Figure 3. Metallic die to produce Aluminium foams with Alulight.

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

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

키워드

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

Executive Summary

  • The Challenge: 연비 향상과 이산화탄소 배출 감소를 위해 자동차 및 운송 부품의 무게를 줄여야 하는 시급한 과제.
  • The Method: 마그네슘 주조 부품 내부에 알루미늄 폼을 코어로 사용하여 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 통해 복합 주조품을 생산하는 방법.
  • The Key Breakthrough: 외부 스킨이 있는 특정 알루미늄 폼(Alulight)을 사용하고, 사출 파라미터를 최적화하여 코어 파손 없이 건전한 복합 주조품을 개발하고 시제품에서 35%의 중량 감소를 달성.
  • The Bottom Line: 알루미늄 폼 코어를 사용한 HPDC는 플라스틱이나 탄소 섬유의 대안으로, 경량 부품의 대량 생산을 위한 실행 가능한 솔루션임을 입증.
Figure 1. Some of the most employed processes to produce aluminium foams.
Figure 1. Some of the most employed processes to produce aluminium foams.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

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

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

The Approach: Unpacking the Methodology

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

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

The Breakthrough: Key Findings & Data

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

Finding 1: 폼 코어의 ‘외부 스킨’이 성패를 좌우

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

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

Finding 2: 사출 조건 및 코어 배치의 최적화

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

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

Practical Implications for R&D and Operations

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

Paper Details

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

1. Overview:

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

2. Abstract:

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

3. Introduction:

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

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

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

Status of previous research:

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

Purpose of the study:

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

Core study:

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

5. Research Methodology

Research Design:

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

Data Collection and Analysis Methods:

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

Research Topics and Scope:

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

6. Key Results:

Key Results:

  • 폼 코어의 건전성: 연속적인 외부 스킨이 있는 Alulight 폼만이 40 MPa의 HPDC 사출 압력을 견딜 수 있었습니다. 외부 스킨이 없는 Alporas와 Formgrip 폼은 공정 중 파괴되었습니다.
  • 최적 주조 온도: 720 °C의 용탕 온도가 미충전 및 콜드셧 결함을 방지하기 위한 최소 온도로 확인되었습니다.
  • 코어 배치: 폼 코어를 용탕 흐름에 수직으로 배치했을 때 코어 손상 없이 건전한 부품을 얻을 수 있었습니다. 수평 배치는 코어의 전단 파괴를 유발했습니다.
  • 사출 조건: 2단 사출 속도 80 m/s, 사출 압력 80 MPa의 표준 HPDC 조건에서 가장 건전한 부품이 생산되었습니다.
  • 경량화 효과: 0.56 Kg/dm³ 밀도의 Alulight 폼을 사용하여 제작된 자전거 로드 시제품은 기존 부품 대비 약 35%의 총 중량 감소를 달성했습니다.
  • 기계적 특성: 복합 주조품의 인장 강도(122 MPa)는 순수 AM60B 부품(219 MPa)보다 낮았으나, 이는 알루미늄 폼과 마그네슘 간의 화학적 결합 부재에 기인합니다.
Figure 3. Metallic die to produce Aluminium foams with Alulight.
Figure 3. Metallic die to produce Aluminium foams with Alulight.

Figure List:

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

7. Conclusion:

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

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 세 가지 다른 유형의 알루미늄 폼을 테스트했나요?

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

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

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

Q3: 폼 코어의 붕괴를 막는 가장 중요한 요인은 무엇이었습니까?

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

Q4: 35%의 중량 감소는 어떻게 계산되었나요?

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

Q5: 이 공정은 모든 형상의 부품에 적용할 수 있습니까?

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

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

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

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, 당사 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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

Copyright Information

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

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FLOW-3D CAST 2025R1

FLOW-3D CAST

FLOW-3D CAST 2025R1은 주조 엔지니어가 복잡한 비철 주조에서 더 나은 품질, 효율성 및 정밀도를 달성할 수 있도록 지원합니다. 이번 릴리스에는 응고 및 수축 모델, HPDC의 샷 슬리브 모델, 밸브 모델에 대한 개선 사항이 포함되어 있습니다.

응고 수축 모델 개선 사항
이번 신제품에는 새로운 EXODUS 형식의 다공성 출력이 수정된 개선된 응고 수축 모델이 포함되어 있어 사용자가 다공성 분석과 해석을 간소화할 수 있습니다. 이제 다공성 출력에는 분해된 수축 다공성이 포함되어 엔지니어가 누출 경로를 더 잘 시각화할 수 있도록 도와줍니다.

샷 슬리브의 응고된 금속 처리 개선
고압 다이캐스팅(HPDC)에서는 샷 슬리브의 초기 응고로 인해 완성된 주조물의 콜드 셧 및 오선과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 이제 사용자는 다공성 기반 응고 모델을 사용하여 샷 슬리브에서 응고된 금속의 움직임을 포착할 수 있으며, 충전 시 훨씬 더 정확한 열 프로파일을 제공합니다.

EXODUS 파일 형식의 새로운 다공성 표현은 단일 다공성 출력에서 금속의 다공성뿐만 아니라 해상된 수축을 더 잘 설명합니다.

개선된 밸브 모델
FLOW-3D CAST의 밸브와 통풍구 부품은 주조 어셈블리의 환기 시스템을 모델링하는 데 사용되며, 이는 주조 부품의 결함을 제거하는 데 매우 중요할 수 있습니다. 이제 사용자는 밸브와 통풍구에서 배출될 수 있는 목표 금속 부피를 지정하여 개선된 밸브 모델을 통해 최종 결함 위치를 보다 정확하게 예측할 수 있습니다.

새로운 밸브 모델은 금속이 밸브를 통해 배출될 수 있도록 하여, 흐름 결함이 어디로 가는지 더 정확하게 표현합니다 (아래쪽)

FLOW-3D CAST 2024R1은 영구 금형 주조를 위한 여러 가지 개선 사항을 포함하고 있으며, 그 중 첫 번째는 Thermal die cycling 시뮬레이션에서 보다 시각적으로 편리한 냉각 채널 설정입니다. 이를 통해 냉각 채널 타이밍 설정을 더 쉽게 하고 입력 오류의 가능성을 줄일 수 있습니다. 이 개선 사항은 각 냉각 채널이 활성화되는 시점과 관련 속성을 쉽게 확인할 수 있도록 합니다.

Cooling channel setup
냉각 채널은 이제 다른 공정 타이밍과 함께 표시되어 복잡한 시스템을 간단하고 시각적으로 표현합니다.

또한, 간단한 스프레이/금형 처리 모델을 확장하여 캐비티뿐만 아니라 파팅 라인에도 스프레이할 수 있는 옵션을 추가했습니다. 이를 통해 이러한 유형의 금형 처리 방식을 쉽게 그리고 현실적으로 표현할 수 있어 더 나은 열 예측을 할 수 있습니다. 유사하게, 이제 Thermal die cycling 시뮬레이션 중에 플런저의 움직임을 고려하여 열 예측의 정확성을 향상시켰습니다.

또 다른 개발 사항은 초기 단계 금형 설계에서 더 빠른 열 해석을 제공하면서도 해석의 정확도를 유지할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 새로운 열 전달 모드를 기하학적 형태에 대해 활성화하여 사용합니다.

FLOW-3D CAST 2024R1에는 두 가지 새로운 출력이 추가되었습니다. 첫 번째는 금형에 대한 특정 열 전달로, 금형으로 전달되는 열의 속도를 저장하고 금형의 다양한 위치에서 필요한 냉각 능력에 대한 통찰을 제공합니다. 두 번째 출력은 공동 발생 하중으로, 공동 손상이 발생할 가능성이 있는 영역을 표시합니다.

금형으로의 열전달량 표현
Cavitation load
공동 발생 하중

마지막으로, 사용자 기대에 더 맞도록 기존 모델에 두 가지 조정을 추가했습니다. 첫 번째는 밸브가 가장 가까운 open volume에 적용되도록 수정하여, 금형 표면이 실수로 밸브를 비활성화하는 가능성을 없앴습니다. 두 번째 조정은 모델을 사용할 때 플런저 가속도의 기본 한계를 더 현실적으로 설정한 것입니다. 이전의 기본값은 노이즈가 발생될 가능성이 있었습니다.

새로운 결과 파일 형식

FLOW-3D POST 2023R2는 EXODUS II 형식을 기반으로 하는 완전히 새로운 결과 파일 형식을 도입하여 더 빠른 후처리를 가능하게 합니다. 이 새로운 파일 형식은 크고 복잡한 시뮬레이션의 후처리 작업에 소요되는 시간을 크게 줄이는 동시에(평균 최대 5배!) 다른 시각화 도구와의 연결성을 향상시킵니다.

FLOW-3D POST 2023R2 에서 사용자는 이제 flsgrf , EXODUS II 또는 flsgrf 및 EXODUS II 파일 형식 으로 선택한 데이터를 쓸 수 있습니다 . 새로운 EXODUS II 파일 형식은 각 객체에 대해 유한 요소 메쉬를 활용하므로 사용자는 다른 호환 가능한 포스트 프로세서 및 FEA 코드를 사용 하여 FLOW-3D 결과를 열 수도 있습니다. 새로운 워크플로우를 통해 사용자는 크고 복잡한 사례를 신속하게 시각화하고 임의 슬라이싱, 볼륨 렌더링 및 통계를 사용하여 보조 정보를 추출할 수 있습니다.

새로운 결과 파일 형식은 솔버 엔진의 성능을 저하시키지 않으면서 flsgrf 에 비해 시각화 작업 흐름에서 놀라운 속도 향상을 자랑합니다.

FLOW-3D POST의 표면 LIC
FLOW-3D POST 의 새로운 EXODUS II 파일 형식 및 Surface LIC 표현의 예

이 흥미로운 새로운 개발은 결과 분석의 속도와 유연성이 향상되어 사용자에게 원활한 시뮬레이션 경험을 제공합니다. FLOW-3D POST 의 새로운 시각화 기능 에 대해 자세히 알아보세요 .

정수압 초기화

사용자가 사전 정의된 금속 영역에서 정수압을 초기화해야 하는 경우가 종종 있습니다. 크고 복잡한 시뮬레이션에서는 정수압 솔버의 수렴 속도가 느려지는 경우가 있습니다. FLOW-3D CAST 2023R2는 정수압 솔버의 성능을 크게 향상시켜 전처리 단계에서 최대 6배 빠르게 수렴할 수 있도록 해줍니다.

새로운 TDC(열 다이 사이클링) 모델

열 다이 사이클링 - 샷 슬리브
새로운 Thermal Die Cycling 모델로 예측된 ​​샷 슬리브의 온도 분포

FLOW-3D CAST 2023R2 의 재설계된 열 다이 사이클링(TDC) 모델은 고압 다이 캐스팅 및 기타 영구 금형 주조 공정의 프로세스 시트와 더 잘 일치하는 더 간단하고 직관적인 설정 프로세스를 제공합니다. 

이제 TDC 시퀀스는 충전 단계의 시작 부분 에서 시작되어 하위 프로세스 전반에 걸쳐 시간에 따른 냉각/가열 라인 정의에 대한 더 높은 정확성과 정렬을 제공합니다. 향상된 스프레이 냉각 모델을 통해 사용자는 부품별로 처리 일정을 정의할 수 있을 뿐만 아니라 스프레이, 세척 및 코팅 처리에 대한 옵션을 처방할 수 있습니다. 슬라이더 동작도 포함되며 이제 냉각 채널과 가열 요소가 슬라이더와 함께 이동합니다. 

이러한 기능은 다양한 단계, 일정, 이동, 처리 및 조립 단계를 보여주는 깔끔하고 직관적인 프로세스 개요를 제공하는 새로운 Thermal Die Cycling 대화 상자를 통해 제어됩니다.

FLOW-3D CAST의 열 다이 사이클링 대화상자
FLOW-3D CAST 의 새로운 Thermal Die Cycling 대화 상자

이러한 개발은 개선된 열 솔루션뿐만 아니라 TDC와 관련된 공정의 응고 및 납땜에 대한 더 나은 예측을 촉진합니다.

FLOW-3D CAST 2023R1 의 새로운 기능

FLOW-3D 소프트웨어 제품군의 모든 제품은 2023R1에서 IT 관련 개선 사항을 받았습니다. 

FLOW-3D CAST 2023R1은 이제 Windows 11 및 RHEL 8을 지원합니다. Linux 설치 프로그램은 누락된 종속성을 보고하도록 개선되었으며 더 이상 루트 수준 권한이 필요하지 않으므로 설치가 더 쉽고 안전해집니다. 그리고 워크플로를 자동화한 분들을 위해 입력 파일 변환기에 명령줄 인터페이스를 추가하여 스크립트 환경에서도 워크플로가 업데이트된 입력 파일로 작동하는지 확인할 수 있습니다.

FLOW-3D CAST 2023R1 의 고급 기능을 통해 사용자는 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 기가캐스팅 제작 시 등 샷 성능 최적화
  • 툴링 마모 해결
  • 고급 탄소강 및 저합금강 주조 시뮬레이션
  • 거시적 분리의 효과를 설명합니다.

플런저 모션 개선

우리는 슬로우 샷 계산기를 개선하여 정확성을 높이고, 공기 혼입을 줄이며, 낮은 충전 수준을 더 잘 처리할 수 있도록 유효성 범위를 확장했습니다. 또한 사용자 인터페이스를 간소화했으며 향상된 슬로우 샷 계산기와 결합하여 인상적인 결과를 제공합니다. 이제 플런저 위치 또는 시간 기반 정의에서 슬로우 샷 계산기의 데이터를 쉽게 사용할 수 있습니다. 새로운 계산기는 또한 슬로우 샷이 끝날 때 혼입되는 공기를 크게 줄이는 세련된 샷 프로필을 제공합니다.

슬로우 샷 계산기 개선
2007년 슬로우 샷 계산기와 2022년 버전 비교. 슬로우 샷이 끝나면 새 계산기를 사용하여 동반 공기량이 감소하는 것을 확인하십시오.

확장된 PQ 2 분석

대형 주조는 계산 비용이 많이 들고 기가 주조는 시뮬레이션 소프트웨어를 한계까지 밀어붙일 수 있습니다. 속도 경계 조건이나 금속 입력을 사용하여 샷 슬리브와 플런저를 근사화하는 것은 런타임을 줄이는 유용한 단순화 방법입니다. 그러나 PQ 

2 분석 없이는 HPDC 기계가 한계에 가깝게 작동하고 예상대로 작동하지 않아 부품 품질을 위협하는지 알 수 없습니다. 

우리는 매우 유능한 PQ 2 분석을 수행 하고 이를 금속 입력 및 속도 경계 조건에 적용하여 이 문제를 해결했습니다. 이는 가장 크고 가장 복잡한 주조에서도 충전 정확도를 유지하면서 처리 시간을 크게 줄이는 것을 의미합니다.

Mold Erosion Prediction | FLOW-3D CAST

주조 금형과 다이는 기계적 스트레스 요인을 포함한 다양한 이유로 마모됩니다. 기존 전단 하중 측정법은 이 마모를 연구할 때 도움이 되지만 지금까지는 금형에 대한 금속의 충돌을 설명하지 못했고 모래 주조 금형에 포함된 모래의 최종 위치를 예측할 수 없었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 이 마모 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있도록 새로운 출력을 추가했습니다. 새로운 출력에는 이러한 유형의 침식이 발생할 가능성이 있는 지역과 모래 함유물의 예상 위치가 표시됩니다.

다이 솔더링 예측

알루미늄 주조에 사용되는 영구 다이는 용융된 알루미늄이 다이의 철과 결합하여 화학적 마모를 겪게 되며, 이는 부품 품질뿐만 아니라 다이의 수명과 유지 관리 요구 사항에 영향을 미치는 땜납을 형성합니다. 이 마모 메커니즘의 중요성으로 인해 우리는 납땜의 위치와 심각도를 모두 예측하는 모델을 구축하게 되었습니다.

다이 솔더링 시뮬레이션
시뮬레이션된 솔더(왼쪽)와 관찰된 솔더(오른쪽, 빨간색). 사진은 다이에 관한 것이지만 시뮬레이션에서는 부품을 보여주기 때문에 이미지가 거울처럼 보입니다.

화학 기반 탄소 및 저합금강 응고 모델

우리의 장기 개발 목표 중 하나의 결과는 석출 반응, 응고 및 재용해 경로, 미세 구조 특징 및 결함을 정확하게 설명하는 탄소강 및 저합금강에 대한 강력한 화학 기반 응고 모델 입니다. 이 모델은 또한 중요한 3상 포정반응과 델타 페라이트에서 오스테나이트로의 전이로 인한 대량 수축과 관련된 결함을 설명합니다.

이 모델은 실험과의 탁월한 일치를 보여주며, 예를 들어 과포정 합금이 응고가 끝날 때 페라이트 영역을 개발할 수 있는 이유와 같은 비직관적이고 시간 의존적인 동작에 대한 통찰력을 제공합니다.

수축 예측 검증

거시 분리 예측

대규모 분리는 주조품의 품질과 다운스트림 처리에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 이를 화학 기반 응고 모델에 추가했습니다. 이 모델은 매크로 분리 관련 결함이 발생할 수 있는 위치를 예측하므로 캐스팅 전에 이를 예측하고 완화할 수 있습니다.

시뮬레이션 대 실험 강철 주조
강철 주조에 대한 실험과 시뮬레이션 결과를 비교합니다. WT Adams, Jr. 및 KW Murphy, “주강 주물에서 라이저 아래의 심각한 화학 물질 분리를 방지하기 위한 최적의 완전 접촉 상단 라이저”, AFS Trans., 88(1980), pp. 389-404

FLOW-3D CAST 2022R2 의 새로운 기능

FLOW-3D CAST 2022R2 제품군 출시로 Flow Science는 FLOW-3D CAST 의 워크스테이션과 HPC 버전을 통합하여 단일 노드 CPU 구성에서 다중 노드 병렬 고성능 컴퓨팅 실행. 추가 개발에는 점탄성 흐름을 위한 새로운 로그 형태 텐서 방법, 지속적인 솔버 속도 성능 개선, 고급 냉각 채널 및 팬텀 구성요소 제어, 개선된 동반 공기 기능이 포함됩니다.

통합 솔버

우리는  FLOW-3D 제품을 단일 통합 솔버로 마이그레이션하여 로컬 워크스테이션이나 고성능 컴퓨팅 하드웨어 환경에서 원활하게 실행했습니다.

많은 사용자가 노트북이나 로컬 워크스테이션에서 모델을 실행하지만, 고성능 컴퓨팅 클러스터에서도 더 큰 모델을 실행합니다. 2022R2 릴리스에서는 통합 솔버를 통해 사용자가 HPC 솔루션의 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화와 동일한 이점을 활용하여 워크스테이션과 노트북에서 실행할 수 있습니다.

성능 확장의 예
증가하는 CPU 코어 수를 사용한 성능 확장의 예
메쉬 분해의 예
OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화를 위한 메시 분해의 예

솔버 성능 개선

멀티 소켓 워크스테이션

다중 소켓 워크스테이션은 이제 매우 일반적이며 대규모 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 새로운 통합 솔버를 사용하면 이러한 유형의 하드웨어를 사용하는 사용자는 일반적으로 HPC 클러스터 구성에서만 사용할 수 있었던 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화를 활용하여 모델을 실행할 수 있어 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있습니다.

낮은 수준의 루틴으로 향상된 벡터화 및 메모리 액세스

대부분의 테스트 사례에서 10~20% 정도의 성능 향상이 관찰되었으며 일부 사례에서는 20%를 초과하는 런타임 이점이 나타났습니다.

정제된 체적 대류 안정성 한계

시간 단계 안정성 제한은 모델 런타임의 주요 동인이며, 2022R2에서는 새로운 시간 단계 안정성 제한인 3D 대류 안정성 제한을 숫자 위젯에서 사용할 수 있습니다. 실행 중이고 대류가 제한된(cx, cy 또는 cz 제한) 모델의 경우 새 옵션은 일반적인 속도 향상을 30% 정도 보여줍니다.

압력 솔버 프리컨디셔너

경우에 따라 까다로운 흐름 구성의 경우 과도한 압력 솔버 반복으로 인해 실행 시간이 길어질 수 있습니다. 이러한 어려운 경우 2022R2에서는 모델이 너무 많이 반복되면 FLOW-3D가 자동으로 새로운 사전 조절기를 활성화하여 압력 수렴을 돕습니다. 테스트의 런타임은 1.9에서 335까지 더 빨라졌습니다!

점탄성 유체에 대한 로그 형태 텐서 방법

점탄성 유체에 대한 새로운 솔버 옵션을 사용자가 사용할 수 있으며 특히 높은 Weissemberg 수에 효과적입니다.

활성 시뮬레이션 제어 확장

능동 시뮬레이션 제어 기능이 확장되어 연속 주조 및 적층 제조 응용 분야에 일반적으로 사용되는 팬텀 개체는 물론 주조 및 기타 여러 열 관리 응용 분야에 사용되는 냉각 채널에도 사용됩니다.

팬텀 물체 속도 제어의 예
연속 주조 응용 분야에 대한 가상 물체 속도 제어의 예
동적 열 제어의 예
융합 증착 모델링 애플리케이션을 위한 동적 열 제어의 예
동적 냉각 채널 제어의 예
산업용 탱크 적용을 위한 동적 냉각 채널 제어의 예

FLOW-3D CAST 아카이브 의 새로운 기능

FLOW-3D CAST는 다양한 금속 주조 해석이 가능한 완벽한 열유동 해석 프로그램으로, 매우 정확한 모델링과 다기능성, 사용 용이성 및 고성능 클라우드 컴퓨팅 기능을 결합한 최첨단 금속 주조 해석 시뮬레이션 플랫폼입니다. 모든 금속 주조 공정에 대해 FLOW-3D CAST는  빠르고 직관적인 해석이 가능한 작업 공간을 제공합니다. 11개 공정에 대한 Workspace, 강력한 후처리, 충진 예측, 응고 및 결함 분석을 통해 FLOW-3D CAST는 최적의 주조 제품 설계에 필요한 도구와 로드맵을 모두 제공합니다.

FLOW-3D Cast는 거의 모든 주조 공정을 모델링 할 수 있도록 설계되었습니다. FLOW-3D Cast의 매우 정확한 유동 및 응고 결과는 표면 산화물, 혼입된 공기, 매크로 및 미세 다공성과 같은 중요한 주조 결함을 포착합니다. 다른 특별한 모델링 기능으로는 로봇 스프레이 냉각 및 윤활, 샷 슬리브 흐름 프로필, 스퀴즈 핀 및 열 응력을 모델링 할 수있는 열 다이 사이클링이 있습니다.

최적화된 시뮬레이션 설계를 통해 개발 시간을 단축하고 출시 시간을 단축하며 수율을 높일 수 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하면 설계 및 개발 비용을 절감할 수 있습니다.

FLOW-3D Cast Brochure Download
FLOW-3D Cast HPDC Brochure Download

FLOW-3D CAST Continuous Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Gravity Die Casting Workspace
FLOW-3D CAST HPDC WorkspaceFLOW-3D CAST Investment Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Low Pressure Sand Casting Workspace
FLOW-3D CAST Low Pressure Die Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Sand Casting WorkspaceFLOW-3D CAST Sand Core Making Workspace
Lost Foam CastingFLOW-3D CAST Tilt Pour Casting
HPDC Oxides Simulation | FLOW-3D CAST
BMW Injector Casting Process – Innovative ingate system for gravity casting
Continuous Slab Casting | FLOW-3D CAST
Horizontal Centrifugal Pipe Casting | FLOW-3D CAST

HPDC Part III – Cooling & Solidification

응고의 특성

  • 용융된 금속의 에너지가 차가운 다이로 손실됨
  • 합금은 온도 범위를 넘어 굳음. 주조의 mushy zone은 액체와 고체의 혼합물이 공존하는 영역임
  • 액체 밀도가 증가하여 고체 밀도에 도달하면 수축때문에 다공성을 생성함

응고시 결함

  • 수축 다공성
    – 거대 다공성 : 액체 공급 실패로 인한 결과
    – 미세 다공성 : 인터덴드리틱 부식으로 인한 결과
  • 최종 액상 영역

시뮬레이션의 필요성

  • 정확한 충진으로 적절한 열의 프로필을 캡처하며, 응고 분석을 위하여 초기조건으로 사용함
  • 냉각 채널(위치와 열 제거)
    – 수축 이동
    – 정상 응고를 촉진
  • 다공성 예측
  • squeeze 핀이 필요할지 결정

Squeeze Pins : 스퀴즈(압착) 핀

  • 국부적인 수축을 감소
  • 플런저 팁에서 비스킷의 강화 압력
  • 응력 모델 유무에 관계없이 응고에 사용

냉각의 특성

  • 부품은 일반적으로 주변 공기에 냉각됨
  • 탄성 응력 및 변형이 발생할 수 있음
    – 주변 유체에 의해 가해지는 힘으로부터
    – 응고된 유체 내의 열 구배로부터
    – 벽과 주변 구성 요소에 의해 부과된 구속조건으로부터

냉각시 결함

  • 굽힘
  • 치수 부정확
  • 소성 변형

시뮬레이션의 필요성

  • 공구 수명의 향상
    – 다이에서 발생하는 응력 및 열 구배 평가
  • 다이 설계 또는 공정 매개 변수의 변경이 허용 가능한지 확인하기 위해 응력 위치 분석
    – 냉각 채널 위치
    – 러너 또는 게이트 설계
    – 스프레이 기간 및 위치
    – 다이 설계

열 응력

  • 유한체적법 (FVM)을 유체 흐름 및 응고 분석에 사용
  • 유한요소법 (FEM)을 응력 분석에 사용
  • FVM과 FEM이 결합된 환경
    – 자동적인 격자 생성
    – 외부 격자 생성기의 중요성

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.kr
홈페이지 | www.flow3d.co.kr

출처 : CAD&Graphics 2018년 03월호

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 >

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

FLOW-3D Cast v4.1's full process 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

Modeling valves and vents in FLOW-3D Cast v4.1

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.

Thermal Die Cycling

Heat transfer database in FLOW-3D Cast v4.1

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.

  1. 핀은 액체 영역에 인접 해 있습니다.
  2. 핀 사이의 경쟁을 피하기 위해 핀이 인접한 액체 경로를 통해 다른 핀에 연결되어 있지 않습니다.
  3. 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

Squeeze pin configuration

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.

Shrinkage distribution squeeze pin model

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.

Macro-shrinkage volume comparison with and without squeeze pins
Figure 3. Macro-shrinkage volume comparison with and without squeeze pins.
Pin activation output
Figure 4. The output of the pin’s activation in HD3MSG file.
The traveled distance of each squeeze pin
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 .

FLOW-3D/MP Software Overview

FLOW-3D  CLOUD 는 사용 가능한 소프트웨어 및 하드웨어 리소스를 수천 개의 컴퓨팅 코어로 확장할 수 있는 클라우드 컴퓨팅 서비스입니다.  FLOW-3D  CLOUD는  Penguin 주문형 컴퓨팅(POD)에 편리하게 설치되며 POD에서 자체 라이선스를 호스팅하거나 설계 및 분석 주기의 피크 시간에 사용량에 따라 비용을 지불할 수 있습니다. 대규모 시뮬레이션, 파라메트릭 연구 또는 실험 계획(DOE)을 실행하도록 설계된  FLOW-3D  CLOUD를 사용하면 클러스터 획득 및 유지 관리에 대한 걱정 없이 시뮬레이션 기능을 확장할 수 있습니다. 또한 Flow Science는 기존 고객에게 할인된 가격으로 시뮬레이션 피크 시간에 대한 HPC 서비스를 제공합니다.

FLOW-3D CLOUD를 사용하면 최첨단 컴퓨팅 노드에서 수백 개의 코어에 액세스할 수 있으며 모든 웹 브라우저를 통해 충실도가 높은 CFD 시뮬레이션에 액세스할 수 있는 유연성을 얻을 수 있습니다. 이 플랫폼을 사용함으로써 우리는 문제와 관련된 복잡한 물리학을 지속적으로 더 잘 해결할 수 있었고 프로젝트에서 상당한 시간을 절약할 수 있었습니다. 클라우드 컴퓨팅은 현대 CFD 방식의 판도를 바꾸는 기술이며 Golder는 이 기술을 채택한 선구자 중 하나임을 자랑스럽게 생각합니다.

W. 데일리 클로한

W. 데일리 클로한Golder Associates Ltd.의 글로벌 CFD 리드