이를 수치 시뮬레이션 결과와 비교하여 시뮬레이션의 정확도를 검증하는 것이다. 또한, 관찰된 유동 패턴을 기반으로 다양한 공정 조건 하에서 기공 발생 위치를 예측하고 그 메커니즘을 규명하고자 한다.

핵심 연구:

세 가지 다른 고속 사출 속도(0.88, 1.59, 2.34 m/s) 조건에서 유동 가시화 실험을 수행했다. 고속 카메라로 촬영한 실제 충전 과정과 Anycasting 소프트웨어로 계산한 시뮬레이션 결과를 비교 분석했다. 또한, 주조품의 특정 부위에서 기공률을 측정하여 관찰된 유동 패턴과 기공 분포 사이의 상관관계를 분석했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

실험적 접근과 수치적 접근을 병행하는 비교 연구로 설계되었다. 실제 다이캐스팅 공정을 모사한 유동 가시화 실험을 통해 실측 데이터를 확보하고, 이를 상용 CFD 소프트웨어의 시뮬레이션 결과와 비교하여 모델의 유효성을 검증했다.

Figure 2. The flow visualization setup. (a) A schematic showing the flow visualization experiment setup;
(b) the two shooting windows of high speed camera (the dimension of the bigger is 150 101mmand the
dimension of the smaller is 104 79mm) on themovable die.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터 수집: 고속 카메라를 이용하여 1000 fps의 속도로 충전 과정의 동영상을 촬영했다. 실험 후 주조품의 6개 특정 위치(L1-L3, R1-R3)에서 시편을 채취하여 정수압 칭량법으로 밀도를 측정하고 기공률을 계산했다.
데이터 분석: 촬영된 영상을 프레임 단위로 분석하여 시간 경과에 따른 유동 전단의 위치와 형태, 파편 및 와류 발생 등을 정성적으로 분석했다. 측정된 기공률 데이터는 사출 속도 변수에 따라 각 위치별로 비교 분석하여 유동 패턴과의 상관관계를 도출했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 99.7% 순수 알루미늄을 사용한 고압 다이캐스팅 공정에 초점을 맞춘다. 연구 범위는 세 가지 다른 고속 사출 속도 조건 하에서 특정 형상을 가진 캐비티의 충전 과정 관찰 및 기공 예측으로 한정된다. 용탕의 파편화, 무화, 유동 합류, 장애물 주위 유동과 같은 복잡한 유체 역학적 현상이 주요 연구 주제이다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

유동 가시화 실험은 파편화 및 무화와 같은 복잡한 유동 현상을 포함한 전체 다이캐스팅 충전 과정을 명확하게 관찰할 수 있는 효과적인 검증 도구이다.
수치 시뮬레이션(Anycasting)은 충전 초기 단계는 잘 예측하지만, 용탕의 파편화 또는 무화가 발생한 이후부터는 실제 현상과 상당한 차이를 보인다.
고속 사출 속도는 금형 상부에서 되돌아오는 유동과 게이트에서 유입되는 유동이 만나는 위치를 결정하며, 이 합류 지점에서 다른 위치보다 더 많은 기공이 생성된다.
엇갈린 두 원통 주위의 유동은 높은 사출 속도에서 항력 위기(drag crisis)로 인한 유동 패턴 전환을 겪으며, 이로 인해 기공률이 가장 높은 위치가 R2에서 R3로 이동한다 (0.88 m/s에서는 R1<R3<R2, 1.59 및 2.34 m/s에서는 R1<R2<R3).

그림 목록:

Figure 1. Geometry of die castings for the flow visualization experiment.
Figure 2. The flow visualization setup.
Figure 3. The comparison between the numerical simulation (right) results and the flow visualization experiment (left) within the transparent windows.
Figure 4. The actual filling process within the transparent windows.
Figure 5. The sampling location.
Figure 6. The porosity at different locations in the left window under different fast shot velocities.
Figure 7. Flow pattern under the fast shot velocity of 0.88 m/s in the left window.
Figure 8. Flow pattern under the fast shot velocity of 1.59 m/s in the left window.
Figure 9. Flow pattern under the fast shot velocity of 2.34 m/s in the left window.
Figure 10. Schematic diagram showing (a) the arrangement of the two cylinders in the right window; (b) shear layer designations.
Figure 11. The porosity at different locations in the right window under different fast shot velocities.
Figure 12. Flow pattern under the fast shot velocity of 0.88 m/s in the right window.
Figure 13. Flow pattern under the fast shot velocity of 1.59 m/s in the right window.
Figure 14. Flow pattern under the fast shot velocity of 2.34 m/s in the right window.

7. 결론:

본 연구는 유동 가시화 실험을 통해 실제 고압 다이캐스팅 충전 과정을 성공적으로 직접 관찰했다. 이 실험은 파편화, 무화와 같이 시뮬레이션이 예측하기 어려운 복잡한 유동 현상을 명확히 포착할 수 있어, CFD 시뮬레이션 결과를 검증하는 매우 가치 있는 도구임을 입증했다. 실제 유동과 시뮬레이션 유동은 용탕이 부서지기 시작하는 시점부터 현저한 차이를 보였다. 또한, 충전 과정의 직접 관찰을 통해 기공 분포를 정확하게 예측할 수 있었다. 두 유동 흐름이 만나는 지점과 원통형 장애물 후방의 후류 영역이 다른 영역보다 더 많은 기공을 생성하는 주요 원인임이 밝혀졌다. 특히, 높은 사출 속도에서 발생하는 항력 위기 현상으로 인해 유동 패턴이 전환되고, 이에 따라 기공이 최대로 발생하는 위치가 변화하는 것을 규명했다.

FLOW-3D CAST의 정확도에 대해 알아보기

8. 참고 문헌:

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 실험에서 다른 투명 재료 대신 보로실리케이트 유리를 사용한 특별한 이유가 있나요?

A1: 논문에 명시적으로 언급되지는 않았지만, 표 1에 제시된 보로실리케이트 유리의 물성치를 통해 이유를 유추할 수 있습니다. 이 유리는 750°C에 달하는 용융 알루미늄의 고온을 견딜 수 있는 높은 내열성과 낮은 열팽창 계수(32-35 × 10⁻⁶ cm/cm·°C)를 가지고 있습니다. 또한, 고압 다이캐스팅 공정의 압력을 견딜 수 있는 충분한 굽힘 강도(120-160 MPa)를 갖추고 있어, 고온, 고압의 극한 환경에서 안정적으로 내부 유동을 관찰하기에 가장 적합한 재료였기 때문입니다.

Q2: 충전 후기 단계에서 Anycasting 시뮬레이션과 실제 실험 결과 사이에 큰 차이가 발생한 핵심적인 이유는 무엇인가요?

A2: 핵심적인 이유는 현재의 시뮬레이션 모델이 용탕의 ‘파편화(fragmentation)’와 ‘무화(atomization)’ 현상을 정확하게 모사하지 못하기 때문입니다. 실제 실험에서는 고속으로 분사된 용탕이 부서지면서 수많은 작은 파편으로 나뉘고, 이는 액체의 총 표면적을 급격히 증가시킵니다. 이로 인해 산화 및 열전달 특성이 크게 변하고 주변 가스와의 상호작용이 복잡해지지만, 시뮬레이션에서는 이러한 현상을 제대로 반영하지 못하고 용탕이 연속적인 유체처럼 거동하는 것으로 계산하여 실제와 다른 유동 패턴을 보이게 됩니다.

Q3: 논문에서 언급된 ‘항력 위기(drag crisis)’ 현상을 뒷받침하는 구체적인 연구 증거는 무엇인가요?

A3: 가장 명확한 증거는 고속 사출 속도가 0.88 m/s에서 1.59 m/s로 증가했을 때, 오른쪽 창(R1, R2, R3)의 기공률 순서가 R1<R3<R2에서 R1<R2<R3로 역전된 현상입니다(그림 11). 이 속도 변화는 유동의 레이놀즈 수가 약 1.9×10⁵에서 3.3×10⁵로 증가하는 구간에 해당하며, 이는 원통 주위 유동에서 항력 계수가 급격히 감소하는 임계 레이놀즈 수 영역(약 2×10⁵)을 통과하는 것과 일치합니다. 이로 인해 상류 실린더의 경계층이 난류로 천이하면서 박리점이 뒤로 이동하고 후류 영역이 좁아지는, 전형적인 항력 위기 현상이 발생했음을 실험 데이터가 증명합니다.

Q4: 고속 사출 속도는 왼쪽 창(L1, L2, L3)의 기공률에 구체적으로 어떤 영향을 미칩니까?

A4: 고속 사출 속도는 게이트에서 유입되는 흐름과 금형 상부 벽에 부딪혀 되돌아오는 흐름이 만나는 ‘합류 지점’의 위치를 결정합니다. 이 합류 지점은 일반적으로 L2 영역 근처에서 형성되며, 두 유동의 충돌로 인해 심한 난류가 발생하고 가스가 갇히기 쉬워 기공률이 가장 높게 나타납니다. 사출 속도가 변하면 유입 흐름과 역류의 운동량 균형이 바뀌어 합류 지점이 위아래로 이동하게 되고, 이는 L1, L2, L3 영역의 상대적인 기공률 분포를 변화시키는 직접적인 원인이 됩니다.

Q5: 그림 3h에서 관찰된 시계 방향의 와류(vortex)를 직접 관찰한 것의 실질적인 중요성은 무엇인가요?

A5: 이 와류, 즉 재순환 영역(recirculation zone)을 직접 관찰한 것은 기공 결함 발생의 핵심 메커니즘을 시각적으로 확인했다는 점에서 매우 중요합니다. 이 와류는 내부에 저압 영역을 형성하여 주변에 용해되어 있거나 자유 상태인 가스를 빨아들여 가두는 역할을 합니다. 결국 이 영역은 기공이 밀집된 다공성 부위로 남게 됩니다. 시뮬레이션만으로는 그 경계면의 거칠기나 가스 혼입의 역동성을 파악하기 어렵지만, 직접 관찰을 통해 와류의 형성, 성장, 소멸 과정을 명확히 파악함으로써 이 결함을 완화하기 위한 공정 변경이나 금형 설계 수정의 명확한 목표를 제공할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 실제와 시뮬레이션의 간극을 메우는 ‘직접 관찰’이라는 강력한 도구를 통해 고압 다이캐스팅 공정의 이해를 한 단계 끌어올렸습니다. 복잡한 충전 과정에서 발생하는 기공 결함의 원인이 용탕의 파편화, 유동 합류, 그리고 장애물 후류와 같은 특정 유동 패턴에 있음을 명확히 밝혔습니다. 특히, 고속 사출 조건에서 발생하는 ‘항력 위기’가 기공 분포를 완전히 바꿀 수 있다는 발견은 공정 최적화에 중요한 시사점을 제공합니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “Hanxue Cao” 외 저자들의 논문 “Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction in High Pressure Die Casting”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://doi.org/10.3390/ma12071099

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QDX-HARMOTEX: 고온강도와 인성을 모두 잡은 차세대 고인성 다이캐스트 금형강

이 기술 요약은 武藤康政, 舘幸生, 島村祐太가 저술하여まてりあ (Materia Japan) (2018)에 게재한 논문 “高強度高靱性ダイカスト金型用鋼 QDX-HARMOTEX の開発 (고강도 고인성 다이캐스트 금형강 QDX-HARMOTEX의 개발)”을 기반으로 하며, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

Primary Keyword: 고인성 다이캐스트 금형강
Secondary Keywords: QDX-HARMOTEX, SKD61, 히트체크, 고온강도, 금형 수명, 알루미늄 다이캐스팅

Executive Summary

The Challenge: 자동차 경량화 추세에 따라 알루미늄 다이캐스팅 부품의 고강도화, 박육화가 진행되면서 기존 금형강(JIS-SKD61)은 가혹해진 조업 환경에서 히트체크, 대형 균열 등 조기 손상 문제를 겪고 있습니다.
The Method: 연구팀은 고온에서 안정적인 M₂C 탄화물에 주목하여, 탄화물 형성 원소인 C, Mo, V의 함량을 최적화하고 2차 용해 등 공정 설계를 통해 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시키는 합금 설계를 완성했습니다.
The Key Breakthrough: 신규 개발된 QDX-HARMOTEX는 기존 SKD61 강 대비 월등히 향상된 고온강도(연화저항성)와 높은 인성을 동시에 달성하여 금형의 핵심 요구 성능을 모두 만족시켰습니다.
The Bottom Line: QDX-HARMOTEX는 히트체크와 균열 발생을 획기적으로 억제하여 다이캐스팅 금형의 수명을 연장하고 생산성을 향상시켜, 결과적으로 사용자의 총 소유 비용(TCO)을 절감하는 데 기여합니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

최근 자동차 산업의 연비 향상 요구에 따라 차체 경량화가 핵심 과제로 떠올랐습니다. 이를 위해 알루미늄 다이캐스트 부품의 사용이 증가하고 있으며, 부품 자체는 더 얇고 강하게, 생산 공정은 더 빠르게 변화하고 있습니다. 이러한 변화는 다이캐스팅 금형에 막대한 기계적, 열적 부하를 가하게 됩니다.

기존에 널리 사용되던 JIS-SKD61 금형강은 이러한 가혹한 환경에서 수명이 단축되는 문제를 보입니다. 특히 금형 표면에 거북등 또는 직선 형태의 미세 균열이 발생하는 ‘히트체크(heat checking)’는 가장 큰 수명 저하 요인입니다. 히트체크는 고온의 용탕에 의해 금형 표면이 연화되고, 이후 냉각-가열 사이클이 반복되면서 발생하는 국부적인 팽창과 수축으로 인해 균열이 진전되는 현상입니다.

이를 억제하기 위해서는 고온에서의 경도 유지를 위한 ‘고온강도(연화저항성)’와 균열의 발생 및 진전을 막기 위한 ‘인성’이 모두 필요합니다. 하지만 이 두 특성은 일반적으로 상반 관계(trade-off)에 있어 양립하기 매우 어렵습니다. 따라서 까다로워지는 다이캐스팅 환경에 대응하고 금형의 장수명화를 실현하기 위해, 고온강도와 인성을 모두 갖춘 혁신적인 금형 소재의 개발이 시급한 과제였습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

연구팀은 고온강도와 인성을 양립시키기 위해, 열처리 시 석출되는 ‘탄화물’의 종류와 양에 주목했습니다.

합금의 연화(softening)는 고온에 노출되었을 때 탄화물이 조대해지면서 발생합니다. 연구팀은 Thermo-Calc를 이용한 평형 계산을 통해, 여러 탄화물 중 M₂C 형태의 탄화물이 M₇C나 M₂₃C₆ 등 다른 탄화물에 비해 고온에서 조대해지기 어려워 연화 억제에 가장 효과적임을 확인했습니다 (그림 1 참조).

이에 따라 M₂C 탄화물의 형성 원소인 탄소(C), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)의 첨가량을 최적화하는 합금 설계를 진행했습니다. 다만, 이들 원소를 과도하게 첨가하면 성분 편석이나 조대한 정출 탄화물이 형성되어 오히려 인성을 저하시킬 수 있습니다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 합금 성분 최적화와 더불어 2차 용해 및 열처리 등 최적의 공정 조건을 설계했습니다.

그 결과, 개발된 QDX-HARMOTEX는 그림 2에서 보듯이 편석이 억제되고 미세한 탄화물이 기지 전체에 균일하게 분산된 이상적인 미세조직을 갖게 되었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

QDX-HARMOTEX는 기존 SKD61 강재의 한계를 뛰어넘는 우수한 기계적 특성을 보여주었습니다.

Finding 1: 월등한 인성과 고온 연화저항성의 양립

QDX-HARMOTEX는 다이캐스팅 금형의 핵심 요구 성능인 인성과 고온강도 모두에서 SKD61을 능가했습니다. 그림 4의 샤르피 충격시험 결과, QDX-HARMOTEX는 SKD61보다 높은 충격값을 나타냈으며, 특히 시험편 방향(L방향, T방향)에 따른 값의 차이가 작아 등방성이 우수함을 보여주었습니다. 이는 균열 전파에 대한 저항성이 뛰어나고 대형 파손의 위험이 적음을 의미합니다.

또한, 그림 5는 600℃에서 장시간 유지 후 경도 변화를 측정한 결과입니다. QDX-HARMOTEX는 SKD61에 비해 경도 저하가 현저히 적어, 뛰어난 고온 연화저항성을 입증했습니다. 이는 금형 사용 중 마모 및 히트체크 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 시사합니다.

Finding 2: 획기적인 내히트체크성 및 내용손성 개선

우수한 고온강도와 인성을 바탕으로 QDX-HARMOTEX는 실제 금형 환경을 모사한 평가에서 뛰어난 성능을 보였습니다. 그림 7은 고주파 가열과 수냉을 1,000회 반복한 내히트체크 시험 후의 단면입니다. SKD61에서는 깊고 큰 균열이 발생한 반면, QDX-HARMOTEX에서는 상대적으로 얕은 균열이 주로 관찰되어 내히트체크성이 월등히 우수함을 확인할 수 있습니다.

뿐만 아니라, 그림 9의 용손성 평가에서는 고온의 알루미늄 용탕(ADC12) 내에서 QDX-HARMOTEX의 무게 감소량이 SKD61보다 적게 나타났습니다. 이는 금형 표면의 용손 및 소착(sticking)을 억제하여 금형의 장수명화에 기여할 수 있음을 보여줍니다.

Practical Implications for R&D and Operations

For Process Engineers: QDX-HARMOTEX의 뛰어난 내히트체크성 및 내용손성(그림 7, 9)은 금형의 유지보수 주기를 연장하고, 금형 건전성을 해치지 않으면서 사이클 타임을 단축할 수 있는 가능성을 제시합니다.
For Quality Control Teams: 그림 4에서 확인된 등방적인 인성 특성은 금형의 성능을 더 예측 가능하고 신뢰성 있게 만들어, 복잡한 형상에서도 예기치 않은 대형 파손의 위험을 줄여줍니다. 이는 새로운 품질 검사 기준 수립에 정보를 제공할 수 있습니다.
For Design Engineers: 향상된 기계적 특성은 기존 강재로는 파손 위험이 컸던 얇은 부분이나 날카로운 코너를 포함한 더 복잡한 금형 설계를 가능하게 합니다. 이를 통해 더욱 정교하고 경량화된 다이캐스트 부품 생산이 가능해집니다.

Paper Details

고강도 고인성 다이캐스트 금형강 QDX-HARMOTEX의 개발

1. 개요:

Title: 高強度高靱性ダイカスト金型用鋼 QDX-HARMOTEX の開発 (Development of High Strength and High Toughness Die Steel for Die Casting ‘QDX-HARMOTEX’)
Author: 武藤康政 (Yasumasa Muto), 舘幸生 (Yukio Tachi), 島村祐太 (Yuta Shimamura)
Year of publication: 2018
Journal/academic society of publication: まてりあ (Materia Japan), 제57권 제1호
Keywords: 다이캐스팅, 금형강, 고온강도, 인성, 히트체크, SKD61, QDX-HARMOTEX

2. Abstract:

자동차의 연비 향상을 위한 차체 경량화 추세에 따라, 알루미늄 다이캐스트 부품은 고강도화 및 박육화가 진행되고 있다. 이로 인해 다이캐스팅 금형은 가혹한 환경에 놓이게 되어, 대형 균열이나 히트체크와 같은 수명 저하 문제가 발생하기 쉬워지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 고온강도와 인성을 겸비한 금형 재료가 요구된다. 본 연구에서는 탄화물에 주목하여 적절한 합금 성분과 공정을 설계함으로써, JIS-SKD61에 비해 우수한 고온강도와 인성을 겸비한 다이캐스트 금형강 QDX-HARMOTEX를 개발했다.

3. Introduction:

최근 자동차 경량화 배경으로 알루미늄 다이캐스트 부품의 고강도화 및 박육화, 생산성 향상을 위한 성형 가공 피치 단축이 진행되고 있다. 이로 인해 금형에 가해지는 기계적, 열적 부하가 증대되어 대형 균열이나 히트체크와 같은 문제가 발생하고 있으며, 장수명화를 위한 고성능 금형 재료가 요구되고 있다. 특히 발생 빈도가 높은 히트체크는 균열의 발생 및 진전을 억제하는 관점에서 고온강도(연화저항성)와 인성의 향상이 효과적이다. 고온강도와 인성은 상반되는 특성이지만, 당사는 탄화물에 착안하여 적절한 합금 성분과 공정 설계를 통해 두 특성을 양립시킨 다이캐스트 금형강 QDX-HARMOTEX를 개발했다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

다이캐스팅 금형의 사용 환경이 가혹해짐에 따라 기존 금형강인 SKD61의 성능 한계가 드러나고 있으며, 특히 히트체크로 인한 수명 단축이 주요 문제로 대두되고 있다.

Status of previous research:

히트체크를 억제하기 위해서는 고온강도와 인성이 동시에 요구되지만, 이 두 특성은 상충 관계에 있어 기존의 합금 설계로는 양립시키기 어려웠다.

Purpose of the study:

고온강도와 인성을 동시에 향상시켜 기존 SKD61 대비 히트체크 저항성을 획기적으로 개선한 차세대 다이캐스트 금형강을 개발하는 것을 목표로 한다.

Core study:

고온에서 안정한 M₂C 탄화물의 석출을 제어하는 것에 초점을 맞추었다. Thermo-Calc를 이용한 계산을 통해 M₂C 탄화물의 비율이 높을수록 고온 연화가 억제됨을 확인하고, M₂C 형성 원소(C, Mo, V)의 함량과 제조 공정을 최적화하여 인성 저하 없이 목표 특성을 달성하는 합금 설계 및 공정 기술을 확립했다.

5. Research Methodology

Research Design:

SKD61을 비교재로 하여 신규 개발강 QDX-HARMOTEX의 기계적 특성(경도, 인성, 고온강도) 및 실용 특성(내히트체크성, 내용손성, 피삭성)을 평가하는 실험적 연구를 수행했다.

Data Collection and Analysis Methods:

미세조직 관찰: 소둔 상태의 시편을 광학현미경으로 관찰했다.
기계적 특성 평가: 담금질-뜨임 열처리 후 로크웰 경도 시험, 샤르피 충격 시험, 고온 유지 후 경도 측정을 통한 연화저항성 평가를 실시했다.
실용 특성 평가: 고주파 가열-수냉 반복 시험기를 이용한 내히트체크성 평가, 알루미늄 용탕 침지 시험을 통한 내용손성 평가, 드릴 수명 시험을 통한 피삭성 평가를 실시했다.

Research Topics and Scope:

본 연구는 QDX-HARMOTEX의 합금 설계 개념부터 미세조직, 기계적 특성, 그리고 다이캐스팅 금형으로서의 핵심 성능인 내히트체크성, 내용손성, 피삭성에 이르기까지 포괄적인 특성 평가를 다룬다.

6. Key Results:

Key Results:

QDX-HARMOTEX는 SKD61과 동등한 수준의 담금질-뜨임 경도를 확보할 수 있다 (그림 3).
QDX-HARMOTEX는 SKD61 대비 높은 샤르피 충격값을 가지며, 방향에 따른 편차가 적어 인성이 우수하고 등방적이다 (그림 4).
600℃ 고온 유지 시 QDX-HARMOTEX는 SKD61보다 경도 저하가 적어 우수한 고온 연화저항성을 가진다 (그림 5).
내히트체크 시험 결과, QDX-HARMOTEX는 SKD61에 비해 균열 깊이가 현저히 얕아 우수한 내히트체크성을 보인다 (그림 7).
알루미늄 용손 시험 결과, QDX-HARMOTEX는 SKD61보다 용손량이 적어 내용손성이 우수하다 (그림 9).
드릴 수명 시험 결과, QDX-HARMOTEX는 SKD61보다 드릴 수명이 길어 피삭성이 우수하다 (그림 10).

Figure List:

図1 Thermo-Calc で平衡計算した焼戻しにより析出する全炭化物量と軟化量の関係.
図2 QDX-HARMOTEX の焼なまし状態の組織.
図3 焼入焼戻し硬さ.
図4 シャルピー衝撃特性.
図5 軟化抵抗性.
図6 ヒートチェック試験機概略図.
図7 ヒートチェック試験後の試験片断面
図8 アルミ溶損試験機概略図.
図9 耐アルミ溶損性.
図10 被削性.

7. Conclusion:

QDX-HARMOTEX는 적절한 합금 성분과 공정 설계를 통해 SKD61의 인성 및 고온강도를 모두 개선한 강재이며, 우수한 내히트체크 특성을 가진다. 다이캐스팅 금형의 사용 환경이 가혹해짐에 따라 개선 요구가 커지고 있는 금형의 대형 균열, 결손 및 히트체크 억제에 QDX-HARMOTEX는 매우 적합하다. QDX-HARMOTEX는 생산 저해 요인의 저감과 금형 수명 향상을 실현하여 사용자의 총비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 다른 탄화물이 아닌 M₂C 탄화물에 집중했나요?

A1: 논문의 그림 1과 본문에 따르면, M₂C 탄화물은 M₇C나 M₂₃C₆와 같은 다른 탄화물에 비해 고온에서 안정적이며 응집 및 조대화가 잘 일어나지 않습니다. 다이캐스팅 금형은 고온에 반복적으로 노출되므로, 탄화물이 조대해지면 기지가 연화되어 강도가 저하됩니다. 따라서 고온에서 미세한 형태를 오래 유지하는 M₂C 탄화물의 비율을 높이는 것이 고온 연화저항성을 확보하는 데 가장 효과적인 방법이었기 때문입니다.

Q2: C, Mo, V 원소 첨가량을 늘릴 때의 위험 요인은 무엇이며 QDX-HARMOTEX는 이를 어떻게 극복했나요?

A2: M₂C 탄화물을 형성하는 C, Mo, V 원소를 단순히 많이 첨가하면, 응고 과정에서 성분 편석이 발생하거나 조대한 정출 탄화물이 형성될 수 있습니다. 이러한 조대한 탄화물이나 편석은 기계적 성질의 불균일성을 초래하고 응력 집중 부위로 작용하여 인성을 크게 저하시킵니다. QDX-HARMOTEX는 이러한 문제를 극복하기 위해 원소 첨가량을 최적화하는 동시에, 2차 용해 정련 및 특수 열처리 같은 고청정 제조 공정을 적용하여 편석을 억제하고 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시키는 데 성공했습니다.

Q3: 그림 4에서 QDX-HARMOTEX가 SKD61보다 L방향과 T방향의 인성 차이가 적다는 것(등방성)은 어떤 실용적 의미를 가지나요?

A3: 인성의 등방성이 우수하다는 것은 금형의 어느 방향에서 힘을 받더라도 균일하고 예측 가능한 파괴 저항성을 가진다는 의미입니다. 다이캐스팅 금형은 복잡한 3차원 형상을 가지므로 다양한 방향에서 응력을 받게 됩니다. 등방성이 낮으면 특정 방향에서 취약해져 예기치 않은 파손이 발생할 수 있습니다. QDX-HARMOTEX의 높은 등방성은 금형 설계의 자유도를 높이고, 어떤 부위에서든 안정적인 수명을 보장하여 금형의 전체적인 신뢰성을 향상시키는 중요한 장점입니다.

Q4: 그림 10에 나타난 피삭성 개선은 금형 제작 비용 절감에 어떻게 기여하나요?

A4: 피삭성이 우수하다는 것은 절삭 가공이 더 쉽다는 것을 의미합니다. 이는 드릴과 같은 절삭 공구의 마모를 줄여 공구 수명을 연장시키고, 결과적으로 공구 교체 비용과 시간을 절감합니다. 또한, 더 빠르고 안정적인 가공이 가능해져 금형 제작에 소요되는 전체 시간을 단축시킬 수 있습니다. 따라서 QDX-HARMOTEX의 우수한 피삭성은 금형 제작 단계에서 직접적인 원가 절감 효과로 이어집니다.

Q5: 이 강재가 북미 다이캐스트 협회(NADCA)의 Grade C 등급으로 인정받았다는 것은 어떤 의미가 있나요?

A5: NADCA 인증은 북미 다이캐스팅 시장에서 통용되는 매우 공신력 있는 품질 표준입니다. Grade C는 고강도, 2차 용해 정련강으로 분류되며, 이는 QDX-HARMOTEX가 고청정 공정을 통해 제작된 고성능 프리미엄 금형강임을 객관적으로 인정받았다는 뜻입니다. 잠재적 사용자는 이 인증을 통해 강재의 품질과 성능에 대한 신뢰를 가질 수 있으며, 이는 북미를 포함한 글로벌 시장 진출에 중요한 이점으로 작용합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

자동차 산업의 경량화 요구로 인해 다이캐스팅 공정은 점점 더 가혹해지고 있으며, 기존 금형강의 한계는 생산성과 품질에 직접적인 영향을 미치고 있습니다. 본 연구에서 소개된 QDX-HARMOTEX는 고온강도와 인성이라는 상반된 특성을 성공적으로 양립시킨 혁신적인 고인성 다이캐스트 금형강입니다.

SKD61 대비 월등한 내히트체크성, 내용손성, 그리고 향상된 피삭성을 통해 QDX-HARMOTEX는 금형 수명을 극대화하고 유지보수 비용을 절감하며, 궁극적으로는 다이캐스팅 공정의 안정성과 생산성을 한 단계 끌어올릴 수 있는 솔루션을 제공합니다. 이는 부품 품질 향상과 총 소유 비용 절감으로 이어져 사용자에게 실질적인 가치를 제공할 것입니다.

연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

Copyright Information

This content is a summary and analysis based on the paper “高強度高靱性ダイカスト金型用鋼 QDX-HARMOTEX の開発” by “武藤康政, 舘幸生, 島村祐太”.
Source: https://doi.org/10.2320/materia.57.11

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다이캐스팅 금형의 플랫 블라인드 캐비티 인서트 가공 기술: 정밀도와 안정성 향상을 위한 혁신적 접근법

이 기술 요약은 Shuai Wang과 Xueqing Zhao가 작성하여 2017년 Advances in Engineering Research에 발표한 논문 “The processing instance of a flat blind cavity insert of die-casting mould”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가를 위해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

Primary Keyword: 플랫 블라인드 캐비티 인서트 가공
Secondary Keywords: 다이캐스팅 금형, CimatronE, 고속 밀링, 클램핑 기술, 형상 인서트

Executive Summary

도전 과제: 다이캐스팅 금형의 형상 인서트, 특히 플랫 블라인드 캐비티 인서트는 복잡한 형상과 엄격한 공차 요구사항으로 인해 가공이 까다롭습니다.
해결 방법: CimatronE 소프트웨어를 활용하여 인서트를 눕혀서 가공하고, 안정적인 클램핑 기술을 유연하게 설계하여 고속 밀링 공정의 안정성과 정밀도를 확보했습니다.
핵심 혁신: 인서트를 눕혀서 가공하는 방식과 맞춤형 클램핑 기술을 결합하여 공구 길이를 줄이고 강성을 높여, 수직 가공 방식보다 월등히 우수한 가공 효과를 달성했습니다.
핵심 요약: 가공물의 클램핑 기술을 최적화하고 명확한 가공 전략을 수립하는 것이 복잡한 다이캐스팅 금형 인서트의 정밀도와 생산성을 높이는 핵심입니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가

다이캐스팅 금형에 사용되는 형상 인서트(profiled insert)는 균일한 주물 벽 두께를 보장하고 복잡하며 손상되기 쉬운 성형부를 구현하기 위해 설계됩니다. 이러한 인서트는 표준 원형이나 사각형 인서트와 구별되며, 조립 형태에 따라 블라인드 캐비티 인서트와 관통형 캐비티 인서트로 나뉩니다.

특히 블라인드 캐비티 인서트는 캐비티의 인레이 홈이 관통되지 않은 형태로, 위치 결정 세그먼트와 볼트에 의존해 고정됩니다. 이 인서트의 성형부는 0 ~ +0.05mm, 결합부는 0 ~ -0.02mm라는 매우 엄격한 공차를 요구합니다. 기존의 고속 밀링 방식은 공구 마모로 인한 공차 이탈 문제가 발생할 수 있으며, 깊은 힘줄이나 좁은 홈 등은 방전 가공(EDM)이 필요하여 공정이 길어지고 비용이 상승하는 문제가 있었습니다. 따라서 복잡한 형상의 인서트를 보다 효율적이고 정밀하게 가공할 수 있는 안정적인 기술이 필요했습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구에서는 플랫 블라인드 캐비티 인서트의 가공 문제를 해결하기 위해 CimatronE CAD/CAM 소프트웨어를 기반으로 한 체계적인 가공 공정을 제안했습니다. 핵심 접근 방식은 다음과 같습니다.

가공 방향 설정: 기존의 수직 가공 방식 대신, 인서트를 눕혀서(lying) 가공하는 방식을 채택했습니다. 이를 통해 더 짧은 공구를 사용할 수 있어 공구와 인서트 자체의 강성이 크게 향상되었습니다.
클램핑 기술 설계: 인서트의 바닥과 코너 공간을 효과적으로 고정할 수 있는 맞춤형 클램핑 기술을 설계했습니다(그림 2 참조). 성형부와 클램핑부 사이의 연결부 두께를 5mm로 고정하고, NC 가공 마지막 단계에서 이 부분을 제거하는 방식을 사용했습니다. 이는 고속 밀링 공정 중 안정적인 고정 기준을 제공할 뿐만 아니라, 3차원 측정 시에도 편리한 측정 조건을 제공합니다.
가공 공정 단계:
1. 황삭: 볼륨 밀링(volume milling)과 레이어 커팅(layer cutting)을 사용하여 황삭 가공을 수행합니다.
2. 열처리 전 가공: 열처리 후 정삭 가공의 정밀도를 높이기 위해 곡면 밀링(parallel milling)을 추가하여 균일한 가공 여유량을 남깁니다.
3. 정삭: 열처리 후, 바인더 플레이트로 클램핑부를 고정하여 안정적인 상태에서 정삭을 진행합니다(그림 4 참조). 성형부와 결합부를 별도로 프로그래밍하여 각기 다른 공차 요구사항을 충족시킵니다.
4. 최종 가공: 정삭 완료 후, 선형 절단(linear cutting)을 이용해 클램핑을 위해 사용된 바닥 부분을 제거하여 최종 제품을 완성합니다.

Fig. 2 Design idea of clamping technology

핵심 혁신: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 클램핑 기술 최적화를 통한 가공 안정성 극대화

본 연구의 가장 큰 혁신은 인서트를 눕혀서 가공하고 이를 위한 맞춤형 클램핑 기술을 설계한 것입니다(그림 2).

기존의 긴 인서트를 수직으로 가공할 경우, 긴 공구를 사용해야 하므로 아크 홈 등에서 치수 편차가 커질 위험이 있었습니다. 하지만 인서트를 눕혀서 가공함으로써 공구 길이를 단축시켜 공구와 인서트의 강도를 획기적으로 개선했습니다. 논문에서는 “눕혀서 가공하는 효과가 수직 가공 효과보다 확실히 더 좋다(the lying machining effect is obviously better than that of vertical machining effect)”고 명시하며, 이 방식이 가공 정밀도 향상에 직접적으로 기여했음을 보여줍니다. 클램핑 기술은 가공 중 안정성을 확보하는 동시에, 열처리 전후의 홀 가공 및 최종 측정 단계에서도 일관된 기준점을 제공했습니다.

결과 2: 분리 프로그래밍 및 표면 연장을 통한 정밀 파팅 라인 구현

정밀한 공차 관리를 위해 성형부와 결합부를 분리하여 프로그래밍하는 전략을 채택했습니다.

성형부(공차 0 ~ +0.05mm)와 결합부(공차 0 ~ -0.02mm)의 경계인 파팅 라인을 명확하게 구현하기 위해, 각 부분의 표면을 파팅 라인을 따라 연장했습니다(그림 5). 가공 시 이 연장된 표면을 따라 진행함으로써 경계가 뚜렷해졌습니다.
공차 요구사항에 맞춰 공구 경로를 정밀하게 제어했습니다. 성형부 가공 시에는 공구를 0.02mm 높이고, 결합부 가공 시에는 공구를 0.02mm 낮추는 방식으로 프로그래밍했습니다(그림 6). 그 결과, 정삭 가공 후 파팅 라인이 명확하게 나타났으며, 조립 공정에서 필요한 조정 높이(1mm)만큼 오프셋된 정확한 형상을 얻을 수 있었습니다(그림 7).

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어: 이 연구는 복잡한 형상의 인서트 가공 시, 가공 방향을 바꾸고(눕혀서 가공) 맞춤형 클램핑 지그를 설계하는 것이 공구 마모를 줄이고 가공 안정성과 정밀도를 크게 향상시킬 수 있음을 시사합니다.
품질 관리팀: 그림 5와 6에서 제시된 표면 연장 및 분리 프로그래밍 기법은 최종 제품에서 명확한 파팅 라인을 생성합니다. 이는 품질 검사 시 중요한 기준으로 활용될 수 있으며, 성형부와 결합부의 공차 준수 여부를 더 정확하게 판별하는 데 도움이 됩니다.
설계 엔지니어: 이 연구 결과는 가공 공정의 안정성을 확보하기 위해 초기 설계 단계부터 클램핑을 고려하는 것이 중요함을 보여줍니다. 가공 중 안정적인 고정을 위한 추가적인 구조(본문에서 언급된 5mm 연결부 등)를 설계에 반영하면 제조 단계의 문제를 줄일 수 있습니다.

논문 정보

The processing instance of a flat blind cavity insert of die-casting mould

1. 개요:

제목: The processing instance of a flat blind cavity insert of die-casting mould
저자: Shuai Wang, Xueqing Zhao
발행 연도: 2017
학술지/학회: Advances in Engineering Research, volume 128 (7th International Conference on Manufacturing Science and Engineering (ICMSE 2017))
키워드: Insert, Die-casting Mould, Technology

2. 초록:

다이캐스팅 금형의 형상 인서트 분류를 통해 블라인드 캐비티 인서트의 기술적 분석을 수행합니다. 이 연구는 CAM 기술자가 인서트 가공 프로그램을 설계하기 위한 일반적인 프로세스를 제공합니다. CimatronE 소프트웨어와 결합하여 가공 아이디어를 명확하게 보여줍니다. 유연한 클램핑 기술 설계를 통해 고속 밀링 공정에 안정적인 클램핑 방법과 가공 기준을 제공할 뿐만 아니라, 3차원 측정을 위한 편리한 측정 조건을 제공합니다. 이는 형상 인서트 가공에서 간단하고 효과적인 가공 방법입니다.

3. 서론:

다이캐스팅 금형의 형상 인서트는 일반적으로 균일한 주물 벽 두께를 위해 설계된 고립된 힘줄(tendons)과 복잡하고 취약한 성형 부품입니다. 인서트의 모양은 다양합니다. 표준 원형 인서트(PIN) 또는 직사각형 인서트와 구별하기 위해 형상 인서트라고 합니다. 조립 형태에 따라 인서트는 블라인드 캐비티 인서트와 캐비티 인서트의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

블라인드 캐비티 인서트는 캐비티의 인레이 홈이 블라인드 캐비티인 것을 의미합니다. 캐비티의 관통이 없습니다. 배위 세그먼트의 위치 결정에 의존하고 볼트로 고정된 인서트가 필요합니다. 캐비티 인서트는 캐비티를 통과하는 인서트를 의미하며, 피팅 부품에 의해 위치가 결정됩니다. 캐비티 인서트는 압축 캐비티와 인서트 베이스에 의해 고정됩니다.

CimatronE는 Windows 운영 체제 환경에서 제품 설계에서 금형 설계 및 제조에 이르는 CAD/CAM 소프트웨어입니다. CimatronE는 효율적인 볼륨 밀링 황삭 가공, 고품질 표면의 나선형 밀링 공정, 루트의 높은 안전성 등 풍부한 프로그래밍 전략을 제공합니다. 다음에서는 CimatronE를 사용한 다이캐스팅 금형 인서트의 가공 방법을 소개합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

다이캐스팅 금형에 사용되는 플랫 블라인드 캐비티 인서트는 복잡한 형상과 엄격한 공차 요구사항으로 인해 가공이 어렵습니다. 기존의 가공 방식은 공구 마모, 정밀도 저하, 높은 비용 등의 문제를 안고 있어, 이를 해결할 효율적이고 안정적인 가공 기술이 필요했습니다.

이전 연구 현황:

본문에서는 이전 연구 현황에 대해 구체적으로 언급하지 않았으나, CimatronE 소프트웨어가 효율적인 볼륨 밀링, 고품질 표면 가공 등 다양한 프로그래밍 전략을 제공한다고 언급하며 기존 기술의 기반을 설명했습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 CimatronE 소프트웨어와 유연한 클램핑 기술을 결합하여 플랫 블라인드 캐비티 인서트를 위한 간단하고 효과적인 가공 방법을 제시하는 것입니다. 이를 통해 가공 안정성, 정밀도, 효율성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 인서트를 눕혀서 가공하는 방식과 이를 지원하는 맞춤형 클램핑 기술을 설계하고, CimatronE를 활용하여 황삭, 열처리, 정삭에 이르는 전체 가공 공정을 체계적으로 수립하는 것입니다. 특히 성형부와 결합부의 각기 다른 공차 요구사항을 충족시키기 위한 정밀 프로그래밍 전략을 개발하고 그 효과를 검증했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 플랫 블라인드 캐비티 인서트(그림 1)의 실제 가공 사례를 기반으로 한 기술 분석 및 공정 제안의 형태를 띱니다. CimatronE 소프트웨어를 활용하여 가공 시뮬레이션 및 프로그래밍을 수행하고, 실제 가공을 통해 제안된 방법의 유효성을 검증했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

연구는 특정 가공 공정(눕혀서 가공, 클램핑 기술 적용, 분리 프로그래밍 등)을 적용한 후의 결과물을 시각적으로 평가하는 방식으로 진행되었습니다. 그림 3, 7, 8은 각각 황삭 및 열처리 상태, 가공 효과, 최종 완성된 인서트의 모습을 보여주며, 이를 통해 제안된 방법의 성공 여부를 질적으로 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구 주제는 다이캐스팅 금형에 사용되는 플랫 블라인드 캐비티 인서트의 가공 기술입니다. 연구 범위는 CimatronE 소프트웨어를 사용한 CAM 프로그래밍, 클램핑 기술 설계, 황삭에서 정삭까지의 전체 NC 가공 공정, 그리고 최종 제품의 완성까지를 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

인서트를 눕혀서 가공하는 방식은 짧은 공구를 사용할 수 있게 하여 공구와 인서트의 강도를 크게 향상시켰고, 이는 수직 가공보다 월등히 나은 가공 효과로 이어졌습니다.
유연하게 설계된 클램핑 기술은 고속 밀링 공정 중에 안정적인 고정 상태를 유지하게 했으며, 이는 가공 정밀도를 높이는 데 결정적인 역할을 했습니다.
성형부(공차 0 ~ +0.05mm)와 결합부(공차 0 ~ -0.02mm)를 분리하여 프로그래밍하고, 각 부위의 표면을 연장하여 가공함으로써 정삭 후 명확한 파팅 라인을 구현할 수 있었습니다.
제안된 공정을 통해 황삭부터 정삭까지의 전체 가공이 매우 원활하게 진행되었으며, 최종적으로 정밀한 인서트를 성공적으로 제작했습니다(그림 8).

그림 목록:

Fig. 1 The flat blind cavity insert
Fig. 2 Design idea of clamping technology
Fig. 3 The state of roughing and heat treatment
Fig. 4 The finish machining process
Fig. 5 The extend surface
Fig. 6 The tool path
Fig. 7 The effect of processing
Fig. 8 The finished insert

7. 결론:

다이캐스팅 금형의 플랫 블라인드 캐비티 인서트 분석을 통해, 클램핑 기술 설계가 형상 인서트 가공에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다. 유연한 클램핑 기술 설계는 인서트의 클램핑 강도와 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 클램핑 기술 설계는 쉬운 클램핑과 쉬운 기준점 찾기 원칙을 따라야 합니다. 이를 바탕으로 소프트웨어의 CAD/CAM 기능과 결합하여 명확한 가공 전략, 간결한 가공 방법, 표준 프로그래밍 작업을 통해 기술 인력의 CAM에 대한 생각을 현실로 전환할 수 있습니다.

8. 참고문헌:

[1] Ji Zhou: Research on propeller machining technology based on Cimatron (Trans Tech Publications, China 2009).
[2] Hejun Luan: Application of Cimatron software in modern mold manufacturing (Trans Tech Publications, China 2013).
[3] Yongjian Zhang: The common process of machining cavity mould with Cimatron (Trans Tech Publications, China 2004).
[4] Jinlian Deng: Research on NC machining of complex surface based on Cimatron (Trans Tech Publications, China 2006).
[5] Xiaolu Zhang: The application of Cimatron software in foaming mould manufacturing (Trans Tech Publications, China 2010).

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 인서트를 전통적인 수직 방식이 아닌 ‘눕혀서’ 가공하는 방식을 선택한 구체적인 이유는 무엇인가요?

A1: 인서트를 눕혀서 가공하면 더 짧은 공구를 사용할 수 있기 때문입니다. 이는 공구와 인서트 자체의 강성을 크게 향상시켜, 긴 공구를 사용해야 하는 수직 가공 방식에 비해 가공 중 발생하는 진동을 줄이고 정밀도를 높이는 데 결정적인 이점을 제공합니다. 논문에서는 이 방식이 수직 가공보다 “확실히 더 나은(obviously better)” 효과를 보인다고 강조합니다.

Q2: 그림 2에 제시된 클램핑 기술이 구체적으로 공정을 어떻게 개선했나요?

A2: 이 클램핑 기술은 인서트의 바닥과 코너 공간을 활용하여 강력하고 안정적인 고정 상태를 제공합니다. 이는 고속 밀링 중 발생하는 절삭 저항에도 불구하고 인서트가 움직이지 않도록 하여 가공 정밀도를 보장합니다. 또한, 이 클램핑 구조는 가공 후 선형 절단을 통해 쉽게 제거할 수 있도록 설계되어, 전체 공정의 효율성을 높였습니다.

Q3: 그림 5에서 표면을 연장하는 작업의 목적은 무엇인가요?

A3: 표면을 연장하는 목적은 가공 후 성형부와 결합부 사이의 경계선, 즉 파팅 라인(parting line)의 프로파일이 명확하게 표시되도록 하기 위함입니다. 공구가 연장된 표면의 끝까지 가공을 진행함으로써 두 영역 간의 경계가 뚜렷하게 형성되어 후속 조립 공정의 정확성을 높이고 품질 검사를 용이하게 합니다.

Q4: 성형부와 결합부의 공차가 다른데, 이는 공구 경로에서 어떻게 관리되었나요?

A4: 두 부분은 별도로 프로그래밍되었습니다. 공차가 0 ~ +0.05mm인 성형부를 가공할 때는 공구를 0.02mm만큼 들어 올렸고, 공차가 0 ~ -0.02mm인 결합부를 가공할 때는 공구를 0.02mm만큼 낮췄습니다. 이처럼 정밀한 공구 경로 제어를 통해 각기 다른 공차 요구사항을 정확하게 충족시킬 수 있었습니다.

Q5: 정삭 가공 후 마지막 단계는 무엇이며, 왜 필요한가요?

A5: 정삭 가공 후 마지막 단계는 선형 절단(linear cutting)을 이용해 인서트의 바닥 부분을 잘라내는 것입니다. 이 바닥 부분은 가공 공정 동안 인서트를 안정적으로 고정하기 위해 설계된 클램핑 기술의 일부였습니다. 이 부분을 제거함으로써 비로소 최종 형상의 완성된 인서트(그림 8)를 얻을 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 다이캐스팅 금형의 플랫 블라인드 캐비티 인서트 가공이라는 까다로운 과제를 해결하기 위해 클램핑 기술의 유연한 설계와 체계적인 가공 전략이 얼마나 중요한지를 명확히 보여줍니다. 인서트를 눕혀 가공하고, 각 부위의 공차에 맞춰 정밀하게 프로그래밍하는 접근법은 가공 안정성과 최종 제품의 정밀도를 획기적으로 향상시켰습니다. 이는 R&D 및 운영 현장에서 발생하는 복잡한 가공 문제를 해결하는 데 중요한 실질적인 통찰력을 제공합니다.

STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

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이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “Shuai Wang”과 “Xueqing Zhao”가 작성한 논문 “The processing instance of a flat blind cavity insert of die-casting mould”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://www.atlantis-press.com/proceedings/icmse-17/25875681

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Fig. 12. Energy dispersive element mapping performed for etched specimen, a) microstructure, b) vanadium mapping, c) molybdenum mapping, d) chromium mapping

알루미늄 다이캐스팅 금형의 조기 균열: 열처리 불량이 초래한 치명적 파손 분석

이 기술 요약은 B. Pawłowski 외 저자가 2013년 ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS에 발표한 논문 “PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING”을 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

Primary Keyword: 다이캐스팅 금형 파손
Secondary Keywords: 알루미늄 다이캐스팅, 조기 균열, 열처리 불량, 파괴 인성, 금형 수명

Executive Summary

문제점: 알루미늄 다이캐스팅 금형이 보증 수명인 10만 회에 훨씬 못 미치는 수천 회 만에 다수의 균열로 인해 조기 파손되었습니다.
분석 방법: 파손된 금형의 미세조직 밴딩 방향, 균열 경로, 파단면 등을 금속학적 시험, 주사전자현미경(SEM), 에너지 분산형 분광법(EDS), 샤르피 충격 시험 등을 통해 분석했습니다.
핵심 발견: 파손의 근본 원인은 부적절한 열처리(템퍼링)로 인한 ‘템퍼 취성(temper embrittlement)’이었으며, 이로 인해 금형이 요구 경도를 충족했음에도 불구하고 파괴 인성은 요구치의 1/5 수준으로 급격히 저하되었습니다.
핵심 결론: 금형의 열처리 품질을 검증할 때 경도 측정에만 의존하는 것은 치명적인 오류를 낳을 수 있으며, 금형의 내구성과 수명을 보장하기 위해서는 파괴 인성 평가가 반드시 병행되어야 합니다.

문제점: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

알루미늄 다이캐스팅 금형의 수명은 일반적으로 2만에서 25만 회에 이르지만, 대부분은 표면에 발생하는 평행한 균열 패턴인 ‘열 균열(heat checks)’로 인해 파손됩니다. 이러한 열 피로 저항성을 개선하기 위해 Dievar와 같은 고성능 열간 공구강이 개발되었습니다. 하지만 본 연구에서 다루는 두 개의 동일한 Dievar강 금형은 보증 수명인 10만 회는커녕, 불과 수천 회 만에 작동 표면에 심각한 평행 균열이 발생하여 조기 폐기되었습니다. 이는 단순한 재료의 문제를 넘어, 제조 공정, 특히 열처리 과정의 중요성을 부각시키는 심각한 산업적 문제입니다. 왜 목표 경도를 만족시킨 최신 소재의 금형이 이토록 허무하게 파손되었는지, 그 근본 원인을 밝히는 것은 유사한 문제를 예방하고 생산 안정성을 확보하는 데 매우 중요합니다.

접근법: 분석 방법론

연구팀은 조기 파손된 두 개의 금형에서 시편을 채취하여 다각적인 분석을 수행했습니다. 분석의 정확성을 위해 균열 방향을 X축으로 설정하고, 세 개의 좌표축(XY, XZ, YZ 평면)을 따라 시편을 절단하여 미세조직의 방향성을 평가했습니다.

금속 조직 분석: 광학 현미경(Zeiss Axiovert 200MAT)을 사용하여 미세조직의 밴딩(banding) 방향과 전반적인 구조를 관찰했습니다.
경도 및 파괴 인성 측정: 로크웰 경도 시험기로 경도를 측정하고, 샤르피 V-노치 충격 시험을 통해 파괴 인성을 평가했습니다.
파단면 및 균열 경로 분석: 주사전자현미경(Hitachi SU-70 SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)을 이용하여 파단면의 형태와 균열 경로상의 미세구조, 그리고 특정 영역의 화학 성분을 정밀 분석했습니다.
화학 성분 분석: 발광 분광 분석기(Foundry-Master)를 사용하여 금형강의 화학 조성이 Dievar강의 요구 사양을 만족하는지 확인했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 경도는 정상이지만, 파괴 인성은 처참한 수준

파손된 금형의 경도를 측정한 결과, 평균 47 HRC로 나타났습니다. 이는 알루미늄 다이캐스팅 금형에 요구되는 경도 범위에 완벽하게 부합하는 수치입니다. 하지만 문제는 파괴 인성이었습니다. 샤르피 충격 시험 결과, 금형의 충격 에너지는 XY 평면 4.8 J, XZ 평면 5.4 J, YZ 평면 5.3 J에 불과했습니다. 이는 동일한 경도(47 HRC)에서 Dievar강이 가져야 할 충격 에너지 값인 약 27 J에 비해 5배나 낮은, 즉 요구치의 20%에 불과한 매우 취약한 상태임을 의미합니다. 이 데이터는 Dievar강의 템퍼링 온도-충격 에너지 관계(논문 Fig. 2)에서 명확히 나타나는 500-550°C 구간의 ‘템퍼 취성’ 영역에서 열처리가 이루어졌음을 강력하게 시사합니다.

결과 2: 미세조직이 증명하는 부적절한 열처리

주사전자현미경(SEM) 분석 결과, 균열은 냉각홀 모서리에서 시작되어(Fig. 7) 이전 오스테나이트(prior austenite) 입계를 따라 전파되는 양상을 보였습니다(Fig. 13). 특히, EDS 성분 분석을 통해 이전 오스테나이트 입계와 입내에 조대화된 크롬 탄화물(M23C6 및/또는 M7C3 유형으로 추정)이 다량 석출된 것을 확인했습니다(Fig. 11, 12). 이러한 조대한 크롬 탄화물의 형성과 입계 균열 전파는 부적절하게 높은 오스테나이징 온도 또는 템퍼 취성 구간에서의 템퍼링과 같은 잘못된 열처리의 전형적인 증거입니다. 즉, 금형은 목표 경도를 맞추었을지 몰라도, 미세조직 수준에서는 이미 균열에 매우 취약한 상태였던 것입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어(열처리 담당자)에게: 본 연구는 Dievar강과 같은 고성능 공구강을 템퍼링할 때 500-550°C 구간을 반드시 피해야 한다는 점을 명확히 보여줍니다. 단지 목표 경도를 달성했다는 이유로 이 온도 구간에서 열처리를 진행하면, 재료가 심각하게 취화되어 금형 수명이 급격히 단축될 수 있습니다. 열처리 공정 검증 시 경도와 함께 파괴 인성 데이터를 반드시 확인해야 합니다.
품질 관리팀에게: 금형의 열처리 품질을 검증하는 데 로크웰 경도 시험만으로는 불충분합니다. 본 사례처럼 경도는 정상이지만 파괴 인성이 현저히 낮은 경우가 발생할 수 있으므로, 샤르피 충격 시험과 같은 인성 평가를 품질 관리 기준에 포함시켜야 합니다. 이는 잠재적인 조기 파손 리스크를 사전에 차단하는 핵심적인 역할을 할 것입니다.
설계 엔지니어에게: 균열이 냉각홀 모서리와 같은 응력 집중부에서 시작되었지만, 근본적인 파손 원인은 재료의 취성이었습니다. 이는 아무리 설계가 잘 된 금형이라도 재료의 기계적 특성이 손상되면 쉽게 파손될 수 있음을 의미합니다. 또한, 미세조직의 밴딩 방향이 주요 응력 방향과 평행하지 않도록 금형 가공 방향을 설정하는 것도 파손 저항성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

논문 정보

PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING (알루미늄 합금 다이캐스팅용 금형의 조기 균열)

1. 개요:

제목: PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING
저자: B. PAWŁOWSKI, P. BAŁA, T. TOKARSKI, J. KRAWczyk
발행 연도: 2013
발행 학술지/학회: ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS
키워드: die failure; die-casting; hot-work tool steel; heat treatment

2. 초록:

두 개의 동일한 알루미늄 합금 다이캐스팅 금형이 작동 표면에 다수의 평행 균열이 발생하여 조기에 파손되었다. 이 균열은 금형 코어의 잘못된 미세조직 밴딩 방향 및 부적절한 열처리와 관련된 기계적 성질에서 기인했다. 미세조직 밴딩 방향은 좌표계의 세 축을 따라 절단된 시편의 금속학적 검사를 통해 결정되었다. 파단면과 균열 경로에 대한 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 분광법(EDS) 분석 결과, 금형의 조기 균열의 근본 원인은 부적절한 열처리(퀜칭 및 템퍼링 조건)임이 밝혀졌다. 또한, 샤르피 V-노치 시험으로 측정한 시편의 파괴 저항성은 요구 경도에서 기대되는 값보다 5배 낮았다.

3. 서론:

다이캐스팅 금형의 수명은 2만에서 25만 개까지 다양하며, 여러 요인(공차, 표면 마감, 재료, 금형 구조, 공정 변수, 금형 재료, 열처리 등)에 영향을 받는다. 대부분의 알루미늄 다이캐스팅 금형은 열 피로로 인한 표면의 열 균열(heat checks) 때문에 파손된다. Dievar 열간 공구강은 이러한 열 균열 및 전체 균열 저항성을 개선하기 위해 개발되었다. 이 강재는 경화능이 좋아 열처리가 단순화되었지만, 템퍼 취성을 피하기 위해 500-550°C 범위에서의 템퍼링은 피해야 한다. 본 논문은 보증 수명인 10만 회 대신 수천 회 만에 파손된 두 개의 손상된 금형(표면 평행 균열)을 조사한다.

Fig. 1. Continuous cooling transformation diagram of hot work
Dievar steel [11] — Fig. 1. Continuous cooling transformation diagram of hot work Dievar steel [11]

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

알루미늄 다이캐스팅 산업에서 금형의 수명은 생산성과 비용에 직결되는 핵심 요소이다. 금형의 조기 파손은 막대한 경제적 손실과 생산 차질을 유발한다. 특히 고성능으로 알려진 Dievar강 금형에서 발생한 이례적인 조기 파손 사례는 그 원인 규명이 시급한 과제였다.

Fig. 3. Surface cracks of dies A (a) and B (b) that failed after a few
thousand shots — Fig. 3. Surface cracks of dies A (a) and B (b) that failed after a few thousand shots

이전 연구 현황:

다이캐스팅 금형 파손의 주된 원인으로 열 피로에 의한 표면 균열이 널리 알려져 있으며, 이를 개선하기 위한 재료 개발 및 공정 최적화 연구가 활발히 진행되어 왔다. Dievar강은 이러한 연구의 결과물 중 하나로, 열 균열 저항성이 우수하다고 알려져 있다.

연구의 목적:

본 연구의 목적은 보증 수명에 훨씬 못 미쳐 조기 파손된 두 개의 Dievar강 다이캐스팅 금형의 근본적인 파손 원인을 규명하는 것이다. 이를 통해 유사한 문제의 재발을 방지하고, 금형의 신뢰성을 확보하기 위한 실질적인 방안을 제시하고자 한다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 파손된 금형의 재료적 특성을 심층적으로 분석하는 데 있다. 특히, 경도와 파괴 인성의 관계, 미세조직과 균열 전파 경로의 연관성, 그리고 SEM/EDS 분석을 통한 미세 석출물의 종류와 분포를 규명하여 부적절한 열처리가 금형 파손에 미친 영향을 증명하는 데 초점을 맞추었다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

파손된 두 금형에서 시편을 채취하여 금속학적, 기계적, 미세구조적 특성을 종합적으로 분석하는 사례 연구로 설계되었다. 균열 방향을 기준으로 좌표계를 설정하여 미세조직의 이방성(anisotropy)이 균열 전파에 미친 영향을 체계적으로 평가했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

금속 조직 관찰: 광학 현미경을 사용하여 2% 나이탈 용액으로 에칭된 시편의 거시 및 미시 조직을 관찰했다.
기계적 특성 평가: 로크웰 경도 시험기로 경도를, 샤르피 V-노치 시험기로 충격 인성을 측정했다.
미세 분석: SEM을 이용하여 파단면과 균열 경로를 고배율로 관찰하고, EDS를 통해 탄화물 등 미세 영역의 원소 조성을 분석했다.
화학 조성 확인: 광학 방출 분광법을 사용하여 강재의 전체 화학 성분을 분석했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 Dievar 열간 공구강으로 제작된 두 개의 알루미늄 다이캐스팅 금형의 조기 파손 사례에 국한된다. 연구 범위는 파손 원인을 규명하기 위한 재료 분석에 초점을 맞추고 있으며, 파손 메커니즘을 미세조직학적 관점에서 설명한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

파손된 금형의 화학 성분은 Dievar강의 규격을 만족했다.
금형의 미세조직 밴딩 방향은 표면 균열의 전파 방향과 평행했으나, 밴딩 자체는 업계 표준(NADCA)에서 허용하는 수준이었다.
균열은 냉각홀 모서리에서 시작되었다.
금형의 경도는 47 HRC로 요구 사양을 만족했다.
샤르피 충격 시험 결과, 파괴 인성은 요구치의 약 1/5 수준으로 매우 낮았다.
SEM/EDS 분석 결과, 부적절한 열처리로 인해 형성된 조대한 크롬 탄화물과 입계 균열이 관찰되었다.
결론적으로, 조기 파손의 근본 원인은 경도는 만족시켰으나 파괴 인성을 급격히 저하시키는 ‘템퍼 취성’을 유발한 부적절한 열처리였다.

Figure 목록:

Fig. 1. Continuous cooling transformation diagram of hot work Dievar steel [11]
Fig. 2. Effect of tempering temperature on room temperature impact energy [11]
Fig. 3. Surface cracks of dies A (a) and B (b) that failed after a few thousand shots
Fig. 4. Coordinate system orientation with respect to direction of surface cracks (red line)
Fig. 5. Macroscopic images of etched metallographic specimens, etched with 2% nital, a) die A XY plane, b) die A XZ plane, c) die A YZ plane, d) die B XY plane, e) die B XZ plane, f) die B YZ plane
Fig. 6. Microscopic evidence of microstructural banding, etched with 2% nital, a) die A XY plane, b) die A XZ plane, c) die A YZ plane, d) die B XY plane, e) die B XZ plane, f) die B YZ plane
Fig. 7. Crack origin at the edge of cooling hole
Fig. 8. Microscopic images of cracks nucleated at the edge of cooling hole: a), b) – not etched, c), d) – etched with 2% nital
Fig. 9. SEM images of tempered martensite microstructure of investigated steel, accelerating voltage 5 kV
Fig. 10. SEM image of investigated microstructure presented in Fig. 9d with higher accelerating voltage 20 kV
Fig. 11. Energy dispersive element mapping performed of area shown in Fig. 10, a) microstructure, b) vanadium mapping, c) molybdenum mapping, d) chromium mapping
Fig. 12. Energy dispersive element mapping performed for etched specimen, a) microstructure, b) vanadium mapping, c) molybdenum mapping, d) chromium mapping
Fig. 13. SEM images of propagation path of crack presented in Fig. 7, a-g) different crack areas
Fig. 14. SEM image of fracture surface of crack presented in Fig. 7, close to the cooling hole (crack origin)
Fig. 15. SEM images of transgranular fracture mode separated by dimple fracture area, a) general view, b) crack origin, c-d) transition region
Fig. 16. SEM images of fracture surface a) brittle crack propagation stages, b) dimple fracture transition area

7. 결론:

본 연구는 다음을 입증했다: – 균열은 냉각홀 모서리에서 시작되었고, 다이캐스팅 사이클에 대응하여 단계적으로 전파되었다. – 관찰된 모든 표면 균열은 미세조직 밴드와 평행하여 균열 전파를 촉진했다. – 조사된 금형의 경도는 알루미늄 합금 다이캐스팅 금형의 경도 범위 요구사항을 만족했다. – 샤르피 충격 에너지 시험 결과, 조사된 금형의 파괴 인성은 요구 경도에서 필요한 값보다 5배 낮았다. – 금형의 조기 균열의 근본 원인은 부적절한 열처리(템퍼 취성)였다.

8. 참고문헌:

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Uddeholm Dievar. Uddeholms AB Sweden brochure, Edition 9, 2012.
NADCA Die Material Committee: Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies, NADCA #207-2008, North America Die Casting Association, 2008.
J. Sjöström, Chromium martensitic hot-work tool steels damage, performance and microstructure, Doctoral thesis, Karlstad University, Sweden, 2004.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 논문에서 미세조직 밴딩이 균열과 평행하다고 언급했는데, 이것이 파손의 주된 원인이었나요?

A1: 아닙니다. 미세조직 밴딩은 균열의 ‘전파’를 용이하게 하는 역할을 했지만, 파손의 ‘근본 원인’은 아니었습니다. 논문에 따르면 관찰된 밴딩 수준은 북미 다이캐스팅 협회(NADCA)의 산업 표준에서 허용하는 범위 내에 있었습니다. 진짜 문제는 부적절한 열처리로 인해 재료의 파괴 인성이 극도로 낮아져, 작은 결함이나 응력 집중부에서도 균열이 쉽게 발생하고 전파될 수 있었다는 점입니다.

Q2: 경도 시험이 정상이었는데 왜 문제를 발견하지 못했나요?

A2: 경도와 인성은 재료의 서로 다른 기계적 특성이기 때문입니다. 경도는 재료가 국부적인 소성 변형(눌림, 긁힘)에 저항하는 능력을 측정하는 반면, 인성은 재료가 균열의 성장 및 파괴에 저항하는 능력을 측정합니다. ‘템퍼 취성’ 현상은 재료의 경도는 유지되거나 약간 상승하면서도 인성이 급격히 감소하는 특징을 가집니다. 따라서 경도 시험만으로는 이러한 취성 상태를 감지할 수 없으며, 이것이 바로 이번 사례의 함정이었습니다.

Q3: 미세조직에서 부적절한 열처리를 뒷받침하는 구체적인 증거는 무엇이었나요?

A3: 두 가지 핵심적인 증거가 있었습니다. 첫째, SEM-EDS 분석 결과 이전 오스테나이트 입계를 따라 조대화된 크롬 탄화물(M23C6/M7C3)이 다량 관찰되었습니다. 이는 템퍼 취성 온도 구간에서 템퍼링이 이루어졌을 때 나타나는 전형적인 미세조직입니다. 둘째, 균열이 강도가 약한 입계를 따라 전파되는 ‘입계 파괴’ 양상을 보인 점입니다. 이는 재료가 연성을 잃고 취약해졌다는 명백한 증거입니다.

Q4: 균열이 냉각홀에서 시작되었는데, 설계를 개선했다면 파손을 막을 수 있었을까요?

A4: 설계 개선이 어느 정도 수명 향상에 기여할 수는 있겠지만, 근본적인 해결책은 아닙니다. 냉각홀은 필연적으로 응력 집중을 유발하지만, 제대로 열처리된 금형은 이러한 응력을 충분히 견딜 수 있도록 설계됩니다. 이 사례의 진짜 문제는 재료의 파괴 인성이 요구치의 20%에 불과할 정도로 낮아, 정상적인 작동 응력조차 견디지 못하고 균열이 시작되고 전파되었다는 점입니다. 즉, 재료가 제 성능을 발휘했다면 설계상의 응력 집중은 문제가 되지 않았을 것입니다.

Q5: 금형 제작이나 열처리를 외주에 맡기는 기업이 얻어야 할 교훈은 무엇인가요?

A5: 최종 제품의 ‘경도’뿐만 아니라 ‘파괴 인성’까지 명확하게 요구하고 검증해야 한다는 것입니다. 외주 업체에 열처리 공정 기록(온도, 시간 등)과 함께, 경도 및 샤르피 충격 시험 결과가 포함된 품질 보증서를 요구하는 것이 중요합니다. 필요하다면, 입고되는 금형에 대해 자체적으로 또는 제3의 기관을 통해 샘플링 검사를 수행하여 두 가지 특성을 모두 검증하는 절차를 수립하는 것이 이러한 치명적이고 비용이 많이 드는 조기 파손을 예방하는 가장 확실한 방법입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이번 다이캐스팅 금형 파손 사례는 우리에게 중요한 교훈을 줍니다. 눈에 보이는 경도 수치만으로는 재료의 진정한 성능을 보장할 수 없으며, 보이지 않는 ‘파괴 인성’이 금형의 수명을 좌우하는 결정적인 요소라는 사실입니다. 부적절한 열처리는 고가의 고성능 강재를 한순간에 무용지물로 만들 수 있으며, 이는 막대한 생산 손실로 이어집니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 문제들이 귀사의 운영 목표와 관련이 있다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 적용할 수 있는지 알아보십시오.

연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

이 콘텐츠는 “B. Pawłowski” 외 저자의 논문 “PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://doi.org/10.2478/amm-2013-0147

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알루미늄 커넥팅 로드 파단분할 공법: 노치 형상 최적화로 정밀도와 생산성을 동시에 잡는 기술

이 기술 요약은 The Japan Society of Mechanical Engineers에서 2012년에 발표한 Tomoyuki AKITA 외 저자의 “AI 合金ダイカストコネクティングロッドへの改良型破断分割工法適用のための検討” 논문을 기반으로, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

Primary Keyword: 알루미늄 커넥팅 로드 파단분할 공법
Secondary Keywords: ADC14, 다이캐스팅, 노치 형상, 변형률 속도, 대단부 진원도, 유한요소해석

Executive Summary

The Challenge: 기존의 커넥팅 로드 제조 방식은 절단 및 정밀 가공 공정이 많아 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 경량화를 위해 알루미늄 합금에 효율적인 파단분할 공법을 적용하려 했지만, 강재와 달리 취성 파괴 특성을 유도하기 어려워 정밀도 확보가 문제였습니다.
The Method: 연구팀은 취성이 높은 ADC14 알루미늄 다이캐스팅 합금을 사용하여, 커넥팅 로드 대단부 내면의 노치(notch) 형상을 변경하며 파단분할 시험을 수행했습니다. 인장 시험과 유한요소해석(FEM)을 통해 재료의 특성과 응력 분포를 분석했습니다.
The Key Breakthrough: 파단 후 볼트로 재조립했을 때, 대단부의 최종 진원도는 노치 형상에 따라 크게 달라진다는 사실을 발견했습니다. 특히, 추가 가공 없이 소재 그대로의 노치(더 얕고 넓은 각도)를 사용했을 때, 파단 시 발생하는 소성 변형과 볼트 체결 시 발생하는 탄성 변형이 효과적으로 상쇄되어 가장 우수한 진원도를 보였습니다.
The Bottom Line: 정밀한 노치 설계를 통해 ADC14 알루미늄 다이캐스팅 커넥팅 로드에도 비용 효율적인 파단분할 공법을 성공적으로 적용할 수 있으며, 이는 자동차 부품의 경량화와 생산성 향상에 기여할 수 있습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

커넥팅 로드(Connecting Rod)는 엔진의 핵심 부품으로, 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 변환합니다. 전통적인 제조 방식은 로드와 캡을 일체형으로 주조한 후, 볼트 구멍을 가공하고 절단합니다. 이후 맞물리는 면(Hagerty)을 정밀 가공하고 다시 볼트로 조립하여 내경을 최종 가공하는 복잡한 공정을 거칩니다. 이 방식은 여러 단계의 가공 공정으로 인해 생산 비용이 높고, 절삭 여유(stock allowance)로 인한 재료 손실이 발생합니다.

이를 해결하기 위해 ‘파단분할(Fracture Splitting)’ 공법이 대두되었습니다. 이 공법은 내경 가공까지 마친 일체형 부품을 의도적으로 파단시켜 두 개로 분리하는 방식입니다. 파단면의 거친 요철이 서로 완벽하게 맞물리기 때문에 별도의 정밀 가공 없이도 정확한 조립이 가능해 공정을 단축하고 원가를 절감할 수 있습니다.

문제는 이 공법이 주로 강철(steel) 단조품에 적용되어 왔다는 점입니다. 강재는 저온 처리나 가공 경화 등을 통해 취성을 높여 깨끗한 파단을 유도할 수 있지만, 경량화 소재로 주목받는 알루미늄 다이캐스팅 합금은 이러한 특성을 갖지 않습니다. 본 연구는 취성이 높은 ADC14 알루미늄 합금을 사용하여, 파단 시 발생하는 소성 변형을 볼트 체결 시의 탄성 변형으로 상쇄시켜 최종적으로 대단부의 완벽한 진원도(roundness)를 확보하는 것을 목표로, 알루미늄 커넥팅 로드에 파단분할 공법을 적용하기 위한 핵심 기술을 탐구했습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 ADC14 알루미늄 다이캐스팅 소재의 특성을 파악하고, 노치 형상에 따른 파단 거동을 분석하기 위해 실험과 해석을 병행했습니다.

재료 특성 분석 (ADC14 인장 시험): ADC14 다이캐스팅재로 제작한 시험편(Fig. 1)을 사용하여 인장 시험을 수행했습니다. 인스트론 만능시험기를 이용해 20, 100, 250, 500 [mm/min]의 네 가지 크로스헤드 속도 조건에서 하중과 변형률을 측정하여, 변형률 속도에 따른 재료의 파단 응력 및 기계적 물성 변화를 분석했습니다.
응력 집중 해석 (FEM 해석): 상용 해석 소프트웨어 ANSYS를 사용하여 커넥팅 로드 대단부의 2차원 평면 응력 모델(Fig. 6)을 생성했습니다. 대칭 조건을 활용한 하프 모델(half model)을 구성하고, 대단부 내부에 쐐기(wedge) 역할을 하는 슬라이더 모델을 배치했습니다. 슬라이더에 강제 변위를 가하여 파단이 시작되는 노치 부근의 응력 분포를 해석하고, 파단 개시 시점을 예측했습니다.
파단분할 공법 시험:
- 시험편: 두 종류의 커넥팅 로드를 사용했습니다. 하나는 금형에 기본 설계된 노치(각도 90°, 깊이 0.8mm, 반경 R=0.5mm)를 가진 ‘소재 커넥팅 로드’이며, 다른 하나는 여기에 와이어 방전 가공으로 추가 노치를 낸 ‘추가 노치 커넥팅 로드'(각도 30°/90°, 추가 깊이 +0.2/+0.6mm, 반경 R=0.2mm)입니다.
- 시험: 커넥팅 로드 대단부에 쐐기를 삽입하여 파단시키는 시험을 수행했습니다. 쐐기 압입 속도를 0.1, 0.5, 100 [mm/min]으로 변경하며 파단 하중과 대단부의 벌어짐(expansion) 양을 측정했습니다.
- 정밀도 측정: 파단 후, 분리된 로드와 캡을 규정 토크(12 N·m)로 재조립한 상태에서 공기 마이크로미터와 3차원 측정기를 사용하여 대단부 내경과 진원도를 정밀하게 측정했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: ADC14 합금의 파단 응력은 변형률 속도에 따라 감소한다

인장 시험 결과, ADC14 소재는 변형률 속도가 증가할수록 파단 응력이 감소하는 독특한 경향을 보였습니다. Table 1과 Figure 3에서 볼 수 있듯이, 변형률 속도가 3499.8 [μ/s] (크로스헤드 속도 20 mm/min)일 때 평균 파단 응력은 252.0 [MPa]였으나, 41018.5 [μ/s] (500 mm/min)로 증가하자 파단 응력은 200.0 [MPa]까지 감소했습니다. 이는 파단분할과 같이 매우 빠른 속도로 변형이 일어나는 공정에서 더 낮은 힘으로 파단이 가능함을 시사하는 중요한 물성 데이터입니다.

Finding 2: 노치 형상이 최종 진원도를 결정한다: 소성 변형과 탄성 변형의 상쇄 효과

파단 후 재조립된 커넥팅 로드의 정밀도 측정 결과, 노치 형상이 최종 진원도에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

Table 5와 Table 6의 데이터를 종합하면, 추가 가공으로 더 깊고 날카로운 노치를 만든 경우보다, 가공하지 않은 ‘소재 커넥팅 로드’의 진원도가 가장 우수했습니다. 예를 들어, 100 [mm/min] 속도에서 소재 커넥팅 로드의 내경 편차(A, B, C 방향)는 3μm 수준이었지만, 90°/0.6mm 추가 노치를 적용한 경우 B방향 내경이 눈에 띄게 줄어들어 진원도가 악화되었습니다.
이 현상의 원인은 다음과 같이 분석됩니다: 노치가 얕고 완만한 ‘소재 커넥팅 로드’는 파단될 때 더 많은 소성 변형(영구 변형)을 겪습니다. 이 소성 변형으로 인해 대단부가 약간 벌어지게 되는데, 이후 볼트를 체결할 때 발생하는 탄성 변형(수축)이 이 벌어짐을 효과적으로 상쇄시켜 결과적으로 완벽에 가까운 원형을 유지하게 됩니다. 반면, 깊고 날카로운 노치는 적은 힘으로 쉽게 파단되지만 소성 변형량이 적어, 볼트 체결 시의 탄성 수축량이 과도하게 작용하여 오히려 형상을 왜곡시키는 결과를 낳았습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

For Process Engineers: 본 연구는 쐐기 압입 속도가 파단 하중과 직결됨을 보여줍니다(Table 3, 4). 속도를 높이면 파단 하중이 감소하므로, 설비 부하를 줄이고 생산 사이클 타임을 단축하는 공정 최적화가 가능합니다.
For Quality Control Teams: 최종 제품의 진원도는 파단 전 노치의 형상에 의해 결정됩니다. Table 6의 데이터는 특정 노치 깊이와 각도가 진원도 오차에 미치는 영향을 직접적으로 보여주므로, 이를 기반으로 노치 가공 단계의 새로운 품질 검사 기준을 수립할 수 있습니다.
For Design Engineers: 노치는 단순히 파단을 유도하는 시작점이 아니라, 최종 조립 후의 부품 정밀도를 제어하는 핵심 설계 요소임이 입증되었습니다. 본 연구에서는 소재에 기본 형성된 노치(90°, 깊이 0.8mm, R0.5)가 최적의 결과를 보였으며, 이는 적절한 양의 소성 변형을 유도하여 볼트 체결 후의 형상 유지를 고려한 설계가 중요함을 시사합니다.

Paper Details

AI 合金ダイカストコネクティングロッドへの改良型破断分割工法適用のための検討 (Investigation of Improved Fracture Splitting Method for Aluminum Alloy Die Casting Connecting Rod)

1. Overview:

Title: AI 合金ダイカストコネクティングロッドへの改良型破断分割工法適用のための検討
Author: 秋田知行1, 日下正広2, 木村真晃2, 海津浩一2, 木下浩伸*3 (Tomoyuki AKITA, Masahiro KUSAKA, Masaaki KIMURA, Koichi KAIZU, Hironobu KINOSHITA)
Year of publication: 2012
Journal/academic society of publication: 日本機械学会第20回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2012) (The 20th Conference on Materials and Processing, The Japan Society of Mechanical Engineers)
Keywords: Improved Fracture Splitting Method, Connecting Rod, Notch Geometry, Aluminum Alloy Die Casting, Strain Rate

2. Abstract:

커넥팅 로드는 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 변환하는 엔진 부품이다. 기존의 알루미늄 다이캐스트 커넥팅 로드 제조법은 로드와 캡을 일체형으로 주조한 후 절단 및 추가 가공을 거쳐 공정이 복잡하고 비용이 높다. 본 연구에서는 공정 단축과 원가 절감을 위해 ‘개량형 파단분할 공법’을 적용하는 방안을 검토했다. 이 공법은 일체형으로 주조 및 내경 가공을 마친 후, 대단부를 강제로 파단시켜 분리하는 방식이다. 강재와 달리 알루미늄 합금은 취성 파괴를 유도하기 어렵기 때문에, 본 연구에서는 연성이 매우 낮은 ADC14 주조 합금을 사용했다. 대단부 내면의 노치 형상을 변경하여 파단 시 발생하는 소성 변형을 볼트 체결 시의 탄성 변형으로 상쇄함으로써 대단부의 진원도를 확보하는 것을 목표로, ADC14 커넥팅 로드에 개량형 파단분할 공법을 적용하기 위한 실험적 검토를 수행했다.

3. Introduction:

알루미늄 다이캐스트 커넥팅 로드의 기존 공법은 일체형 주조 후 절단, 맞춤면 가공, 볼트 체결, 내경 가공 순으로 진행되어 공정이 많고 정밀 가공이 요구된다. 본 연구에서 제안하는 개량형 파단분할 공법은 일체형 주조 후 내경 가공을 먼저 하고, 쐐기를 이용해 대단부를 파단 분할하는 방식이다. 이 공법은 가공 공정을 단축하고, 절삭 여유가 필요 없어 재료 사용량을 줄이며, 파단면의 요철 덕분에 정확한 재조립이 가능하다. 강재 단조품에서는 저온 취성, 가공 경화, 충격 하중 등을 이용해 취성 파괴를 유도하지만, 알루미늄 다이캐스팅재는 이러한 특성이 없어 Si 함량을 조절하여 파괴 인성을 변화시키는 방식을 사용한다. 본 연구는 ADC14 합금의 특성을 활용하여 노치 형상 제어를 통해 대단부 진원도를 유지하는 파단분할 공법의 적용 가능성을 탐색한다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

자동차 엔진 부품의 경량화 및 생산성 향상 요구에 따라 알루미늄 합금 커넥팅 로드의 제조 공법 개선이 필요하다.

Status of previous research:

파단분할 공법은 주로 비조질강 단조품에 적용되어 왔으며, 알루미늄 다이캐스팅 소재에 대한 적용 연구는 제한적이다. 특히 알루미늄의 연성으로 인해 파단 후 정밀도 확보가 주요 기술적 과제이다.

Purpose of the study:

ADC14 알루미늄 다이캐스팅 커넥팅 로드에 개량형 파단분할 공법을 적용하기 위해, 대단부 내면의 노치 형상이 파단 거동 및 최종 조립 후의 진원도에 미치는 영향을 규명하고, 최적의 조건을 찾는 것을 목적으로 한다.

Core study:

ADC14 소재의 인장 시험을 통해 변형률 속도 의존성을 파악하고, FEM 해석으로 노치부의 응력 상태를 분석했다. 이후 다양한 노치 형상을 가진 커넥팅 로드를 제작하여 파단분할 시험을 수행하고, 파단 하중, 벌어짐 양, 그리고 재조립 후의 대단부 내경 및 진원도를 측정하여 노치 형상의 영향을 정량적으로 평가했다.

5. Research Methodology

Research Design:

실험적 연구 설계를 기반으로, ADC14 소재의 기계적 특성 평가, FEM을 통한 응력 해석, 노치 형상을 변수로 한 파단분할 실험을 순차적으로 수행했다.

Data Collection and Analysis Methods:

인장 시험: 만능시험기와 스트레인 게이지를 사용하여 하중-변형률 데이터를 수집.
FEM 해석: ANSYS를 사용하여 등가 응력 분포를 계산.
파단분할 시험: 만능시험기를 통해 파단 하중 및 변위 데이터를 수집.
정밀도 측정: 공기 마이크로미터와 3차원 좌표 측정기를 사용하여 파단 및 재조립 후의 내경과 진원도를 측정.

Research Topics and Scope:

ADC14 알루미늄 다이캐스팅 소재의 변형률 속도에 따른 기계적 특성 변화.
커넥팅 로드 대단부 노치 형상(각도, 깊이)이 파단 하중 및 변형에 미치는 영향.
파단분할 후 볼트로 재조립했을 때, 노치 형상에 따른 대단부 진원도 변화 분석.

6. Key Results:

Key Results:

ADC14 소재는 변형률 속도가 증가함에 따라 파단 응력이 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 3).
FEM 해석 결과, 노치 선단에서 최대 등가 응력(242 MPa)이 발생하여 소재의 파단 응력(평균 245.3 MPa)과 유사한 값으로 나타나, 설계된 위치에서 파단이 시작될 것을 예측했다 (Fig. 7).
파단분할 시험에서 압입 속도가 빠를수록, 추가 노치의 깊이가 깊을수록 파단 하중은 감소했다 (Table 3, 4).
파단 후 재조립 시, 추가 노치를 가공하지 않은 ‘소재 커넥팅 로드’가 가장 우수한 진원도를 보였다. 이는 파단 시의 소성 변형과 볼트 체결 시의 탄성 변형이 가장 잘 상쇄되었기 때문으로 분석된다 (Table 5, 6).

Fig．3　Relatienshi　bpetween　failur　setress 　and 　strain　rate．

Figure List:

Fig.1 Shape and dimension of tensile test specimen.
Fig.2 Stress-strain diagrams.
Fig.3 Relationship between failure stress and strain rate.
Fig.4 Shape and dimension of simplified connecting rod.
Fig.5 Stress-strain diagram
Fig.6 Shape of simplified analysis model.
Fig.7 Numerical result of simplified connecting rod.
Fig.8 Shape and dimension of connecting rod without added notch.
Fig.9 Load-expansion diagram.
Fig.10 Appearances of specimen after fracture splitting test.
Fig.11 Direction of measurement.
Fig.12 Results of roundness measurement.
Fig.13 Roundness measurement spots.

7. Conclusion:

ADC14 알루미늄 다이캐스팅 커넥팅 로드에 개량형 파단분할 공법을 적용하기 위해 ADC14 소재의 인장 시험과 대단부 응력 해석, 그리고 노치 형상을 변경한 파단분할 시험을 수행했다. 그 결과, ADC14는 변형률 속도가 증가하면 파단 응력이 감소하는 경향을 보였다. FEM 해석을 통해 노치 선단에서 최대 응력이 발생하여 파괴가 시작됨을 확인했다. 파단분할 시험 후 재조립된 커넥팅 로드의 진원도는 추가 노치가 얕고 각도가 클수록(즉, 소재 커넥팅 로드) 양호한 결과를 보였다. 이는 파단 시 발생하는 적절한 소성 변형이 볼트 체결에 의한 탄성 변형과 상쇄되어 최적의 진원도를 유지하기 때문으로 판단된다.

8. References:

(1)秋田知行, 日下正広, 木村真晃, 海津浩一, 木下浩伸“アルミニウム合金ダイカスト製コネクティングロッドの破断分割工法適用に関する検討”関西学生会学生員卒業研究発表講演会講演前刷集, (2012), pp.5-12.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 ADC14 알루미늄 합금을 선택한 특별한 이유가 있습니까?

A1: 네, 그렇습니다. 논문의 서론(緒言) 부분에서 언급되었듯이, 파단분할 공법은 재료가 깨끗하게 ‘파단’되는 것이 중요합니다. 일반적인 알루미늄 합금은 연성이 높아 파단되지 않고 늘어나는 경향이 있습니다. ADC14는 Si 함량이 높아 주조 합금 중에서도 연성이 매우 낮고 취성이 큰 특징을 가지고 있어, 취성 파괴를 유도해야 하는 파단분할 공법에 적합한 소재로 판단되어 선택되었습니다.

Q2: 인장 시험에서 변형률 속도가 증가할수록 파단 응력이 감소하는 결과(Fig. 3)가 나왔는데, 이는 일반적인 재료 거동과 반대되는 것 아닌가요?

A2: 좋은 지적입니다. 많은 금속 재료는 변형률 속도가 높아지면 강도가 증가하는 경향을 보입니다. 하지만 본 연구에서 사용된 ADC14 다이캐스팅재는 반대의 경향, 즉 변형률 속도가 증가할수록 파단 응력이 감소하는 특성을 보였습니다. 이는 이 소재의 고유한 특성이며, 파단분할 공법 적용에 있어 매우 중요한 의미를 가집니다. 실제 파단 공정은 매우 빠른 속도로 진행되므로, 더 빠른 속도로 파단을 진행하면 오히려 더 적은 힘이 필요하다는 것을 의미하며, 이는 공정 설계 시 에너지 효율성 측면에서 유리하게 작용할 수 있습니다.

Q3: 왜 더 날카롭고 깊은 추가 노치보다 가공하지 않은 소재의 노치가 더 좋은 진원도 결과를 보였나요?

A3: 이것이 본 연구의 가장 핵심적인 발견입니다. 결론적으로 ‘소성 변형과 탄성 변형의 균형’ 때문입니다. 날카로운 노치는 응력 집중이 심해 매우 적은 소성 변형만으로도 쉽게 파단됩니다. 파단 후 볼트로 재조립하면, 볼트 체결력에 의한 탄성 수축만 크게 작용하여 대단부가 타원형으로 찌그러집니다. 반면, 덜 날카로운 소재 노치는 파단 시 더 많은 소성 변형을 동반하며 대단부가 약간 벌어집니다. 이 벌어진 양이 볼트 체결 시 발생하는 탄성 수축량과 거의 비슷하게 상쇄되면서, 최종적으로 완벽한 원형에 가까운 형상을 유지하게 되는 것입니다.

Q4: FEM 해석의 구체적인 역할은 무엇이었나요? 단순히 응력만 확인한 것인가요?

A4: FEM 해석은 두 가지 중요한 역할을 했습니다. 첫째, 설계된 노치에서 파단이 시작될 것인지를 예측하는 것이었습니다. 해석 결과(Fig. 7), 로드 측 슬라이더를 0.035mm 변위시켰을 때 노치 선단에서 최대 등가 응력 242 [MPa]가 발생했습니다. 이는 ADC14의 평균 파단 응력인 245.3 [MPa]와 매우 근접한 값으로, 설계 의도대로 노치에서 파괴가 시작될 것임을 이론적으로 검증했습니다. 둘째, 노치 주변에 미세한 소성 변형 영역이 형성됨을 확인하여, 이 소성 변형의 크기를 노치 형상 변경으로 제어할 수 있다는 가능성을 제시했습니다.

Q5: 논문에서 지그(jig) 형상에 문제가 있을 수 있다고 언급했는데, 어떤 문제였나요?

A5: 두 가지 정황이 있었습니다. 첫째, 파단 후 시험편을 관찰했을 때 일부 시험편의 파단면이 노치를 따라가지 않고 벗어나는 현상이 관찰되었습니다(Fig. 10). 저자들은 이를 쐐기를 누르는 지그의 정렬이 맞지 않아 한쪽으로 힘이 쏠리는 ‘편하중(片当たり)’이 발생했을 가능성을 제기했습니다. 둘째, 내경 측정 결과(Table 5)에서 대칭 위치인 A와 C 방향의 변형량이 비슷해야 하지만, A 방향의 변형이 더 크게 나타났습니다. 이 또한 지그로 인한 하중의 비대칭성을 시사하는 증거로, 향후 공정에서는 지그의 정밀도가 매우 중요함을 알 수 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 알루미늄 커넥팅 로드의 제조 공정에서 비용과 정밀도라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 혁신적인 가능성을 제시했습니다. 기존의 복잡한 절삭 가공에 의존하던 방식에서 벗어나, 알루미늄 커넥팅 로드 파단분할 공법을 성공적으로 적용하기 위한 핵심 열쇠는 바로 ‘노치 형상 제어’에 있음을 명확히 보여주었습니다. 파단 시 발생하는 소성 변형과 볼트 체결 시의 탄성 변형을 정밀하게 상쇄시키는 최적의 노치 설계를 통해, 공정 단축과 원가 절감은 물론, 요구되는 최종 정밀도까지 확보할 수 있습니다.

이러한 연구 결과는 자동차 부품의 경량화와 생산성 향상을 목표로 하는 기업들에게 중요한 기술적 통찰을 제공합니다.

연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

Copyright Information

This content is a summary and analysis based on the paper “AI 合金ダイカストコネクティングロッドへの改良型破断分割工法適用のための検討” by “Tomoyuki AKITA, et al.”.
Source: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsmemecj/4/2/4_12-9/_article/-char/ja/

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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

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.
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.
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

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.
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.
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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CFD Simulations for Laser Welding of Aluminum Alloys Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션

연구 목적

본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 알루미늄 합금의 레이저 용접(Laser Welding) 공정을 수치적으로 분석함.
용접 공정에서 발생하는 기공(porosity) 형성 및 용융지(melt pool) 동역학을 해석하여 품질 향상 방안을 제시함.
레이저 빔 경사각 및 용접 속도가 기공 형성 및 용접 품질에 미치는 영향을 평가함.
실험 데이터를 CFD 모델링과 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증함.

연구 방법

실험 및 모델링 설정
- AA5182 알루미늄 합금 판재(1mm + 2mm)를 사용하여 원격 레이저 용접을 수행함.
- 6kW 연속파 광섬유 레이저(IPG)를 사용하고, Galvo 미러로 빔을 조준함.
- 레이저 경사각을 -15°에서 45°까지 변화시키며 용접 실험을 진행함.
- 고속 CCD 카메라를 사용하여 용융지 형성과 기공 발생을 기록함.
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
- VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 유동을 추적함.
- 레이저-재료 상호작용, 상변화, 유체 유동, 응고 과정을 포함한 CFD 모델 구축.
- Fresnel 흡수 모델을 사용하여 빔 각도에 따른 에너지 흡수를 반영함.
- 메쉬 독립성 연구를 수행하여 최적의 격자 해상도를 결정함.
결과 비교 및 검증
- 실험과 시뮬레이션을 비교하여 기공 형성 메커니즘을 분석함.
- 용접 속도 증가가 기공 형성에 미치는 영향을 실험적으로 검증함.
- 기공 억제 전략을 도출하여 용접 품질 향상을 위한 설계 지침을 제안함.
추가 분석
- 용접 속도 및 레이저 경사각 변화가 용융지 내 난류 구조 및 기공 형성에 미치는 영향을 분석함.
- 고출력 레이저 용접 시 키홀(Keyhole) 안정성을 평가함.
- 향후 연구 방향으로 다중 재료 용접 및 다이캐스팅 부품 용접에 대한 추가 연구를 제안함.

주요 결과

기공 형성 및 용접 품질 분석
- 고출력(6kW) 및 높은 용접 속도(12m/min)에서 키홀이 안정적으로 유지됨.
- 키홀 벽면이 붕괴할 때 기공이 형성되며, 용접 속도가 높을수록 기공 억제 효과가 증가함.
- 레이저 빔 경사각이 45°일 때 후면 용융지에 난류가 줄어들며, 기공 형성이 감소함.
용융지 유동 패턴 및 난류 영향
- 레이저 빔이 수직(0°)일 때, 후면 용융지가 불안정하여 기공이 쉽게 발생함.
- 30° 이상의 경사각에서는 용융지 유동이 균형을 이루며 기공 형성이 감소함.
- 마랑고니 대류(Marangoni convection)와 재충돌(Recoil pressure) 영향이 용융지 유동에 주요한 역할을 함.
시뮬레이션 검증 및 오차 분석
- 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 기공 면적 비율 차이 평균 오차 5~8% 수준으로 확인됨.
- 실험에서는 키홀 붕괴로 인해 발생한 기공 크기가 시뮬레이션보다 다소 크게 측정됨.
- 레이저 초점 위치 오차가 실험과 시뮬레이션 결과 차이의 원인 중 하나로 분석됨.
용접 공정 최적화 방안
- 고출력(6kW) + 높은 용접 속도(12m/min) + 경사각 45° 조합이 기공 최소화에 효과적임.
- 키홀이 안정적인 상태에서 후면 용융지 난류 감소 시 기공 형성이 억제됨.
- 향후 연구에서 레이저 빔 모양 및 펄스 변조 기법을 적용하여 추가 실험이 필요함.

결론

FLOW-3D 시뮬레이션은 레이저 용접 공정의 기공 형성 예측에 효과적임.
높은 용접 속도와 레이저 경사각 증가가 기공 억제에 유리함.
실험과 시뮬레이션 간 높은 상관관계를 보이며, 일부 차이는 초점 위치 및 난류 모델 영향으로 판단됨.
향후 연구에서는 다이캐스팅 부품 및 다중 재료 용접 적용성 연구가 필요함.

Reference

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Gating System Design Based on Numerical Simulation and Production Experiment Verification of Aluminum Alloy Bracket Fabricated by Semi-solid Rheo-Die Casting Process

반고체 레오 다이 캐스팅 공정으로 제작된 알루미늄 합금 브래킷의 수치 시뮬레이션 및 생산 실험 검증을 기반으로 한 게이팅 시스템 설계

International Journal of Metalcasting volume 16, pages878–893 (2022)Cite this article

Abstract

In this study a gating system including sprue, runner and overflows for semi-solid rheocasting of aluminum alloy was designed by means of numerical simulations with a commercial software. The effects of pouring temperature, mold temperature and injection speed on the filling process performance of semi-solid die casting were studied. Based on orthogonal test analysis, the optimal die casting process parameters were selected, which were metal pouring temperature 590 °C, mold temperature 260 °C and injection velocity 0.5 m/s. Semi-solid slurry preparation process of Swirled Enthalpy Equilibration Device (SEED) was used for die casting production experiment. Aluminum alloy semi-solid bracket components were successfully produced with the key die casting process parameters selected, which was consistent with the simulation result. The design of semi-solid gating system was further verified by observing and analyzing the microstructure of different zones of the casting. The characteristic parameters, particle size and shape factor of microstructure of the produced semi-solid casting showed that the semi-solid aluminum alloy components are of good quality.

이 연구에서 알루미늄 합금의 반고체 레오캐스팅을 위한 스프루, 러너 및 오버플로를 포함하는 게이팅 시스템은 상용 소프트웨어를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 설계되었습니다. 주입 온도, 금형 온도 및 사출 속도가 반고체 다이캐스팅의 충전 공정 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 직교 테스트 분석을 기반으로 금속 주입 온도 590°C, 금형 온도 260°C 및 사출 속도 0.5m/s인 최적의 다이 캐스팅 공정 매개변수가 선택되었습니다. Swirled Enthalpy Equilibration Device(SEED)의 반고체 슬러리 제조 공정을 다이캐스팅 생산 실험에 사용하였다. 알루미늄 합금 반고체 브래킷 구성 요소는 시뮬레이션 결과와 일치하는 주요 다이 캐스팅 공정 매개변수를 선택하여 성공적으로 생산되었습니다. 반고체 게이팅 시스템의 설계는 주조의 다른 영역의 미세 구조를 관찰하고 분석하여 추가로 검증되었습니다. 생산된 반고체 주조물의 특성 매개변수, 입자 크기 및 미세 구조의 형상 계수는 반고체 알루미늄 합금 부품의 품질이 양호함을 보여주었습니다.

References

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Keywords

semi-solid rheo-die casting
gating system
process parameters
numerical simulation
microstructure

원문보기

Figure 1. Steady-state shear stress a as a function of shear rate y in Sn-Pb alloy [10).

Numerical Modelling of Semi-Solid Flow under Processing Conditions

처리조건에서의 반고체유동의 수치모델링

David H. Kirkwood and Philip J. Ward
Department of Engineering Materials, University of Sheffield, Sheffield I UK

Keywords: semi-solid alloys, thixotropy, flow modelling.

Abstract

During the industrial process of semi-solid forming (or thixoforming) of alloy slurries, typically the operation of die filling takes around 0.1s.
During this time period the alloy slug is transformed from a solid-like structure capable of maintaining its shape, into a liquid-like slurry able
to fill a complex die cavity: this involves a decrease in viscosity of some 6 orders of magnitUde. Many attempts to measure thixotropic breakdown experimentally in alloy slurries have relied on the use of concentric cylindrical viscometers in which viscosity changes have been followed after shear rate changes over times above 1s to in excess of 1000 s, which have little relevance to actual processing conditions and therefore to modelling of flow in industrial practice. The present paper is an attempt to abstract thixotropic breakdown rates from rapid compression tests between parallel plates moving together at velocities of around 1mis, similar to industrial conditions. From this analysis, a model of slurry flow has been developed in which rapid thixotropic breakdown of the slurry occurs at high shear rates.

합금 슬러리의 반고체 성형 (또는 틱소 성형)의 산업 공정 동안, 일반적으로 다이 충진 작업은 약 0.1 초가 걸립니다.
이 기간 동안 합금 슬러그는 모양을 유지할 수있는 고체와 같은 구조에서 액체와 같은 슬러리로 변형됩니다.
복잡한 다이 캐비티를 채우기 위해 : 이것은 약 6 차의 마그 니트 점도 감소를 포함합니다. 합금 슬러리에서 실험적으로 요 변성 파괴를 측정하려는 많은 시도는 전단 속도가 1 초 이상에서 1000 초 이상으로 변화 한 후 점도 변화가 뒤 따르는 동심원 원통형 점도계의 사용에 의존하여 실제 가공 조건과는 거의 관련이 없습니다. 따라서 산업 현장에서 흐름 모델링에. 본 논문은 산업 조건과 유사하게 약 1mis의 속도로 함께 이동하는 평행 판 사이의 빠른 압축 테스트에서 요 변성 파괴 율을 추상화하려는 시도입니다. 이 분석으로부터 슬러리의 급속한 요 변성 분해가 높은 전단 속도에서 발생하는 슬러리 흐름 모델이 개발되었습니다.

Introduction

기존의 다이캐스팅을 위한 다이 설계는 과거에 예비 테스트 및 조정과 함께 축적 된 실무 경험의 문제였으며, 단기 실행, 랩, 다공성 등과 같은 결함을 제거하기 위해 다이 캐스트 제품을 검사했습니다. 이것은 모두 비용이 많이 드는 절차입니다.

시간과 비용, 그리고 프로세스의 컴퓨터 모델링은 이를 줄이거 나 없애기 위해 많은 운영자에 의해 개발되었습니다. 반고체 가공 (thixoforming)에서는 반고체 합금 슬러리의 전단이 내부 구조를 파괴하여 충전 작업 중 시간이 지남에 따라 점도가 낮아짐으로 발생하는 비 뉴턴 점도로 인해 모델링 문제가 더욱 어려워집니다.

시스템 전체에서 균일하지 않습니다. 충전 중에 발생하는 추가 응고로 인해 문제가 더욱 복잡해집니다. 빠른 충전으로 인해 이 단계에서 매우 작은 것으로 간주되기 때문에 현재 분석에서는 무시되었습니다.

우리 모델의 또 다른 한계는 슬러리가 균질한 물질로 거동 한다는 가정이며, 이는 어느 지점에서나 단일 점도로 설명될 수 있습니다. 이것은 빠른 전단의 고려 사항과 정상적인 요 변형성 조건 내에서 0.6 미만의 고형분을 분별하는 것으로 제한합니다.

<중략>……

Figure 2. Equilibrium viscosity as a function of shear rate in Sn-Pb alloy, fraction solid:0.36, fitted to Cross Model.

Figure 3. Cheng Diagram: shear stress vs. shear rate.

Figure 4. Reciprocal of experimental breakdown time vs. y 1.3 for Sn-Pb alloy

Figure 5. Relaxation time, T, as a function of shear rate; see also figure 4, Fs =0.36.

Figure 6. Experimental and modelled results for compression test on AI-A356 alloy at two temperatures.

Table 1. Calculated parameters for the breakdown in compression tests [20].

Figure 7. Drop-forge results from Yurko and Flemings [7].

Conclusions

y에서 전단 된 반고체 슬러리의 틱소 트로픽 분해에 대한 속도 방정식은 다음과 같은 형식으로 제안됩니다. T = l / (a + uym), 여기서 T는 급속 분해 또는 유사 정상 상태 구조에 대한 특성 시간이며, 밴드 m은 상수입니다. 이 관계는 제한된 범위의 전단 속도에서 Sn-Pb 합금의 전단 속도 점프에 의해 실험적으로 확인되었습니다.

이 파괴율 방정식은 AI-Si 합금의 반고체 슬러그에 대한 빠른 압축 테스트에서 실험적으로 얻은 힘-변위 곡선을 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D® (버전 8.2 : FlowScience Inc.)에 도입되었습니다. 담금 시간과 다른 압축 속도에서. 이 분석의 결과는 모든 경우에 요 변성 거동이 관련되어 있음을 나타내지만, 5 분 동안 담근 후 (산업 관행에서와 같이) 구조가 크게 분해되었으며 초기에는 낮은 전단 속도 영역에서 흐름이 뉴턴에 가깝습니다.

파괴율은 100 S-I 이상의 전단율에서 극적으로 증가하는 것으로 가정 됩니다. 이 예측은 높은 전단 속도에서 더 세심한 작업에 의해 테스트되어야 하지만 평균 전단 속도가 1300 sol까지 생성된 드롭 단조 실험에 의해 뒷받침되는 것으로 보입니다 [7].

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Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)

내열마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정 연구

A Study on Die Casting Process of the Automobile Oil Pan Using the Heat Resistant Magnesium Alloy

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineersv.17 no.3 = no.99 , 2009년, pp.45 – 53 신현우 (두원공과대학 메카트로닉스과 ) ; 정연준 ( 현대자동차(주) ) ; 강승구 ( 인지AMT(주))

Abstract

Die casting process of Mg alloys for high temperature applications was studied to produce an engine oil pan. The aim of this paper is to evaluate die casting processes of the Aluminium oil pan and in parallel to apply new Mg alloy for die casting the oil pan. Temperature distributions of the die and flow pattern of the alloys in cavity were simulated to diecast a new Mg alloy by the flow simulation software. Dies have to be modified according to material characteristics because melting temperature and heat capacity are different. We changed the shape and position of runner, gate, vent hole and overflow by the simulation results. After several trial and error, oil pans of AE44 and MRI153M Mg alloys are produced successfully without defect. Sleeve filling ratio, cavity filling time and shot speed of die casting machine are important parameter to minimize the defect for die casting Magnesium alloy.

Keywords: 오일팬 , 내열마그네슘합금, 알루미늄 합금, 다이캐스팅, 유동해석

서론

크랭크케이스의 하부에 부착되는 오일팬은 오일 펌프에 의해 펌핑된 오일이 윤활작용을 마치고 다시 모이는 부품이다. 오일의 온도에 의해 가열되므로 일반적으로 사용되는 마그네슘 합금인 AZ나 AM계열의 합금은 사용이 불가하며 내열소재의 적용이 불가피하다.

현재 ADC12종 알루미늄 오일팬 둥이 적용되고 있으며, 이를 마그네슘으로 대체할 경우 밀도가 알루미늄 2.8g/cm³‘, 마그네슘 1.8g/cm³‘이므로 약 35%의 경량화가 가능하다고 단순하게 말할 수 있다.

그러나 탄성계수는 알루미늄 73GPa이 고 마그네슘 45GPa이므로 외부 하중을 지지하고 있는 부품의 경우는 단순한 재질의 변경만으로는 알루미늄과 같은 정도의 강성을 나타내지 못하므로 형상의 변경 등을 통한 설계 최적화가 요구된다.

마그네슘은 현재까지 개발된 여러 가지 구조용 합금들 중에서 최소의 밀도를 가지고 있으며 동시에 우수한 비강도 및 비탄성 계수를 가지고 있다.^1.2)

그러나 이러한 우수한 특성을 가지는 마그네슘 합금은 경쟁 재료에 비해 절대 강도 및 인성이 낮으며 고온에서 인장 강도가 급격히 감소하고 내부식 성능이 떨어지는 등의 문제점이 있다. 현재까지 자동차 부품 중 마그네슘 합금은 Cylinder head cover, Steering wheel, Instrument panel, Seat frame 등 비교적 내열성이 요구되지 않는 부분에만 한정적으로 적용되고 있다.
자동차 산업에서 좀 더 많은 부품에 마그네슘 합금을 적용하기 위해서는 내열성을 향상 시키고 고온강도를 향상시키기 위한 새로운 합금의 개발이 이루어져야 한다. 최근 마그네슘 합금개발에 대한 연구동향은 비교적 저가인 원소를 값비싼 원소가 첨가된 합금계에 부분적으로 첨가하거나 대체함으로써 비슷한 내열 특성을 가지는 합금을 개발하고,³⁴⁾이를 자동차 산업이나 전자 산업의 내열 부품 적용으로 확대하기 위하여 진행되고 있다. 현재 마그네슘 내열 부품은 선진국에서 자동차 부품으로 개발되고 있으나^6-8)

국내에서는 아직 자동차 부품에 폭 넓게 적용되고 있지 않다. 그러므로 국내 자동차 산업이 치열한 국제 시장에서 생존하기 위해서는 마그네슘 합금의 내열 부품 제조기술을 조기에 개발하여 선진국보다 기술적, 경제적 우위를 확보하는 것이 절실히 요구된다.

본 연구에서는 내열 마그네슘합금을 이용하여 알루미늄 오일팬을 대체할 수 있는 새로운 오일팬의 개발올 위한 적절한 다이캐스팅 공정방안을 도출하고자 한다.

<중략>…….

Fig. 1 Current Al oil pan and cooling lines

Fig. 3 Developed Mg oil pan and cooling lines

Fig. 4 Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling)

Fig. 5 Filling pattern of current Al oil pan

Fig. 11 Temperature distribution at t-=1.825sec

<중략>…….

결론

오일팬은 엔진 내부에서 순환되어 돌아오는 오일의 열을 외부로 발산하는 냉각기능 및 엔진으로부터 발생하는 소음이 외부로 전달되지 않도록 소음을 차단하는 역할을 수행하는 매우 중요한 부품 중의 하나이다. 본 연구에서는 현재 개발 중에 있는 새로운 내열 마그네슘 합금을 이용하여 현재 사용하고 있는 알루미늄 오일팬을 대체할 마그네슘 오일팬을 개발하고 시험 생산하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 단위 부피당 열 용량은 각각 3.07x10J/m/K, 2.38x10J/m/K로서 동일 주조 조건 시 응고 속도 차이가 제품 성형에 영향을 미칠 것으로 예상되었으며, 주조해석 및 제품분석을 통해 확인하였다. 따라서 주조 조건에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인된 용탕, 금형온도, 주조속도 등을 변경하여 최적 주조공정 조건을 확립하였다.
제품 및 시험편 성형에 영향을 미치는 것으로 확인된 런너의 곡률 반경을 증대시키고 게이트의 갯수 및 오버플로우 위치와 형상을 조절함으로서 제품 및 시험편의 용탕 흐름을 원활하게 조절 할 수 있었다.
MRI153M 합금은 AE44 합금에 비해 응고 시작점에서 완료점까지의 응고시간이 길어 응고 완료 후, 내부 수축기포가 보다 많이 관찰되었다.
따라서 MRI153M 합금 주조시 슬리브 충진율, 게이트 통과속도, 충진시간 등을 달리하여 최적 주조 품을 생산할 수 있었다.

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FLOW-3D 유틸리티 프로그램 안내

이 문서에서는 FLOW-3D에서 사용할 수 있는 일부 Utility Program에 대해 설명합니다. 유틸리티 프로그램의 목적은 시뮬레이션을 수행할 때 반드시 필요한 것은 아니지만 특정 작업을 쉽게 수행할 수 있도록 돕는 것입니다. 각 개별 유틸리티의 사용법은 다음과 같습니다.

파일 변환 및 STL 품질 검사 도구

FLOW-3D는 중립 형식인 STL파일 형식만 지원하며 대부분의 CAD 패키지에서 STL형식을 지원하지만 형상을 STL형식으로 만들 수 없는 이유가 있을 수 있습니다. 이로 인해 FLOW-3D 사용자는 여러 파일 변환 유틸리티를 사용할 필요가 있을 수 있습니다. 또한 STL 파일 품질을 확인하는데 사용할 수 있는 여러 유틸리티도 사용할 수 있습니다. 아래 나열된 이러한 유틸리티는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

Cad2Stl : 다양한 CAD 형식에서 변환 파일을 사용하는.STL파일
Topo2STL : 파일을topo형식에서.STL파일로 변환하는 데 사용
MiniMagics :.STL파일의 오류를 확인하는 데 사용
qAdmesh :.STL파일의 오류를 확인하고 사소한 문제를 해결하는데 사용

Cad2Stl

Cad2Stl 은 다른 CAD 파일 형식을 FLOW-3D에서 사용되는 STL 파일 형식으로 변환하기 위한 파일 변환 도구입니다. Cad2Stl 은 다음 파일 형식을 STL 형식으로 변환합니다.

Autodesk 3D Max :.3ds
Autodesk 별명 :.obj
IGES: .igs,.iges
BREP :.brep
단계 : .stp,.step
아바쿠스 6.2+ :.inp
NASTRAN :.blk
Marc Mentat : 고정 형식과 쉼표로 구분.dat

Cad2Stl 은 파일에서 역 법선 벡터를 보정하는 기능도 있습니다. 이 유틸리티는 유지 보수 계약이 유효한 모든 FLOW-3D 고객에게 무료로 제공되며 FLOW-3D Usre Site의 유틸리티 페이지에서 다운로드 할 수 있습니다.

Cad2Stl 은 Flow Science Japan에서 FLOW-3D 사용자를 위해 개발되었습니다 .

변환 목록에 변환할 파일 추가
- 추가 -변환 목록에 파일을 추가합니다.
- 제거 -변환 목록에서 파일을 제거합니다. 제거하려면 변환 목록에서 파일을 강조 표시하고 제거를 선택하십시오.
- 기본적으로 파일 이름은 import file 이름과 일치하는 CAD파일을 STL파일 이름으로 지정하는데 변경이 필요하면 더블 클릭하고 이름을 바꾸면 변경할 수 있습니다.
구체화 옵션을 사용하여 STL 파일의 품질을 선택하십시오. 선택하고 볼 수 있는 네 가지 수준의 정확도가 있습니다. 파일이 변환될 때마다 STL로 작성된 파일이 표시되므로 사용자가 만족스럽거나 더 높은 수준의 세분화가 필요한지 여부를 결정할 수 있습니다. 정확성이 향상되면 파일 크기는 증가하지만 처리 시간은 크게 증가하지 않습니다. 다른 파일 형식을 한 번에 로드하고 변환할 수 있습니다. 또한 변환 프로세스가 완료되면 파일을 로드하고 표시하기 위한 대화 상자가 열립니다. 이것은 BREP, IGES및 STEP 파일 형식에만 적용됩니다.
원하는 작업을 선택하십시오. 다른 파일 형식을 한 번에 로드하고 변환할 수 있습니다. 또한 변환 프로세스가 완료되면 파일을 로드하고 표시하기 위한 대화 상자가 열립니다.
- 변환 -파일을 변환합니다. 한 파일을 변환하려면 로드할 파일 목록에서 해당 파일을 강조 표시하여 변환하십시오.
- 모두 변환 -모든 파일을 변환
- 표시 -변환된 파일을 강조 표시합니다
- 면 방향 수정 -일반 수정 루틴
- 변환 목록 숨기기 -더 나은 부품 표시를 위해 보기 화면을 증가 시킵니다.
- 와이어 프레임 오버레이 -각 STL 패싯의 패싯 모서리를 오버레이 합니다. 이것은 오른쪽 하단의 확인란입니다.
- 로그 지우기 – 변환 로그 텍스트 상자에 대한 모든 데이터 출력을 지웁니다.
종료 -프로그램을 닫습니다

qAdmesh

qAdmesh는 .STL파일에 오류 가 있는지 확인하는 도구이며 연결이 끊어진 패싯, 반전된 법선, 연결이 끊어진 패싯 및 누락된 패싯과 같은 사소한 문제를 해결하는 데 사용할 수 있습니다. qAdmesh를 시작하려면:

GUI에서: Model Setup 탭의 Tools ‣ qAdmesh로 이동하십시오.
Windows: 바탕 화면 아이콘을 클릭하거나 시작 메뉴에서 FLOW-3D v12.0 폴더의 형상 도구 하위 디렉토리에 있는 Admesh 항목으로 이동하십시오.
Linux의 경우: $F3D_HOME/utilities/qAdmesh을 실행하십시오.

명령: qAdmesh를 열고 찾아보기 버튼을 사용하여 지오메트리 파일을 로드 하십시오. 문제를 해결하고 수정 사항으로 새 형상 파일을 생성하려면 기본 옵션을 그대로 두고 출력 유형을 선택하고 새 형상 파일의 경로를 지정하십시오. 이진 STL 은 ASCII STL 옵션 보다 작은 파일을 생성하므로 권장됩니다 (이진 및 ASCII 형식 만 FLOW-3D 로 인식됨). 그런 다음 적용을 클릭하여 파일을 확인하고 수정하십시오.

qAdmesh의 출력은 인터페이스의 메시지 섹션에 표시됩니다. 출력에는 감지된 오류와 출력 옵션이 선택된 경우 이러한 문제점을 해결하기 위해 수행할 조치가 표시됩니다.

사용자 정의 검사 옵션은 파일을 고정할 때 프로그램이 어떤 작업을 수행하는지에 대한 자세한 제어를 제공할 수 있습니다. 또한 변형 및 공차 탭에는 .STL 파일의 회전, 미러링, 크기 조정, 변환 및 병합 기능을 제공하는 옵션이 있습니다.

qAdmesh는 무료 유틸리티입니다만 FSI에서 지원하지 않습니다. qAdmesh가 문제를 해결하는 능력은 심각도에 따라 다릅니다. 문제의 수가 증가함에 따라 qAdmesh 가 문제를 해결할 수 있는 가능성이 줄어 듭니다. 문제를 해결할 수 없는 경우 CAD 패키지를 사용하여 .STL 파일을 재생성 하는 것이 좋습니다.

MiniMagics

MiniMagics 는 무료 STL파일 시각화 및 복구 유틸리티입니다. 설치는 FLOW-3D 홈 디렉토리 의 Utilites 폴더에서 찾을 수 있으며 파일 분석 및 복구를 위한 유용한 도구로 qAdmesh에서 수행된 수정 사항을 시각화하거나 qAdmesh의 대안으로 사용할 수 있습니다.

$F3D_HOME/UtilitiesSTL

Topo2STL

FLOW-3D가 지원하는 유일한 CAD 파일 형식은 .STL이지만 형식을 포함하여 다른 형식의 지형 데이터를 갖는 것은 드문 일이 아닙니다. Topo2STL의 유틸리티로 변환할 수 있습니다. Topo2STL 은 Windows 시스템에서만 사용 가능하며 유틸리티 드롭 다운 메뉴에서 액세스 할 수 있습니다.

명령

지형 파일은 다음 형식의 ASCII 파일입니다. 각 선은 점을 나타내며 동일한 단위 시스템에서 3 개의 좌표 (일반적으로 피트 또는 미터)를 포함합니다. 좌표는 공백으로 구분됩니다. 선의 좌표 순서는 XYZ 여야 합니다. 여기서 Z는 표고입니다. 두 좌표는 동일한 XY 점을 공유할 수 없습니다. 포인트의 순서 (파일의 줄)는 중요하지 않습니다. 좌표를 포함하지 않는 머리글 줄이나 꼬리 줄이 없어야 합니다.
Topo2stl.exe유틸리티가 추출된 위치에 있는 파일을 실행하여 Topo2STL에 액세스 할 수 있습니다.
유틸리티를 시작하면 변환할 파일을 선택하라는 topo 파일 찾아보기 창이 나타납니다. 파일 찾아보기 창을 이용하여 파일을 선택합니다.
topo파일이 선택되면, Topo2STL의 창이 나타나고, X, Y의 범위와 Z 계산할 topo데이터 익스텐트가 계산되면 Topo 데이터 익스텐트 및 데이터의 총 포인트 수에 대한 정보가 Information: Topo data extents 아래에 표시됩니다.

변환에 필요한 사용자 입력은 공간 분해능 및 STL 최소 Z 좌표입니다. 기본적으로 공간 해상도는 0.002 * min (X 범위, Y 범위)이고 STL 최소 Z 좌표는 ZMIN-(ZMAX-ZMIN)입니다. 여기서 ZMIN 및 ZMAX는 Topo 데이터의 범위입니다.
- 공간 해상도는 STL 파일을 생성하는 동안 Topo 데이터가 얼마나 정밀하게 분석되는지 제어합니다.
- STL 최소 Z 좌표는 Topo 데이터의 ZMAX보다 작은 값이어야 합니다. 이것은 STL파일의 최소 Z 두께를 효과적으로 설정합니다.
Browse 버튼은 파일 출력 위치를 설정하는 데 사용할 수 있습니다.
변환을 클릭하면 변환 프로세스가 시작됩니다. 이 시점에서 변환 취소를 사용하여 변환이 완료되거나 종료될 때까지 Topo2STL 창을 닫을 수 없습니다.

변환이 완료 (또는 종료)되면 변환 단추가 변환 추가로 변경되어 사용자가 변환할 다른 Topo 파일을 선택할 수 있습니다.

FSAI를 사용한 유한 요소 메쉬 파일 형식 변환

FSAI의 도구에서 유한 요소 메시를 변환하는 유틸리티입니다 Abaqus6.2 이후 형식과 NASTRAN 벌크 형식에 사용되는 형식을 변환하는 FSAI는 유틸리티 드롭 다운 메뉴에서 액세스 할 수 있습니다. FSAI를 사용하려면 다음을 수행하십시오. EXODUS II

적절한 모드에서 유틸리티를 엽니다 (초기 메쉬의 Abaqus 형식인지 NASTRAN 형식인지 여부에 따라 다름 )
파일에서 생성 필드에서 입력 유한 요소 메쉬를 찾습니다.
생성된 파일 위치 필드에서 원하는 출력 위치를 찾으십시오.
생성된 파일 이름 필드에서 원하는 출력 파일 이름을 설정하십시오.
생성을 누릅니다.

노트

이 FSAI 프로그램을 사용하려면 FLOW-3D 와 별개의 라이센스가 필요합니다. 자세한 내용은 FLOW-3D 영업 담당자에게 문의하십시오.

계산기

유틸리티 드롭 다운 메뉴에 여러 계산기가 추가되어 알려진 매개 변수 (예: 유체 속성 등)를 기반으로 입력 수량을 추정할 수 있습니다. 사용 가능한 계산기는 다음을 계산합니다.

냉각 채널의 열전달 계수
재료 특성 및 시뮬레이션 시간에 따른 열 침투 깊이
샷 슬리브의 유체 높이
고압 다이캐스팅을 위한 피스톤 속도
밸브 압력 계수

MPDB (Material Properties Database) 확장

MPDB (Material Properties Database)는 FLOW-3D 와 별도로 Flow Science, Inc 에서 구입할 수 있는 타사 데이터베이스입니다. 여기에는 문헌의 다양한 온도 의존성 고체 재료 특성이 포함되어 있습니다. FLOW-3D 용 MPDB는 사용자가 FLOW-3D의 기본 데이터베이스와 호환되는 파일 형식을 내보낼 수 있도록 하여 데이터를 FLOW-3D 로 편리하게 가져올 수 있는 MPDB 독점 버전입니다. MPDB의 재료 특성은 대부분 고체상입니다. 따라서 FLOW-3D의 모든 모델 고체 특성을 요구하는 데이터, 특히 유체 구조 상호 작용, 응고 및 열 응력 진화 모델을 활용할 수 있습니다.

MPDB는 다양한 형식으로 데이터를 내보낼 수 있는 독립형 데이터베이스로 사용될 수 있습니다. MPDB에 대한 일반적인 지침은 JAHM Software, Inc.를 방문하십시오. 여기에서는 FLOW-3D 와 함께 MPDB를 사용하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. FLOW-3D 와 제대로 통합하려면 MPDB 용 실행 파일이 Windows와 Linux에 있어야 합니다. 실행 파일은 FLOW-3D GUI에 의해 감지되며 재료 메뉴 아래 MPDB에서 재료 가져오기 메뉴 항목 이 활성화됩니다. 이러한 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 FLOW-3D GUI를 통해 액세스 할 수 없습니다. MPDB%F3D_HOME%\Utilities$F3D_HOME/UtilitiesMPDB_for_FLOW-3D

material를 클릭 MPDB에서 가져오기 및 사용자 인터페이스 MPDB는 별도의 창에서 열립니다. 재료는 주요 요소로 분류되었습니다. Materials 탭, 테이블에서 요소를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여, 사용자는 해당 요소를 포함하는 물질의 목록을 볼 수 있습니다.

예를 들어 다음 그림은 철 (Fe)이 포함된 데이터베이스의 재료 목록을 보여줍니다.

사용자는 다른 합금, 세라믹, 유리 또는 기타 분류되지 않은 재료를 분류하는 다른 탭으로 전환할 수도 있습니다. 다음 그림은 Al & Cu 합금 목록을 보여줍니다.

FLOW-3D MPDB(Fe,Ni - 1006 (UNS G10060)) — FLOW-3D MPDB(Fe,Ni – 1006 (UNS G10060))

재료가 식별되면 재료를 두 번 클릭하면 해당 재료에 사용할 수 있는 속성 목록이 있는 별도의 창이 나타납니다. 예를 들어 Fe 및 Ni 합금에서 1006 (UNS G10060)을 엽니다. 이러한 속성이 모두 FLOW-3D에 사용되는 것은 아닙니다.

각 속성은 이 창의 오른쪽에서 선택할 수 있는 다른 형식으로 파일에 표시, 플로팅 또는 저장할 수 있습니다. 그러나 이러한 속성 중 일부가 FLOW-3D 로 인식되는 것은 아닙니다.

FLOW-3D 와 호환되는 파일 형식을 생성하려면 재료 창을 닫고 FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 시작하십시오. 재료의 특성으로 FLOW-3D로 가져올 수 있는 세 가지 파일 형식이 있습니다. 유체 데이터베이스 형식(.f3d_dbf 확장), 고체 데이터베이스 형식 (.f3d_dbs 확장), 일반 쉼표로 구분된 값(CSV형식)으로 부터 시뮬레이션에 적합한 FLOW-3D 호환 형식을 선택하십시오. MPDB의 재료는 대부분 고체이지만 사용자가 응고된 유체의 특성을 가져오려면 FLOW-3D에서 응고된 유체 특성이 유체 특성의 일부이므로 Fluids 데이터베이스 형식을 선택해야 합니다. 솔리드 및 유체 데이터베이스 파일 형식과 파일은 현재 사용자의 문서 폴더와 Windows 및 Linux에 저장됩니다.

CSV<My Documents>\FLOW-3D\gui\MaterialsDatabase/home/<user>/FLOW-3D/gui/MaterialsDatabase

이러한 위치는 FLOW-3D의 데이터베이스가 사용자 정의 재료를 찾는 곳입니다. MPDB에서 이러한 위치로 내보낸 모든 자료는 FLOW-3D의 기본 데이터베이스에 의해 선택됩니다.

1006 (UNS G10060) 철 합금을 선택하십시오.

이전에 사용 가능했던 일부 특성은 FLOW-3D 와 관련이 없기 때문에 사용 불가능 합니다. 각 속성이 처리되자 마자 플롯 되거나 해당 데이터가 표시되면 참조 및 메모 섹션이 활성화됩니다. 참조 탭 속성에서 찍은 위치를 나타내는 참고 섹션은 일반적으로 데이터의 구성과 정확성에 관한 사항이 포함되어 있습니다.

온도에 따른 특성의 동작을 이해하는 데 도움이 되도록 각 특성을 플롯 할 수 있습니다. 또한 데이터의 유효성에 대한 경고가 있을 수 있습니다.

예를 들어 열전도도를 먼저 플로팅하면 저온 경고가 표시됩니다. 온도의 함수로 플롯을 표시하기 전에 .f3d_dbs파일을 쓰려면 데이터베이스에 추가 버튼을 클릭하고 다음 창에서 파일에 쓸 속성을 선택하십시오. 사용 가능한 단계에 대한 속성을 선택할 수 있습니다. 속성이 선택되면 데이터 쓰기 및 닫기를 클릭하십시오.

재료 창을 닫습니다. FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 데이터베이스를 닫습니다.

.f3d_dbs파일을 쓰려면 데이터베이스에 추가 버튼을 클릭하고 다음 창에서 파일에 쓸 속성을 선택하십시오. 사용 가능한 단계에 대한 속성을 선택할 수 있습니다. 속성이 선택되면 데이터 쓰기 및 닫기를 클릭하십시오. 재료 창을 닫습니다. FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 데이터베이스를 닫습니다.

경우에 따라 재료에 사용자에게 필요한 속성이 없습니다. 데이터베이스에 사용 가능한 속성을 추가한 후 이러한 상황에서 누락된 속성은 유사한 속성을 가진 합금 (사용자의 위험 부담)에서 얻을 수 있습니다. 데이터베이스가 열려있는 동안 FLOW-3D에서 사용될 하나의 재료에 대해 속성을 혼합하고 일치시킬 수 있습니다.

FLOW-3D MPDB(Select properties to write to file)

데이터베이스를 닫은 후 파일 이름을 묻는 메시지가 사용자에게 표시됩니다. 기본값은 MPDB 가 재료에 지정하는 것입니다. FLOW-3D 가 재료를 사용자 정의 재료로 인식하도록 파일의 위치와 확장자가 미리 설정되어 있습니다.

CSV파일을 선택한 경우에도 동일한 프로세스가 적용됩니다. 데이터가 파일에 기록되면 각 테이블 형식 속성 창의 값 가져오기 버튼에서 데이터를 검색할 수 있습니다.

첫 번째 열은 항상 온도입니다.

grfedit를 사용하여 flsgrf 파일 편집

명령 줄 유틸리티이므로 runscript와 같은 적절한 환경에서 실행해야 합니다 ( Runscripts 사용 참조 ).

Runscripts 사용

실행 스크립트는 작업 문제 디렉토리에서 실행되도록 설계되었습니다. 스크립트는 $F3D_HOME/local디렉토리에 있습니다. 스크립트를 사용하려면 다음 환경 변수를 설정해야합니다.

F3D_HOME: FLOW-3D 설치 디렉터리 의 경로를 지정합니다 .
F3DTKNUX_LICENSE_FILE: FLOW-3D 라이선스 서버 의 위치를 지정 합니다.
PATH: PATH포함하도록 환경 변수를 수정해야합니다. $F3D_HOME/local그렇지 않으면 실행 스크립트를 찾을 수 없습니다.
F3D_VERSION: 사용할 솔버 버전을 지정합니다. 유효한 옵션은 double배정 밀도 버전 및 prehyd사용자 지정 배정 밀도 솔버입니다.

명령 줄에서 실행하려면 :

명령 프롬프트 또는 터미널을 엽니 다.
필요한 환경 변수를 설정하십시오.
- Windows : FLOW-3D 를 시작하는 데 사용되는 배치 파일에서 환경을 복사하여 수행 할 수 있습니다 . 배치 파일의 내용은 FLOW-3D 아이콘 을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 하고 편집을 선택 하여 액세스 할 수 있습니다 .
- Linux : 설치 디렉토리 에서 파일을 flow3dvars.sh가져옵니다 local.
솔버가 실행중인 디렉토리로 변경하십시오.
원하는 runscript 명령을 입력하십시오. runhyd <ext2>

grfedit를 연 후 사용자에게 소스 파일 (flsgrf.*데이터가 복사될 파일)의 경로를 묻는 메시지가 표시됩니다. 파일의 전체 경로 (예 c:\users\username\FLOW-3D\simulation\flsgrf.simulation:)를 입력하고 <enter>를 누르십시오.
이제, 파일 입력 확장의 목표 예를 들어, (데이터를 기록할 위치로 파일) 파일을 new_output. 데이터가 파일에 기록됩니다 c:\users\username\FLOW-3D\simulation\flsgrf.new_output. 대상 파일이 존재하면 파일을 덮어쓰거나 대상 파일에 데이터를 추가하라는 메시지가 표시됩니다. 대상 파일의 시간보다 늦게 시뮬레이션 시간을 가진 소스 파일 편집 만 추가됩니다.
이 시점에서 프로그램은 어떤 히스토리 데이터 편집, 데이터 편집 재시작 및 대상 파일에 쓰기 위해 선택된 데이터 편집을 묻습니다. 프롬프트에 따라 작성할 데이터 편집을 선택하십시오.
대상 파일을 작성한 후 프로그램이 닫히고 다른 flsgrf.*파일처럼 사용할 수 있습니다.

노트

grfedit는 FLOW-3D v11.1 이상에서 작성된 결과 파일에서만 작동합니다.
소스 flsgrf.*파일은 grfedit에 의해 수정되지 않습니다
FLOW-3D/MP의 출력 파일로 작업할 때는 flsgrf1의 위로 flsgrf 교체 하십시오 .
소스 및 대상 파일 모두에 허용되는 유일한 이름은 flsgrf및 flsgrf1입니다.

FLOW-3D 및TruVOF는 미국 및 기타 국가에서 등록 상표입니다.

FLOW-3D World Users Conference

FLOW-3D World Users Conference 는 2021 년 6 월 7 일부터 9 일 까지 독일 뮌헨 의 Maritim Hotel 에서 개최됩니다 . 세계에서 가장 유명한 회사 및 기관의 엔지니어, 연구원 및 과학자와 함께 시뮬레이션 기술을 연마하고 새로운 모델링 접근 방식을 탐색하며 최신 소프트웨어 개발에 대해 알아보십시오. 이 컨퍼런스에는 금속 주조 및 물 및 환경 응용 프로그램 트랙, 고급 교육 세션, 고객의 심층 기술 프레젠테이션, Flow Science의 선임 기술 직원이 발표 한 최신 제품 개발이 포함됩니다. 이 컨퍼런스는 Flow Science Deutschland 가 공동 주최합니다 .

우리는 BMW의 Hubert Lang이 컨퍼런스 기조 연설자가 될 것이라는 점을 매우 기쁘게 생각합니다.

기조 연설 발표!

Hubert Lang, BMW, 기조 연설자 — Hubert Lang, BMW, FLOW-3D 세계 사용자 컨퍼런스 2021의 기조 연설자

BMW에서 15 년 동안 FLOW-3D 사용

Hubert Lang은 Landshut University of Applied Sciences에서 자동차 공학에 중점을두고 기계 공학을 전공했습니다. 1998 년에 그는 Landshut에있는 BMW의 Light Metal Foundry에서 도구 설계 부서에서 일하면서 6 기통 엔진용 주조 도구 개발을 감독했습니다. 2005 년에 Hubert는 파운드리의 시뮬레이션 부서로 옮겨 FLOW-3D 의 금속 주조 기능을 소개 받았습니다 . 그 이후로 그는 시뮬레이션의 분야에서 FLOW-3D 사용에 있어 상당한 확장을 이끌었습니다 .

오늘날 BMW는 모래 주조, 영구 금형 중력 주조, 저압 다이캐스팅, 고압 다이캐스팅 및 로스트 폼 주조에 FLOW-3D 를 사용합니다 . FLOW-3D 는 또한 코어 건조 모델 개발을 통한 모래 코어용 무기 바인더 시스템 개발 지원과 같은 BMW의 여러 특수 프로젝트에도 적용되었습니다. (실린더 라이너 코팅 중 열 입력 계산; 주입기 주조 절차를위한 주조 형상의 개발, 그리고 주조 도구를위한 냉각 시스템의 레이아웃과 치수 등)

BMW 박물관 투어

컨퍼런스 제공의 일환으로 BMW 박물관 투어를 제공하게되어 기쁘게 생각합니다 . 투어는 6 월 8 일 화요일 기술 진행 후 17:30에 진행됩니다 . 컨퍼런스 등록을 하시면 투어에 등록 하실 수 있습니다 .

컨퍼런스 정보

중요한 날짜들

2 월 25 일 : 초록 마감
3 월 11 일 : 초록 수락
5 월 3 일 : 프레젠테이션 마감
6 월 7 일 : 고급 교육 세션
6 월 7 일 : 개막식
6 월 8 일 : BMW 박물관 견학
6 월 8 일 : 컨퍼런스 디너

등록비

컨퍼런스 1 일 및 2 일 : 300 €
컨퍼런스 첫째 날 : 200 €
컨퍼런스 둘째 날 : 200 €
손님 수수료 : 50 €
오프닝 리셉션 : 등록에 포함
BMW 투어 : 등록에 포함
컨퍼런스 디너 : 등록에 포함

고급 교육 주제

해당 분야의 선임 기술 직원과 전문가가 가르치는 고급 교육 주제 에는 FLOW-3D CAST 및 FLOW-3D AM 사용자를 위한 Version Up 세미나와 문제 해결 기술 및 애플리케이션에 초점을 맞춘 세션이 포함됩니다. 이 과정은 응용 프로그램에 관계없이 모든 사람이 문제 해결 세션에 참여할 수 있도록 설계되었습니다. 온라인으로 등록 할 때 이러한 교육 세션에 등록 할 수 있습니다 .

교육 시간 및 비용

6 월 7 일 – 13:00 – 14:00 – 버전 업 : FLOW-3D CAST – 100 €
6 월 7 일 – 14:00 – 15:00 – 버전 업 : FLOW-3D AM – 100 €
6 월 7 일 – 13:00 – 15:00 – 시립 신청 – 200 €
6 월 7 일 – 15:00 – 17:00 – 문제 해결 – 200 유로

고급 교육 주제

초록 요청

경험을 공유하고 성공 사례를 제시하며 FLOW-3D 사용자 커뮤니티와 당사의 선임 기술 직원 으로부터 소중한 피드백을 얻으십시오 . 다음 응용 프로그램에 초점을 맞춘 주제를 포함한 모든 주제에 대한 초록을 환영합니다.

금속 주조
첨가제 제조
토목 및 시립 유압
소비재
마이크로 / 나노 / 바이오 플루이 딕스
에너지

항공 우주
자동차
코팅
해안 공학
해상
일반 응용

초록에는 제목, 저자 및 200 단어 설명이 포함되어야합니다. 새로운 초록 마감일은 2021 년 2 월 25 일입니다. 초록을 info@flow3d.com으로 이메일을 보내주십시오 .

발표자에게는 등록 및 교육비가 면제됩니다.

발표자 정보

각 발표자는 Q & A를 포함하여 30 분의 강연 시간을 갖게됩니다. 모든 프레젠테이션은 컨퍼런스 참석자에게 배포되며 컨퍼런스가 끝난 후 웹 사이트를 통해 배포됩니다. 이 회의에는 전체 논문이 필요하지 않습니다. 컨퍼런스 발표에 대해 궁금한 점이 있으시면 연락 주시기 바랍니다 . Flow Science Deutschland는 각 트랙에 대해 Best Presentation Awards를 후원합니다.

컨퍼런스 디너

이 컨퍼런스 만찬은 항상 인기있는 Augustiner-Keller 에서 개최됩니다 . 모든 컨퍼런스 참석자와 그들의 손님은 6 월 8 일 화요일에 아름답고 유명한 비어 가든에서 독일 전통 축제에 초대됩니다. 회의 만찬은 BMW 투어 이후에 진행됩니다.

여행

컨퍼런스 호텔

마리 팀 호텔 뮌헨
+49 (0) 89 55235-0
info.mun@maritim.de

뮌헨

뮌헨의 모든 것

뮌헨 도시지도 다운로드

High Pressure Die Casting Workspace, 고압다이캐스팅

High Pressure Die Casting Workspace Highlights

주입 정확도가 탁월합니다.
전체 프로세스 모델링에는 고급 환기, PQ2 및 스프레이 냉각이 포함됩니다.
동적 시뮬레이션 제어를 통해 동적 런타임 프로세스를 제어할 수 있습니다.
최첨단 알루미늄 실리콘 합금 고형화입니다.

고압 다이 캐스팅 Workspace

고압 다이 캐스팅 Workspace은 엔지니어가 FLOW-3D CAST를 사용하여, 고압 다이 캐스팅 제품을 성공적으로 모델링할 수 있도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다.

FLOW-3D CAST v5.1은 첨단 다이 열 제어, 기계 파라미터 모델링,주입 및 배압 조건의 정확한 해석기능과 결합된 샷 슬리브 모션의 완전한 제어는 가장 까다로운 HPDC 시뮬레이션에 필요한 최적화된 솔루션입니다. HPDC Workspace에는 진보된 미세수축공 예측 및 후처리 기능 외에도 Al-Si 및 Al-Cu 기반 합금에 대한 최첨단 화학 기반 응고 및 재료 강도 모델이 포함되어 있습니다.

모델링된 프로세스

고압 다이 주조

유연한 메시

FAVOR™ 간단한 메쉬 생성 도구
멀티 블록 메시
중첩 메시

다이 열 관리

열 다이 사이클링
열 포화도
전체 열 전달 모델링
스마트 냉각 채널 제어
스프레이 냉각 경로 모델링

고급 응고

다공성 예측
수축
핫스팟 식별
기계적 특성 예측
미세 구조 예측

국자 모션

자유 모션 정의 6도

진공 및 환기

대화형 프로브 배치
지역 및 손실 계수 계산기

충전 정확도

느리고 빠른 샷 모델링
강화 압력 효과
가스 및 버블 함정
표면 산화물 계산
RNG 및 레 난류 모델
역압력

결함 예측

매크로 및 마이크로 다공성
가스 다공성
조기 응고
산화물 형성
표면 결함 분석

표면 결함 분석

PQ2 분석
프로브 기반 트리거
열 제어
진공 및 환기 제어

전체 분석 패키지

다중 뷰포트가 있는 애니메이션 – 3D, 2D, 기록 플롯, 볼륨 렌더링
다공성 분석 도구
나란히 시뮬레이션 결과 비교
용융 온도, 고체 분획 측정을 위한 센서
파티클 트레이서
배치 후 처리
보고서 생성

HPDC Part 1 – Thermal Die Cycling

Design workflow의 유연성

냉각 채널

냉각 채널 기능
-냉각 채널 제어
-에너지 제거
-열전대
-시간 제어
-HTC 계산기
-HTC 데이터베이스

Thermal Die Cycle을 사용하는 이유

다이캐스팅 시설의 표준 실무
고품질의 부품을 얻기 위해서는 금형 온도가 중요
급격한 온도 구배는 최종 주조제품에 다이 조각을 뒤틀리게하고 치수도 부정확해질 수 있음

시뮬레이션이 어떻게 도움이 되는가

다이 전체의 열 분포 최적화
냉각 채널의 효율성 평가
-배치 및 전체 온도 제거에 대한 안목
스프레이 냉각을 정확하게 모델링
-다이 표면의 과도된 히트 맵
필요한 온도까지 다이캐스팅 시간을 대폭 감소
TDC 스테이지 시간 단축 가능

FLOW-3D Cast 의 TDC 스테이지

스프레이 냉각

shot 사이에서 다이를 냉각하는데 사용
적절한 다이의 성능을 보장
프로그래밍이 가능한 로봇으로 수행

스프레이 냉각을 정확하게 모델링하는 것이 중요한 이유

오래된 스프레이 모델은 전체 다이 캐비티에 걸친 일정한 HTC를 가정
-공간적으로 변화하는 다이 냉각을 포착할 수 없음
-시뮬레이션 파라미터를 설정하기 어려움
-스프레이 냉각 디자인을 최적화할 수 없음

스프레이 냉각

High pressure die casting workspace:Advanced simulation options / 고압 다이캐스팅 workspace : 고급 시뮬레이션 옵션

고압 다이 캐스팅의 이점

고압 다이캐스팅 기술은 매우 큰 경합금 부품을 대량으로 생산가능
높은 정밀도, 우수한 표면 조도, 우수한 균일성 및 최적의 기계적 특성
고압 다이캐스팅 공정은 또한 얇은 벽을 가진 부품과 스크류 및 라이너와 같은 다른 유형의 인서트를 가진 “공동 주조된”부품을 생산하여 제품 자체의 필수 부품이 될 수 있음

PQ2 해석

다이 캐스팅 기의 기능과 게이트 속도를 일치시키는 표준 절차
작동 시간은 충전 시간, 게이트 속도 및 금속 압력 등에 따라 다름
기계 기능 내에서 유지되도록 샷 프로파일의 속도 변경
정확한 샷 슬리브 모델링

No adjustment

With adjustment

Filling

Thermal die cycling

Spray cooling model

Filling with shot sleeve – fast shot activation

Solidification and porosity prediction

A Low Pressure Die Casting Validation at Versevo/Versevo에서의 저압 다이캐스팅 검증

작성자 : ross.white@flow3d.com

저압 다이캐스팅(Low Pressure Die Casting)의 정의

저압(0 – 15psi)의 공기를 사용하여 금속을 튜브에 주조물로 밀어 넣는 공정
높은 금속 강도(충진 제어를 통한 야금 품질 제어)
높은 수율(Runner시스템이나 Riser가 없는 마킹이 적음)
복잡한 모양 제조 가능

위 사진은 LPDC 부품을 만드는데 사용된 Kurtz 기계입니다.
다이는 탱크에 주입관이 부착된 두 플레이트 사이에 위치합니다.

For this casting there are three stages of pressure:

ㆍ 1st Stage

– Pre-fill pressure which is the first height shown

ㆍ 2nd Stage

– Pressure required to fill the casting

ㆍ 3rd Stage

– Pressurization (intensification) above fill pressure to prevent shrinkage

수치 해석

LPDC(저압 다이캐스팅) 시뮬레이션 시 고려해야 할 파라미터는 응고 항력계수, 열전달 계수 및 정확한 충진 압력입니다.
충진 튜브가 없는 시뮬레이션의 경우 해석시간이 절약되고 정확도도 크게 떨어지지 않습니다.

LPDC(저압 다이캐스팅) 시뮬레이션 해석 조건

Metal : Al356 (초기 온도 : 섭씨723도)
Filler tube : Ceramic(초기 온도 : 섭씨 700도)
Die : H-13(초기 온도 : 섭씨 400도)

해석 결과

Hydrostatic head pressure 을 사용하여 채우는데 필요한 압력을 결정함으로써, 제품 개발에 성공하여 “시뮬레이션의 뛰어난 유효성 확인!”

전동기 회전자 다이캐스팅 해석

동 회전자 주조방안 확립

본 자료는 (주)캐스트맨에서 전동기 동로터 개발을 수행한 자료의 요약자료입니다. 본 자료의 회전자 열유동 해석은 FLOW-3D 제품을 이용하여 해석을 수행하였습니다.

30kW급 동 회전자의 3차원 모델링 및 격자설계 그림이며, 이 3차원 모델링 및 격자를 바탕으로 주조방안설계를 위한 주조해석을 진행하였다.

동 회전자 열/유동해석

아래 그림은 30kW급 동 회전자의 유동해석 결과를 나타낸 그림이다. 산화물 거동 해석 결과 저속층류충진법에 의해 회전자의 엔드링 하단에서부터 슬롯을 거쳐 엔드링 상단까지 기포 및 결함 없이 균일하게 알루미늄 용탕이 충진되는 양상을 확인할 수 있으며, 회전자의 온도 또한 균일하게 분포되어 수축 등의 결함이 없는 것을 예측할 수 있다.

30kW급 동 회전자 금형 설계

위의 유동해석 결과를 바탕으로 3차원 금형 설계를 진행하였다.

30kW급 동 회전자 금형 제작 및 시사출

아래 그림은 금형제착 및 시사출이 완료된 30kW급 동 회전자의 그림이다. 또한, 내부의 기포결함 확인을 위해 엔드링 및 외경 가공을 실시하였다. 아래 그림은 회전자의 엔드링을 2mm 단위로 가공한 결과이며, 아래에는 내부 슬롯의 결함을 확인하기 위해 외경가공을 실시한 그림이다. 그림에서 보는바와 같이 엔드링 및 내부 슬롯 모두에 기포결함은 나타나지 않았으며, 양호한 상태를 나타내고 있다.

3차원 측정기를 사용하여 각 금형 부위를 측정한 결과 회전자에서 중요한 라미네이션 외경부(No. 원2, 원9), 엔드링 외경부(No. 원1, 원8) 및 엔드링 두께(No. 거리2, 거리6)의 치수공차값은 각각 목표치인 ±0.01범위 내에 있어 목표치를 달성한 것으로 나타났다.

전기전도도 측정 결과

30kW급 동 회전자의 전기전도도는 제품 가공 후 한국생산기술연구원에서 전기전도도 시험분석을 의뢰하여, 와전류 방식의 전기전도도 측정기를 이용하였다. 30kW급 알루미늄 회전자의 전기전도도는 평균 101.4%IACS로 목표치인 97%IACS를 만족하는 것으로 나타났다.

충진율 결과

30kW급 동 회전자의 충진율은 시사출된 시제품의 전체 질량에서 코어의 무게를 빼어 구한 동의 질량을 모델링상에서 도출된 동의 질량으로 나눈 후 100을 곱하여 백분율로 산출하였다. 총 5개의 시제품을 측정한 결과, 30kW급 동 회전자의 충진율은 평균 97.43%로 목표치인 95%를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 회전자 외경부를 기계가공하여 슬롯 내부의 충진 상태를 육안으로 확인한 결과, 미성형 및 기포 등의 결함이 발견되지 않았다.

고압 다이캐스팅 문제 해결을 위한 설계 개선 사례

이 기사의 내용은 Littler Diecast Corporation 의 Mark Littler가 제공했습니다.

고압 다이 캐스팅 주조업체인 Littler Diecast 회사는 최근 항공 우주 분야에 사용될 제품을 위한 전기 스위치 프레임을 재 설계하고 다이캐스팅 할 수 있었습니다. 이전에는 다른 제조업체에 위탁 생산을 했지만 많은 주조 결함 문제가 있었으며 낮은 스크랩 비율을 달성하기 위해 새로운 디자인이 필요했습니다. Littler Diecast는 이 문제에 대한 사전 지식없이 FLOW-3D를 이용한 CFD 시뮬레이션을 통해 결함을 찾아 낼 수 있었습니다. 이것은 그들이 수주에 성공할 수 있을 만큼 고객에게 충분한 인상을 주었습니다.

문제 파악

문제가 된 제품 스위치는 A380 알루미늄으로 주조되며, 크기는 약 1 ¼”x 1”x 1/2”입니다. Littler Diecast는 다공성 공기 갇힘 문제가 플레이트와 기둥의 두 위치에서 부품 결함을 유발하고 있음을 발견했습니다. 이것은 고객에 의해 확인되었습니다. 부품이 충진되는 방식으로 인해 각 위치에 구멍이 형성되었습니다. 용탕 흐름은 그림1과 같이 단일 게이트를 통해 유입되어 플레이트의 먼쪽으로 분사된 다음, 백 채우기를 하여, 초기 응고로 인해 항상 배출되지 않은 에어 포켓을 포집합니다. 기둥에서도 동일한 문제가 발견되었습니다. 유체가 가장 먼 곳까지 분사된 다음 역류하여 파팅 라인을 통해 배출되지 않는 공기가 갇히게 됩니다.

다공성 문제를 보여주는 원래 부품의 X-ray 사진

그림 1: 단일 게이트를 사용한 원래 디자인 (속도 분포)

그림 2: 게이트가 3개인 최종 디자인(속도 분포)

오리지널 부품 디자인

부품의 원래 디자인에는 다른 문제들이 있었습니다. 잠금 와셔의 슬롯 주위와 플레이트 바닥의 씰링 표면에는 많은 다이 부식이 있었습니다. 부품의 모서리에 있는 오버플로는 결함이 밖으로 유출될 정도로 크지 않았습니다.

FLOW-3D를 사용하여, Littler Diecast는 유동 현상을 분석하고 시각적으로 분석할 수 있었습니다. 이러한 작은 부품의 경우, 얇은 부위의 빠른 냉각으로 인해 조기 응고가 문제가 됩니다. 유동이 부품을 가로 질러 분사되는 경우, 용탕이 냉각되고 공기 갇힘이 생성되어 더 많은 시간이 걸립니다. 가장 뜨거운 용탕이 마지막에 주입되는 것이 가장 좋습니다. 이를 염두에 두고 Littler Diecast는 많은 아이디어를 테스트하고 문제 발생 가능성을 최소화하는 디자인을 만들었습니다.

최종 부품 설계

세 가지 주요 설계 변경 후 부품 품질이 크게 향상되었습니다. 먼저, 게이트 및 러너를 재 설계하여 유체가 완전히 새로운 방향으로 3개의 게이트를 통해 유입되었습니다. 이는 더 큰 오버플로를 생성하는 두 번째 설계 변경과 결합하여 플레이트에 역류 현상이 훨씬 줄어들어 가장 뜨거운 용탕이 마지막으로 유입될 수 있음을 의미했습니다. 셋째, 게이트의 접근 각도와 위치가 변경되어 기둥의 역류를 방지하는데 도움이 되었습니다.

이 새로운 디자인은 또한 새로운 툴에서 다이 침식의 가능성을 줄였습니다. 대신, 기둥의 중앙 구멍에 사용되는 코어 핀으로 유체가 분출됩니다. 코어 핀은 쉽게 교할 수 있어서 다이를 수리하는 것보다 훨씬 빠르고 비용이 적게 듭니다. 이로 인해 많은 비용이 소모되는 다이 수정을 피할 수 있게 되어 엔지니어링 프로세스가 개선되었습니다.

물리적 검증

Littler Diecast는 생산 시설을 시험 가동한 short shots, x-ray 및 파괴 검사를 통해 디자인 변경 사항을 확인할 수 있었습니다. 짧은 샷은 균형 잡힌 러너를 보여주었고 x-ray에는 기포가 보이지 않았습니다. 파괴 시험은 기포가 없는 일관된 결정입자 구조를 보여주었으며, 이는 주조 결함이 아니라 재료의 강도에 기인한 것으로 입증되었습니다.

작업 현장에서 가져온 샘플 (최종 부품의 다른 각도에서 X-Rays)

FLOW-3D 교육 안내 및 신청

HIGH-END TOP CLASS
FLOW-3D CFD EDUCATION

(주)에스티아이씨앤디에서는 FLOW-3D 제품군의 사용자 교육을 지원하고 있습니다. 홈페이지에 안내되어 있는 교육 일정과 교육신청 절차를 참고하시어 교육을 받으실 수 있습니다.

FLOW-3D 분야별 교육 과정 안내

교육 과정명 : 수리 분야

댐, 하천의 여수로, 수문 등 구조물 설계 및 방류, 월류 등 흐름 검토를 하기 위한 유동 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 유입 조건(수위, 유량 등)과 유출 조건에 따른 방류량 및 유속, 압력 분포 등 유체의 흐름을 검토를 할 수 있도록 관련 예제를 통해 적절한 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 해양 분야

해안, 항만, 해양 구조물에 대한 파랑의 영향 및 유체의 수위, 유속, 압력의 영향을 예측할 수 있는 해석 방법을 소개하는 과정입니다. 항주파, 슬로싱, 계류 등 해안, 해양, 에너지, 플랜트 분야 구조물 설계 및 검토에 필요한 유동해석을 하실 수 있는 방법을 알려드립니다. 각 현상에 대한 적절한 예제를 통해 기능을 습득하실 수 있습니다.

교육 과정명 : 주조 분야

주조 분야 사용자들이 쉽게 접근할 수 있도록 각 공정별로 해석 절차 및 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 고압다이캐스팅, 저압다이캐스팅, 경동주조, 중력주조, 원심주조, 정밀주조 등 주조 공법 별 관련 예제를 통해 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 레이저 용접 분야

레이저 용접 해석을 하기 위한 물리 모델과 용접 조건들을 설정하는 방법에 대해 소개하는 교육 과정입니다. 해석을 통해 용접 공정을 최적화할 수 있도록 관련 예제와 함께 적절한 기능들을 습득할 수 있도록 도와 드립니다.

교육 과정명 : 3D프린팅 분야 과정

Powder Bed Fusion(PBF)와 Directed Energy Deposition(DED) 공정에 대한 해석 방법을 소개하는 교육 과정입니다. 파우더 적층 및 레이저 빔을 조사하면서 동시에 금속 파우더 용융지가 적층되는 공정을 해석하는 방법을 관련 예제와 함께 습득하실 수 있습니다.

고객 맞춤형 과정

상기 과정 이외의 경우 고객의 사업 업무 환경에 적합한 사례를 중심으로 맞춤형 교육을 실시합니다. 필요하신 부분이 있으시면 언제든지 교육 담당자에게 연락하여 협의해 주시기 바랍니다.

고객센터 및 교육 담당자

전화 : 02)2026-0450, 02)2026-0455
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

교육 일정 안내

교육은 매월 정해진 일정에 시행되는 정기 교육과 고객의 요청에 의해 시행되는 비정기 교육이 있습니다. 비정기 교육은 별도문의 바랍니다.

1. 연간교육 일정

FLOW-3D 연간 교육일정표 다운로드 (Excel File)

2. 교육 내용 : FLOW-3D Basic

FLOW-3D 소개 및 이론
- FLOW-3D 소개 – 연혁, 특징 등
- FLOW-3D 기본 개념
  - VOF
  - FAVOR
- 해석사례 리뷰
GUI 소개 및 사용법
- 해석 모델 작성법 – 물리 모델 설정
  - 모델 형상 정의
  - 격자 분할
  - 초기 유체 지정
  - 경계 조건 설정
- 해석 결과 분석 방법 – 해석 모델 설명
해석 모델 작성 실습
- 해석 모델 작성 실습 – 격자 분할
  - 물리 모델 설정
  - 모델 형상 및 초기 조건 정의
  - 경계 조건 설정
  - 해석 과정 모니터링
  - 해석 결과 분석
- 질의 응답 및 토의

3. 교육 과정 : FLOW-3D Advanced

Physics Ⅰ
- Density evaluation
- Drift flux
- Scalars
- Sediment scour
- Shallow water
Physics Ⅱ
- Gravity and non-inertial reference frame
- Heat transfer
- Moving objects
- Solidification
FLOW-3D POST (Post-processor)
- FLOW-3D POST 소개
- Interface Basics
- 예제 실습

FLOW-3D 교육 신청 방법 안내

교육 신청은 홈페이지의 교육 신청 창에서 최소 3일 전에 신청합니다.
모든 교육과정은 신청 인원이 2인 이상일때 개설되며, 선착순 마감입니다.
교육 신청을 완료하시면, 신청시 입력하신 메일주소로 교육 담당자가 확인 메일을 보내드립니다.
교육 시간은 Basic : 오전10시~오후5시, Advanced : 오후1시30분~오후5시30분까지입니다.
교육비 안내
- FLOW-3D, FLOW-3D CAST, FLOW-3D HYDRO Basic (2일) : 기업 66만원, 학생 55만원
- FLOW-3D WELD/AM Basic 레이저용접, 3D 프린팅(2일) : 기업 88만원, 학생 66만원
- FLOW-3D Advanced (1일) : 기업 33만원, 학생 25만원
- 상기 가격은 부가세 포함 가격입니다.
교육비는 현금(계좌이체)로 납부 가능하며, 교재 및 중식이 제공됩니다.
세금계산서 발급을 위해 사업자등록증 또는 신분증 사본을 함께 첨부하여 신청해 주시기 바랍니다.
교육 종료 후 이메일로 수료증이 발급됩니다.

FLOW-3D 교육 신청 바로가기(Google Form)

고객센터 및 교육 담당자

전화 : 02)2026-0450, 02)2026-0455
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

교육 장소 안내

지하철 1호선/가산디지털단지역 (8번출구), 지하철 7호선/가산디지털단지역 (5번출구)
우림라이온스밸리 B동 302호 또는 교육장
당사 건물에 주차할 경우 무료 주차 1시간만 지원되오니, 가능하면 대중교통을 이용해 주시기 바랍니다.

오시는 길

Home

FLOW-3D WELD

New unified user interface, New process templates, Improved Reflection model,...

What's New in FLOW-3D HYDRO 2025R1

New discrete element method (DEM) model

What's New in FLOW-3D POST 2025R1

Pathtracing improvements, History data calculator, EXODUS file format improvements

FLOW-3D AM

Improved reflection model, Improved heat source integration, Particle-particle interactions...

What's New in FLOW-3D 2025R1

New discrete element method (DEM) model

What's New in FLOW-3D CAST 2025R1

better quality, efficiency and precision in complex non-ferrous castings, Improved valve model

FLOW-3D 는 세계에서 가장 어려운 CFD문제를 해결하는 소프트웨어로, 3차원 자유표면 해석 분야에서 널리 사용되는 최적의 수치해석 소프트웨어 입니다. 특히 자유표면(자유수면)을 가진 유동흐름을 정확하게 예측하는 분야에서는 타의 추종을 불허하는 정확성을 자랑합니다.

FLOW-3D 는 핵폭탄 개발 프로젝트로 유명한 미국 국립 연구소 LANL(LosAlamos National Laboratory)의 허트(C. W. Hirt) 박사가 새로운 자유표면 추적기법(free surface tracking method)인 VOF(Volume ofFluid) 방법을 연구 개발한 후, 수 많은 유동현상에 대한 물리 모델을 추가하고 성능을 개선하여, 설계 및 운영단계에서 사용되면서 엔지니어에게 귀중한 통찰력을 제공하는 세계적인 CFD 소프트웨어 입니다.

FLOW-3D 는 정확한 자유표면 추적, 압축성/비압축성 유동, 층류/난류, 열전달(전도, 대류, 복사), 점성발열, 상변화(응고,증발)/공동현상, 표면장력, 다상유동, 물질확산, 자연대류/밀도류, 뉴턴/비뉴턴유체, 틱소트로피, 다공성매질, 가속도계/관성계, 입자추적, 전기섭동/전기삼투압/주울발열, 열모세관현상 등 수많은 물리 모델을 제공합니다.

수치해석과 관련하여 궁금하신 사항은 언제든지 부담없이 문의 해주십시오.
감사합니다.

신규소식 및 기술자료

FLOW-3D WELD/AM 웨비나

FLOW-3D WELD/AM 웨비나를 2026.04.23. (목) 15:00~15:30에 진행할 예정입니다.

📅 일시 2026년 4월 23일(목)

🕒 시간 15:00 ~ 15:30 (30분)

📍 장소 온라인(예약시 안내 링크 송부)

많은 관심 부탁드립니다.

참여 링크

FLOW-3D European Users Conference 2026

FLOW-3D European Users Conference가 2026년 6월 15일부터 17일까지 사흘간 독일 뒤셀도르프의 Steigenberger Icon Parkhotel 에서 개최될 예정입니다.
자세한 안내는 상세 페이지에서 알려드립니다.
많은 참석 부탁드립니다.

상세 페이지

FLOW-3D HYDRO Workshops
Register for a FLOW-3D HYDRO workshop

Civil & Environmental Consultants, Inc.

Knoxville, TN

Host a FLOW-3D HYDRO Local Workshop

CUSTOMER 추천 평가

FLOW-3D는 오늘날 복잡한 자유 표면 및 제한된 흐름 문제를 분석하는 데 사용할 수 있는 가장 강력한 도구 중 하나입니다. 사용하기 쉬운 모델링 인터페이스를 제공하며 지난 15년 이상 제가 작업한 수력 발전, 환경, 수자원 및 처리 관련 프로젝트의 설계에 필수적인 도구였습니다. Flow Science의 기술 지원 팀과 개발자는 함께 작업하기 쉽고, 조언을 제공하고, 코드의 잠재적 개선 사항에 대한 사용자의 의견을 듣고, 발생하는 문제를 신속하게 해결하고자 합니다. Flow Science의 전체 팀은 함께 일하기에 훌륭했고 모든 엔지니어에게 훌륭한 자원입니다.

FLOW-3D is one of the most powerful tools available to analyze complex free surface and confined flow problems out there today. It provides an easy-to-use modeling interface and has been an integral tool in the design of hydroelectric, environmental, water resource and treatment related projects I’ve worked on over the last 15+ years. Flow Science’s technical support team and developers are easy to work with and are eager to provide advice, hear input from its users on potential enhancements to the code as well as quickly resolving issues that arise. The entire team at Flow Science have been great to work with and are a great resource to all engineers.

FLOW-3D CAST는 우리의 품질 프로그램에 엄청난 자산이었습니다. 6가지 주조 시뮬레이션 소프트웨어를 평가한 후 Howell Foundry는 FLOW-3D CAST를 구매하기로 결정했습니다. 이 결정의 일부 요인에는 설정 다양성, 비용 및 가장 중요한 시뮬레이션의 현실 정확도가 포함됩니다. 업데이트된 결과 뷰어와 결합된 FLOW-3D CAST 의 강력한 시뮬레이션 기능은 가장 복잡한 작업에서 특히 첫 번째 타설에서 고품질 주조를 보장하는 데 도움이 되었습니다.

FLOW-3D CAST has been a tremendous asset to our quality program. After having evaluated six different casting simulation software, Howell Foundry made the decision to purchase FLOW-3D CAST. Some of the factors in this decision include its setup versatility, cost, and most importantly its accuracy of the simulation to reality. FLOW-3D CAST’s powerful simulation ability coupled with its updated results viewer has been especially helpful on our most complex jobs to make sure we have a quality casting on the first pour.

우리는 FLOW-3D를 사용하여 지난 20년 동안 많은 소모성 발사체 시스템에 대한 추진제 슬로시 및 풀스루 시뮬레이션을 개발했습니다. 보다 최근에는 Flow Science 지원 직원이 차량 기동으로 인한 ullage collapse effects를 포착하기 위해 극저온 추진제 탱크 시뮬레이션에 열 전달을 추가하는 데 중요한 역할을 했습니다.

We have used FLOW-3D to develop propellant slosh and pull-through simulations for a number of expendable launch vehicle systems over the last 20 years. More recently, the Flow Science support staff has been instrumental in helping us add heat transfer to cryogenic propellant tank simulations in order to capture ullage collapse effects due to vehicle maneuvers.

저는 연구 및 산업 응용 분야에서 유체 흐름 문제를 해결하는 데 15년 이상 FLOW-3D를 사용해 왔습니다 . 우리는 강 및 해안 구조물, 수처리 장치, 댐, 여수로, 깊은 터널 및 CSO 전환 구조물의 설계에 이 소프트웨어를 광범위하게 사용합니다. FLOW-3D는 수치 솔버 기술, 클라우드 컴퓨팅, 전처리 및 후처리 도구의 최신 기술을 통합하여 고객에게 상당한 시간과 비용을 절감합니다. FLOW-3D 영업 및 기술 지원 팀은 훌륭합니다!

I have used FLOW-3D for over 15 years solving fluid flow problems in research and industrial applications. We use the software extensively in the design of river and coastal structures, water treatment units, dams, spillways, deep tunnels, and CSO diversion structures. FLOW-3D integrates state of the art in numerical solver techniques, cloud computing, pre- and post-processing tools resulting in substantial time and cost savings to our clients. FLOW-3D sales and technical support teams are excellent!

FLOW-3D 는 다른 소프트웨어로 시각화하거나 정량화하기 어려운 복잡한 유압 문제에 대한 통찰력을 제공하는 정교한 도구입니다. 정교함에도 불구하고 소프트웨어는 매우 사용자 친화적이며 Flow Science는 훌륭한 문서와 기술 지원을 제공합니다. FLOW-3D 모델 에서 얻은 결과는고객과 사내 비모델러 모두에게 깊은 인상을 남겼습니다.

FLOW-3D is a sophisticated tool that provides insight into complex hydraulic problems that would be difficult to visualize or quantify with other software. Despite the sophistication, the software is very user friendly, and Flow Science provide great documentation and technical support. The results we have obtained from our FLOW-3D models have impressed both our clients and non-modelers in-house.

4C-Technologies에서 우리는 거의 35년 동안 다양한 소프트웨어 흐름 시뮬레이션 솔루션을 사용하는 선구자였습니다. 다양한 금속 합금으로 주조된 HPDC 부품에서 부품 설계 및 도구/러너 설계를 최적화합니다. 2008년부터 우리는 FLOW-3D를 사용하여 지금까지 최고의 정확도를 제공하는 것으로 나타났습니다. 또한 FLOW-3D 팀 의 지원은 탁월합니다.

At 4C-Technologies we have been pioneers in using various software flow simulation solutions for nearly 35 years. We optimize part designs and tool/runner designs on casted HPDC parts in various metal alloys. Since 2008 we have solely been using FLOW-3D as it turned out to give by far the best accuracy. Furthermore, the support from the FLOW-3D team is outstanding.

20년 이상 FLOW-3D 와 함께 CFD 분석을 사용하면서 우리의 신뢰 수준은 이제 일반 연구 목적 및 최종 설계 응용 프로그램에 CFD 모델링을 사용하는 데 확신을 가질 정도로 높아졌습니다. 이 소프트웨어는 개념적 세부 사항과 구성을 신속하게 변경할 수 있는 유연성을 제공하여 설계를 단계적으로 진행할 수 있도록 합니다.

From using CFD analysis with FLOW-3D for over twenty years, our level of trust has increased to the point that we are now confident in using CFD modeling for general study purposes and final design applications. The software gives us flexibility to quickly change conceptual details and configurations allowing the design to advance in stages.

우리는 FLOW-3D AM을 사용하여 기초 과학의 경계를 발전시켜 왔습니다 . FLOW-3D AM은 다중 합금 3D 프린팅 중 복잡한 현상을 지배하는 물리학에 대한 우리의 가설을 테스트하는 훌륭한 도구였습니다. FLOW-3D AM은 우리가 열 프로필의 진화와 관련된 물질 전달 및 복잡한 적층 구조에서 열 응력의 발달을 이해하는 데 도움이 되었습니다.

We have been using FLOW-3D AM to advance the boundaries of fundamental science. FLOW-3D AM has been a great tool to test our hypotheses about the physics governing complex phenomena during multi-alloy 3D printing. FLOW-3D AM has helped us understand the evolution of thermal profiles and the associated mass transport and development of thermal stresses in complicated additively-built structures.

FLOW-3D 는 많은 응용 프로그램이 있는 강력한 도구입니다. 우리는 FLOW-3D를 사용하여 물 전환 구조의 흐름과 수력을 효과적으로 해결했습니다. 우리는 또한 제안된 물고기 통로를 통한 물 흐름을 모델링했습니다. 우리는 정확성, 계산 속도, 특히 사용자 친화적인 GUI에 깊은 인상을 받았습니다. 그리고 우리 고객들은 모델 출력과 포스트 프로세서에 의해 생성된 애니메이션에 깊은 인상을 받았습니다. 우리는 또한 매우 반응이 좋은 지원 직원에게 감사합니다.

FLOW-3D is a powerful tool with many applications. We used FLOW-3D to effectively resolve flow through and hydraulic forces on a water diversion structure. We also modeled water flow through a proposed fish passage. We have been impressed with the accuracy, computational speed, and especially the user friendly GUI. And, our clients have been impressed with the model output, as well as, animations created by the post-processer. We are also appreciative of the highly responsive support staff.

수년에 걸쳐 FLOW-3D는 기존의 유압 모델링 도구로는 해결하기 매우 어려웠을 복잡한 유압 문제를 해결하는 데 도움을 주었습니다. 우리는 FLOW-3D 팀에게 매우 감사합니다 . 그들은 수년에 걸쳐 지속적으로 소프트웨어를 개선해 왔으며 우리의 요구에 매우 신속하게 대응해 왔습니다.

Over the years, FLOW-3D has helped us solve complex hydraulic problems that would have otherwise been very difficult to solve with conventional hydraulic modeling tools. We are very thankful to the team at FLOW-3D. They have constantly been making the software better over the years, and have been very responsive to our needs.

FLOW-3D 는 당사의 우주 공학 연구 및 개발 프로세스에서 필수적인 도구입니다. FLOW-3D는 극저온 연료 역학의 프로세스를 더 잘 이해하여 질량을 줄이고 발사기 성능을 향상시키는데 도움이 됩니다.

FLOW-3D is an essential tool in our space engineering research & development process. FLOW-3D helps us better understand processes in cryogenic fuel dynamics, leading to savings in mass and improved launcher performance.

FLOW-3D CAST는 CASTMAN, Inc의 제품 개발 및 품질 확보에 매우 큰 도움을 주었습니다. FLOW-3D를 한국에 독점 공급하는 (주)에스티아이씨앤디의 수치해석 컨설팅팀과 협업을 통해 제품 개발 시 FLOW-3D 주조 시뮬레이션을 통해 기술적인 여러 어려움이 있는 제품 개발에 모두 성공하였습니다. 이는 개발 비용, 기술적인 어려움, 개발 기간 및 가장 중요한 시뮬레이션의 정확도가 포함됩니다. FLOW-3D CAST 의 강력한 시뮬레이션 기능은 가장 복잡한 작업에서 고품질 주조를 보장하는 데 도움이 되었습니다.

김동균 Director of Operations, CASTMAN, Inc

News
FLOW-3D 2026 European User Conference
FLOW-3D 2026 European User Conference 6월 16일부터 17일까지 뒤셀도르프의 Steigenberger Icon Parkhotel에서 열리는 FLOW-3D 2026 European User Conference에 고객 여러분을 초대합니다. 주요 기업 및 기관의 동료 엔지니어, 연구원, 과학자들과 연결하여 ...
자세한 내용 보기
2026-01-12 / AMD, cast, FLOW-3D, user conference, 공지사항, 이벤트
FLOW-3D WELD/AM 웨비나 안내
용접 및 3D프린팅에 특화된 수치해석 프로그램인 FLOW-3D WELD/AM의 새로운 기능을 소개해 드릴 웨비나를 개최합니다. 이번 웨비나에서는 익숙하지만 놓치고 있었던 FLOW-3D WELD/AM의 핵심 기능과 더욱 강력해진 최신 업데이트 내용을 집중적으로 다룹니다 ...
자세한 내용 보기
2025-09-23 / 3D프린팅, FLOW-3D, weld, 공지사항, 수치해석, 용접
기술자료
CFD 해석을 통한 러너 및 벤트 시스템 최적화: 고압 다이캐스팅 기공 결함 감소의 새로운 해법
이 기술 요약은 M.D Ibrahim 외 저자가 2023년 INTERNATIONAL JOURNAL OF INTEGRATED ENGINEERING에 게재한 "[Parametric Study for Runner Modifications of ...
더 보기
2026-04-20 / Casting, CFD, HPDC, 주조, 주조 논문
AA 6061 금속 기지 복합재: 교반 주조법을 통한 기계적 특성 극대화 방안
이 기술 요약은 Balraj Hooda 외 저자가 International Journal for Multidisciplinary Research (IJFMR)에 발표한 논문 "[Metal Matrix Alloy AA 6061 ...
더 보기
2026-04-19 / Casting, 교반주조, 복합재, 주조, 주조 논문
Ti6Al4V 표면 거칠기 최적화: 3D 프린팅이 주조 및 단조와 다른 접근법을 요구하는 이유
이 기술 요약은 János Kónya 외 저자가 Materials에 발표한 "Effect of Surface Modifications on Surface Roughness of Ti6Al4V Alloy Manufactured ...
더 보기
2026-04-18 / Welding, 단조, 용접, 용접 논문, 주조
파레토 분석과 POKAYOKE를 활용한 크랭크케이스 주조 결함 27% 감소 및 생산성 향상 방안
이 기술 요약은 Sahil Rajendra Bavdhankar 외 저자가 International Journal for Multidisciplinary Research (IJFMR)에 발표한 논문 "Defect Analysis and Productivity ...
더 보기
2026-04-17 / Casting, 비교분석, 주조, 주조 논문, 크랭크케이스
다이캐스팅 머신의 진화: 초고속 충전 및 전동화 기술이 품질을 혁신하는 방법
이 기술 요약은 Journal of The Japan Institute of Light Metals에 게재된 Yuji ABE의 논문 "Die-casting machine"(2019)을 기반으로 하며, STI ...
더 보기
2026-04-16 / Casting, HPDC, 다이캐스팅, 주조, 주조 논문
레오-압착 주조(Rheo-Squeeze Casting): 고규소 알루미늄 합금의 경사 구조 제어를 통한 엔진 성능 극대화
이 기술 요약은 Lu Li 외 저자들이 Materials Research(2018)에 발표한 논문 "[Rheo-Squeeze Casting of High-Silicon Aluminium Alloy Pipes with Gradient ...
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2026-04-15 / Casting, 알루미늄, 압착주조, 주조, 주조 논문
초음파 탈가스: Al-Li 합금의 수소 제어 및 기계적 특성 향상을 위한 혁신적 주조 기술
이 기술 요약은 Yuqi Hu 외 저자가 2022년 Materials 학술지에 발표한 "Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium ...
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2026-04-14 / Casting, 알루미늄, 주조, 주조 논문, 탈가스
합금 산화물 본드 시너지 모델: 차세대 내부식성 합금 설계의 비밀을 풀다
이 기술 요약은 Szu-Chia Chien과 Wolfgang Windl이 발표한 "Bond Synergy Model for Bond Energies in Alloy Oxides" 논문을 기반으로 하며, ...
더 보기
2026-04-13 / metal, 결합, 금속, 기타 논문, 산화물
HPDC 게이팅 설계 자동화: Python 기반 모델링 및 시뮬레이션으로 개발 시간 단축
이 기술 요약은 Nélson Moura Pereira Duro가 2024년 Universidade do Minho에 제출한 석사 학위 논문 "Modelling and Simulation of Die ...
더 보기
2026-04-12 / Casting, CFD, HPDC, 주조, 주조 논문
HPDC 금형의 열 피로 수명 예측: CFD-FEA 연성 해석을 통한 파손 시점 정밀 예측
이 기술 요약은 Joeun Choi 외 저자가 Metals (2022)에 게재한 논문 "Fatigue Life Prediction Methodology of Hot Work Tool Steel ...
더 보기
2026-04-11 / Casting, TDC, 금형, 주조, 주조 논문
Al-Si 합금 미세경도 예측: 주조 열 변수와 덴드라이트 간격의 상관관계 분석
이 기술 요약은 Diego CARVALHO 외 저자가 2018년 MATERIALS SCIENCE (MEDŽIAGOTYRA)에 발표한 논문 "Microindentation Hardness-Secondary Dendritic Spacings Correlation with Casting ...
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2026-04-10 / Casting, dendrite, 냉각, 알루미늄, 주조, 주조 논문
초고장력강(UHSS) GMAW 용접 최적화: FEA 예측을 통한 열 영향부(HAZ) 제어 전략
이 기술 요약은 Alnecino Alves Netto가 2019년 라펜란타-라티 기술대학교(Lappeenranta-Lahti University of Technology)에 제출한 석사 학위 논문 "Optimization of Gas Metal ...
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2026-04-09 / Welding, 강재, 용접, 용접 논문, 최적화
경량 소재의 마찰 교반 용접(FSW)에서 열 지수 기반 주요 공정 변수 최적화 연구
Heat Index Based Optimisation of Primary Process Parameters in Friction Stir Welding on Light Weight Materials 마찰 교반 용접(FSW)은 항공우주 ...
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2026-04-08 / FSW, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
TOPSIS 방법을 이용한 AZ31B 합금의 마찰 교반 용접 실험 분석 및 공정 변수 최적화
Friction Stir Welding Experiments on AZ31B Alloy to Analyse Mechanical Properties and Optimize Process Variables by TOPSIS Method 마그네슘 합금인 ...
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2026-04-08 / FSW, Welding, 구리, 용접, 용접 논문
CFD를 이용한 파쇄 암석 및 타원체 입자의 무작위 충전층 유동 저항 분석
Flow Resistance of Randomly Packed Beds of Crushed Rock and Ellipsoidal Particles using CFD 암석층 열에너지 저장(TES) 장치는 태양광 브레이튼 ...
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2026-04-08 / CFD, Fluid, 열전달, 유체, 유체 논문
태양광 보조 바이오가스 시스템용 태양열 온수기의 설계 및 CFD 시뮬레이션
Design and CFD Simulation of Solar Water Heater Used In Solar Assisted Biogas System 화석 연료 의존도를 낮추고 환경 문제를 ...
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2026-04-07 / Fluid, 열교환기, 열전달, 유체, 유체 논문
투과성 표면 위 수축/팽창 실린더를 향한 경계층 정체점 슬립 유동 및 열전달의 안정성 분석
A Stability Analysis of Boundary Layer Stagnation-Point Slip Flow and Heat Transfer towards a Shrinking/Stretching Cylinder over a Permeable Surface ...
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2026-04-07 / Fluid, 실린더, 열전달, 유체, 유체 논문
내부 핀이 있는 사각 덕트 내 유체 흐름 및 열전달 분석을 위한 무요소법 절차
A meshless procedure for analysis of fluid flow and heat transfer in an internally finned square duct 내부 핀이 있는 ...
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2026-04-07 / Fluid, 덕트, 열교환기, 유체, 유체 논문
알루미늄 경량차체 제작을 위한 MIG 용접 용가재별 성형성 평가
Evaluation of Formability Depend on Aluminum Filler Wire to Make Lightweight Vehicle for MIG Welding Process 자동차 산업에서 연비 향상과 ...
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2026-04-06 / mig, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
다이아몬드 필러가 적용된 통풍식 디스크 브레이크 로터의 공기 흐름 및 열전달 분석
Analysis of Air Flow and Heat Transfer in Ventilated Disc Brake Rotor with Diamond Pillars 브레이크 작동 중 발생하는 열은 ...
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2026-04-06 / Fluid, 공기, 열전달, 유체, 유체 논문
Al 5052 및 6061 합금의 플라즈마-GMA 용접 공정 특성 평가
Al 5052, 6061합금에 대한 플라즈마-GMA 용접공정특성 평가 (Process Evaluation of Plasma-GMA Welding for Al 5052 and 6061 Alloy) 알루미늄 합금은 ...
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2026-04-06 / GMA, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
리브 터뷸레이터가 있는 후향 계단 유동에서의 난류 및 열전달 시뮬레이션
SIMULATION OF TURBULENT FLOW AND HEAT TRANSFER OVER A BACKWARD-FACING STEP WITH RIBS TURBULATORS 본 연구는 리브 터뷸레이터가 장착된 채널 ...
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2026-04-05 / Fluid, 난류, 대류, 유체, 유체 논문
고엔트로피 NiCoCrAl−(Ti, Nb) 브레이징 삽입재의 열역학적 파라미터에 미치는 접착 활성 성분의 영향
Influence of Adhesive-Active Components on Thermodynamic Parameters of High-Entropy NiCoCrAl−(Ti, Nb) Brazing Filler Metals 내열성 니켈 합금의 브레이징은 항공 및 ...
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2026-04-04 / Welding, 니켈, 브레이징, 용접, 주조 논문
G-BOP 테스트를 이용한 다양한 상대 습도 조건에서의 수소 유기 균열 완화를 위한 용접 매개변수 최적화
Optimizing Welding Parameters to Mitigate Hydrogen-Induced Cracking Under Varying Relative Humidity Conditions Using the G-BOP Test 고장력 저합금(HSLA) 강의 용접 ...
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2026-04-03 / weld, 강재, 균열, 용접, 용접 논문
이중관 열교환기 내 산화알루미늄(Al2O3) 나노입자가 강제 대류에 미치는 영향에 관한 CFD 수치 해석 연구
Numerical study by CFD, of the effect of the presence of aluminum oxide nanoparticles (Al2O3) on forced convection through a ...
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2026-04-03 / Fluid, 대류, 산화알루미늄, 유체, 유체 논문
스테인리스강 304의 TIG 용접 공정에서 보호 가스 유량이 기계적 성질에 미치는 영향 연구
Influence of shielding gas flow on the TIG welding process using stainless steel 304 material 산업용 열교환기 장비의 부적절한 작동은 ...
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2026-04-03 / TechnicalNote, TIG, Welding, 스테인리스, 용접
구리(Cu) 첨가로 아연-알루미늄 합금의 경도를 2배 높이는 방법: 고성능 코팅 재료의 혁신
이 기술 요약은 Md. Arifur Rahman Khan 외 저자가 2016년 1st International Conference on Engineering Materials and Metallurgical Engineering에 발표한 ...
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2026-04-02 / coating, 아연 코팅, 알루미늄, 코팅, 코팅 논문
가돌리늄(Gd) 첨가 AlSi7Mg0.3 합금의 응고 및 미세구조 분석: 고품질 주조를 위한 CFD 시뮬레이션 데이터 확보
이 기술 요약은 Ozen Gursoy와 Giulio Timelli가 저술하여 Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (2024)에 발표한 학술 논문 "The influence ...
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2026-04-02 / Casting, 가돌리늄, 알루미늄, 주조, 주조 논문
딥러닝 결함 분석: TEM 이미지에서 인간 수준의 정확도로 다중 결함을 자동으로 정량화하는 방법
이 기술 요약은 Ryan Jacobs 외 저자가 발표한 학술 논문 "Performance, Successes and Limitations of Deep Learning Semantic Segmentation of ...
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2026-04-02 / TEM, 강재, 기타 논문, 머신러닝, 미세결함
투과성 층 내부 및 상부의 난류 유동에 대한 CFD 분석
CFD Analysis for Turbulent Flow within and over a Permeable Bed 이 연구는 투과성 층(Permeable Bed) 내부와 그 상부에서 발생하는 ...
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2026-04-01 / CFD, Fluid, 다공성, 유체, 유체 논문
알루미늄 합금 다이캐스팅용 금형의 조기 균열 및 파손 원인 분석
PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING 알루미늄 합금 다이캐스팅 공정에서 금형의 수명은 생산 효율성과 제조 비용에 직결되는 핵심적인 ...
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2026-04-01 / Casting, 금형, 주조, 주조 논문, 파손
반응고 다이캐스팅 및 열처리 공정을 이용한 ADC10 합금의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 주조 변수의 영향
Effect of Casting Parameters on the Microstructure and Mechanical Properties of ADC10 Alloys Using a Semisolid Die Casting and Heat ...
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2026-04-01 / Casting, Semi-solid, 알루미늄, 주조, 주조 논문
혼합 등온 및 등열유속 벽면 경계 조건을 가진 마이크로 파이프 내 물 유동의 대류 열전달에 관한 CFD 연구
CFD study of Convective Heat Transfer of Water Flow Through Micro-Pipe with Mixed Constant Wall Temperature and Heat Flux Wall ...
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2026-03-31 / Fluid, 마이크로파이프, 열전달, 유체, 유체 논문
단일 및 다중 입구 EGR 쿨러의 유동 거동 및 열 성능에 대한 CFD 분석
CFD Analysis of Flow Behavior and Thermal Performance in Single and Multi-Inlet EGR Coolers 대형 차량에서 배기가스 재순환(EGR) 시스템은 2002년 ...
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2026-03-31 / EGR, Fluid, 유동해석, 유체, 유체 논문
AA2124/SiCp 복합재와 비강화 합금 간의 선형 마찰 용접(LFW) 공정 모델링
PROCESS MODELLING OF LINEAR FRICTION WELDING (LFW) BETWEEN AA2124/SICP COMPOSITE AND UNREINFORCED ALLOY 선형 마찰 용접(LFW)은 항공우주 산업에서 고성능 알루미늄 ...
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2026-03-31 / LFW, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
Al 6063 마찰 교반 용접(FSW)의 공정 파라미터 최적화 연구
OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS IN FRICTION STIR WELDING OF AL 6063 마찰 교반 용접(FSW)은 알루미늄 및 마그네슘과 같은 경량 소재를 ...
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2026-03-30 / FSW, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
TIG-MIG 하이브리드 용접법에 관한 기초적 연구
TIG-MIG 複合溶接法の基礎的検討 TIG 및 MIG 용접은 현대 산업 현장에서 가장 널리 활용되는 가스 보호 아크 용접 공정입니다. 일반적으로 MIG 용접은 ...
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2026-03-30 / mig, TIG, Welding, 용접, 용접 논문
마그네슘 합금의 용접 기술: 최신 공정 및 야금학적 특성 분석
Welding of Magnesium Alloys 마그네슘 합금은 알루미늄보다 40%, 강철보다 78% 가벼운 초경량 구조용 소재로, 자동차 및 항공우주 산업에서 연비 향상과 ...
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2026-03-30 / Welding, 마그네슘, 미세구조, 용접, 용접 논문
첨단 오비탈 파이프 용접 기술 분석 보고서
첨단 오비탈 파이프 용접 기술 분석 보고서 Advanced Orbital Pipe Welding 파이프 및 튜브 용접은 원자력 및 화력 발전소, 반도체 ...
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2026-03-29 / Welding, 공정비교, 용접, 용접 논문, 파이프
Process Tape를 활용한 마그네슘 합금의 저항 점 용접 특성 연구
Process Tape를 사용한 마그네슘 합금의 저항 점 용접 특성 최근 자동차 산업에서는 경량화와 연비 향상을 위해 마그네슘 합금 판재의 적용이 ...
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2026-03-28 / RSW, TechnicalNote, Welding, 마그네슘, 용접
LM6 알루미늄 합금 주조의 피딩 효율에 미치는 응고 매개변수의 영향
Effect of Solidification Parameters on the Feeding Efficiency of Lm6 Aluminium Alloy Casting 최근 자동차 산업에서는 엔진 블록, 실린더 헤드, ...
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2026-03-27 / Casting, 알루미늄, 주조, 주조 논문, 피딩
종방향 자기장이 인가된 TIG 용접 공정 중 알루미늄 합금의 용융지 형성 및 유동 거동
Weld pool formation and flowing behaviors of aluminum alloy during TIG welding process with a longitudinal electromagnetic field 알루미늄 합금은 ...
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2026-03-27 / TIG, Welding, 알루미늄, 용접, 용접 논문
전이 유동 영역에서의 열전달 특성 연구
Heat Transfer in the Transitional Flow Regime 전이 유동 영역(Reynolds 수 2,300에서 10,000 사이)은 유체 역학 및 열전달 분야에서 여전히 ...
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2026-03-27 / Fluid, 레이놀즈 수, 열전달, 유체, 유체 논문
Ni-Mo-Fe 합금 안테나 부품의 금형 단조에 대한 FEM 모델링 및 실험적 연구
FEM MODELLING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIE FORGING OF Ni-Mo-Fe ALLOY ANTENNA COMPONENTS Ni-Mo-Fe 합금은 우수한 자기적 특성과 내식성을 갖추고 ...
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2026-03-26 / Casting, 구조해석, 기타 논문, 니켈, 단조, 주조
Ti-5Al-2.5Sn 합금의 완전 용입 펄스 TIG 용접부 잔류 응력 최소화를 위한 반응 표면 분석법 연구
Response surface approach to minimize the residual stresses in full penetration pulsed TIG weldments of Ti-5Al-2.5Sn alloy 티타늄 합금, 특히 ...
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2026-03-26 / TIG, Welding, 용접, 용접 논문, 티타늄
고압 다이캐스팅 알루미늄 합금의 열전도도 및 주조 특성에 미치는 합금 원소의 영향
Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting Characteristics of Aluminum Alloys in High Pressure Die Casting 고압 ...
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2026-03-26 / Casting, TechnicalNote, 알루미늄, 열전달, 열전도도, 주조
근적외선 레이저 서셉터로서의 탄소 나노튜브 연구
Carbon Nanotubes as Near Infrared Laser Susceptors 본 연구는 940nm 파장의 근적외선(NIR) 레이저 방사선과 탄소 나노튜브(CNT) 간의 결합 효율을 심층적으로 ...
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2026-03-25 / Welding, 나노튜브, 용접, 용접 논문, 탄소
이미지 기반 유한요소해석을 이용한 알루미늄 다이캐스트 합금의 피로 균열 발생 예측
Estimating Fatigue Crack Initiation of Aluminum Die Cast Alloy using Image Based Finite Element Analysis 알루미늄 다이캐스트 합금은 우수한 성형성과 ...
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2026-03-25 / Casting, 알루미늄, 주조, 주조 논문, 피로
티타늄 튜브 접합을 위한 레이저 빔 용접 파라미터 최적화 수치 모델 개발
DEVELOPING A NUMERICAL MODEL TO OPTIMISE THE LASER-BEAM-WELDING PARAMETERS FOR JOINING TITANIUM TUBES 티타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 내식성 덕분에 ...
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2026-03-25 / Welding, 용접, 용접 논문, 접합, 티타늄
레이저 용접에서 공정 가스의 역할과 중요성 분석
The role of process gases in laser welding 레이저 용접 공정에서 안정적이고 고품질의 용접부를 얻기 위해서는 공정 가스의 사용이 필수적입니다 ...
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2026-03-24 / Welding, 가스, 알루미늄, 용접, 용접 논문
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Aluminum Integral Foam Molding Process
Aluminum Integral Foam Molding Process
This application note was contributed by Johannes Hartmann and Vera Jüchter, Department of Materials Science, Chair of Metals Science and Technology, University of Erlangen-Nuremberg

알루미늄 폼은 우수한 댐핑 및 높은 에너지 흡수율 및 굴곡 강성과 같은 예외적인 특성을 보여줍니다[1]. 강성은 특히 하중 지지 및 경량 구조에 사용하기에 특히 매력적입니다. 중량별 강성을 높이고 보다 우수한 하중 전달을 위해 알 Aluminum Foam Sandwiches (AFS)와 같은 컴팩트한 특성이 필요합니다 [2].
Erlangen-Nuremberg 대학의 금속 공학과 기술 위원장은 알루미늄 발포 특성을 점차적으로 생산하기 위해 다이캐스팅 공정인 Integral Foam Molding 개발하였습니다(그림 1 참조). 이 공정은 폴리머의 사출 성형으로 개발되었으며 따라서 컴팩트한 층을 가진 복잡한 폼을 비용 효율적으로 대량 생산에 적합합니다. 이 노트에 설명 된 시뮬레이션 기법은 프로세스 매개 변수를 선택하는데 도움을 주기 위한 모델링프로세스를 확인할 수 있습니다.
Figure 1. Cross section of an aluminum integral foam with a compact skin, a transition region with decreasing relative density and smaller pores, as well as a foamed core.
Aluminum Integral Foam Molding Technology
일정량의 발포제 (수소화 마그네슘, MgH2)가 러너 시스템에 배치되고 샷 챔버는 알루미늄 용융물로 채워진다 (공정은 그림 2에 묘사되어 있으며, 공정은 [3]에 자세히 설명되어있다). 피스톤이 진행됨에 따라, 분말은 난류 방식으로 주형에 이송된다. 기술 변형 “고압 일체형 폼 몰딩 (HP-IFM)”의 경우 표준 다이캐스팅 공정에서 알 수 있듯이 이 부품은 주변의 높은 압력에서 완전히 채워져 우수한 표면 품질을 보장합니다. 템퍼링된 금형 표면에서 시작하여 용융물은 일체형으로 고형화되기 시작합니다. 몇 밀리 초가 지나면 금형은 코어 풀러 시스템 위에 열리고 부피는 국부적으로 증가하고 압력은 감소하여 열분해 및 수소화 마그네슘 입자의 수소 방출로 인해 여전히 반고체 내부 영역에서 기공 성장을 시작합니다. 모든 발포제 입자는 이웃하는 공극의 역압에 의해 멈추어 질 때까지 공극의 성장을 지속합니다. 발포된 입자의 벽은 알루미늄 합금의 응고된 입자에 의해 안정화가 되며 이를 endogenous stabilization이라고 합니다[4].
Figure 2. Schematic process cycle of “High Pressure Integral Foam Molding (HP-IFM)” of aluminum.
주조 부품의 전체 부피에서 균일한 형태에 대한 전제조건은 분해 순간의 양호한 입자분포입니다. 또한, 발포제 유입시의 용융물의 온도는 수소화 마그네슘의 분해를 결정하며 (그림 3 참조), 게다가 발포시 solid phase의 양을 결정한다. 그러나 고상의 양이 너무 많으면 기공의 강성이 증가하고 현상 기공의 구형화를 방해하여 구조가 파괴된다 [2].
Microcellular Aluminum Integral Foams – Approaching the Process Limits
일체형 발포 성형 공정시뮬레이션은 새로운 부품 설계의 몰드 충진 특성을 조사하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 입자 침투도 예측하고 비용을 절약할 수 있게 발포 공정 조건을 결정할 수 있는 강력한 도구입니다. 현재 연구의 목표는 다공성 수준을 일정하게 유지하면서 기공 크기를 줄이는 것입니다. 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션은 가능한 한 현재의 프로세스 한계에 가깝게 접근할 수 있습니다. 발포 형태의 개선은 기계적 물성에서 균질 한 구조를 유도 할뿐만 아니라 기계적 성질에 의해 더 얇은 부품의 생산이 가능할 것입니다. 이 목적은 용융물 내에서의 높은 입자 분포 밀도와 동시에 응집 현상의 감소와 함께 완전히 안정된 기공 성장에 의해서만 달성 될 수 있다.
Figure 3. Schematic curves of decomposition of magnesium hydride as a function of the melt temperature, calculated by the Johnson-Mehl-Avrami approach [2]
Figure 4. Adjustment of heat transfer by comparisons of a real solidification curve (black) to the growth rate of the solidified skin in simulation (red).
Adapting the Simulation Parameters to Practical Integral Foam Molding Experiments
입자 거동이나 온도장에 대한 신뢰성 있는 예측을 위한 CFD 시뮬레이션을 사용할 수 있으려면 실제 실험과 일치하도록 매개 변수를 결정해야 합니다. 이를 위해, 30-130 ms의 지연 시간을 갖는 일체형 발포 부품을 제작하였으며 성형 팽창 및 기공 성장 개시 순간에 고상분율 때문에 발포 형성이 불가능한 다른 밀도의 형상을 만들었습니다. 열 전달 계수 (완전한 액체 용융물과 완전 응고된 용융물)를 변화시켜 합금 AlSi9Cu3 (Fe)의 주조 사이클을 시뮬레이션하면 응고 곡선을 적용할 수 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 시뮬레이션을 피스톤 이동이 시작되기 전에 실제 온도분포를 묘사해야 합니다. 온도는 배치된 열에 의해 숏 챔버에서 국부적으로 측정되었으며 시뮬레이션 내 실제 데이터와 잘 일치하여 성공적으로 묘사 될 수 있었습니다. 금형 충진 중에 금형 표면에서 온도 측정을 참조 할 수도 있습니다. 시간 경과에 따른 그 변화는 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다.
표면장력이나 응고 항력계수와 같은 용융의 유동을 정의하는 추가 매개 변수 단계에서는 다른 설정과 시뮬레이션을 비교하여 조정됩니다. 시뮬레이션 내에서 용융물의 흐름이 실제 시험과 일치하는 즉시 매개 변수가 설정됩니다
Figure 5. Adjustment of melt flow defining parameters such as the surface tension by comparisons of real experiments (left) to simulations (right)
냉각 및 용해 흐름 특성을 정의한 후 입자의 유입을 시뮬레이션 합니다. 입자 / 유체 의 상호 작용에 대한 시뮬레이션을 조정하기 위해 매개 변수계수의 X 선 샘플과 비교가 되며 구리선 입자에서는 수산화 마그네슘보다 높은 함량 입자가 적용됩니다. (그림 6 참조). 시뮬레이션 결과는 실험과 매우 잘 어울리므로 프로세스 매개 변수의 함수로서 입자 분포의 신뢰할 수 있습니다.
Figure 6. Adjustment of parameters influencing particle/melt-interactions by comparisons of x-rayed samples left); produced by the entrainment of copper particles) to simulations (right)
Conclusion
전체적으로 FLOW-3D는 실제 생산 전에 새로운 부품 제조의 잠재적 결함을 조사하는 중요한 수단이 될 수 있다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이러한 방식으로, 차가운 흐름 또는 데드 존이 없는 성공적인 충전 및 발포제 분포가 보장 될 수 있다. 또한, 예상되는 온도 필드의 정확한 묘사로, 수소화 마그네슘의 분해 특성 및 기공형성을 예측할 수 있습니다. 이는 일체형 폼 구조와 관련하여 고객의 요구를 충족시키기 위한 공정 변수를 정의 할 수 있는 가능성을 제공합니다
¹ Criterion is the solid phase fraction where the shear strength and therefore the resistance to pore evolution increases drastically.
References
[1] C. Körner, R. F. Singer, Adv. Eng. Mater. 2000, 2 (4), pp. 159-165.
[2] C. Körner, in Integral Foam Molding of Light Metals – Technology, Foam Physics and Foam Simulation, Springer, Berlin, Heidelberg, Germany 2008.
[3] H. Wiehler, C. Körner, R. F. Singer, Adv. Eng. Mater. 2008, 10 (3), pp. 171-178.
[4] J. Hartmann, A. Trepper, C. Körner, Adv. Eng. Mater. 2011, 13 (11), pp. 1050-1055.
Learn more about the versatility and power of modeling metal casting processes with FLOW-3D Cast>

Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design
Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design
This article was contributed by Alex Reikher, Ph.D., of Shiloh Industries

오늘날의 조직은 오래되고, 잘 구축되었으며, 빠르게 성장하는 새로운 경제로부터 점점 더 많은 압박을 받고 있습니다. 시장의 세계화는 기업들이 그들의 경쟁 우위를 유지하기 위한 방안을 찾고 있습니다. 인터넷 기술의 급격한 발전과 자유로운 정보 교환은 기업이 경쟁 우위를 유지할 수 있는 기간을 단축하는 요인들입니다. 조직이 업계에서 선두 자리를 유지할 수 있는 방법 중 하나는 혁신기술을 시장에 도입하는데 필요한 시간을 줄이는 것입니다. 다이캐스팅 공정 개발 시간 단축이라는 목표를 가지고, FLOW-3D로 모델링하는 것은 Shiloh Industries의 엔지니어링 부서의 핵심 부분이 되었습니다.
우리는 7년이 넘게 다이캐스팅 모델링 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.
Shiloh Industries의 새로운 프로젝트는 게이트와 러너의 컨셉개발에서 시작되며 대략적인 slow shot profile, shot 실린더 직경, 최소 환기 영역 및 프로세스압력 요구 조건사항이 필요합니다. 유동분석은 최상의 유동패턴을 개발하고 공기 유입을 최소화하기 위해 수행됩니다. 러너설계가 완료된 후 열 분석을 실행하여 waterline 배치를 최적화합니다
Figure 1: The casting part
FLOW-3D의 매력적인 특징은 프로세스의 단계마다 별도의 분석을 실행할 수 있는 기능입니다. 이를 통해 올바른 shot 프로파일, 게이트 디자인 및 워터 라인 위치를 선택할 수 있습니다. 완전히 결합된 흐름과 열 분석은 모든 구성 요소가 잘 작동하는지 확인하기 위해 한번만 수행하면 됩니다. GMO(움직이는 물체)모델을 도입하면 저속 촬영단계에서 샷 슬리브의 최고 플런저 속도를 설정할 수 있습니다. 여기에 설명된 프로젝트에서 부품 설계는 현재 생산 버전에서 크게 변경되었습니다.
부품 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 요구되는 주조 품질을 보장하기 위해 충전 및 응고 과정에서 어려움이 있습니다. 예를 들어, 응고 및 후속 냉각 중에 높은 내부 응력이 발생하여 바람직하지 않은 변형력이 발생할 수 있습니다.
설계 프로세스의 초기 단계에서 평가를 위해 21 개의 러너 구성이 제안되었습니다. FLOW-3D는 모든 변형을 평가하는데 사용되었습니다. 그림 2는 고려된 주 디자인 중 일부를 보여줍니다.
Figure 2: Three of the twenty-one runner systems modeled in FLOW-3D
러너 시스템의 초기 평가 기준은 유동패턴이었습니다. 설계 프로세스의 첫 번째 단계가 완료된 후, 추가 평가를 위해 그림 3에 표시된 두 가지의 러너 설계가 추가평가를 위해 채택되었습니다.
Figure 3: Runners selected for further evaluation based on the flow pattern
응고 분석은 두 번째 단계에서 평가하였습니다. 주조물뿐만 아니라 다이의 온도 분포도 분석하였습니다. 그림 4는 최종 러너 시스템 설계를 하여 응고가 끝날 때 부품의 온도 분포를 보여줍니다.
Figure 4: Different views of the final runner system chosen based on temperature distribution in the part at the end of solidification
Conclusion
7년이 넘는 기간 동안 우리는 다이 캐스팅공정 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.
우리는 다이 캐스팅 공정 시뮬레이션뿐만 아니라 일반적인 CFD 모델링도 FLOW-3D를 사용하고 있습니다. 프로세스 개발 중에 설계 변경을 고객에게 권장해야 하는 경우 FLOW-3D를 사용하면 이러한 변경 사항을 신속하고 안정적으로 평가할 수 있으며 제안된 변경 사항뿐만 아니라 변경사항이 부품 성능에 미칠 영향을 고객에게 제시할 수 있습니다.

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Improving High Pressure Die Casting Designs
Improving High Pressure Die Casting Designs
The content for this article was contributed by Mark Littler of Littler Diecast Corporation.
고압 다이캐스팅 생산 업체인 Littler Diecast Corporation은 최근 우주 항공분야에서 전기 스위치 프레임을 재설계하고 다이캐스팅할 수 있었습니다. 이전에는 다른 제조업체에서 생산했기 때문에 많은 수의 주조에 결함 문제가 있었고 스크랩 비율을 낮추기 위해서는 새로운 디자인이 필요했습니다. Littler Diecast는 문제에 대한 사전 지식없이 시뮬레이션을 통해 결함을 찾아낼 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 이것은 고객들이 그들에게 일을 맡길 수 있을 만큼 충분한 감명을 주었습니다.
Identifying the Problem
스위치는 A380 알루미늄으로 만들어졌으며 크기는 약 1¼ x 1x 1/2 입니다. Littler Diecast는 다공성 문제가 판과 굴뚝의 두 부분에서 문제가 되고 있음을 발견했습니다. 이는 고객이 확인한 것입니다. 각 부분이 채워지는 길 때문에 구멍이 각 위치에 형성되었습니다. 이 흐름은 그림 1과 같이 하나의 게이트를 통해 들어 와서 플레이트의 먼 쪽으로 분사한 다음 다시 채워지며 조기 응고로 인해 항상 닫히지 않는 현상으로 나타납니다. 굴뚝에서도 같은 문제가 발견되었습니다. 유체가 가장 먼 곳으로 분사되고 다시 채워지면 분리선을 통해 배출될 수 없는 갇힌 공기가 생성됩니다.
X-ray of original part, showing porosity problems
Figure 1: Original design with a single gate. Plot colored by velocity magnitude..
Figure 2: Final design with three gates. Plot colored by velocity magnitude.
The Original Part Design
기존의 부품 설계에는 다른 문제가 있었습니다. lock washer와 플레이트 밑면의 밀봉된 표면주위에 많은 다이의 침식이 있었습니다. 부품 모서리에 있는 overflow는 결함이 흘러 나오기에 충분하지 않았습니다.
FLOW-3D를 사용하여 Littler Diecast는 유동의 거동을 분석하고 현상을 시각적으로 확인할 수 있었습니다. 이러한 분석으로 인해 조기 응고는 얇은 부분의 급속 냉각으로 인해 문제가 되었습니다. 만약 부품과 후면을 가로질러 유동이 흐른다면, 액체는 냉각되고 갇힌 공기를 만들어 낼 시간이 많이 필요합니다. 마지막으로 뜨거운 액체가 들어오는 것이 가장 좋습니다. 이를 염두에 두고 Littler Diecast는 여러 가지 아이디어를 테스트하고 문제의 가능성을 최소화하고 프로세스 창을 극대화 한 디자인을 달성했습니다.
The Final Part Design
세 가지 주요 설계 변경 후 부품 품질이 크게 향상되었습니다. 첫째, 게이트와 러너를 세 개의 게이트를 통해 들어갈 수 있도록 재설계하였습니다. 이것은 큰 오버플로를 생성하는 두 번째 설계 변경과 함께, 온도가 가장 높은 유체가 마지막으로 들어갈 수 있으며 플레이트에 역류가 훨씬 적다는 것을 의미했습니다. 셋째, 진입 각도와 게이트 위치가 변경되어 역류를 방지하는데 도움이 되었습니다.
또한, 이 새로운 디자인은 공구에서 다이의 침식될 수 있는 가능성을 줄였습니다. 대신 유체는 굴뚝의 중심구멍에 사용된 코어 핀 위로 분사됩니다. 코어 핀은 금형 강철을 수리하는 것보다 훨씬 쉽고 빠르게 교체할 수 있습니다. 이러한 금형 설계 변경은 새로운 금형을 절단하기 전에 이루어졌으며 금형 제작이 완료된 후에 문제가 발견되면 비용이 많이 드는 프로세스를 제거하였습니다.
Physical Verification
생산 도구의 시운전 후 Littler Diecast는 short shots, x-rays 및 파괴 테스트를 통해 설계 변경 사항을 확인할 수 있었습니다. short shot은 균형 잡힌 러너를 보여 주었으며 엑스레이에는 다공성이 보이지 않았습니다. 파단 테스트는 공극이 없는 일정한 결정립 조직을 보여 주었고, 파손은 재료의 강도 때문이 아니라 주조 결함 때문인 것으로 나타났습니다.
X-rays at different angles of a sample final part that was picked up from the shop floor.

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Increasing Productivity by Reducing Ejection Times
Increasing Productivity by Reducing Ejection Times
This article was contributed by Eugene Moore of Hellebusch Tool & Die
시뮬레이션 소프트웨어는 설계자와 엔지니어가 주조 공정의 세부 사항을 이해하고 경쟁사보다 저렴한 비용으로 고품질 부품을 일관성 있게 제작할 수 있게 해주는 유용한 도구입니다. 고압 다이캐스팅에서 시뮬레이션 소프트웨어는 주조 내로 금속을 공급하고 난류로 인한 공기 유입을 방지하기 위해 샷 슬리브 팁의 타이밍을 개선하고 오버 플로우에 대한 가장 효과적인 위치를 식별하는 더 나은 게이팅 시스템을 설계하는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 프로세스 시간을 단축하기 위해 부품을 다이에서 배출하기 전에 시간을 줄이는 방법을 살펴 보겠습니다.
비스킷은 주조 과정에서 고형화 된 마지막 장소이기 때문에 우리의 노력에 집중할 수 있는 자연스러운 곳이며 따라서 부품을 언제 꺼낼 수 있는지를 결정합니다. 따라서 비스킷의 응고 시간을 줄일 수 있다면 전반적인 공정 시간을 줄일 수 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 유체와 접촉하는 영역의 양을 늘려 샷팁을 통해 금속에서 더 많은 열을 제거하는 것입니다. 이 경우 정확하게 적용할 수는 없지만, 아래에 표시된 정상상태 대류 방정식을 사용하면 이 접근법의 기초가 가장 쉽게 표시됩니다.
이 방정식에서 열 흐름은 대류 열 전달 계수이고, 금속 팁과 샷 팁 온도의 차이이며, 금속과 접촉하는 샷 팁의 표면적입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 오늘날 시장에서 볼 수 있는 다양한 형태의 플런저 팁이 금속과 접촉하는 표면적을 증가시키도록 설계되었습니다.

Figure 1: Plunger tips varying in size and surface area [1]
비스킷에서 제거된 열을 증가시키는 또 다른 방법은 비스켓에서 샷 팁과 금속 사이의 온도 차이를 조절하는 것입니다. 이는 그림 2 에서처럼 냉각 선을 팁에 추가하여 수행됩니다. 이 접근법의 단점은 피스톤 어셈블리에 상당한 복잡성을 추가한다는 것입니다.

Figure 2: Cooling within plunger tip [2]
New design
이 기사에서 FLOW-3D Cast를 사용하여 새로운 플런저 팁 디자인을 분석하고 수정되지 않은 표준 원통형 팁과 비교했습니다. 그림 3에서와 같이 끝 부분에 별 모양의 컷 아웃이 있는 원통형 팁으로 구성된 수정된 팁은 수정되지 않은 샷 팁보다 20 % 더 많은 표면적을 갖습니다. 팁은 분석을 위해 물로 냉각되지 않습니다.

Figure 3: Shape of the modified tip to give 20% increase in area

Analysis
각 샷 팁 디자인에 대해 충진 (샷 팁 모션 포함) 및 응고 (플로우 미포함) 시뮬레이션을 실행했습니다. 모든 다른 매개 변수는 사례간에 동일합니다. 주요 관심사는 두 가지입니다. 즉, 충전 중 흐름 패턴과 전반적인 응고 시간입니다. 샷 팁 디자인이 파동 및 공기 유입을 유발하는 경우 팁 또는 샷 슬리브 프로파일을 다시 설계해야 하기 때문에 충진 중 흐름 패턴이 중요합니다.
첫 번째 비교는 그림 4에 표시된 샷 슬리브의 흐름 패턴입니다. 이 그림은 수정 된 팁이 있거나 없는 샷 슬리브 중 유체의 이미지를 보여 주며 팁의 모양이 샷 슬리브에 영향을 주지 않는 것으로 나타났습니다. 흐름 패턴. 샷 프로파일에 거의 영향을 주지 않기 때문에 응고에 집중할 수 있습니다.

Figure 4: Flow patterns in the shot sleeves from both tips.

두 번째 비교는 응고 시간입니다. 그림 5는 시간의 함수로서 팁의 평균 온도, 시간의 함수로서 금속으로부터 팁으로의 열 유속 및 추출시의 액체 금속의 온도 프로파일을 비교합니다

Figure 5: The above time plots show the average temperature in tip on the upper left hand corner and the heat flux from the metal to the tip in the upper right hand corner. The images below this show the metal temperature within the biscuit of the two castings.
그림 5에서 볼 수 있듯이, 그래프는 금속에서 더 많은 열을 추출했기 때문에 수정 된 팁의 평균 온도가 더 높음을 보여줍니다. 이것은 또한 열 유속 플롯에 표시됩니다. 그래프 아래의 이미지는 비스킷과 탄환의 경계면에서 액체금속을 보여줍니다. 데이터는 수정된 팁을 사용하여 열 제거가 12.7 % 증가한 것을 보여줍니다.
Conclusions
샷 팁 디자인은 주조 부품의 응고 시간에 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 효과를 분석하고 이 지식을 사용하여 프로세스 매개변수를 최적화하는 방법을 제공합니다.

References
[1] http://www.metalminotti.it/copper-alloys-semi-and-finished-products/plunger-tips-for-die-casting/
[2] http://www.castool.com/product/plunger-rod
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Low Pressure Die Casting
LPDC (Low Pressure Die Casting)
Example of a low pressure die casting, predicting an incorrect fill pattern. Courtesy Form Stampi, SRL.
저압다이캐스팅(LPDC)은 세라믹 튜브가 위의 강철 금형에 연결되어 있고, 아래의 용융로로 연장되는 프로세스입니다. 그런 다음 용광로는 스프루를 통해 유체를 강제로 밀어 넣어 부품을 채웁니다. 주물이 고상화되면 공기 압력이 감소되어, 튜브의 액체 형태로 남아있는 나머지 금속이 용광로로 되돌아 갈 수 있게 됩니다. 저압다이캐스팅은 높은 생산 속도, 더 나은 표면 품질 및 강도 향상을 위한 고온 열처리가 필요한 경우, 최대 2.5mm의 두꺼운 부품에 사용됩니다.
FLOW-3D CAST는 열 다이 사이클링, 충진 및 열응력 및 변위를 포함한 응고 모델링을 통해 저압 다이 캐스팅의 여러 측면을 보다 잘 설계할 수 있습니다. 생산 이전의 디자인 개선으로 실험을 통해 시행 착오를 완화하고, 보다 신속하게 설계에 적용할 수 있습니다. 둘 모두 시간을 절약하고 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

LPDC Simulations

High Pressure Die Casting

HPDC(High Pressure Die Casting)는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 가장 큰 당면 과제 중 일부입니다. FLOW-3D CAST는 사용자가 매우 정확한 TruVOF를 포함하여, 채우기 프로세스를 비판적으로 분석할 수 있도록 금형 채우기 시뮬레이션의 정확성을 크게 향상시키는 몇 가지 기능을 가지고 있습니다. 움직이는 금속 전면을 추적하기 위한 알고리즘과, 일반적으로 고압 다이캐스팅과 관련된 복잡한 형상을 정확하게 나타내는 FAVOR™ 또한 FLOW-3D CAST는 공기 침입, 미세 기공, 접힘 및 개재물 등의 결함을 탐지하기위한 수많은 모델을 보유하고 있습니다.

Thermal Die Cycling

수천개의 주물을 생산하기 위해 동일한 금형을 반복적으로 사용하기 때문에, 고압 다이캐스팅에는 열 다이 사이클 시뮬레이션이 필수적입니다. 금형의 뒤틀림으로 인해 금형 온도가 일정하게 유지되어 치수 불안정을 초래합니다. FLOW-3D CAST를 사용하면 다이 가열, 분사 및 공기 블로우-오프 효과와 냉각 채널 및 삽입물의 위치를 적절하게 예상해서 온도 분포 결과가 정확하고 효과적일 수 있습니다

Shot Sleeve Optimization

고압 다이캐스팅 시, 샷 실린더는 용탕을 신속하게 금형 안으로 밀어 넣습니다. 수평 방향으로 향하여, 용탕은 상단의 주입구를 통해 그 안으로 주입되고 피스톤은 용탕을 실린더 아래로 밀어낸다. 올바르게 설계된 샷 슬리브 프로파일의 목적은 용탕을 금형에 최대한 빨리 밀어 넣어, 불완전하거나 결함 있는 주입을 유발하는 조기 응고를 방지하는 것입니다. 그러나 피스톤이 너무 빠르게 움직이면 용탕이 접혀 최종 주조 부품에 내부 결함으로 나타날 수 있는 공기가 갇힙니다.

FLOW-3D CAST를 사용하여 몇 분 내에 여러 샷 프로파일을 계산할 수 있습니다. 여기에 표시된 것은 두가지 샷 프로파일의 시뮬레이션입니다. 일정한 속도의 2단계 프로세스와 FLOW-3D CAST내에서 상당한 차이를 보이는 점진적 가속 데이터로 계산된 또 다른 것입니다.

Filling Simulations

가장 복잡한 고압 다이캐스팅 문제는 용탕이 고압에서 고속으로 금형 내부로 들어갈 때 용탕을 정확하게 추적하는 것입니다. 이로 인해 용탕이 공동 현상에 튀는 것은 소프트웨어의 결함 예측에 상당한 어려움을 겪게 됩니다. TruVOF 방법을 사용하면 게이트의 위치를 파악하여 최적의 흐름 패턴, 오버 플로우의 위치 및 초기 응고 현상과 결함 여부를 확인할 수 있습니다.

Modeling Solidification

FLOW-3D CAST는 엔지니어가 최종 부품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 내부 다공성의 형성을 조사하는 데 도움이 됩니다. 또한 FLOW-3D CAST를 사용하면 이종 합금의 편석에 대한 조사가 가능합니다. 마지막으로, 온도 이력에 대한 자세한 설명을 통해 냉각 라인을 추가해야 하는지 또는 추가해야 하는지 여부와 초기 금속 온도를 변경해야 하는지 여부를 판단할 수 있습니다. FLOW-3D CAST를 통해 엔지니어는 내부 기공, 열응력 및 이종 합금 편석의 형성 여부를 조사할 수 있습니다.

High Pressure Die Casting Simulations

Permanent Mold
Permanent Mold
영구 금형과 모래 금형의 차이점은 영구 금형을 재사용 할 수 있다는 것입니다. 금형을 재사용하는 주조 공정에는 중력, 경동, 저압 다이캐스팅 및 고압 다이 캐스팅이 포함됩니다. 영구 금형에는 금속과 흑연의 두 가지 유형이 있고 몰드 유형의 사용은 주조 금속에 달려 있습니다. 금속 주형에 사용되는 주조 금속은 알루미늄, 구리 합금, 아연 및 마그네슘을 포함합니다. 흑연 주형에 사용되는 주조 금속은 강 및 철입니다. 또한 내부 공동을 생성하기 위해 샌드 코어를 사용하는 반영구적인 금형이 있습니다. FLOW-3D CAST는 금형의 충진, 응고 및 열응력과 관련된 주조 결함을 포착하여 처음 프로세스를 올바르게 설계하고 궁극적으로 시간과 비용을 절약 할 수 있습니다.
Simulation of a low pressure die casting showing the filling temperature of a tire rim.

Customer Examples of Permanent Mold Castings
Courtesy Peugeot PSA Courtesy Littler Diecast Courtesy SANDEN Manufacturing

Validations
Validations
금속 주조 설계 과정에서 FLOW-3D CAST의 사용은 회사의 비용 절감 방안을 제시하여 수익성을 개선할 수 있습니다. FLOW-3D CAST 는 엔지니어와 설계자에게 경험과 전문지식을 향상시킬 수 있는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 보통 수익성은 비용 절감과 비용 회피에서 찾을 수 있습니다. 지금, 품질과 생산성 문제는 제품개발 단계에서 다양한 시뮬레이션 통해 짧은 공정시간, 낮은 비용으로 해결 할 수 있는 방안을 찾을 수 있습니다. 새로운 개발도구인 FLOW-3D CAST의 효율성은 생산이 시작되기 전에 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하여 생산성을 크게 개선할 수 있습니다.
Ladle Pour
샷 슬리브 공정을 최적화하는 것은 고품질 부품을 확보하는 데 필수적입니다. FLOW-3D CAST의 시뮬레이션 결과와 실제 사례의 비교를 통해, 시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 값 비싼 툴링을 제작하기 전에 설계를 개선하는 방법을 강조합니다. FLOW-3D CAST는 프로세스 전반에 걸쳐 유체의 움직임을 정확하게 포착할 수 있으므로, 엔지니어가 실제 레들 주입 공정에서 신속하게 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션은 Nemak Poland Sp. z o.o로부터 제공받았습니다.
Gravity Casting
열전대 데이터를 기반으로 한 실제 충진 재구성과 비교 한 중력 주조 시뮬레이션. Courtesy of XC Engineering and Peugeot PSA.
Foundry: Simulating a Flow Fill Pattern

사형 주조 충진중의 X- 레이 검증
X -레이 결과와 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과를 나란히 비교합니다. A356 알루미늄 합금으로 사형 주조의 3 차원 충진 색상은 금속의 압력을 나타냅니다. 시뮬레이션 결과는 수직 대칭 평면에 표시됩니다. Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes VII, London, 1995.
HPDC: Flow Pattern

Short sleeve validation – 시뮬레이션 결과와 주조 부품, Littler Diecast Corporation의 예
Modeling Air Entrapment

디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X-ray vs. FLOW-3D CAST 검증.
디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X- 레이 검증, 380 다이캐스팅 합금. 결과는 혼입 된 공기의 비율로 표시됩니다. X- 레이의 상세한 영역은 최대 다공도 농도를 나타냅니다.
HPDC Filling

FLOW-3D 결과를 실제 부품과 비교하는 HPDC 캐스팅 검증
Short Shot Simulation

실제 주조 부품의 유효성 검사. 스냅 샷과 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 변속기 하우징, 오일 팬 및 자동차 부품.
HPDC Air Entrapment Defects

Antrametal에 의한 주조 시뮬레이션 대 실험 결과의 성공적인 비교.
Antmetetal의 고객 검증은 FLOW-3D CAST의 Air Entrapment 모델을 사용하여 실험 결과와 시뮬레이션을 비교 한 결과를 보여줍니다. 세탁기 용 전동 모터의 앞 커버의 HPDC입니다. 공기 관련 결함은 이미지의 색상에 정 성적으로 표시됩니다. FLOW-3D CAST 내의 다른 수치 기능에 의해 포착 된 물리적 공기 포켓 또한 명확하게 표현됩니다.
Core Drying

시뮬레이션과 무기 코어의 건조 실험 사이의 BMW에 의한 비교.
Predicting Die Erosion

캐비테이션으로 인한 다이 침식 영역은 FLOW-3D CAST 결과를 실제 사례와 비교하여 올바르게 배치되었습니다.
Predicting Lost Foam Filling

Lost foam L850 블록 벌크 헤드 슬라이스에 대한 실시간 X-ray 및 FLOW-3D CAST 유동 시뮬레이션 결과의 비교. 시뮬레이션은 GM Powertrain의 예입니다.
Porosity Defects

Porosity due to entrained air
Predicting Shrinkage Porosity

A380 diesel engine block casting

Downloads
FLOW-3D Cast Brochure
Bibliography
Casting of Titanium Alloys in Centrifugal Induction Furnaces
Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation
An Evaluation for Fundamentals of Die Casting Materials Selection and Design
Access the FLOW-3D Bibliography
Models
Cooling Channels
Core Gas
Thermal Stress Evolution
More Modeling Capabilities
Case Studies
Adaption of Parameters in FLOW-3D for the Simulation of the Aluminum Integral Foam Molding Process
Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation
Making the Switch: Improving High Pressure Die Casting Designs with Simulation
Conference Proceedings
Improvements to the Macro-Shrinkage Model for HPDC and Application with Squeeze Pin
Speed-up product development by combining 3D modeling 3D simulation and sand mold printing
The Application of FLOW-3D in Die Casting Mold Design with Central Gate
Download Conference Proceedings

FLOW-3D CAST Suites
FLOW-3D CAST Suites
FLOW-3D CAST v5 comes in Suites of relevant casting processes:
HIGH PRESSURE DIE CASTING SUITE
Process Workspace
High Pressure Die Casting
Features
Thermal Die Cycling
– Cooling/heating channels
– Spray cooling
Filling
– Shot sleeve with Plunger
– Shot motion
– Ladles, stoppers
– Venting efficiency
– PQ^2 analysis
– HPDC machine database
Solidification
– Squeeze pins
Cooling
PERMANENT MOLD CASTING SUITE
Process Workspaces
Permanent Mold Casting
Low Pressure Die Casting
Tilt Pour Casting
Features
Thermal Die Cycling
– Cooling/heating channels
Filling
– Tilt pouring
Solidification
– Squeeze pins
Cooling
SAND CASTING SUITE
Process Workspaces
Sand Casting
Low Pressure Sand Casting
Features
Filling
– Permeable molds
– Moisture evaporation in molds
– Gas generation in cores
– Ladle model
Solidification
– Exothermic sleeves
– Chills
– Cast iron solidification
Cooling
LOST FOAM CASTING SUITE
Process Workspaces
Lost Foam
Sand Casting
Low Pressure Sand Casting
Features
Filling
– Permeable molds
– Moisture evaporation in molds
– Gas generation in cores
– Ladle model
– Lost foam pattern evaporation models (Fast model and Full model)
– Lost foam defect prediction
Solidification
– Exothermic sleeves
– Chills
– Cast iron solidification
Cooling

ALL SUITES INCLUDE THESE CORE FEATURES:
Solver Engine
TruVOF – The most accurate filling simulation tool in the industry
Heat transfer and solidification
Shrinkage – Rapid Shrinkage model and Shrinkage with flow model
Temperature dependent properties
Multi-block meshing including conforming meshes
Turbulence models
Non-Newtonian viscosity (shear thinning/thickening, thixotropic)
Flow tracers
Active Simulation Control with Global Conditions
Surface tension model
Thermal stress analysis with warpage
General moving geometry w/6 DOF
FlowSight
Multi-case analysis
Porosity analysis tool
Defect Prediction Tools
Gas entrainment model
Thermal Modulus output
Hot Spot identification
Micro and macro porosity prediction
Surface defect prediction
Shrinkage
Cavitation and Cavitation Potential
Particle models (Inclusion modeling, collapsed bubble tracking)
User Conveniences
Process-oriented workspaces
Configurable Simulation Monitor
Metal and solid material databases
Heat transfer database
Filter database
Remote solving queues
Quick Analyze/Display tool

ALL NEW FLOW-3D CAST v5
ALL NEW FLOW-3D CAST v5
ALL NEW FLOW-3D CAST v5 는 금속 주조 시뮬레이션 및 공정 모델링에 있어 큰 발전입니다. 이제 FLOW-3D CAST는 시뮬레이션 할 프로세스를 선택할 수 있으며, 소프트웨어는 적절한 프로세스 매개 변수, 지오메트리 유형 및 합리적인 기본 값을 제공합니다. 이렇게 하면 시뮬레이션 설정이 상당히 간소화됩니다. 또한 FLOW-3D CAST의 강력한 시뮬레이션 엔진과 결함 예측을 위한 새로운 도구는 설계 주기를 단축하고 비용을 절감하는 통찰력을 제공합니다. 대표적인 개발 기능으로 응고 시뮬레이션을 위한 열 계수 및 핫 스팟 식별 출력, 갇혀 있는 가스를 식별하고 환기 효율을 예측하기 위한 결함 채우기 도구 등이 포함됩니다. 그리고 더 빠르고 더 강력한 압력과 및 응력 해소 기능이 모두 포함합니다.
ALL NEW FLOW-3D CAST v5 는 관련 프로세스가 포함된 Suite제품으로 제공됩니다. 영구 금형 제품군은 중력 다이 캐스팅, 저압 다이캐스팅(LPDC), 틸트 주입 주조와 같은 프로세스 작업 공간을 포함합니다. 각 프로세스에 대해 사용자 인터페이스는 특정 프로세스와 관련된 내용만 표시합니다. 모래 주조 Suite에는 중력 사형 주조 및 저압 사형 주조(LPSC)와 같은 프로세스가 포함되어 있습니다. 소실 폼 제품 군에는 사형 주조 Suite의 모든 것과 소실 폼 공정 작업 공간이 포함됩니다. HPDC 제품군은 열 응력 및 변형을 포함하여 고압 다이 캐스팅과 관련된 모든 것을 포함합니다. 각 프로세스 작업 공간 내에서 채우기, 응고 및 냉각과 같은 하위 프로세스는 서로 연결된 시뮬레이션으로, 처음부터 끝까지 차례로 전체 프로세스를 모델링 합니다. 사용자가 그것을 작업장 바닥에서 하는 것처럼. 사용자는 레들을 용융 풀 안에 담갔다가, 숏 슬리브 또는 주입 컵에 옮겨, 전체 이동 및 주입과 같은 단계를 포함하도록 프로세스를 확장할 수 있습니다. LPDC의 경우 프로세스 엔지니어는 도가니의 가압 및 금속 흐름을 주형으로 모델링 할 수 있습니다. FLOW-3D CAST v5를 사용하면 가능성이 무한해 집니다.
WYSIWYN Process Workspaces
What-You-See-Is-What-You-Need (WYSIWYN) 프로세스 작업 공간은 FLOW-3D CAST의 다기능성을 간소화하여 사용 편의성과 탁월한 솔루션입니다. 대부분의 인터페이스는 사용자가 제공해야 하는 정보만을 요구하고, 사용자 설계 원칙을 적용하여 단순화되었습니다.
FLOW-3D CAST v4.2에 도입된 프로세스 중심 작업 공간은 중력 다이 주조, 저압 주조 및 경사 주입, 모래 등과 같은 영구 금형 공정으로 확장되었습니다. 중력 모래 주조, 저압 모래 주조 및 소실 폼과 같은 주조 공정 지속적인 주조, 투자 주조, 모래 코어 제작, 원심 주조를 포함한 더 많은 공정 작업 공간이 현재 진행 중에 있습니다.
Simulation setup is simplified by only showing the components applicable for a given process.
Types of casting components available in a HPDC simulation. Mold pieces available in a high pressure die casting include cover and ejector dies, sliders, and shot sleeves.
Defect Prediction / 결함 예측

Identify Filling Defects using Particles 결함 예측 및 입자를 이용한 주입 결함 식별
파티클을 사용하는 FLOW-3D CAST v5를 통해 유입된 가스로 인한 충전 결함을 식별하는 것이 훨씬 쉬워 졌습니다. 결함을 식별하기가 훨씬 용이할 뿐만 아니라, 결함 예측에 따른 계산 비용도 크게 절감되었습니다.
붕괴된 가스 지역을 나타내는 보이드 입자가 도입되었습니다. 이전에 붕괴된 가스 영역은 너무 압축되어 수치 메쉬에서 해결할 수 없으면 시뮬레이션에서 사라졌습니다. 보이드 입자는 작은 기포처럼 작용하며 드래그와 압력을 통해 금속과 상호 작용합니다. 주변의 금속 압력에 따라 크기가 변하며, 주입이 끝난 후 최종 위치를 보면 공기 침투 및 산화물로 인한 잠재적인 결함이 있음을 알 수 있습니다.
Predict filling defects caused by entrapped gas using the Particle Model.
Metal/Wall Contact Time 금속/벽 접촉 시간
벽면 접촉 시간은 금형 표면에서 다른 부위보다 금속에 더 오래 노출된 부위를 식별하는 데 유용합니다. 금속 접촉 시간은 금속이 고체 구성 요소와 접촉한 시간을 나타냅니다. 예를 들어 모래 입자가 핵분해 부위의 역할을 하기 때문에 미세 먼지가 발생할 수 있습니다. 개별 솔리드 구성 요소와의 금속 접촉 시간 출력이 모든 구성 요소와의 접촉 시간을 포함하도록 확장되었습니다. 접촉 시간 계산은 출력 탭에서 벽 접촉 시간을 선택하여 활성화합니다.
Identify solidification defects with the new Thermal Modulus output.
Solidification Defect Identification 응고 결함 식별
일반적으로 라이저 크기 조정에 사용되는 열 모듈은 이제 응고 시뮬레이션에서 출력됩니다.
Risers will likely need to be placed on the circled regions.
Hot Spots 핫 스팟
또 다른 결과인 “핫 스팟”은 라이저를 찾고 크기를 조정하며, 응고 관련 결함의 가능성을 식별하는 데 유용합니다. 핫 스팟은 최종적으로 응고된 부위를 나타냅니다. 이것들은 입자들로 표현되고 뜨거운 점 크기에 의해 색깔이 변하기도 합니다. 라이저는 핫 스팟 크기가 가장 큰 곳에 배치해야 합니다.
Porosity Analysis Tool
FlowSight의 새로운 Porosity Analysis Tool은 실제적인 측면에서 porosity-related 결점을 식별합니다. 결점은 이제 순 볼륨, 최대 선형 범위, 모양 인자 및 total count로 식별됩니다.
New defect identification tools allow users to analyze porosity.
Arbitrary 2D Clips 임의 2D 클립
기능 지향적인 2D 클립은 결함을 찾기 위해 전면적으로 살펴 볼 때 유용합니다. 이전에는 클립에 표시된 금속 영역이 솔리드에 의해 점유된 셀로 확장되었습니다. 잡식의 FLOW-3D CAST v5에서 이 클립은 구성 요소를 숨기는 옵션을 선택해야만 열린 공간(예:주조 부품)의 금속을 보여 줄 수 있습니다.
Intensification Pressure 강화 압력
고압 주조 시뮬레이션에 지정된 강화 압력은 이제 매크로 및 마이크로 Porosity모델 모두에 결합되어 형성 사이의 보다 현실적인 관계를 형성합니다. 이러한 결함의 크기 및 플런저에 의해 가해지는 압력의 크기입니다.
Adjusting Shrinkage Porosity 수축 기공 조절
사용자가 금속의 특성을 수정할 필요 없이 수축 다공성의 양과 크기를 미세 조정할 수 있도록 수축 조정 계수가 추가되었습니다. 계수를 사용하면 응고 중에 체적 수축의 양을 전화로 설정하거나 줄일 수 있습니다.
Gas Pressure and Venting Efficiency 가스 압력 및 밴트 효율성 검토
사용자가 충전 결함을 식별하고 다이캐스트에서 밴트 시스템을 설계하는 데 도움을 주기 위해 마지막 국부적인 가스 압력 및 밴트 효율성 검토 결과가 주조 시뮬레이션 출력에 추가되었습니다. 가스 압력은 셀이 금속으로 채워지기 전에 셀의 마지막 보이드 압력을 기록하며, 밴트 효율은 환기구를 배치하는 것이 밴트 위치에서 공기를 배출하는 데 가장 효율적인 영역을 보여 줍니다.
Databases 데이터베이스
주조 공정에서 일반적으로 사용되는 정보의 데이터베이스는 설정 오류를 줄이고 시뮬레이션 workflow 를 개선합니다.
Configurable Simulation Monitor 구성 가능한 시뮬레이션 모니터
시뮬레이션을 실행할 때 발생하는 중요하지만 종종 힘든 작업은 시뮬레이션을 모니터링하는 것입니다. FLOW-3D CAST를 사용하면 다음과 같은 일반적인 시뮬레이션 목표를 모니터링할 수 있습니다.
게이트 속도
주형 내 고상 분율
최저/최고 용탕 온도 및 금형 온도
다양한 프로브 위치에서의 온도
시뮬레이션 진단(예:시간 스텝, 안정성 한계)
Plotting Capabilities Plotting기능
이제 시뮬레이션 관리자에는 더 많은 플롯 기능이 포함됩니다. 플롯은 사용자가 구성할 수 있으며 구성은 다른 시뮬레이션에서 사용하기 위해 데이터베이스에 저장됩니다. 사용자는 시뮬레이션 런타임 그래프와 history-data 에서 모니터링할 이력 데이터 변수를 지정할 수 있습니다. 다중 변수를 각 그래프에 입력합니다.
Conforming Meshes
임의 형상의 활성 계산 영역을 정의할 수 있도록 적합한 메쉬 기능이 확장되었습니다. 이는 메쉬 블록이 준수할 수 있는 열린 볼륨과 솔리드 볼륨을 모두 포함하여 계산 도메인의 영역을 정의하는 meshing구성 요소라고 하는 새로운 유형의 지오메트리 구성 요소를 사용합니다.
메쉬 블록은 냉각 채널이나 공동에 선택적으로 조합할 수 있어 사용자가 이러한 기하학적 객체에 대해 최적의 해상도를 선택할 수 있습니다. 이제 확인할 수 있는 메쉬가 FAVORize 탭에 표시될 수 있습니다.
Summary Views of Components/Cooling Channels
FLOW-3D CAST v5의 인터페이스는 주조 시뮬레이션에서 다양한 형상 구성 요소를 꽉 차게 보여줍니다. 2개의 새로운 형상 요약 뷰인 구성 요소 요약 뷰와 냉각 채널 요약 뷰는 기하학적 구성 요소 및 냉각 채널의 플라이 아웃을 제공하여 사용자가 신속하게 수행할 수 있도록 합니다. 중요 설정을 한 눈에 파악하고 필요한 경우 변경 할 수 있습니다.
Under the Hood
FLOW-3D CAST의 많은 강력한 구성 요소들은 Solver Engine이라고 부르는 것 들에서 중요합니다. 아래에서는 이면에서 무거운 작업을 수행하는 데 도움이 되는 몇가지 중요한 사항을 설명합니다.
Thermal Die Cycling (TDC) Model TDC(열 다이 사이클)모델
열 다이 사이클 시뮬레이션의 주입/응고 단계는 균일하지 않은 캐비티 온도를 사용하여 개선할 수 있습니다. 이제 캐비티에 있는 금속의 초기 온도는 재시작 중에 채우기 시뮬레이션을 통해 지정하거나 초기 유체 영역을 사용하는 사용자 정의 분포에서 지정할 수 있습니다. 이 기능은 옵션으로 사용할 수 있는 균일한 초기 금속 온도에 비해 다이 사이클링의 열해석의 정확성과 현실성을 높여줍니다.
Melt temperatures in the casting cavity read from a filling simulation are applied to ejector die during filling/solidification stage of thermal die cycling simulation.
Heat Transfer Coefficient Calculator for Spray Cooling 분사 냉각을 위한 열 전달 계수 계산기
스프레이 유체와 다이 표면 사이의 열 전달 계수(HTC)를 추정하는 것은 어려운 일입니다. 계산 또는 측정을 통해 값을 사용할 수 있는 경우 사용자는 이러한 값을 스프레이 거리 및 각도의 함수로 직접 지정할 수 있습니다. 새로운 기능을 통해 노즐의 스프레이 액의 유량을 기준으로 HTC를 동적으로 계산할 수 있습니다. 단일 조정 계수를 통해 스프레이 유출량을 기준으로 HTC를 미세 조정할 수 있습니다.

FLOW-3D CAST 소개
FLOW-3D CAST
FLOW-3D CAST는 광범위한 금속 주조 공정을 위한 완벽한 해석 솔루션을 제공합니다. 시뮬레이션을 통해 다양한 종류의 다공성, 표면 산화물, 공기 및 기포, 열 응력 및 변형 등과 같은 다양한 결함을 추적하면서, 주조 부품의 충진 및 응고에 대한 상세한 통찰력을 제공합니다. 금형을 분석하거나 FLOW-3D CAST로 코어의 가스 처리 같은 열 특성 및 기타 특성을 제거 할 수 있습니다.
최적화된 시뮬레이션을 통한 설계는 생산 현장에서의 개발 시간이 단축되고 출시 시간이 단축되며 생산량이 늘어나게 됩니다. FLOW-3D CAST는 담당자가 새로운 주조 공정 또는 합금을 배치 할 때 설계 및 개발 비용을 절감 할 수 있습니다.
직관적이고 편의성 높은 사용자 인터페이스를 결합한 FLOW-3D CAST는 성공적인 프로젝트를 통해 충진 및 응고 결함에 대한 정확한 예측을 제공합니다. 공정 요구 사항에 가장 적합한 샌드 캐스팅, 금형 주조 및 고압 다이 캐스팅을 사용할 수 있습니다.
High Performance Computing: in-House or in the Cloud
대규모 시뮬레이션의 경우 많은 계산 시간이 필요하게 되는데 이를 극복하기 위한 최고의 컴퓨팅 성능이 필요하십니까? FLOW-3D CAST는 필요 시 고성능 클라우드 컴퓨팅 환경인 클러스터 버전으로 손 쉽게 전활할 수 있습니다.
Courtesy Littler Diecasting Corporation
금속 주조 애플리케이션은 매우 어려운 시뮬레이션 중 하나입니다. 관련된 물리학의 복잡성과 적용 범위, 박막 주조, 주조 장비 정교함 등 고객의 높은 눈높이가 증가함에 따라 FLOW-3D CAST도 이를 충족하기 위한 다양한 솔루션과 기능을 제공합니다. 사형 주조, LPDC, HPDC, LostForm, 원심주조 등 FLOW-3D CAST사용자 인터페이스 안에는 고유의 전용 모델링 워크 플로우가 있습니다.
FLOW-3D CAST는 매우 정확한 흐름과 응고 결과를 통해 표면 산화물, 발생 기포, 매크로 및 미세 극성을 포함한 중요한 주조 결함을 포착할 수 있습니다. 다른 고유한 모델링 기능으로는 로봇 스프레이 냉각 및 윤활을 모델링 할 수 있는 열 다이 사이클링, 샷 슬리브 흐름 프로파일, 압착 핀 및 열 스트레스가 있습니다.
Customer Case Studies
금속 주물의 결함 식별, 보다 가볍고 강한 주조 부품을 위한 새로운 재료로 부품 설계 또는 최적 설계를 위한 반복 설계 작업은 다음과 같은 방법 중 일부입니다. 고객은 당사의 소프트웨어를 사용하여 작업 요구 사항을 충족하고 폐기율을 줄이고 시장 진출 시간을 단축하며 경쟁 업체보다 앞서 나감으로써 조직을 위한 비용을 절감합니다.
“ The more you can do on a computer ahead of time, the better. It all comes down to saving time.”
“컴퓨터에서 좀 더 많은 것을 할 수 있으면 더욱 좋습니다. 모든 것은 시간 절약에 달려있습니다.”
– Elizabeth Ryder of Graham-White Manufacturing Co.

FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (3)
주조, 기계 분야의 활용
주조 분야 사용자들에게 제공되는 FLOW-3D 제품은 주조해석에 전문화된 FLOW-3D Cast이다. 이는 범용인 FLOW-3D를 주조분야에만 국한시켜 이 분야의 사용자가 가장 쉽게 접근, 활용할 수 있도록 사용자 환경을 재구성하였고, 공정 설계자로부터 전문 해석자까지 제품을 사용하는데 어려움이 없도록 최대한 접근성을 높여 개발되었다. <그림 1>은 FLOW-3D Cast의 GUI와 그에 따른 절차 설명을 간단히 보여주고 있다.
그림 1. FLOW-3D Cast의 GUI
FLOW-3D Cast는 대표적으로 고압 다이캐스팅, 저압 다이캐스팅, 경동주조, 중력주조, 중자성형 등 거의 주조 전분야에 대한 해석을 수행할 수 있으며, 주조 합금과 금형, 몰드 모두에 대해 유동 및 열응력 솔루션을 제공해 줄뿐만 아니라, 제품 생산 시 발생하는 불량 문제 등을 빠르게 파악하고 개선해 나갈 수 있는 방향을 제시해 줄 수 있다.
FLOW-3D Cast의 각 기능에는 앞서 말한 주조 과정에서 사용되는 공정을 모델링할 수 있도록 개발되었고, 정확한 유동과 응고 결과는 물론 제품의 표면산화물, 혼입된 공기, 매크로 및 마이크로 기공, 수축공과 같은 중요한 주조 결함을 포착할 수 있는 기능이 탑재되어 있다. 또 다른 독특한 모델링 기능으로는 로봇 스프레이 냉각을 적용할 수 있는 열 다이 사이클링 기능 및 샷 슬리브 흐름 프로필, 스퀴즈 핀 및 열응력을 모델링할 수 있는 기능도 탑재되어 있다.

그림 2. FLOW-3D Cast의 주조해석 종류
이번 호에서는 대표적인 실물 예제로 여러 주조 공법 중 고압 다이캐스팅, 중력주조의 실례를 들어 설명하고 제철 및 제강 공정에서 활용된 몇 가지 사례를 덧붙여 소개하고자 한다.
1. 고압 다이캐스팅 해석
FLOW-3D Cast가 수행할 수 있는 주조 분야 중 대표적인 주조 해석은 용탕의 충진 현상이 최대 관점인 고압 다이캐스팅 해석이다. 고압 다이캐스팅은 FLOW-3D Cast 내의 GMO(General Moving Object)라는 기능을 이용하여 플런저 운동에 의한 슬리브 내의 용탕(액체화된 용융된 금속)을 제품 캐비티 안에 고속으로 밀어 넣는 공정이다. FLOW-3D Cast는 용탕의 충진 과정뿐 아니라 온도, 압력, 속도 등 사용자가 원하는 결과들을 얻을 수 있으며, 또한 용탕의 충진 과정에서 불가피하게 나타날 수 있는 표면 산화물의 생성, 혼입된 공기로 인한 미세 기공의 생성, 응고 과정 중의 수축공 등 다양한 불량 원인을 찾아 준다.
해석 사례로서 센터 블록이라는 실제 제품에 대해서 고압 다이캐스팅 해석을 수행하여 충진 및 응고 해석을 수행하여 보았다. 이 제품은 각종 유압장치들이 연결되는 부품으로 기밀성이 필수적인 제품이다. 기존에는 사각형의 알루미늄 덩어리를 가공하여 제품을 생산하였으나, 생산성 면에서 매우 뛰어나고 가벼운 고압 다이캐스팅 공법을 적용하여 생산하고 있다.
그림 3. 센터 블록의 제품 형상
다운로드 : [ 3회_201803_analysis_flow3d ]
작성자 | 조애령_에스티아이C&D 솔루션 사업부 차장
이메일 | joal@stikorea.co.k r
홈페이지 | www.flow3d.co.kr
출처 : CAD&Graphics 2018년 03월호

수치해석 용역 실적

수행 실적

주식회사 에스티아이씨앤디의 수치해석 컨설팅 수행회사 입니다. 아래 회사 목록은 많은 회사로부터 기술개발 및 수치해석 컨설팅을 의뢰받아 수행한 회사입니다.

한국수자원공사 ,도화종합기술공사 ,한국수자원공사 ,대우건설 ,도화종합, 삼안건설, 한국종합개발기술공사 ,도화종합, 삼안건설기술공사 ,삼안건설기술공사 ,한국시설안전관리공단 ,한국종합엔지니어링 ,현대엔지니어링 ,SK건설 ,선진엔지니어링 ,엘지건설 ,한국동서발전주식회사 ,한국종합기술개발공사 ,벽산엔지니어링 ,부강테크(GS건설) ,신우엔지니어링 ,유신코퍼레이션 ,한화건설 ,항도엔지니어링(포스코건설) ,(주)삼안 ,건화엔지니어링 ,삼성건설 ,한국전력기술 ,한국지질자원연구원 ,대림기업(주) ,에스케이건설 ,엘지전자 ,포스코 ,한국생산기술연구원 ,한국시설안전기술공단 ,한수테크니컬서비스 ,현대자동차 ,제이슨기술단 ,(주)바셈 ,계룡건설산업 ,(주)건화 ,(주)대우건설 ,(주)도화종합기술공사 ,(주)엔지비 ,(주)유신 ,태영건설 ,도화 ,매탈젠텍(POSCO) ,매탈젠텍(RIST) ,이산 ,코다코(캐스트맨 매출) ,현대기아기술연구소 ,현대제철 ,태성종합기술 ,선진ENG ,그레넥스 ,엔바이로솔루션 ,기아차 ,농어촌공사(충남도본부 예산지사) ,농어촌공사(충남도본부) ,지자체(수원시) ,지자체(전남공흥군) ,해피콜 ,HMK ,국민대학교 ,대림산업 ,도화엔지니어링 ,삼진정밀 ,오투엔비 ,한국건설기술연구원 ,해안해양기술 ,E&H컨설턴트 ,GS칼텍스 ,서울시립대학교 ,선일엔바이로 ,알이디 ,오투앤비 ,전남대학교 ,제이에스테크 ,한국농어촌공사 ,그린텍환경컨설팅 ,제일테크 ,창원대학교(ADD) ,한국종합기술 ,한국항공우주연구원 ,GS건설 ,유신 ,두산중공업 ,세메스 ,(재)포항산업과학연구원 ,(주)그린텍환경컨설팅 ,LG전자(평택) ,LG전자(창원)

수리/수자원 분야

01 교량 설치에 따른 하천흐름 및 세굴영향 검토
컨설팅내용	교량 설치로 인한 3차원 모형의 수리영향 검토 세굴방지공 설치로 교량의 수리적 안정성 확보
필요데이터	교각 3차원 형상 또는 도면 하천 수심측량 자료 및 수치지형도 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법	하천의 유동해석 수행 후 최고유속에 해당하는 교각 선정 선정교각 대상을 중심으로 세굴 모형 적용
결과물	하천 유동흐름, 수위분석 평형세굴심 도달시간 최대세굴심 및 최대퇴적고 등

02 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성 검토
컨설팅내용	상류 댐 붕괴 시 급격한 방류로 인하여 하류 댐에 미치는 영향을 검토하기 위해 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성검토
필요데이터	공도교 및 수문 구조물 상세 도면 하천 수심측량자료 및 주변 수치지형도 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법	상류 댐 붕괴시 홍수위/홍수량 정보입력 구조물/수문 분리 후 취약한 수문 선정 수문 구조해석 및 Total 힘 분석
결과물	수문/구조물 받는 힘 분석 굥도교 월류 여부 및 수위/유속 분포 방류량 및 구조물 부압 등

수처리 분야

01 정수처리시설 구조물 최적설계
컨설팅내용	정수시설 구조물에 대한 유동, 유량, 압력, 온도분포 분석 수처리과정에 발생하는 현상분석
필요데이터	정수시설 구조물의 제원 분배수로, 침전지 등 도면 및 3D CAD 자료 초기 수위데이터 등
해석방법	정수시설 구조물의 경계조건 설정 형상에 따른 유동흐름 및 유량 등 초기조건
결과물	정수시설물에 작용하는 압력분포 확인 유동 유입에 따른 유동양상, 유량, 유속데이터 분석 온도변화에 따른 유동 및 침전효율 분석

02 하수처리시설 방류량 및 유동양상 분석
컨설팅내용	토출수조의 수위 및 유동현상검토 각 방류 Box의 방류유량분포 및 유속분석
필요데이터	구조물관련 설계도면 자료 전체 모형 작성 및 지형데이터 유체 유입량, 초기 수위관련 자료
해석방법	시설 구조물에 따른 경계조건 설정 초기 수위조건 및 유동현상 등 조건 확인
결과물	토출 수조의 수위량 및 유동흐름 유동 유입에 따른 유량, 유속데이터 분석 구조물 단면의 유량흐름 데이터

주조 분야

01 수축 결함최소화를 위한 주조해석
컨설팅내용	주조 시 산화물 혼입방지 설계 조립부 수축결함 최소화
필요데이터	Frame형상 제원 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 용탕 주입시간, 충진속도, 온도 등의 데이터
해석방법	금형형상에 따른 주조해석 경계조건 설정 초기 조건설정에 따른 파라미터분석
결과물	충진시 산화물발생 위치 및 수축공 발생 위치 Solidification 확인, 결함부 현상분석 Gate, Runner 위치 최적화

02 금형 최적설계를 위한 주조해석
컨설팅내용	충진 온도유지 및 제품 결함 최소화를 위한 최적설계
필요데이터	금형관련 제원 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 주조 공정조건 데이터
해석방법	금형형상에 맞는 Runner, Gate 모델링 용탕온도, 속도, 압력 등 조건에 따른 제품 최적설계
결과물	충진시 압력분포 및 산화물 발생 위치분석 Solid Fraction, Solidification 등 현상분석 결함부위 최소화를 위한 Gate, Runner 위치 최적화

코팅 분야

01 Nozzle 분사를 이용한 Slit Coating 해석
컨설팅내용	표면 Coating에 적합한 Nozzle 형상 설계 Coating 구동조건 및 압력분포 분석
필요데이터	초기 Nozzle 형상 제원 형상 도면자료 및 3D CAD자료 초기 Coating 도포현상 및 구동조건 데이터
해석방법	Nozzle 구동에 따른 Coating 분석 액상조건에 따른 Coating 도포형상 분석
결과물	Nozzle 형상 파라미터에 따른 Coating 현상분석 Coating 분포에 따른 높이 균일성 확인 액상 온도에 따른 도포량분석

MEMS 분야

01 연료전지 시스템의 최적설계를 위한 유동해석
컨설팅내용	연료전지 내부형상에 따른 유동장변화 데이터 유량분배에 적절한 최적의 형상조건 설계
필요데이터	초기 형상 도면자료 및 3D CAD자료 연료전지의 구동조건 및 물성조건 Actuator의 작동, 토출량, 유동 등의 데이터
해석방법	Micro-Channel에서의 유동분배 설정 액체의 특성에 따른 토출조건 확인
결과물	Actuator의 속도에 따른 유동량 분석 Micro-Channel에서의 유동양상 공동현상 최소화를 위한 최적의 구동조건

컨설팅 절차
컨설팅 절차
해석 컨설팅을 저희에게 의뢰하시면, 상세한 상담 후 견적을 작성하여 보내 드립니다. 상담은 전화, 이메일, 방문 등의 방법으로 진행됩니다.
계약이 체결된 후 수치해석을 위한 자료 및 데이터를 받아, 협의된 안으로 수치해석을 수행합니다.
컨설팅 진행 과정 중에 수시로 해석 결과 및 진행 상황에 대해 연락 드리며, 변경, 수정 사항을 협의하여 반영할 수 있습니다.
수치해석이 완료되면 최종 보고서를 작성하여 제출하며, 필요시 방문하여 결과를 상세히 설명 드립니다.
수치해석 기술 전수가 포함된 계약일 경우, 최종 보고서 제출 이후에 기술 전수 교육을 진행합니다.
모든 기술 자료는 대외비로 취급되며, 철저하게 보안을 유지해드립니다.
컨설팅 분야
수자원 분야
댐체, 수문, 제반 구조물 안정성 검토
댐, 여수로 유동 해석
여수로 수위별 방류량 해석
여수로 월류 및 수위 검토 해석
발전소 취수로 유동 해석
배수터널 방류향 해석
취수탑 유입 유량 해석
교각주위 세굴 해석
수문 수차 유량 해석
저수지 수위별 유동해석
배수암거 부정류 해석
저수지 연결 터널 유동 해석
교각 유동 작용 힘 검토
도수터널 통수 능력 해석
부유사 확산 검토
냉각수 취수로 유량 해석
수문 유동 양상 분석
배수터널 방류량 해석
월류 수위별 유량 유속 해석
수처리 분야
정수지 유동해석
분배수로 유량분배 해석
침전지 유동 및 유속 분포 해석
반응조 농도 및 반응시간 해석
응집지 유동해석
하수처리시설 슬러지 농도 해석
DAF 응집제 농도 해석
수조 최적 교반 해석
여과지 유동해석
혼화지 유동해석
호기조 담체 거동해석
수처리 구조물 유동 양상 분석
하수처리시설 유동해석
분말활성탄 접촉조 해석
PSBR 반응조 해석
지하수 ICE RING 형성 해석
절리면 모세관 열유동 해석
DAF 실증시설 부상조 해석
착수정 유량 분배 해석
우주 항공분야
발사체 탱크 슬로싱 댐핑 평가 해석
항공기 비행 및 급유 시 연료 탱크 내부 유동 해석
항공기 날개 연료 탱크 내부 유동 해석
항공기 연료 탱크 내부 유동 해석
추진체 관리 장치 내부 유동 해석
엔진 및 터빈 노즐 내부 유동 및 캐비테이션 해석
자동차 분야
자동차 연료 탱크에 연료 주입 시 탱크 내부 유동 해석
피스톤 쿨링젯 시스템 해석
전착 도장 해석
자동차 연료 주입구의 주입 유량별 유동 특성 분석
기어 펌프의 로터 회전에 따른 오일 유동 양상 분석
엔진 실린더 내 피스톤 운동과 배기가스 유동 패턴 해석
베어링 내 윤활을 위한 오일의 유동 양상 해석
해양분야
해양 컨테이너 연료 탱크 슬로싱 해석
방파제 구조물 주변 유동 해석
선박 운항에 따른 항주파 및 유동 특성 분석
사석 방파제 등 구조물 주변 유동 해석
진동수주형 파력 발전 구조물 최적화 모델 해석
선박 및 부유체 계류 시 계류 안정성 및 계류력 해석
발전소 부근 해역 온배수 영향 예측
지진 해일에 의한 영향 해석
주조 분야
고압다이캐스팅 충진 거동 및 응고 해석
저압주조 충진 거동 및 응고 해석
경동주조 충진 거동 및 응고 해석
중력주조 충진 거동 및 응고 해석
원심주조 충진 거동 및 응고 해석
금형온도 분포 해석
제품 및 금형 열응력, 변형 해석
주조 공법 별 온도 분포, 산화물 분포 및 결함 분석
금형 및 몰드 냉각방안 최적화 검토
Micro/Bio/Nano Fluidics 분야
Slit 및 Slot 코팅 해석
Roll 코팅 해석
Gravure / Gravure-offset 프린팅 해석
Curtain 코팅 해석
Multi-layer Slide 코팅 해석
전기 삼투를 이용한 마이크로 펌프 전위 및 유동해석
마이크로 채널 액적 생성 연속성 및 혼합 해석
잉크젯 헤드 조건에 따른 잉크 분사 성능 해석
열모데관 유동해석과 모세관 충진 해석
유전 영동 현상을 이용한 액적 융합 해석
레이저 용접 분야
이종재 레이저 용접 해석
용접속도와 경사도에 따른 키홀 내부의 기공 거동 해석
이종재의 레이저 용접 시 wobbling 해석
레이저 용접 Melt Pool 거동 해석
레이저 파워, 속도에 따른 balling 결함 영향 해석
HVAC System Designs
HVAC(난방, 냉방 및 환기)시스템 엔지니어가 고려해야 하는 최적 설계 배치에 대한 검토를 수행
발전소의 경우 대형(길이 90m, 너비 33m, 높이 26m)건물로 변압기, 전력선, 조명 등 열 발생 장비를 갖추고 있어서 여러가지 시설물의 상황을 고려할 수 있음
건물 내 공기를 올바르게 분배하고 적절한 쾌적한 온도를 확보하기 위해 건물 구조와 흡입그 크기 등의 검토 가능

수치해석 기술 컨설팅 안내
수치해석 기술 컨설팅 안내
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD 컨설팅 서비스를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
상담에는 비용은 전혀 들지 않습니다.
CFD는 엔지니어가 공기, 물 또는 모든 유체와의 상호 작용을 이해할 수 있게 하는 매우 효과적인 기술로 대부분의 유동현상에 해답을 제시 할 수있는 막대한 잠재력을 가지고 있습니다.
다양한 유체 흐름 현상이나 온도 및 열전달 분석 등 필요한 시나리오에 대한 맞춤 솔루션을 제공합니다.
당사에는 20년 이상 수치해석 연구에 전념하고 있는 전문 연구인력과 다양한 기술적 경험과 전문 시뮬레이션 기술을 제공하는 숙련된 기술컨설팅팀이 준비되어 있습니다.
귀하의 프로젝트 성공 가능성을 기술시연을 통해 제공 할 수 있습니다.
프로그램 소개나 자문이 필요하신 분들은 언제든지 아래 연락처로 문의하시기 바랍니다.
전화 : 02-2026-0455
Email : flow3d@stikorea.co.kr
컨설팅 형태
수치해석 의뢰
고객이 당면한 문제를 분석 /검토/협의 후, 가장 적절한 수치해석 방법을 수립합니다.
주로 상호 협의된 설계안 및 해석 조건에 대해 수치해석을 수행하여 결과를 도출 분석, 검토합니다.
설계 변경 인자 및 해석 횟수는 고객과 협의하여 진행합니다. 수치해석 결과를 분석 검토하여 설계에 반영하기 위한 의견을 제시하여 드립니다.
해석 대행 의뢰
고객사에 해석 프로세스가 정립되어 있는 경우에 대해, 계산 장비와 수치해석 인력을 이용하여 해석 대행 및 해석 결과물을 제출합니다.
컨설팅 절차
해석 컨설팅을 저희에게 의뢰하시면, 상세한 상담 후 견적을 작성하여 보내 드립니다. 상담은 전화, 이메일, 방문 등의 방법으로 진행됩니다.
계약이 체결된 후 수치해석을 위한 자료 및 데이터를 받아, 협의된 안으로 수치해석을 수행합니다.
컨설팅 진행 과정 중에 수시로 해석 결과 및 진행 상황에 대해 연락 드리며, 변경, 수정 사항을 협의하여 반영할 수 있습니다.
수치해석이 완료되면 최종 보고서를 작성하여 제출하며, 필요시 방문하여 결과를 상세히 설명 드립니다.
수치해석 기술 전수가 포함된 계약일 경우, 최종 보고서 제출 이후에 기술 전수 교육을 진행합니다.
모든 기술 자료는 대외비로 취급되며, 철저하게 보안을 유지해드립니다.
주요 컨설팅 의뢰 분야
수자원 분야
댐체, 수문, 제반 구조물 안정성 검토
댐, 여수로 유동 해석
여수로 수위별 방류량 해석
여수로 월류 및 수위 검토 해석
발전소 취수로 유동 해석
배수터널 방류향 해석
취수탑 유입 유량 해석
교각주위 세굴 해석
수문 수차 유량 해석
저수지 수위별 유동해석
배수암거 부정류 해석
저수지 연결 터널 유동 해석
교각 유동 작용 힘 검토
도수터널 통수 능력 해석
부유사 확산 검토
냉각수 취수로 유량 해석
수문 유동 양상 분석
배수터널 방류량 해석
월류 수위별 유량 유속 해석
수처리 분야
Wastewater Treatment Plant
정수지 유동해석
분배수로 유량분배 해석
침전지 유동 및 유속 분포 해석
반응조 농도 및 반응시간 해석
응집지 유동해석
하수처리시설 슬러지 농도 해석
DAF 응집제 농도 해석
수조 최적 교반 해석
여과지 유동해석
혼화지 유동해석
호기조 담체 거동해석
수처리 구조물 유동 양상 분석
하수처리시설 유동해석
분말활성탄 접촉조 해석
PSBR 반응조 해석
지하수 ICE RING 형성 해석
절리면 모세관 열유동 해석
DAF 실증시설 부상조 해석
착수정 유량 분배 해석
우주 항공분야
발사체 탱크 슬로싱 댐핑 평가 해석
항공기 비행 및 급유 시 연료 탱크 내부 유동 해석
항공기 날개 연료 탱크 내부 유동 해석
항공기 연료 탱크 내부 유동 해석
추진체 관리 장치 내부 유동 해석
엔진 및 터빈 노즐 내부 유동 및 캐비테이션 해석
자동차 분야
자동차 연료 탱크에 연료 주입 시 탱크 내부 유동 해석
피스톤 쿨링젯 시스템 해석
전착 도장 해석
자동차 연료 주입구의 주입 유량별 유동 특성 분석
기어 펌프의 로터 회전에 따른 오일 유동 양상 분석
엔진 실린더 내 피스톤 운동과 배기가스 유동 패턴 해석
베어링 내 윤활을 위한 오일의 유동 양상 해석
해양분야
해양 컨테이너 연료 탱크 슬로싱 해석
방파제 구조물 주변 유동 해석
선박 운항에 따른 항주파 및 유동 특성 분석
사석 방파제 등 구조물 주변 유동 해석
진동수주형 파력 발전 구조물 최적화 모델 해석
선박 및 부유체 계류 시 계류 안정성 및 계류력 해석
발전소 부근 해역 온배수 영향 예측
지진 해일에 의한 영향 해석
주조 해석 분야
고압다이캐스팅 충진 거동 및 응고 해석
저압주조 충진 거동 및 응고 해석
경동주조 충진 거동 및 응고 해석
중력주조 충진 거동 및 응고 해석
원심주조 충진 거동 및 응고 해석
금형온도 분포 해석
제품 및 금형 열응력, 변형 해석
주조 공법 별 온도 분포, 산화물 분포 및 결함 분석
금형 및 몰드 냉각방안 최적화 검토
Micro/Bio/Nano Fluidics 분야
Slit 및 Slot 코팅 해석
Roll 코팅 해석
Gravure / Gravure-offset 프린팅 해석
Curtain 코팅 해석
Multi-layer Slide 코팅 해석
전기 삼투를 이용한 마이크로 펌프 전위 및 유동해석
마이크로 채널 액적 생성 연속성 및 혼합 해석
잉크젯 헤드 조건에 따른 잉크 분사 성능 해석
열모데관 유동해석과 모세관 충진 해석
유전 영동 현상을 이용한 액적 융합 해석
레이저 용접 분야
이종재 레이저 용접 해석
용접속도와 경사도에 따른 키홀 내부의 기공 거동 해석
이종재의 레이저 용접 시 wobbling 해석
레이저 용접 Melt Pool 거동 해석
레이저 파워, 속도에 따른 balling 결함 영향 해석
공기/열 흐름 분야 (HVAC System Designs)
HVAC(난방, 냉방 및 환기)시스템 엔지니어가 고려해야 하는 최적 설계 배치에 대한 검토를 수행
발전소의 경우 대형(길이 90m, 너비 33m, 높이 26m)건물로 변압기, 전력선, 조명 등 열 발생 장비를 갖추고 있어서 여러가지 시설물의 상황을 고려할 수 있음
건물 내 공기를 올바르게 분배하고 적절한 쾌적한 온도를 확보하기 위해 건물 구조와 흡입그 크기 등의 검토 가능
고객 정보보호 보장
고객이 의뢰하는 컨설팅 내용은 경쟁에 민감한 정보를 포함할 수 있기 때문에 (주)에스티아이씨앤디에서는 고객의 기밀정보를 보호하기 위한 엄격한 관리절차와 이행을 보장합니다.
고객의 기밀정보는 절대 외부에 누설되지 않습니다.
수치해석 용역 또는 기술컨설팅, Custom 개발이 필요하시면 언제든지 아래 연락처로 연락주시기 바랍니다.
연락처 : 02-2026-0455
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
해석용역 주요 거래처
□ 공공기관
한국수자원공사
한국건설기술연구원
한국시설안전공단
한국전력기술
한국생산기술연구원
한국동서발전(주)
한국남부발전(주)
한국지질자원연구원 등
□ 기계전자분야
삼성전자
LG전자
현대-기아자동차
POSCO 등
□ 건설분야
대우건설
GS건설
SK건설
한화건설
삼성건설 등
□ 엔지니어링 분야
(주)삼안
(주)도화
현대엔지니어링(주)
한국종합엔지니어링(주)
유신
벽산엔지니어링
(주)건화 등

FLOW-3D CAST 사양
FLOW-3D CAST Feature
Active Simulation Control
실행중인 해석의 제어 파라미터는 History probes에서 사용자가 정의한 조건에 따라, 런타임 동안에 자동으로 변경 될 수 있습니다. History probes에 의해 기록된 시뮬레이션 변수는 경계 조건, mass source 및 General Moving Object 기능을 이용하여, 시간에 따른 개체의 동작을 제어하기 위해 사용될 수있습니다. 예를 들어, 고압다이캐스팅 해석에서 게이트에 설정한 History probes에 유체가 도달하면, 그 정보를 캡처하는 데이터 출력 주파수를 증가시켜 플런저의 속도를 고속으로 자동 전환 될 수있습니다. 고압다이캐스팅 해석은 유체가 게이트에 도달 할 때 자동으로 고속 전환됩니다. 이 프로세스는 새로운 실행 시뮬레이션 제어 기능을 통해 자동으로 진행됩니다. 저속 구간에서 플런저의 움직임은 trigger 슬리브의 용융물에 혼입되는 공기의 양을 최소화하기 위해 Barkhudarov 방법 1을 사용하여 계산됩니다. 이 결과는 훨씬 더 높은 품질의 주조품이 나올수 있도록 설계하는데 도움이 될 수 있습니다. Read the development note > Read the blog post >
Batch Postprocessing & Report Generation
Batch 후처리 및 보고서 생성은 해석 결과 분석시 사용자의 해석 처리 시간을 절약하기 위해 개발되었습니다. Batch 후처리는, 해석이 완료된 후, 사용자가 애니메이션, 시나리오, 그래프, 텍스트 데이터 시리즈를 정의하여 자동으로 생성되도록 할 수 있습니다. 그래픽 요청은 백그라운드에서 FlowSight를 실행하여 처리되도록 FLOW-3D Cast에 정의되어 있습니다. 원하는 해석 결과를 생성할 수 있는 컨텍스트 파일을 사용하면 Batch 후처리 기능을 사용할 수 있습니다. Batch 후처리가 완료되면, 사용자는 쉽게 자신의 관리자, 동료, 또는 클라이언트에 보낼 수있는 HTML5 형식의 완벽한 기능을 갖춘 보고서를 만들 수 있습니다. 이미지 및 동영상도 보고서에 포함 할 수 있고, 사용자는 텍스트, 캡션, 참고 문헌의 형식을 완벽하게 제어 하고 유지할 수 있습니다. Read the blog post >
Batch Postprocessing
Automatic Report Generation
Embed Videos in Your Reports

Metal Casting Models
Squeeze Pin Model
스퀴즈 핀은 주조시 주입 공급이 어려운 영역에서, 응고하는 동안 금속 수축을 보상하기 위해 사용되는 실제의 다이 캐스팅 머신의 동작을 모델링하는 해석을 할 수 있습니다. 스퀴즈 핀은 선택된 표면에 cylinderical squeeze pin을 추가하여, STL 파일 또는 대화식으로 생성 될 수 있습니다. Read the development note >
Intensification Pressure Model
새로운 플런저 타입 형상이 추가 되었습니다. 강화된 압력 조건으로 macro-shrinkage 와 micro-porosity 제거를 지정할 수 있습니다.
Thermal Die Cycling model
다이싸이클링 (Thermal die cycling, TDC) 모델에 새로운 두 가지의 단계가 추가되었습니다. 금형이 열린 상태에서 제품이 여전히 금형 내부에 있는 ejection 단계와, 금형이 닫혔지만 사출 바로전의 preparation 단계가 추가되었습니다. 또한, 마지막 싸이클만이 아닌 모든 금형 싸이클 모두 수렴된 결과를 전달하기 위해 TDC 솔버가 성능 손실 없이 최적화 되었습니다. Read the blog post >
Valves and Vents
밸브와 밴트의 외부 압력과 온도는 이제 사용자가 다이 캐스팅 공정에서 충진중에 보다 실제적인 동작을 정의 할 수 있도록, 시간의 표 함수로서 정의 할 수있습니다. 밸브 및 벤트의 압력 및 온도는 프로세스 설계 단계에서 유용한 제품 내부에 설정된 프로브에 의해 제어 될 수 있습니다.
PQ² Diagram
PQ2다이어그램의 사용은 사용자가 더 나은 슬리브의 플런저 실제 움직임과 유사하게 적용 할 수 있습니다. 새로운 기능은 실제 공정 변수가 아직 알려져 있지 않았을 때 다이캐스팅 설계 단계 중에 특히 유용합니다. Read the blog post >
Cooling Channels
냉각 채널은 금형 각각의 냉각 유로에 의해 제거되거나 추가된 열의 총량에 의해 제어 될 수 있습니다. Read the development note >
Air Entrainment Model
Air entrainment 모델에 compressibility를 입력하는 새로운 옵션이 추가되었습니다. 고압 다이캐스팅의 충진 공정과 같은 경우, 공기 압축성은 유체 압력의 변화로 인한 유체의 흐름에 중요한 인자가 됩니다.

Cavitation Model
캐비테이션 모델은 유동 조건의 더 넓은 범위에 걸쳐 유체의 캐비테이션 거동을 나타내도록 개선되었습니다. 캐비테이션 생성에 대한 새로운 옵션은 경험적 관계를 기반으로, 기존의 일정한 속도로 생성되는 방식에서 보완되었습니다. 새로운 passive gas model 옵션은 open bubbles이 아닌 유체내에 cavitationg gas를 추적하여, 계산에 필요한 격자와 계산시간을 줄일 수 있습니다. Read the development note >
Two-fluid Phase Change Model
Two-fluid phase change model 은 과냉각을 포함하도록 확장되었습니다. 일정한 과냉각 온도를 정의하고 가스 온도가 응축이 일어나기 전에 포화점 이하로 내려갈 수 있게 함으로써 구현됩니다.
Simulation Results and Analysis
Simulation Results File Editor
사용자가 FLOW-3D Cast v4.1 결과 파일들을 병합 및 제거 할 수 있는 편집 유틸리티
Linking flsgrf.* files
Restart 해석 결과 파일들(flsgrf.*)은 FlowSight 에서 하나의 연속적인 애니메이션 결과를 표시하기 위해 restart source 결과로 링크될 수 있습니다.
Fluid/wall Contact Time
A new spatial quantity has been added to the solution output that stores the time that metal spent in contact with each geometric component, as well as the time spent by each component with metal.
용탕이 각 geometry 컴포넌트를 접촉한 시간과 각 컴포넌트가 용탕과의 접촉 시간을 나타내는 새로운 공간적 양이 해석 아웃풋에 추가 되었습니다.
Performance and Usability
Calculators
열전달 계수, 열 침투 깊이, 밸브 손실 계수, 슬리브에 용탕량(깊이), 플런저의 속도를 계산할 수 있는 Calculators 기능이 Model Setup 창에서 바로 가능해졌습니다. 또한 유틸리티 메뉴에서도 가능합니다.
HTC Calculator for Cooling Channels
Thermal Penetration Depth Calculator
Fluid Height Calculator
Slow Shot Plunger Speed Calculator
Valve Loss Coefficient Calculator

Thermal Die Cycling
열전달 계수 데이터베이스와 각 싸이클 단계들이 입력되어있어 간편하게 다이싸이클링 해석을 하실 수 있습니다.
GMRES Pressure Solver
GMRES pressure solver의 속도가 솔버 데이터 구조의 최적화로 인해 2배까지 향상되었습니다. 이로 인해 메모리 사용량이 20% 미만으로 증가할 수 있습니다. Read the blog post >
Sampling Volumes
Sampling volume 기능은 STL로 정의할 수 있습니다. 각 sampling volume에 의해 계산된 양들의 목록은 유체의 부피, 최대/최소 온도, 파티클의 갯수와 같은 전체 해석 영역에 대해 모두 같은 양이 되도록 확장되었습니다.

FSI/TSE Model
구조분석 모델의 성능이 부분적인 coupling으로 해석 솔버의 병렬화와 최적화를 통해 향상되었습니다.
Workspaces
Workspaces 를 이전에 설치된 FLOW-3D에서 가져올 수 있습니다. Workspaces 와 사용자가 선택한 시뮬레이션들을 복사할 수 있습니다.
Expanded Simulation Pre-check
Simulation pre-check 기능은 preprocessor checks를 포함하고, 문제가 발생하는 경우 링크됩니다.
Improved Transparency
Depth-peeling 옵션은 transparent geometries 를 좀 더 잘 표현하고, v4.0보다 10배 빨라졌습니다.
Interactive Tools
Baffles, history probes, void/fluid pointers, valves, mass-momentum sources, squeeze pins에 대한 새로운 대화형 생성 기능이 추가되었습니다. 또한 probing과 clipping 도구들이 대화형으로 개선되었습니다.
General Enable/Disable
모든 objects (e.g., mesh blocks)은 활성화/비활성화 할 수 있습니다.
Estimated Remaining Simulation Time
솔버 메세지 파일에 short-print로 추정된 잔여 해석 시간이 추가 되었습니다.
Tabular Data
테이블 형식의 데이터에서 선택된 데이터를 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 csv파일 또는 외부 파일에 복사, 저장할 수 있습니다.
¹ 23-10 Michael R. Barkhudarov, Minimizing Air Entrainment, The Canadian Die Caster, June 2010

스퀴즈(압착) 핀 / Squeeze Pins
스퀴즈(압착) 핀 / Squeeze Pins
주조의 복잡성이 증가함에 따라, 게이팅 및 피딩 시스템 및 적절한 다이 온도 관리가 최적화되어 있음에도 불구하고, 대부분의 경우 절삭유 부족으로 인한 다공성 수축이 불가피합니다. 고압 및 영구 몰드 주조에서 수축 다공성을 감소시키기 위해 국부적으로 금속을 압착하는 데 압착 핀이 자주 사용됩니다. 그러나 스퀴즈 핀의 효과는 압착의 타이밍과 위치에 따라 크게 좌우됩니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 스퀴즈 핀 모델이 FLOW-3D 버전 11.1 및 FLOW-3D Cast v4.1에서 개발되어 스퀴즈 핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는 데 도움을 줍니다.
주조물의 복잡성이 증가함에 따라 최적화된 탕구계 및 공급 시스템과 적절한 다이 온도 관리에도 불구하고, 많은 부품에서 불량한 공급으로 인한 수축 다공성이 불가피한 경우가 많습니다.
고압 및 영구 금형 주물에서는 squeeze 핀을 사용하여 금속을 국부적으로 눌러 수축 다공성을 낮추는 경우가 많습니다. 단, squeeze 핀의 효과는 그 배치와 가압 시기에 따라 크게 달라집니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 FLOW-3D에서 스퀴즈 핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는데 도움이 되는 스퀴즈 핀 모델이 개발되었습니다 .
Squeeze Pin Model in FLOW-3D
스퀴즈 핀 모델은 규정 된 moving objects model 을 기반으로하며 열 전달 및 응고 역학 고려 사항을 기반으로하는 단순 수축 모델과 함께 작동합니다. 활성화되면 스퀴즈 핀이 인접한 액체 금속의 수축량을 감지하고 해당 부피를 정확하게 보정하기 위해 이동합니다. 스퀴즈 핀은 최대 허용 거리를 벗어나거나 표면에 너무 많은 굳은 금속을 만나면 멈 춥니 다. 핀에 대한 힘을 정의 할 수 있으며 금속 압력으로 변환됩니다. 그 압력은 thermal stress evolution 및 미세 다공성 모델과 함께 사용할 수 있습니다 .
스퀴즈 핀의 활성화 타이밍은 모델의 구성 요소입니다. 이 모델은 몇 가지 유연한 활성화 제어를 제공합니다. 스퀴즈 핀은 Active Simulation Control 이벤트에 의해 사용자가 지정한 시간에 활성화되거나 자동으로 활성화되도록 설정할 수 있습니다. 후자의 경우 다음 조건이 충족되면 스퀴즈 핀이 활성화됩니다.
핀은 액체 영역에 인접 해 있습니다.
핀 사이의 경쟁을 피하기 위해 핀이 인접한 액체 경로를 통해 다른 핀에 연결되어 있지 않습니다.
인접한 액체 영역에는 게이트가 응고 된 금속으로 밀봉되기 전에 금속이 캐비티 밖으로 밀려 나올 수있는 자유 표면이 없습니다.
자동 활성화 제어는 핀의 정확한 타이밍을 알 수없는 설계 단계에서 유용합니다. 이 경우 핀 활성화 시간은 모델 출력의 일부입니다.
버전 11.1의 새로운 기능인 Active Simulation Control을 사용하여 다이캐스팅 기계에서 실제 스퀴즈 핀 제어 시스템을 모방 할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 주조의 다른 부분에있는 솔루션을 기반으로 핀 타이밍에 더 많은 제어 및 개선을 추가 할 수 있습니다.
Squeeze Pin Model Applications
주물에서 공급이 어려운 부분의 다공성을 줄이거 나 제거하는 스퀴즈 핀의 효과 시뮬레이션
숏 슬리브 피스톤은 응고 수축을 보상하고 강화 압력을 적용하기 위해 응고 중에 스퀴즈 핀으로 정의 할 수 있습니다.
기존 스퀴즈 핀 설계 검증
스퀴즈 핀 배치 최적화
스퀴즈 핀 활성화 타이밍 최적화
실제 다이캐스팅 기계에서 스퀴즈 핀 제어 검증 및 최적화
Sample Results
2-캐비티 고압 다이 캐스트에 대한 사례 연구가 수행되었습니다. 두 세트의 시뮬레이션이 실행되었습니다. 하나는 스퀴즈 핀이없는 것이고 다른 하나는 스퀴즈 핀이있는 것입니다. 스퀴즈 핀의 구성은 그림 1에 나와 있습니다. 스퀴즈 핀은 두 개의 주조 부품 각각의 중앙에 배치됩니다. 이 스퀴즈 핀은 자동으로 활성화되도록 설정됩니다. 플런저는 충전 완료 즉시 활성화되도록 설정되는 압착 핀으로도 정의됩니다. 결과 수축 분포는 그림 2에 나와 있습니다. 스퀴즈 핀에 의한 수축 감소는 주물 중앙과 비스킷 중앙에서 분명합니다. 두 시뮬레이션의 총 매크로 수축도 비교되고 그림 3에 그려져 있는데, 이는 스퀴즈 핀에 의한 극적인 수축 감소를 정량적으로 보여줍니다.
핀 활성화 시간은 그림 4와 같이 화면, HD3MSG, HD3OUT 및 REPORT 파일에 기록됩니다. 시간 정보는 고압 다이캐스팅 기계에서 스퀴즈 핀 제어 매개 변수로 직접 사용할 수 있습니다. 또한 각 스퀴즈 핀의 이동 거리와 변위량도 일반 이력 데이터에 기록되어 각 스퀴즈 핀의 효과를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 5와 같이 각 스퀴즈 핀의 이동 거리가 표시됩니다. 플런저는 미리 정해진대로 시뮬레이션 시작시 즉시 움직이고, 플런저 근처가 마지막 응고 영역이고 가장 큰 수축을 생성한다는 사실로 인해 가장 멀리 그리고 가장 길게 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 두 개의 주조 부품 각각의 중앙에 정의 된 두 개의 스퀴즈 핀이 동시에 활성화됩니다.주조 및 압착 핀 구성의 대칭으로 인해 거의 동일한 거리를 이동했습니다.
Figure 3. Macro-shrinkage volume comparison with and without squeeze pins.
Figure 4. The output of the pin’s activation in HD3MSG file.
Figure 5. The traveled distance of each squeeze pin.
주조의 복잡성이 증가함에 따라 최적화된 게이팅 및 공급 시스템과 적절한 다이 온도 관리에도 불구하고 공급 불량으로 인한 수축 다공성은 종종 큰 부품 섹션에서 불가피합니다. 고압 및 영구 주형 주조에서 수축 공극률을 줄이기 위해 금속을 국부적으로 누르는데 스퀴즈 핀이 자주 사용됩니다. 그러나 스퀴즈 핀의 효과는 위치와 가압 타이밍에 따라 크게 달라집니다. 이러한 실제 시나리오를 예측하기 위해 FLOW-3D 에서 스퀴즈핀 프로세스 매개 변수를 설계하고 최적화하는 데 도움 이되는 스퀴즈핀 모델이 개발되었습니다 .

공기 갇힘 / Air Entrapment
공기 갇힘 / Air Entrapment
FLOW-3D 의 공기 혼입 모델은 중력 주조 공정과 같은 금속 주조 시스템에서 발생하는 갇힌 공기의 양을 추정하는데 사용됩니다. 이는 단순한 물리적 메커니즘을 기반으로하므로 고압 다이 캐스팅 공정과 같은 다른 금속 주조 시스템에서 발생하는 혼입 공기의 양을 추정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 최근 모델에 더 많은 물리적 세부 사항이 추가되어 기포 형태로 가정되는 동반 공기가 부력으로 인해 주변 액체 금속에서 상승하고 심지어 자유 표면에 도달하면 액체를 떠나는 것으로 모델링 할 수 있습니다.
고객 사례
Littler Diecast Co.
A380에 캐스팅 된 지지대. 공기 흡입에 의해 착색됩니다. Littler Diecast Co.의 예
Deco Products
Caster Wheel Leg part의 4 가지 시뮬레이션 사례. 이 부품들은 아연 합금 # 5로 만들어져 있습니다. 데코 제품의 예.
Shiloh Industries
동반 된 공기의 비율로 착색 된 전면 기어 하우징, 380 다이캐스팅 합금. Shiloh Industries의 예.
이 모델에 대한 더 자세한 정보는 Air Entrainment 의 Flow Science Report를 다운로드하십시오.

Excel 엔지니어링 프로그램 개발
Excel Engineering 프로그램 개발
Excel은 매우 유용하게 사용되는 훌륭한 프로그램 입니다. Excel을 매일 사용하지만 손이 너무 많이 가는 업무는 Excel 자동화를 통해 쉽게 고된 업무에서 벗어날 수 있습니다. 또한 복잡한 수식연결이나 과거에 개발된 엔지니어링 프로그램도 편리하게 개선할 수 있습니다.
업무 수행시 또는 연구개발에 필요한 Excel 자동화 프로그램 개발이 필요하신 경우 언제든지 연락주시기 바랍니다.
솔루션 개발팀 : 02-2026-0451
생산기술연구원 경량소재 다이캐스팅용 금형설계 웹기반 주조계산수식 설계지원 프로그램
주조 기술 공학용 개발 프로그램 Library
•냉각 능력 설계 계산 Lib
•Gate 방안 검토
•불량요인 분석, 수축율 검증 모듈 등 다수

HPDC (High Pressure Die Casting, 고압다이캐스팅)
HPDC (High Pressure Die Casting, 고압다이캐스팅)
주조 기술 중 하나인 고압 다이 캐스팅 해석시 다른 많은 주조해석 소프트웨어에서 큰 문제들이 나타납니다. 충진되어야 할 부분은 대부분 매우 얇은 두께를 가지고 있어서 형상 구현에 필요한 격자의 수가 크게 증가되어야 합니다. 무엇보다도 금속은 높은 압력과 매우 빠른 속도로 금형안의 빈 공간에 충진됩니다. 금형 내부로 분사되고 비산하는 유동은 이 과정에서 혼입 된 공기로 인한 기포결함, 제품이 완전히 충진되기 전에 냉각이 시작하면서 발생하는 탕주름과 산화물 결함으로 이어질 수 있습니다. FLOW-3D는 실질적인 금형 충진 해석의 정밀도를 향상시키기 위해 정확성이 고도로 향상된 TruVOF™ 추적기법과 복잡한 형상을 모델링하는FAVOR ™ 기법을 포함하고 있습니다. 또한 FLOW-3D는 혼입 된 공기, 열 응력, 미세 결함 영역을 검출하기 위한 다양한 모델을 가지고 있습니다.
Thermal Die Cycling (금형온도분포, 금형싸이클링)
Die cycling 해석은 다이캐스팅 금형이 수천 개의 제품 생산에 반복적으로 사용되기 때문에 고압 다이 캐스팅에 필수적인 공정입니다. 생산시 모든 주조품에 대해서 동일한 금형 온도를 유지하는 것은 매우 중요한데, 이는 금형온도에 따라 주조품의 결괌이 발생할 수 있기 때문입니다. FLOW-3D는 다이캐스팅 싸이클에서 발생하는 금형 가열(충진, 응고), 스프레이, 에어 블로우로부터 온도 분포를 해석하므로 사용자는 냉각 채널의 위치를 정확하고 효과적으로 예측할 수 있습니다.
Shot Sleeve Optimization (슬리브 유동 최적화)
고압다이캐스팅에서 슬리브는 금형 속에 용탕을 빠르게 밀어넣는 데 사용됩니다. 일반적으로 슬리브는 수평으로 위치되고, 용탕은 슬리브 상면의 주입구를 통해 부어집니다. 플런저는 금형 반대편에서 슬리브를 통해 금형 안쪽으로 용탕을 밀어 넣게 됩니다. 적절하게 설계된 플런저 이동조건은 슬리브 내부의 공기 혼입을 최소화하고 슬리브에서의 응고를 피하기 위해 가능한 한 빨리 금형에 용탕을 충진하게 설계되어야 합니다. 하지만, 피스톤이 너무 빨리 이동하는 경우, 슬리브 내에서 용탕의 겹침현상이 발생하여 주조품에 공기 갇힘 결함이 나타날 수 있습니다. FLOW-3D는 다이캐스팅 해석시 플런저 이동에 따른 슬리브 내부의 유동을 실제와 동일하게 반영하여 이와 같은 기포 결함을 최소화할 수 있습니다.
Filling Simulations (충진해석)
고압 다이 캐스팅을 해석할 때, 가장 어려운 과제는 고압 및 고속으로 금형에 충진되는 용탕의 유동을 정확하게 추적하는 것입니다. 많은 주조해석 소프트웨어에서 용탕의 분사와 비산을 정확하게 모사하지 못하는 것이 제품의 결함 예측에 가장 큰 장애물이됩니다. FLOW-3D의 TruVOF™ method는 설계 엔지니어들이 금형내부에서 최적의 유동 패턴을 유도하기 위해 게이트의 위치를 확인하고, 오버 플로우의 위치를 확인하는데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
Modeling Solidification (응고모델링)
Courtesy of Littler Diecast Corporation
FLOW-3D는 엔지니어로 하여금 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 내부 기공(porosity)의 발생을 알수 있도록 합니다. FLOW-3D는 2원계합금(binary alloy)의 편석(segregation)을 해석할 수 있습니다. 해석에 의한 온도 이력은 냉금(chill) 또는 냉각라인(cooling line)이 추가되거나 수정 될 필요가 있는지, 초기 용탕 온도를 변경해야 하는지 등을 결정하는데 도움을 줍니다. FLOW-3D는 내부 미세수축공의 형성, 열응력 및 2원계합금의 편석을 예측할 수 있습니다.
HPDC Videos

Die Erosion Defects (다이캐스팅 금형침식 및 결함)
Die Erosion Defects (다이캐스팅 금형침식 및 결함)
FLOW-3D는 고압 다이캐스팅의 충진해석 시 공동현상(cavitation)으로 인한 금형 침식 결함(die erosion defect)을 정확히 예측할 수 있습니다. 충진 시 매우 빠른 유동 면에서 용탕압력(Metal pressure)가 금형재료의 증기압(metal vapor pressure) 아래 떨어질 수 있습니다 이는 공동현상과(cavitation)과 침식(erosion)을 일으키게 됩니다. 공동현상으로 인한 침식결함을 예측하는 간단한 방법은 실제로는 공동현상을 재현하지 않고 공동현상의 가능성을 예측하는 것 입니다. FLOW-3D는 cavitation pressure와 국지적인 용탕 압력의 차이를 관찰함으로써 잠재적으로 공동현상(cavitation)이 나타날 수 있는 영역을 계산할 수 있습니다. 지정된 어떤 위치에서 캐비테이션 이나 금형 부침식에 대한 가능성은 이 두 압력의 차이가 큰 경우에 존재하는 것으로 해석됩니다. 금형 침식이 가장 있을 만한 곳의 신뢰할 수 있는 지표는 이 차이가 가장 큰 값을 가지는 국소적인 “hot spot” 입니다.

제품 소개 요청
제품에 대한 기술시연 및 데모는 다음 링크에서 신청 가능하십니다.
FLOW-3D 기술시연/데모 요청
산업 분야별 해석 사례
주조분야
Gravity Pour 중력 주조
High Pressure Die Casting 고압 다이캐스팅
Tilt Casting 경동 주조
Centrifugal Casting 원심 주조
Investment Casting 정밀 주조
Vacuum Casting 진공 주조
Continuous Casting 연속 주조
Lost Foam Casting 소실 모형 주조
Fill and Defects Tracking 용탕 주입 및 결함 추적
Solidification and Shrinkage 응고 및 수축 해석
Thermal Stress Evolution and Deformation 열응력 및 변형 해석
물 및 환경 응용 분야
Wastewater Treatment and Recovery 폐수 처리 및 복구
Pump Stations 펌프장
Dams, Weirs, Spillways 댐, 위어, 여수로
River Hydraulics 강 유역
Inundation & Flooding 침수 및 범람
Open Channel Flow 개수로 흐름
Sediment and Scour 퇴적 및 세굴(쇄굴)
Plumes, Hydraulic Zones of Influence 기둥, 수리 영향 구역
Coastal and Critical Infrastructure Wave Run-Up 연안 및 핵심 인프라 웨이브 런업
에너지 분야
Fuel/cargo sloshing in oceangoing containers 해양 컨테이너 용 연료 /화물 슬로싱
Offshore platform wave effects 근해 플랫폼 파 영향
Separation devices undergoing 6 DOF motion 6 자유도 운동을 하는 분리 장치
Wave energy converters 파동 에너지 변환기
미세유체
Continuous-Flow 연속 흐름
Droplet, Digital 물방울, 디지털
Molecular Biology 분자 생물학
Opto-Microfluidics 광 마이크로 유체
Cell Behavior 세포 행동
Fuel Cells 연료 전지들
용접 제조
Laser Welding 레이저 용접
Laser Metal Deposition 레이저 금속 증착
Additive Manufacturing 첨가제 제조
Multi-Layer Build 다중 레이어 빌드
Polymer 3D Printing 폴리머 3D 프린팅
코팅 분야
Curtain Coating 커튼 코팅
Dip Coating 딥 코팅
Gravure Printing 그라비아 코팅
Roll Coating 롤 코팅
Slide Coating 슬라이드 코팅
Slot Coating 슬롯 코팅
Contact Insights 접촉면 분석
연안 / 해양분야
Breakwater Structures 방파제 구조물
Offshore Structures 항만 연안 구조물
Ship Hydrodynamics 선박 유체 역학
Sloshing & Slamming 슬로싱 & 슬래밍
Tsunamis 쓰나미 해석
생명공학 분야
Active Mixing 액티브 믹싱
Chemical Reactions 화학 반응
Dissolution 용해
Drug Delivery 약물 전달
Drug Particles 마약 입자
Microdispensers 마이크로 디스펜서
Passive Mixing 패시브 믹싱
Piezo Driven Pumps 피에조 구동 펌프
자동차 분야
Fuel Tanks 연료 탱크
Early Fuel Shut-Off 초기 연료 차단
Gear Interaction 기어 상호 작용
Filters 필터
Degas Bottles 병의 가스제거

Tag: 다이캐스팅

키워드

Executive Summary

도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유

접근 방식: 방법론 분석

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: ‘단시간 충전’이 박육 제품의 품질을 결정한다

결과 2: 내부 품질은 ‘승압 시간’이 좌우한다

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

논문 정보

ダイカストマシン (Die-casting machine)

1. 개요:

2. 초록:

3. 서론:

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

기존 연구 현황:

연구 목적:

핵심 연구:

5. 연구 방법론

연구 설계:

데이터 수집 및 분석 방법:

연구 주제 및 범위:

6. 주요 결과:

주요 결과:

그림 목록:

7. 결론:

8. 참고 문헌:

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

저작권 정보

AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

Paper Metadata

Keywords

Executive Summary

Research Architecture

Key Findings

Industrial Applications

Theoretical Background

수치 해석 기반 주조 시뮬레이션

AZ91D 마그네슘 합금의 특성

Results and Analysis

Experimental Setup

Visual Data Summary

Variable Correlation Analysis

Paper Details

OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY

1. Overview

2. Abstract

3. Methodology

4. Key Results

5. Mathematical Models

Figure List

References

Technical Q&A

Q: 주입구 너비가 1mm일 때 발생하는 가장 심각한 기술적 문제는 무엇입니까?

Q: 시뮬레이션에서 수십 회의 주조 사이클을 반복하는 이유는 무엇입니까?

Q: 1.4mm 주입구 조건에서 공기 배출이 개선되는 메커니즘은 무엇입니까?

Q: 시뮬레이션 모델링에서 “그리드 조밀화(Grid densification)”가 필요한 이유는 무엇입니까?

Q: 시뮬레이션 결과에서 기공이 오버플로우 영역에 집중되는 것이 왜 유리합니까?

Conclusion

Source Information

Technical Review Resources for Engineers:

SLS 및 진공 다이캐스팅을 이용한 환자 맞춤형 유연 실리콘 임플란트 개발

Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS and Vacuum Die Casting

Paper Metadata

Keywords

Executive Summary

Research Architecture

Key Findings

Industrial Applications

Theoretical Background

Selective Laser Sintering (SLS)의 간접 활용

로스트 코어(Lost Core) 공법의 메커니즘

Results and Analysis

Experimental Setup

Visual Data Summary

Variable Correlation Analysis

Paper Details