[논문]반응고 주조공정에서 평면도 증대를 위한 게이트시스템의 강건설계

송인호; 정성종

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Semi-solid casting(SSC) of magnesium alloys is increasingly being used to produce high quality components. This process is similar to the injection molding of plastics and is called thixomolding. Using this process, higher strength, thinner wall sections and tighter tolerances without porosity are o...

Semi-solid casting(SSC) of magnesium alloys is increasingly being used to produce high quality components. This process is similar to the injection molding of plastics and is called thixomolding. Using this process, higher strength, thinner wall sections and tighter tolerances without porosity are obtained. The high strength and low weight characteristics of magnesium alloys render the high-precision fabrication of thin-walled components with large surface areas. They are widely used for the IT, auto and consumer electronics industries. However, warpage of the thin-walled sections degrade quality of the parts produced in the SCC process. To produce thin-walled magnesium alloy parts, the geometry of gating system on the quality of the finished products should be clearly studied. In this paper, to minimize warpage of the thin-walled sections, Taguchi method is applied to the optimal design of the gate geometry in the thixomolding process. Width, height, length and angle of the gating system are selected for the robust design parameters. Effectiveness of the robust design is verified through the CAE software.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 마그네슘합금(AZ91D)의 반응고 주조공정에서의 평면도 증대와 재료비 절감을 위한 게이트시스템의 강 건설 계에 대하여 연구하였다. 다구찌 방법과 A(34) 직교배열표를 이용하여 게이트시스템의 설계 파라미터를 조합하고.
본 연구는 반응고 주조공정에서 두께가 얇은 제품의 평면도 증대를 위한 게이트 시스템의 강건설계를 목적으로 한다. 이를 위하여 다구찌 실험계획법(8)과 상용 CA.
갖는 제품을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 틱소몰딩 공정에 대하여 연구한다. 틱소몰딩(thixomolding) 공정은 액상 상태에서 교반하지 않고 입상의 초정을 생성시킨 후 주형에 주입하여 빌렛(billet)을 제조한다.

가설 설정

. 주조품의 표면조도가 우수하고 치수정밀도가 향상된다.
. 충진되는 융탕의 온도가 액상주조 보다 낮아 주조품의 표면에 크랙 발생이 적다.

제안 방법

Hu 등", 은 휴대폰 케이스의 게이트(gate)와 러너(runner) 시스템 최적화에 관하여 연구하였다. 그러나, 게이트의 형태를 정형화된 파라미터로 정의하지 않고 출구부분이 분리된 게이트오} 분리되지 않은 게이트로만 구분하여 연구하였다. Kwon 등G은 반응고 주조공정에 대하여 연구하였지만 이는 두께가 얇은【T 제품을 대상으로 하지 않고 자동차용 부품을 대상으로 연구하였다.
대하여 연구하였다. 다구찌 방법과 A(34) 직교배열표를 이용하여 게이트시스템의 설계 파라미터를 조합하고. AnyCasting을 통해 실험계획법에 따라서 수치실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
불균일한 충진은 냉각과정에서 열응력의 차를 발생시켜 배터리 케이스의 휨을 유발한다. 이 휨에 따른 평면도오차를 측정하기 위해 시뮬레이션 수행 후, 각 모서리를 영점 기준으로 설정한 후 Fig. 4와 같이 9개의 노드에서 Z축 변형량을 측정한다. 측정 노드는 각 실험 별로 동일한 지점에 위치시킨다.
이 불균일하게 이루어지기 때문에 제품의 변형을 초래한다. 휴대폰 케이스처럼 두께가 얇은 제품들은 그 품질을 결정하는 요소 중에서 휨(warpage)의 최소화가 가장 중요하다이에 다구찌 실험계획법과 CAE 시스템을 이용하여 최소의 시뮬레이션 횟수로 게이트 입구부의 폭고]- 높이, 게이트 입구부와 출구부 사이의 거리, 각도로 정의되는 게이트 시스템의 강건설계를 수행한다. 이와 같은 게이트 시스템의 깅건설계를 통하여 얇은 성형품의 품질 향상을 도모 하고 게이트 및 러너부분의 부피를 최소화하여 재활용되는 재료의 양을 줄.

대상 데이터

128mm, 높이 7.6mm, 길이 38mm. 각도 9。일 때 최적설계 결과를 가짐을 검증하였다.
본 논문에서는 휴대폰 배터리 케이스의 평면도 증대를 위한 게이트시스템의 강건설계를 위한 반응고 주조 시뮬레이션 수행을 위해 AnyCasting1이 CAE 시스템을 이용한디' 재료로는 전자파 차폐성 (EMI), 비강도, 경량성이 우수하여 IT 제품에 많이 이용되는 마그네슘 합금 AZ91D(ASTM 규격,Mg, Al 9%, Zn 1%)1 사용한다.

데이터처리

각 요인의 제곱합을 그 요인의 자유도(degree of freedom)로 나누면 그 요인의 제곱 평균(meansquare)이 되며, 오차분산과 비교 할 수 있다. 이때 얻어진 값들의 확률적 유의수준은 F-검증을 이용하여 평가한다. 분산 분석표에서 SS는 제곱합, D* OI 자유도, V는 제곱평균, P는 기여도(percentage of contribution), F。는 제곱평균의비로서 F-검증에 사용된다.
6mm, 길이 38mm. 각도 9。일 때 최적설계 결과를 가짐을 검증하였다.

이론/모형

다구찌 기법을 효과적으로 실험조건에 적용하기 위해 직교배열표를 이용한다. 직교배열표는 실험의재현성과 최적 설계조건 선정 시 안정성을 보장하고 실험 인자별 교호작용을 희생 시켜 실험의 크기를 최소화하면서 많은 인자와 그 수준을 포함시 킬 수 있는 장점을 가진다.
한다. 이를 위하여 다구찌 실험계획법(8)과 상용 CA.E 시스템인 AnyCasting(9)을 이용한다. 주조공정에 있어서 적절하지 못한 공정 조건과 게이트 시스템의 기하학적 설계는 사출 시유동의 난류를 유발시켜 공기빼기가 원활하지 못해 기공을 발생시키고 냉긱.

성능/효과

(1) 게이트시스템의 강건설계 결과, 평면도가 향싱되고, 게이트 부의 부피를 최적화 할 수 있음을 확인하였고, 설계 파리미터 중 폭(37.61%)과 길이(38.18%)가 캐비티부분의 평면도 오차에 크게 영향을 미침을 확인하였다.
(2) AZ91D를 이용한 휴대폰 배터리 케이스의 빈응고 주소공정 시 게이트시스템의 형상은 입구부의 폭 13. 128mm, 높이 7.
(3) 최적설계된 게이트시스템의 형상은 기존에 생산 현장에서 시용되는 게이트시스템 보다 부피가 10% 작게 설계되어 생산 비용 절감에 효과적임을 알 수 있다.
281/㎛로 9가지의 게이트 형상보다 최적으로 설계되었고 평면도가 증대되는 것을 검증하였다. 그리고 게이트와 러너 시스템을 강건 설계함으로써 종래의 설계치 대비 게이트시스템의 부-피를 10% 감소하여 비용절감에도 그 효용성이 있음을 입증하였다.
선정된 최적 파라미터로 게이트 시스템을 모델링하여 검증 시뮬레이 션을 수행한 결과, &V비가 -36.027dB 이고 평균 휨이 62.281/㎛로 9가지의 게이트 형상보다 최적으로 설계되었고 평면도가 증대되는 것을 검증하였다. 그리고 게이트와 러너 시스템을 강건 설계함으로써 종래의 설계치 대비 게이트시스템의 부-피를 10% 감소하여 비용절감에도 그 효용성이 있음을 입증하였다.
측정 노드는 각 실험 별로 동일한 지점에 위치시킨다. 측정 시 흰색으로 표시된 부분이 변형 이 가장 많이 발생한 부분이며, 위쪽과 아래쪽을 기준으로 가운데 부분이 볼록하게 변형이 발생하는 것을 확인 할 수 있다. Table 3은 각 실험조건에서 측정된 휨값과 그의 SV비 등을 보인 것이다.

후속연구

향후, 본 연구의 수치실험 결과를 토대로 반응고 주조를 실제 수행하여 그 결과를 확인할 필요가 있겠다.

참고문헌 (13)

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Spencer, D. B., Meharabian, R. and Flemings, M. C., 1972, "Rheological Behavior of Sn-15%Pb in the Crystallization Range," Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 3, pp. 1925-1932.

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