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.

 

Learn more about the versatility and power of modeling metal casting processes with FLOW-3D Cast >

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.

냉각 열 응력과 변형 해석

FLOW-3D로 해석한 냉각 열 응력과 변형 시뮬레이션

Temperature contour after cooling

Flow Science, INC 소속의 AHG Isfahani & JM Brethour기 발표한 FLOW-3D로 냉각 열 응력과 변형을 시뮬레이션 한 결과입니다.

주조 업계에서는 고형화 및 냉각 중 열응력을 예측하고 그 결과로 변형되는 현상을 예측하는 것이 여전히 어려운 과제입니다.

플로우 사이언스는 최근 이러한 종류의 예측을 고객에게 제공하기 위해 FSI(Fuid-Structure Interaction)와 TSE(Thermal Stress Evolution) 모델을 개발했습니다. Fuid-cocus 모델링 포트폴리오에 솔리드 메카니즘이 추가됨에 따라 FLOW-3D*(www.fow3d.com)는 이제 하나의 소프트웨어 패키지에서 완전히 결합된 Auid-structure 상호 작용 모델을 제공하는 몇 안 되는 시뮬레이션 툴 중 하나가 되었습니다.

내장된 유한 요소 분석과 FLOW-3D의 입증된 자유 표면 Aows 기록은 주조 업계에 매력적인 선택입니다. 많은 사용자들이 주조 프로세스를 포함한 유체 구조 상호 작용 문제를 시뮬레이션하기 위해 여러 소프트웨어 패키지를 결합해 왔습니다.

모델 제작자는 Auid 역학을 별도로 해결한 다음 표면 경계 조건을 고체 역학적 패키지로 가져와 응력과 변형을 얻은 다음 변형된 형상을 다시 조류 해결기로 공급하고 주기는 계속됩니다.

이 프로세스의 수동 구현은 지루함을 증명하고 스크립트 및 래퍼를 통해 프로세스를 자동화하는 것은 어려운 일입니다. 게다가, 대부분의 경우 이 커플링은 사례별로 수행되어야 합니다.

FLOW-3D는 이 프로세스의 두 측면을 단일 시뮬레이션의 결과로 두 솔루션이 모두 제공되는 하나의 패키지로 원활하게 통합했습니다.

이 기사에서는 시뮬레이션 결과를 실제 주조 부품의 변형과 비교하는 경우를 제시한다. 부품 및 실험 결과는 Littler Diecast Corporation의 Mark Littler에 의해 제공되었습니다.

Introduction
In the casting industry, the ability to predict thermal stresses and resulting deformations during solidification and cooling continues to be a challenge. Flow Science has recently developed its fuid-structure interaction (FSI) and thermal stress evolution (TSE) models to provide these kinds of predictions to its customers. With the addition of solid mechanics to its existing fuid focused modeling port- folio, FLOW-3D*(www.fow3d.com) is now one of the few simulation tools that provide a fully coupled Auid-structure interaction model within one software package. The built- in finite element analysis along with FLOW-3D’s proven record in free surface Aows makes it an attractive choice to the casting industry. Many users have been coupling multiple software packages in order to simulate fuid-structure interaction problems including casting processes. The modeler solves the Auid mechanics separately, then imports the surface boundary conditions into a solid mechanics package, obtains the stresses and deformations and then feeds the deformed geometry back into the fow solver and the cycle continues. The manual implementation of this process proves tedious and automating it through scripts and wrappers is challeng- ing. Besides, most of the time, this coupling has to be done on a per case basis. FLOW-3D has seamlessly integrated both aspects of this process into one package where both solutions come out as the result of a single simulation. In this article, a case where the simulation results are compared to deformations from an actual cast part is pre- sented. The part and experimental results were provided by Mark Littler of Littler Diecast Corporation.

결론

FLOW-3D는 최근 고체 역학을 컴퓨팅하면서 Auid Aow를 동시에 시뮬레이션하는 기능을 추가했습니다.

업계에서 단일 시뮬레이션 내에서 완전히 결합된 Auid-Structure 상호 작용을 해결할 수 있는 소프트웨어 패키지는 몇 개 되지 않습니다. 이 모델은 선형 후크 모델을 기반으로 하지만 각 시간 단계에서 스트레스가 점진적으로 계산되기 때문에 큰 변형이 가능합니다.

이 방법에서, 각 작은 증가 동안의 응력-변형 관계는 대부분의 경우 선형으로 가정할 수 있다. 또한 다이 및 응고 합금의 온도 의존성 탄성 특성을 지정할 수 있습니다. 이 모델은 열 잔류 응력으로 인해 냉각 중에 부품이 원하는 형상에서 변형되는 주조 업계에 특히 유용합니다.

캐스터는 이러한 변형을 예측하고 다이를 아주 약간만 변화시켜 최종 변형 기하학이 원하는 형태가 되도록 수정합니다.

이 작업은 FLOW-3D 사용자에게 흥미로운 새로운 경로를 제시하며 향후 릴리즈에서 몇 가지 새로운 기능을 제공하는 토대가 됩니다.

그러한 노력에는 플라스틱 변형과 인접한 고체 구성 요소 간, 그리고 고체 구성 요소와 고체화된 Auid 영역 사이의 완전한 결합이 포함됩니다.

Conclusions

FLOW-3D has recently added the capability of simulta- neously simulating the Auid Aow while computing the solid mechanics. There are only a few software packages in the industry that can solve a fully coupled Auid-struc- ture interaction within a single simulation. Although the model is based on a linear Hookean model, large deformations are possible because the stress is computed incrementally during each time step. In this method, the stress-strain relationship during each small incre- ment can be assumed to be linear in most cases. Fur- thermore, temperature-dependent elastic properties of the die and solidified alloy can be specified. This model is particularly beneficial to the casting industry where thermal residual stresses cause the part to deform from the desired geometry during cooling. Casters can predict these deformations and correct for them by changing the die ever so slightly so that in fact the final deformed geometry is the desired shape. This work represents an exciting new path for FLOW- 3D users and serves as a foundation for several new capabilities in future releases. Such efforts will include plastic deformations and full coupling between neigh- boring solid components and between solid components and solidified Auid regions.

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.

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

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

FLOW-3D 내의 Air entrapment model은 충진 동안 금형내에서 혼입되는 공기의 양을 추정하기 위해 사용됩니다. 이 모델은 기본적인 물리적 메커니즘을 기반으로 하고 있으며 정확한 미세기포의 예측이 가능합니다. 고속으로 분사되는 용탕과 공기의 혼합을 예측하는 모델로 사용자는 공기 혼입 결함을 방지하기 위한 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 여러 시행 착오 과정을 줄일 수 있습니다. Air entrapment model에 대한 자세한 내용은 모델링 기능 섹션을 방문하십시오.