Casting

본 자료는 2023년 10월 27일 FLOW-3D Youtube에 업로드 된 “Sand Casting Simulations | FLOW-3D CAST Webinar”의 내용을 정리한 자료입니다.

1. 주요 테마 및 목적

이 웨비나 발표의 핵심 주제는 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 샌드 캐스팅 설계 전략을 개선하고 주조 결함을 정확하게 식별하는 것입니다. 궁극적인 목표는 “고품질의 결함 없는 주조물을 생산하고, 수율을 극대화하며, 스크랩을 줄이고, 샘플링 비용을 절감하며, 전반적으로 설계 프로세스를 단축하여 생산성을 높이는 것”입니다.

2. FLOW-3D CAST 개요 및 강점

FLOW-3D CAST는 Flow Science에서 개발한 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어로, 금속 주조 시뮬레이션에 특화되어 있습니다. 주요 강점은 다음과 같습니다:

  • 정확성 (Accuracy): “3D 과도 흐름(transient flows)과 자유 표면(free surfaces)을 정확하게 예측”하며, “시뮬레이션된 결함과 실제 현장에서 관찰된 결함 사이에 놀라운 상관관계”를 보여줍니다.
  • 사용 편의성 (Ease of Use): 7가지 주조 공정(고압/저압 다이캐스팅, 영구 금형, 틸트/원심 주조, 로스트 폼, 저압 샌드 캐스팅)에 특화된 워크스페이스를 제공합니다. 각 워크스페이스는 관련 모델, 물리 모델 사전 설정, 공정 기본값, 재료 데이터베이스를 미리 로드하여 “WYSIWYG(What You See Is What You Get)” 인터페이스를 통해 사용자가 빠르게 작업을 시작할 수 있도록 돕습니다.
  • 다용성 (Versatility): 사용자가 모델의 복잡성을 완전히 제어할 수 있습니다. 시뮬레이션 범위를 “상세(Detailed)”, “중간(Intermediate)”, “전체(Full)”의 세 가지로 나눌 수 있습니다.
  • 상세 범위: “공정의 한 부분만 최적화”하는 데 사용됩니다(예: 국자(ladle) 형상 최적화를 통한 산화물 감소).
  • 중간 범위: “대부분의 시뮬레이션 작업”이 이루어지는 곳으로, “전반적인 충전에서 응고, 냉각”까지를 다루며, 결함 분석에 중점을 둡니다.
  • 전체 범위: “공정의 처음부터 끝까지” 전체를 모델링하여 (예: 국자 움직임, 샌드 코어, 충전, 가스 배출, 응고, 냉각 등) 매우 세밀한 그림을 얻을 수 있습니다.

3. 주조 시뮬레이션의 복잡성

금속 주조는 시뮬레이션하기에 매우 복잡한 공정입니다. 발표자는 다음과 같은 요소들을 언급합니다:

  • 충전 단계: 난류(turbulence), 열전달(heat transfer), 공기 혼입(air entraining), 기포(trapped bubbles), 코어 가스 발생(core gas evolution), 금속 전면의 산화물(oxides), 표면 장력(surface tension).
  • 냉각 단계: 전도(conductive), 대류(convective), 복사(radiative) 냉각, 응고 관련 결함(수축 공극, 미세 구조 변화, 열 응력).

4. 시뮬레이션 워크플로우 및 기능

FLOW-3D CAST는 체계적인 워크플로우를 통해 주조 설계를 지원합니다.

4.1. 모델 설정:

  • 재료 선택: 합금 및 금형을 위한 내장 재료 라이브러리를 제공하며, 모든 속성은 사용자 정의 가능합니다.
  • 물리 모델 선택: 샌드 캐스팅 워크스페이스에서는 두 가지 응고 모델을 선택할 수 있습니다.
  • 단순화된 응고 모델 (Simplified Solidification Model): “빠른 결과”를 위한 예비 분석에 사용됩니다. 유체 흐름은 고려하지 않습니다.
  • 주요 수축 모델 (Principal Shrinkage Model): “유체 및 열 흐름”을 기반으로 하며, “높은 정확성”을 제공하고 재료의 재용해 시 부피 팽창을 고려합니다.
  • CAD 지오메트리 가져오기: FAVORS(Fractional Area Volume Obstacle Representation) 메시 시스템을 사용하여 한 단계로 처리됩니다. 설계 초기 단계에는 거친 메시를 사용하고, 최종 설계에 가까워질수록 세밀한 메시를 사용할 수 있습니다.
  • 결과 출력 선택: 사용자는 원하는 출력 데이터(예: 혼입 공기, 유체 분율, 온도, 압력, 고체 분율, 표면 결함 농도 등)를 선택할 수 있습니다.
  • 후처리 (FlowSight): 시뮬레이션 데이터를 시각화하고, 여러 설계 반복을 나란히 비교하며, 고품질 출력 영상을 생성할 수 있는 도구입니다.

4.2. 설계 워크플로우 예시 (예비 응고 및 공극 예측):

  • 초기 부품 분석 (Preliminary Solidification and Porosity Prediction):
  • 재료 및 금형 속성을 선택하고 “단순화된 응고 모델”을 사용하여 “리깅이 없는 부품 자체”를 분석합니다.
  • “주조성에 내재된 결함”을 파악하고, “공극 예측 도구”를 사용하여 결함이 예상되는 영역(예: 중력으로 인한 초기 수축, 얇은 단면의 조기 응고, 스포크 접합부 및 허브의 공극)을 식별합니다.
  • 라이저 배치 및 비교 (Riser Placement and Comparisons):
  • 초기 분석 결과를 바탕으로 라이저 위치와 크기를 최적화하여 “수축 공극을 이동시키거나 완화”하고 “라이저가 마지막으로 응고되도록” 합니다.
  • FlowSight의 “콘텍스트 파일” 기능을 사용하여 여러 라이저 설계를 쉽게 비교할 수 있습니다. 발표자는 더 큰 중앙 라이저가 공극을 크게 줄이는 데 효과적임을 보여줍니다.
  • 러너 및 게이팅 설계 (Runner and Gating Design):
  • 라이저 배치 및 응고 동작이 만족스러우면 러너와 게이트를 추가합니다.
  • “자유 표면 결함 농도(산화물 형성 지표)”와 “혼입 공기량(난류 지표)”을 분석하여 충전 거동을 평가합니다. 발표자는 “난류가 상당히 많고 약간의 산화물 정보가 이동”하는 것을 확인하며, “채우는 속도가 너무 높은 것” 같다고 판단합니다.
  • 주요 수축 검증 (Principal Shrinkage Verification):
  • “주요 수축 모델”을 사용하여 설계를 최종 검증합니다. 응고 동작을 다시 확인하고 “결함 부피가 없는지” 확인합니다.
  • 발표자는 난류가 너무 심하다고 판단한 초기 충전 속도를 조절하여 “훨씬 더 고른 충전”과 “난류 감소”를 달성합니다. “금속이 바닥에서 위로 채워지므로 금형에 더 이상의 결함을 유발하지 않습니다.”

4.3. 추가 사례 연구 및 기능 시연:

  • 토로이드 하우징 (Toroid Housing):
  • 샌드 코어 도입 시 열전달과 가스 발생을 분석할 수 있음을 보여줍니다.
  • 라이저를 공극 예상 영역에 직접 배치하여 공극을 완화하는 방법을 시연하고, 더 큰 직경의 라이저가 공극을 라이저 내부로 성공적으로 이동시켰음을 보여줍니다.
  • 세 가지 다른 게이팅 디자인에 대한 “공기 혼입”을 비교하여 “초기 디자인이 여전히 가장 잘 작동”함을 확인합니다.
  • “자유 표면 결함 농도”와 “게이트 플럭스 표면(트레이서)”을 사용하여 각 게이트에서 유입된 금속이 금형 내에서 어디로 이동하는지 추적하는 상세 분석 기능을 보여줍니다.
  • V8 크랭크샤프트 (V8 Crankshaft):
  • 복잡한 부품의 응고 거동을 분석합니다. 초기에는 “핀 가장자리에서 상당한 공극”이 관찰됩니다.
  • 단일 스프루와 스텝 라이저 시스템을 갖춘 게이팅 설계를 통해 “개별적으로 채워지는지” 확인하고 “라이저가 마지막으로 채워지는지” 시각적으로 확인합니다.
  • “주요 수축 모델”과 “열 제어(라이저 슬리브 및 다른 종류의 칠)”를 사용하여 공극을 관리하는 기능을 보여줍니다. “칠을 사용하면 공극을 가장자리에서 멀리 이동”시킬 수 있음을 보여줍니다.

5. 결론 및 이점

FLOW-3D CAST는 주조 엔지니어가 다음과 같은 이점을 얻을 수 있도록 돕습니다:

  • “새로운 지오메트리를 시뮬레이션에 쉽게 업로드하여 설계 반복을 신속하게 조정하고 다시 실행”할 수 있습니다.
  • “샌드 캐스팅 시 수축 공극을 정확하게 식별”할 수 있습니다.
  • “공기 혼입, 난류 및 산화 현상 중 충전 거동에 대한 매우 명확한 분석”을 제공합니다.
  • “직관적인 후처리를 통해 설계 기준을 쉽게 검증”할 수 있습니다.