[논문]다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템의 터빈 모듈 설계에 관한 연구

최현진; 손영범; 박철우; 이승용; 최성대

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.5.001

Abstract ▼ AI-Helper

Cleaning by injecting dry ice and water is a generally adopted trend these days to clean molds (injection, diecasting foundry, press, rubber mold, etc). This cleaning method is performed manually, or by installing multiple high pressure spray nozzles. We have manufactured a turbine cleaning module d...

Cleaning by injecting dry ice and water is a generally adopted trend these days to clean molds (injection, diecasting foundry, press, rubber mold, etc). This cleaning method is performed manually, or by installing multiple high pressure spray nozzles. We have manufactured a turbine cleaning module device that is able to clean diecasting modules at any position and angle in the space by mounting an articulated robot instead of the existing pipe type injection nozzle, to minimize lead time and enhance working yield of the cleaning process. In this paper, we analyzed process factors that are required to design the turbine module by reviewing number of revolution, and results according to different blade angles and thicknesses of the mold release injection turbine module, using computational fiuid dynamics (CFD).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 기존 배관형 분사노즐을 대신해 다관절 로봇에 장착되어 다이케스팅 금형을 공간상 모든 위치와 각도에서 세척이 가능한 터빈 블레이드 세척 모듈 장치를 제작하였다^[1]. 본 논문은 다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 모듈을 설계하기 위해 전산유체해석(CFD)을 통하여 회전수 및 블레이드의 각도 두께에 따른 경향을 검토하여 터빈 모듈의 설계에 필요한 공정요인에 대하여 분석하였다^[2][3]. Fig.

제안 방법

다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 블레이드 모듈에서 가장 중요한 노즐에서 분사된 유체를 고속의 회전을 통하여 금형에 분사하는 역할을 수행하는 터빈 블레이드에 대하여 각 형상 특징에 따른 경향을 분석하기 위하여 우선 터빈 블레이드의 해석은 회전체 조건을 적용하여 블레이드 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석하였다. 터빈 블레이드의 1차 해석의 블레이드 각도와 두께는 초기 설계사양인 30°와 8 mm의 조건에서 수행하였다.
공정의 리드 타임을 최소화 하여 수율의 감소를 적용하기 위해서는 제작 공정의 프로세스에 일정한 세척 공정을 할 수 있는 모듈 장비가 필요하며 제작 후 금형에 부착된 불순물을 자동으로 세척해 주는 시스템이 필요하다. 따라서 기존 배관형 분사노즐을 대신해 다관절 로봇에 장착되어 다이케스팅 금형을 공간상 모든 위치와 각도에서 세척이 가능한 터빈 블레이드 세척 모듈 장치를 제작하였다^[1]. 본 논문은 다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 모듈을 설계하기 위해 전산유체해석(CFD)을 통하여 회전수 및 블레이드의 각도 두께에 따른 경향을 검토하여 터빈 모듈의 설계에 필요한 공정요인에 대하여 분석하였다^[2][3].
유동해석은 터빈 블레이드 모듈에 대하여 1차적으로 전체 시스템 분석을 통한 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자에 대하여 검토를 하고 유체의 미세 입자분사에 중요한 역할을 하는 노즐부의 분사형태를 검토하였다. 또한 터빈부의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석하기 위하여 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양 조건에서 해석을 수행하였다. 2차 해석은 1차에서 도출된 결과를 바탕으로 블레이드의 형상각도에 따른 영향에 대하여 분석하여 블레이드의 형상 최적각도를 도출하였다.
본 논문은 다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템에 적용되는 터빈 블레이드 모듈을 설계하기 위해 전산유체해석 (CFD)을 통하여 이형재 분사 터빈 모듈의 회전수 및 블레이드의 각도, 두께에 따른 경향을 검토하여 터빈 블레이드 모듈의 설계에 필요한 공정요인에 대하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
유동해석은 터빈 블레이드 모듈에 대하여 1차적으로 전체 시스템 분석을 통한 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자에 대하여 검토를 하고 유체의 미세 입자분사에 중요한 역할을 하는 노즐부의 분사형태를 검토하였다. 또한 터빈부의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석하기 위하여 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양 조건에서 해석을 수행하였다.

대상 데이터

이형재가 분사되는 노즐은 오리피스 Type의 노즐로 유체의 미세 입자분사가 중요하므로 PJ Type(8 mm)를 선정하여 적용하였다. PJ Type 노즐은 안개분사 형태로 분사되어 유체를 매우 작은 입자의 형태로 분사하는 직접가압 방식 노즐이다.

데이터처리

(2) 유체를 매우 작은 입자의 형태로 분사하는 직접 가압방식 노즐에 대한 유속분포를 분석하였으며 노즐유로부의 유속분포와 계산치를 비교검토 하였다.
6은 유동흐름과 유속의 해석결과를 보여준다. 1차 해석은 전체 모델에 대한 전산유체해석을 적용하여 토출공정에서 필요한 공정 요인에 대해서 분석 검토하였다. Table 1은 분사 및 토출공정에 필요한 공정요인 분석표를 보여준다.
2차 유동해석은 1차 해석에서 도출된 결과를 바탕으로 터빈 블레이드의 형상 각도에 따른 영향에 대하여 분석하여 터빈 블레이드의 형상설계의 최적각도를 도출하였다. 터빈의 회전수는 증가 할수록 양호하므로 2차 해석은 최고 회전수 10,000 rpm으로 고정하여 분석하였으며 터빈 블레이드의 두께는 1차 해석결과 가장 양호한 9.

이론/모형

수치해석은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 라는 전산 유체역학이론을 기반으로 한 상용프로 그램인 FloEFD(Engineering Fluid Dynamics)를 활용하였으며 FloEFD는 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 기초로 한다. 이 방법은 운동량 및 질량보존법칙과 에너지보존법칙을 만족 시키기에 용이하도록 적분으로 기초방정식을 이산화하는 방법이며 이러한 법칙은 Navier-Stokes Equations으로 정의된다.
수치해석은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 라는 전산 유체역학이론을 기반으로 한 상용프로 그램인 FloEFD(Engineering Fluid Dynamics)를 활용하였으며 FloEFD는 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 기초로 한다. 이 방법은 운동량 및 질량보존법칙과 에너지보존법칙을 만족 시키기에 용이하도록 적분으로 기초방정식을 이산화하는 방법이며 이러한 법칙은 Navier-Stokes Equations으로 정의된다. 식(1)은 Navier-Stokes Equations의 수식표현이다^[6][7].

성능/효과

(1) 터빈 블레이드 모듈의 전체적인 시스템 분석을 통하여 토출부 노즐의 조건, 터빈 회전수 터빈 블레이드의 두께와 형상각도를 각 토출 공정에 필요한 주요 공정인자로 도출하였다.
(3) 터빈 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양인 30°와 8 mm의 조건에서 터빈의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석한 결과 회전수가 높은 경우가 터빈 회전시 난류의 경향을 낮게 나타나는 경향을 보였다. 그러나 터빈의 회전수는 가변이 가능한 공정요인으로 고정된 값이 아닌 조건에 맞도록 조절하여 사용하는 것이 타당함을 알 수 있었다.
(4) 터빈 블레이드의 두께에 따른 영향은 초기 설계사양인 8.0 mm인 경우는 압력 및 난류에너지가 양호한 결과값이 도출되었으나 기존 설계사양 보다 넓은 9.0 mm인 경우가 가장 양호한 상태라고 판단되어 터빈 블레이드의 두께를 9.0 mm로 설계수정(안)을 제시하였다.
(5) 터빈 최고회전수 10,000 rpm과 터빈 블레이드의 두께를 9.0 mm로 고정한 후 15°, 30°, 45° 3가지 각도 조건으로 해석을 한 결과 유속분포와 전체 압력분포는 블레이드각도가 작으면 작을수록 양호한 결과를 보였으며 고정면Plate의 전단응력은 15°의 각도인 경우가 전체적으로 압력이 고르게 분포 되어 터빈 블레이드의 형상각도는 30° 이하로 적용할 필요가 있음을 알 수 있었다.
(3) 터빈 블레이드의 각도와 두께의 초기 설계사양인 30°와 8 mm의 조건에서 터빈의 회전수에 따른 유체의 흐름을 분석한 결과 회전수가 높은 경우가 터빈 회전시 난류의 경향을 낮게 나타나는 경향을 보였다. 그러나 터빈의 회전수는 가변이 가능한 공정요인으로 고정된 값이 아닌 조건에 맞도록 조절하여 사용하는 것이 타당함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정의 리드 타임을 최소화하여, 수율 감소를 적용하기 위해서 필요한 것은?	고압 스프레이 노즐 방식은 80여개 이상의 분사노즐을 금형 형상에 따라 수작업으로 개별 조절하는 방식이라 금형이 변경 되면 분사노즐의 각도와 위치를 전면 재수정하는 작업이 선행되기 때문에 다품종의 자동차 부품 다이캐스팅 생산에서는 분사노즐의 각도와 위치 수정에 대한 시간이 과도하게 소요되어 생산성 향상의 가장 큰 장애요소 이다. 공정의 리드 타임을 최소화 하여 수율의 감소를 적용하기 위해서는 제작 공정의 프로세스에 일정한 세척 공정을 할 수 있는 모듈 장비가 필요하며 제작 후 금형에 부착된 불순물을 자동으로 세척해 주는 시스템이 필요하다. 따라서 기존 배관형 분사노즐을 대신해 다관절 로봇에 장착되어 다이케스팅 금형을 공간상 모든 위치와 각도에서 세척이 가능한 터빈 블레이드 세척 모듈 장치를 제작하였다[1].
	고압 스프레이 노즐 방식의 문제점은?	이러한 세척 방법은 수동으로 하거나 고압 스프레이 노즐을 다량으로 설치하여 세척하고 있다. 고압 스프레이 노즐 방식은 80여개 이상의 분사노즐을 금형 형상에 따라 수작업으로 개별 조절하는 방식이라 금형이 변경 되면 분사노즐의 각도와 위치를 전면 재수정하는 작업이 선행되기 때문에 다품종의 자동차 부품 다이캐스팅 생산에서는 분사노즐의 각도와 위치 수정에 대한 시간이 과도하게 소요되어 생산성 향상의 가장 큰 장애요소 이다. 공정의 리드 타임을 최소화 하여 수율의 감소를 적용하기 위해서는 제작 공정의 프로세스에 일정한 세척 공정을 할 수 있는 모듈 장비가 필요하며 제작 후 금형에 부착된 불순물을 자동으로 세척해 주는 시스템이 필요하다.
	드라이아이스 및 물을 분사하여 세척하는 방법은 무엇을 설치하여 세척을 진행하는가?	일반적으로 금형(사출, 다이케스팅, 주조, 프레스, 고무금형 등)의 세척을 위한 방법은 드라이아이스 및 물을 분사하여 세척하는 방법이 보급되고 있는 경향이 있다. 이러한 세척 방법은 수동으로 하거나 고압 스프레이 노즐을 다량으로 설치하여 세척하고 있다. 고압 스프레이 노즐 방식은 80여개 이상의 분사노즐을 금형 형상에 따라 수작업으로 개별 조절하는 방식이라 금형이 변경 되면 분사노즐의 각도와 위치를 전면 재수정하는 작업이 선행되기 때문에 다품종의 자동차 부품 다이캐스팅 생산에서는 분사노즐의 각도와 위치 수정에 대한 시간이 과도하게 소요되어 생산성 향상의 가장 큰 장애요소 이다.

참고문헌 (9)

Jang, S. and Choi, H. J., "Flow Analysis of the Flexible Tool Unit for the Impeller Design," Proceeding of KSMTE Autumn Conference, pp. 216, 2013.
Lee, J. S. and Jang, C. M., "Performance Characteristics of Double-Inlet Centrifugal Blower According to Inlet and Outlet Angles of an Impeller," Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 25, No. 2, pp. 191-199, 2014.

원문보기 상세보기
Kim, S., Choi, Y. S., and Lee, K. Y., "A Numerical Study on the Flow Characteristics of Side-suction Inlet Geometry for Centrifugal Pump," Journal of Fluid Machinery, Vol. 12, No. 6, pp. 7-12, 2009.
Choi, H. J., Park, C. W., Kang, I. K., and Choi, S. D., "Flow Analysis of Impellers of Air Floating Unit," International Journal of Manufacturing Technology Engineers, pp. 75, 2013.
Baek, S. H., Jung, W. H., and Kang, S., "Shape Optimization of Impeller Blades for Bidirectional Axial Flow Pump," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, No. 12, pp. 1141-1150, 2012.

원문보기 상세보기
Kang, H. S., Oh, J. S., and Han, J. S., "Shape Optimization of Impeller Blades for 15,000 HP Centrifugal Compressor Using Fluid Structural Interaction Analysis," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 6, pp. 547-556, 2014.

원문보기 상세보기
Seo, J. M., Park, J. Y., and Choi, B. S., "A Numeriacl Study on Shape Design Optimization for an Impeller of a Centrifugal Compressor", Journal of Fluid Machinery, Vol. 17, No. 3, pp. 5-12, 2014.
Jeon, E. C., Youn, G. H., and Kang, C. H., "A Study on Effect of Flow Characteristics for Turbine Impeller Shape", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 4, pp. 36-43, 2014.

원문보기 상세보기
Kim, M. G., Ahn, H. T., Lee, J. T., and Lee, H. G., "Fully Unstructured Mesh based Computation of Viscous Flow around Marine Propellers", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 51, No. 2, pp. 162-170, 2014.

원문보기 상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템의 터빈 모듈 설계에 관한 연구
Study of Turbine Module Design for Die Casting Mold Release Injection Robot System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템의 터빈 모듈 설계에 관한 연구 Study of Turbine Module Design for Die Casting Mold Release Injection Robot System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최현진 (16) 박철우 (7) 이승용 (2) 최성대 (86)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

다이케스팅 이형재 분사 로봇시스템의 터빈 모듈 설계에 관한 연구
Study of Turbine Module Design for Die Casting Mold Release Injection Robot System 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper