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문제 정의
- 본 연구에서는 스탬핑 및 하이드로포밍 공정의 성형한계성을 극복하는 액상공정으로 미세채널을 가진 박막제조의 가능성을 제안하고자 한다. ALDC 6(Al-Mg계) 알루미늄 합금은 주조성이 좋지 않아 박육 제품을 성형하는 것에 어려움이 예상되지만 고강도 및 고인성 특히 내식성이 우수한 합금으로서 분리판에 적합한 소재라 판단된다[6,7].
- ALDC 6(Al-Mg계) 알루미늄 합금은 주조성이 좋지 않아 박육 제품을 성형하는 것에 어려움이 예상되지만 고강도 및 고인성 특히 내식성이 우수한 합금으로서 분리판에 적합한 소재라 판단된다[6,7]. 분리판이 스택에 적층되어 구성요소들을 지지 할 때, 리브(rib) 부분이 박막면(Membrane)과 서로 맞닿는 모서리 부분에서 응력집중에 의한 변형을 막고, 금속분리판의 부식으로 인한 MEA(Membrane electrode assembly)의 오염을 막기 위해서 본 연구에서 사용되었다.
제안 방법
- 11(a)처럼 디지털현미경을 이용하여 측정하였다. 경도측정은 비커스 경도기를 사용하여 실시하였다. 시편의 평균 두께는 0.
- 8 mm 분리판의 금형 설계 방안은 채널 부분에서 용탕의 충전 거동을 예측하는 것이 매우 중요하다. 그러므로 게이트를 통하여 용탕이 캐비티 내로 흘러 들어 갈 때, 채널부분에서 용탕의 충전 거동 및 온도 분포를 속도 조건 2로 설정하여 각각의 모델링에 대해서 비교하였다.
- Ohnaka[10]는 금형 표면에 알루미늄 용탕이 흐를 때, 대류 열전달 계수를 1260 W/m2K로 제한하였으나, 본 해석에서는 금형 내부와의 열전달 계수는 열전달 효과를 보다 크게 하기 위하여 액상선 이상일 경우 7,000 W/m2K, 고상선 이하일 경우는 3,000 W/m2K이며, 금형과 금형 사이에서는 1,000 W/m2K로 설정하였다[11]. 금형 온도에 따른 유동 특성을 배제한 실제 실험과 유사한 해석결과를 얻기 위하여 총 5회 사이클을 수행 한 후 충전 및 응고 해석 결과를 도출하였다.
- 8 mm)을 용탕의 충전 거동과 응고해석을 통하여 채널의 위치 및 방향을 설정하였다. 또한, 사출속도에 대한 성형성의 영향력을 조사하기 위해 각 플런저(Plunger)의 스트로크(Stroke) 제어 조건 (저속 및 고속구간의 속도 조건)에 대한 시뮬레이션을 수행하여 실제 다이캐스팅의 실험 제품과 비교하였다.
- 분리판의 활성 면적은 50 × 50 mm이며, Serpentine flow 채널이 반응가스의 확산에 필요한 표면적이 넓고, 화학반응에 의해 생성된 물을 효과적으로 제거하는 장점이 있으므로 채널의 형상을 Serpentine type으로 설정하였다[8].
- 상용 3차원 CAD 소프트웨어인 NX6을 이용하여 3차원 모델링 수행한 다음 STL 파일로 변환하였다. 주조 전용 상용 code인 MAGMA soft의 전 처리기에서 STL 파일로부터 cast, gate, biscuit, runner, inlet 등의 material group을 생성하였고, cover die 및 ejector die, 진공 벤트 등은 MAGMA soft의 자체 형상 모델러를 이용하여 생성하였다.
- 용탕이 게이트를 통과하여 캐비티 절반까지는 균일한 온도분포를 보이지만, 최종 충전부위인 오버플러우 부근에서 온도강하가 발생하므로 채널의 방향과 위치는 Model 3처럼 충전방향인 세로방향으로 게이트에 근접한 위치가 적절한 것으로 판단되며, 이로 인하여 금형 방안을 설정하였다.
- 상용 3차원 CAD 소프트웨어인 NX6을 이용하여 3차원 모델링 수행한 다음 STL 파일로 변환하였다. 주조 전용 상용 code인 MAGMA soft의 전 처리기에서 STL 파일로부터 cast, gate, biscuit, runner, inlet 등의 material group을 생성하였고, cover die 및 ejector die, 진공 벤트 등은 MAGMA soft의 자체 형상 모델러를 이용하여 생성하였다. 요소분할은 FVM (Finite Volume Method)방식으로 thin-walled project에 적합한 mesh solver 5를 이용하였다.
- 주조해석프로그램인 MAGMA soft를 이용하여 serpentine type의 유로 채널(활성면적: 50 × 50 mm)이 삽입된 알루미늄 박판(가로 × 세로: 200 mm × 200 mm, 두께: 0.8 mm)을 용탕의 충전 거동과 응고해석을 통하여 채널의 위치 및 방향을 설정하였다.
- 5 mm 이다. 채널 부분에서 용탕의 유동성 감소를 고려하고 사출 후에는 제품을 원활하게 제거하기 위하여 채널 폭은 30도의 구배를 갖도록 설정하였다.
- 캐비티 형상에 대한 해석결과를 통하여 금형의 캐비티를 Model 3으로 설정하였으며, 저속 및 고속구간에서 플런저의 속도조건에 따른 시뮬레이션 및 실험 결과를 분석하였다.
- 용탕의 탈가스처리를 한 다음 성분 분석된 ALDC 6 합금의 성분 요소를 Table 5에 나타내었다. 플런저의 속도조건 당 제품을 5회씩 사출하였으며, 진공에 대한 효과를 알아보기 위해 성형성이 가장 좋은 속도조건에 대해서는 진공펌프 작동을 중단하여 제품을 5회 사출하였다.
대상 데이터
- 3과 같으며, 해석에 이용된 대표적인 물성치는 Table 1에 각각 나타내었다. Cast의 재질은 ALDC 6 (MAGMA data: AlMg3)로서 용탕 주입온도는 720℃로 설정하고, 금형의 재질은 SKD61종이며, 금형 온도는 200℃로 설정하였다.
- MAGMA soft에서 사용된 다이캐스팅 기는 660 ton 콜드 챔버 머신이며, 풀런저의 직경은 ∅75 mm, 사출 슬리브(sleeve)의 길이는 475 mm, 저속에서 고속구간으로 변하는 지점을 405 mm로 설정하였다.
- 박판 알루미늄의 캐비티(Cavity) 사이즈는 가로 200 mm, 세로 200 mm, 두께 0.8 mm이며, Fig. 1은 채널의 방향과 위치를 선정하기 위한 캐비티 형상의 3차원 모델링이다. Model 1은 런너(Runner), 게이트(Gate), 오버플러우(Overflow)를 포함한 박판형태의 모델링이며, Model 2은 세로(충전)방향으로 오버플로우와 근접한 위치에 삽입된 형태, Model 3은 세로방향으로 게이트와 근접한 위치에 삽입된 형태, Model 4은 채널이 가로 방향으로 게이트와 근접한 위치에 삽입된 형태이다.
- 직교좌표 분할에 의해 분할된 요소의 개수는 박판의 경우 7,313,241개, cast에 해당하는 metal cell 요소의 수는 241,126개 이다. 채널 삽입형은 12,182,378개, metal cell의 수는 340,231 개로 설정하였다.
- 채널이 90도로 바뀌는 지점은 유동박리 현상이 발생하는 부분으로 square bend type이 circular bend type보다 유동박리 및 압력저하 적게 발생하기 때문에[9] 밴드부를 square type으로 설정하였다. 채널의 수는 10개, 리브(rib)는 11개, 벤드는 8개이며, 채널의 깊이와 폭은 1.5 mm 이다. 채널 부분에서 용탕의 유동성 감소를 고려하고 사출 후에는 제품을 원활하게 제거하기 위하여 채널 폭은 30도의 구배를 갖도록 설정하였다.
이론/모형
- 주조 전용 상용 code인 MAGMA soft의 전 처리기에서 STL 파일로부터 cast, gate, biscuit, runner, inlet 등의 material group을 생성하였고, cover die 및 ejector die, 진공 벤트 등은 MAGMA soft의 자체 형상 모델러를 이용하여 생성하였다. 요소분할은 FVM (Finite Volume Method)방식으로 thin-walled project에 적합한 mesh solver 5를 이용하였다. 직교좌표 분할에 의해 분할된 요소의 개수는 박판의 경우 7,313,241개, cast에 해당하는 metal cell 요소의 수는 241,126개 이다.
성능/효과
- 1) 금형 형상에 대한 분리판의 방향 및 위치는 충전방향으로 게이트에 근접한 위치가 적절함을 알 수 있었다.
- 2) 저속구간의 속도 0.3 m/s, 고속구간 2.5 m/s 일 때 성형성이 가장 좋은 속도조건으로서 저속구간에서는 낮은 속도로 설정하며, 고속구간에서는 용탕이 얇은 캐비티의 후면에서 냉각이 되지 않도록 고속으로 가압해야 한다.
- 3) 두께 0.8 mm 분리판의 경우, 성형성을 확보하기 위해 Si 함유량이 높은 주조용 알루미늄 합금을 선정하고, 사출 후에는 코팅처리를 시행하는 것이 좋을 것이라 판단된다.
- 4) 진공 다이캐스팅이 일반 다이캐스팅에서 발생하는 가스 포집에 의한 기공을 제거하는 효과가 크다는 것을 알 수 있다.
- 8 mm 이상으로 본래의 두께보다 높았으며, 충전방향으로 오버플러우에 근접할수록 두께 값이 작았다. 경도 값도 게이트와 접한 부분에서 높게 측정되었으며, 채널 끝부분에서부터 70 Hv이하로 낮게 측정되었다. 이는 제품의 채널 끝부분과 이젝터 핀 주위에서 탕주름이 존재하는 이유로서, 용탕이 채널과 이젝터 핀 부분을 지나면서 온도 및 속도강하로 인하여 냉각 현상이 발생하였고, 부분적으로 냉각된 용탕은 오버플러우까지 빠져나가지 못하여 발생한 것이라 판단된다.
- 플런저의 저속 및 고속구간의 속도 조건은 Table 4와 같이 시뮬레이션 조건과 동일하다. 금형 온도에 따른 용탕의 유동 특성을 배제하고자 실험 시작 전 5회의 예비사출을 통해 금형의 온도를 200℃로 안정화하였다.
- 저속구간의 속도 0.3 m/s, 고속구간 2.5 m/s 일 때 성형성이 가장 좋은 조건이며 80%이상 완제품을 얻을 수 있었다. 대부분의 조건에서 미충전 발생한 이유는 ALDC 6 합금에는 주조성과 관계되는 Si 함유량이 미소하기 때문이며, 주조 결함이 많은 것은 채널부분에서 용탕이 1.
- 캐비티가 게이트와 접한 부분에서는 두께 값이 0.8 mm 이상으로 본래의 두께보다 높았으며, 충전방향으로 오버플러우에 근접할수록 두께 값이 작았다. 경도 값도 게이트와 접한 부분에서 높게 측정되었으며, 채널 끝부분에서부터 70 Hv이하로 낮게 측정되었다.
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