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제안 방법
- 3.1에서 살펴본 6가지 게이트 방안의 충전 거동을 비교·분석한 결과 박육 알루미늄 케이스 성형에 적합한 형태는 주조면 전체에 걸친 인게이트의 형상을 갖는 TT1과 6개의 보조 런너를 갖는 ST2으로 판단되며 이 두 게이트 형상에 따른 속도 분포 및 응고 거동을 살펴보았다.
- 주조 압력은 60 MPa로 설정하였다. 공정 시간은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 주물과 금형이 접촉하는 시간을 8초, 형개 후 외부 경계와 만나는 시간을 7초, 다음 사이클을 위해 준비하는 시간을 3초, 총 1 사이클 시간은 18초로 설정하였다.
- 다이캐스팅 머신은 530 ton 콜드 챔버 다이캐스팅 머신으로, 사출 플런저 직경은 Φ70 mm, 사출 슬리브 길이는 475 mm로 조건을 설정하였고, 플런저 사출 조건은 0.35 m/s의 저속 사출 속도와 2.2 m/s, 3.2 m/s의 고속사출 속도로 설정하였다.
- 주조 공정에서의 금형 온도 변화를 관찰하기 위해서 가상의 열전대를 설치하였고, 미세한 용탕의 충전 거동을 살펴보기 위해서 입자 추적자(particle tracer)를 설정하였다. 또한 요소 분할은 FVM 방식에 의해 수직 좌표 분할 기법을 이용하였고 해석에 이용된 전체 요소 분할 수는 게이트 형상에 따라 각각 30,000,000개와 36,000,000개였다.
- 금형은 SKD61로서 초기 예열 온도는 150o C로 설정하였고, 냉각 채널은 박육 제품의 특성상 사용하지 않았다. 또한 해석 시 금형의 열적 안정을 고려하기 위해 4 사이클의 응고해석을 우선적으로 행한 후 5 사이클에서의 충전 및 응고 해석 결과를 분석하였다. 주조 해석 시 이종 재질 간의 열전달 해석은 매우 중요하다.
- 박육 알루미늄 노트북 케이스 성형을 위한 최적의 게이트 시스템을 선정하기 위해 3가지의 게이트 시스템, 핑거 타입(FT), 탄젠셜 타입(TT), 스프릿 타입(ST)에 따른 용탕의 충전 거동 및 충전 시의 온도 분포에 관하여 시뮬레이션을 실시하였다. 우선 핑거 타입은 손가락 형상과 같은 게이트 시스템으로 충전 시 용탕의 온도 유지 및 분배에 용이한 게이트로 90o와 120o의 입사각을 갖는 게이트 형상에 대한 충전 거동을 시뮬레이션 분석하였고, 그 결과 Fig.
- 본 연구에서는 두께 1 mm 이하 박육 노트북 컴퓨터 케이스 제작을 위한 금형 방안을 설계를 위해 핑거(Finger), 탄젠셜(Tangential), 스프릿(Split) 타입의 3가지 게이트 시스템을 적용하였고, 충전 거동, 응고 거동 등의 결과를 분석하여 결함 및 결함 제어 방안을 강구하고 실제 노트북 다이캐스팅 금형에 적용하여 생산된 제품과 응고 시뮬레이션 해석 결과를 비교 검토하여 최적의 금형 방안을 도출하였다.
- 상용 주조 해석 소프트웨어 중 하나인 MAGMA soft는 다이캐스팅 공정에서 캐비티 내의 충전 거동, 응고 거동뿐만 아니라 주조 중 발생하는 잔류 응력에 관한 해석을 동시에 진행할 수 있다[8]. 알루미늄 노트북 케이스는 상용 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 3D solid 모델링을 한 후 STL 파일로 변환하였고, Preprocessor 과정을 통하여 캐스팅, 인게이트, 런너, 비스켓 등과 냉각 채널 및 금형 등을 설정하였다. 주조 공정에서의 금형 온도 변화를 관찰하기 위해서 가상의 열전대를 설치하였고, 미세한 용탕의 충전 거동을 살펴보기 위해서 입자 추적자(particle tracer)를 설정하였다.
- 용탕의 응고 거동을 관찰함으로 최종 응고영역에서 발생할 수 있는 핫스팟(hot spot)을 예측하였고 이러한 분석을 통해 제품 내 고립되어 응고되는 부분을 예측할 수 있다. Fig.
- 박육 알루미늄 노트북 케이스 성형을 위한 최적의 게이트 시스템을 선정하기 위해 3가지의 게이트 시스템, 핑거 타입(FT), 탄젠셜 타입(TT), 스프릿 타입(ST)에 따른 용탕의 충전 거동 및 충전 시의 온도 분포에 관하여 시뮬레이션을 실시하였다. 우선 핑거 타입은 손가락 형상과 같은 게이트 시스템으로 충전 시 용탕의 온도 유지 및 분배에 용이한 게이트로 90o와 120o의 입사각을 갖는 게이트 형상에 대한 충전 거동을 시뮬레이션 분석하였고, 그 결과 Fig. 2에 나타낸 것과 같다. FT1, FT2 모두 용탕이 초기에 인게이트를 통과하여 얇은 캐비티 벽을 통과하면서 빠르게 냉각되어 액상선 이하의 온도를 가진다.
- 스프릿 타입 게이트 시스템은 용탕의 분배 조절이 가능하고, 런너의 수축에 의한 변형을 최소화할 수 있으며 용탕의 인게이트 도달 시간을 용이하게 조절할 수 있는 장점을 가진다. 이 게이트 시스템에서는 4개의 보조 런너를 갖는 ST1과 6개의 보조 런너를 갖는 ST2에 대해 충전 거동을 살펴보았다. Fig.
- 알루미늄 노트북 케이스는 상용 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 3D solid 모델링을 한 후 STL 파일로 변환하였고, Preprocessor 과정을 통하여 캐스팅, 인게이트, 런너, 비스켓 등과 냉각 채널 및 금형 등을 설정하였다. 주조 공정에서의 금형 온도 변화를 관찰하기 위해서 가상의 열전대를 설치하였고, 미세한 용탕의 충전 거동을 살펴보기 위해서 입자 추적자(particle tracer)를 설정하였다. 또한 요소 분할은 FVM 방식에 의해 수직 좌표 분할 기법을 이용하였고 해석에 이용된 전체 요소 분할 수는 게이트 형상에 따라 각각 30,000,000개와 36,000,000개였다.
- 한편 용탕이 인게이트를 통과하여 캐비티를 충전하는 동안 방향성과 연속성을 갖는 용탕 거동을 확보할 수 있고, 각 게이트 간의 간섭이 없는 탄젠셜 게이트 시스템에서는 Fig. 3에서와 같이 주조면 전체에 걸친 인게이트의 형상을 갖는 TT1과 주조면의 85%의 길이를 갖는 TT2에 대한 충전 거동을 시뮬레이션 분석을 하였다. TT1의 경우 용탕이 캐비티의 얇은 벽을 지나면서 급격히 냉각되어 중심부에서 액상선 이하의 온도 영역이 존재하나, FT 게이트와는 달리 용탕이 비산되지 않았다.
대상 데이터
- 본 시뮬레이션에서 사용한 해석 조건은 Table 1과 같으며, 캐스팅 합금의 재질은 ALDC12, 초기 용탕 주입온도는 670o C,주입된 용탕의 양은 약 250 cm3, 슬리브 충전율은 27% 이하로 설정하였다. 금형은 SKD61로서 초기 예열 온도는 150o C로 설정하였고, 냉각 채널은 박육 제품의 특성상 사용하지 않았다.
데이터처리
- 시뮬레이션 결과 1 mm 이하의 박육 성형에 적용 가능한 TT1 및 ST2 형태를 갖는 금형을 각각 제작하였고, 사용 다이캐스팅 알루미늄 합금인 ALDC12를 이용하여 실제 제품을 제조하여 응고 시뮬레이션 결과와 비교하였다(Fig. 7). 실제 제작된 TT1 게이트 시스템에 의해 제조된 노트북 컴퓨터 케이스는 표면에 탕주름과 함께 미충전 구간이 존재하며, 백 프레셔 (back pressure)에 의해 형성된 영역에서는 거친 표면을 형성하였다.
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