[첨단 헬로티]
이토 아키히로 (伊藤 彰宏) 일본이에스아이(주)
다이캐스트의 수치 시뮬레이션 기술은 코스트 절감, 개발 프로세스의 관점에서 그 유용성에 대해서는 많은 사례가 보고되어 있으며, 주조기술자의 경험 세계에서 장래적인 기술 전승을 염두에 둔 기술의 일반화, 범용화 등의 점을 포함해 그 활용의 필요성은 충분히 인지되고 있다.
여기서 말하는 시뮬레이션 기술이란 다이캐스트 제품, 즉 주물의 품질 예측, 품질 개선을 주목적으로 한 용탕의 탕흐름 및 응고 프로세스에 착안한 것으로서 발전해 왔으며, 한편으로 다이캐스트 금형에 관해서는 제품 품질에 직접 관여하는 부분 이외에 대한 적용은 그 계산 시간이나 메시 작성 시간이 소요된다는 상황도 포함해 결과적으로 주목받지 못한 경위가 있다.
그러나 컴퓨터에 의한 계산 속도의 고속화에 동반해, 금형의 응력 변형 계산 등에 대해서도 현저한 스피드업이 인정됐다. 그 결과, 기존 주체적으로 취급되지 못했던 금형에 대해서도 품질 개선이나 코스트 다운, 납기 삭감 등을 목적으로 시뮬레이션 활용이 실용화되고 있다. 이 점 몇 가지 사례를 포함해 이미 그 활용 방법에 대해 제안이 있었다.
이 글에서는 이미 소개된 기술에 대해 일부 최신 정보를 포함해 다시 다루어 본다. 또한 최신 기술을 포함해 다이캐스트 금형을 주체적인 테마로 해, 보다 실용적인 시뮬레이션 기술에 대해 ESI Group의 주조 시뮬레이션 소프트웨어 ‘ProCAST’에 의한 해석 방법을 설명한다.
금형 재료 물성값과 응력해석 모델
시뮬레이션을 하는데 있어서는 주물 및 금형 등의 재료 물성값이 필요하다. 주조 프로세스는 실온에서 용융 온도역까지 폭넓은 온도역의 현상을 동반하기 때문에 그 온도역에서 온도의존성을 포함한 재료 물성값이 필요하다.
재료 물성값의 입수, 결정은 크게 나눠 ①실측에 의한 데이터 채취, ②문헌치 등 기존 데이터의 탐색, 입수, ③역학적 계산에 의한 산출의 3종류를 생각할 수 있다. 이들 방법 모두 그 데이터 취득 방법 및 데이터 그 자체의 신뢰성은 충분히 이해할 필요가 있다.
그 위에 ①은 다품종 재질에 대한 대응이나 미량 성분의 영향 등 모든 데이터를 측정하는 것은 비용 및 기간의 점에서 어려움이 따르고, 고온에서의 데이터 측정 가부에 대해서도 의논이 있다. 또한 ②에 대해서는 필요한 데이터가 반드시 측정 완료, 입수 가능하다고는 할 수 없는 점이 걱정된다.
이 점 ③은 기초가 되는 데이터나 계산 방법에서 오는 활용 범위의 한도 내라면, 필요한 재료 물성값을 계산에 의해 얻을 수 있기 때문에 광범위한 성분계에서 재료 물성값을 취득할 수 있는 장점이 있다. 측정이나 입수가 어려운 재료 물성값의 결정에 유효한 수단으로서 활용이 확대되고 있다.
ProCAST는 Computherm사의 CALPHAD(계산상태도)에 기초하는 소프트웨어 Pandat를 베이스로 한 열역학 재료 데이터베이스(Thermo-Mechanical database)에 의해, 계산에 의한 재료 물성값의 산출 및 시뮬레이션에 대한 적용을 가능하게 하고 있다. 그림 1에 산출한 SKD61의 재료 물성값의 일부를 나타냈다.
그림으로 나타냈듯이 재료 물성값으로서 실온에서 고온까지의 온도의존성을 포함한 데이터를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 열처리나 표면처리 등에 의해 물성값이 변화하는 경우도 생각되는데, 성분계의 차이에 의한 물성값 차이에 대해 계산에 의해 구할 수 있고, 정밀한 측정을 하지 않아도 시뮬레이션에 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한 이러한 재료 데이터를 베이스로 금형의 응력 변형을 계산하는데 있어, ProCAST는 탄성 모델, 탄소성 모델, 점탄소성 모델에 의한 계산이 가능하다. 특히 고온에서는 항복응력이 저하하기 때문에 열팽창 수축에 동반하는 내부 응력 변화에 의해 탄성체로 취급되는 영역을 쉽게 넘어, 탄소성 혹은 점탄소성 거동을 나타낸다고 생각된다.
이와 가팅 가열 냉각 시의 금형 거동을 나타내도록 재료 모델 및 파라미터를 부여함으로써 다이캐스트 프로세스 중에 생기는 금형 열응력을 계산에 의해 예측할 수 있다. 이것은 금형 변형, 피로, 균열 등의 현상 예측에 직접적인 지견을 주기 때문에 금형 제조 시의 코스트 절감이나 제품 품질 개선에 크게 공헌할 것으로 기대된다.
금형 열사이클과 스프레이 냉각해석
기존 제안에서도 말했듯이 ProCAST는 형닫힘에서 주조, 형열림을 거쳐 다시 형닫힘까지의 사이클을 금형의 가열 냉각 프로세스로서 그 온도 이력을 재현할 수 있다. 그림 2에 실제 금형 열사이클 해석 결과와 실측 데이터의 비교를 나타냈다.
계산 결과를 실측 데이터와 근사한 색조의 온도 콘투어 바로 표시함으로써 쉽게 결과 비교가 가능하고, 실측 데이터와 양호한 상관을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것에 의해 실제 프로세스를 정확하게 설정에 반영함으로써 ProCAST에 의해 실제 열분포를 정도 좋게 예측할 수 있는 것을 알 수 있다.
그리고 금형의 온도 분포를 보다 정도 좋게 계산하기 위해 각 프로세스를 보다 정밀하게 표현함으로써 그 정도를 향상시키는 것을 기대할 수 있다. 그 한 예로서 ProCAST는 스프레이 냉각 시의 노즐 이동을 고려한 냉각 설정을 가능하게 하는 기능을 탑재했다.
그림 3에 금형 스프레이 냉각 기능의 개략도를 나타냈다. 그림 중에는 스프레이 노즐의 이동에 따라 냉각 거동이 변화하고 있는 모습을 확인할 수 있고, 단순한 스프레이 냉각의 열전달계수 값을 주는 것만이 아니라, 실제 거동을 설정 상 표현함으로써 보다 신뢰성 높은 온도 분포의 예측이 가능하다.
다이캐스트 금형의 버 발생 예측
양산에서 금형 맞춤면의 미소한 갭이 발생하면, 용탕 삽입에 의해 버가 발행하게 된다. 이것은 후공정에서 버 제거 공수가 증가하기 때문에 생산성을 저해하게 된다. 금형 맞춤면에 갭이 형성되는 원인으로서는 용탕 유입에 의한 금형 용손이나 반복 열사이클을 받음으로써 축적되는 변형으로 생각할 수 있다.
앞에서 말했듯이 유한요소법에 의한 ProCAST는 금형의 열응력해석이 가능하고, 또한 다이캐스트의 용탕 유동을 시뮬레이션에 의해 얻을 수 있기 때문에 이러한 결과로부터 버의 발생을 예측할 수 있다.
그림 4는 금형 열변형에 의한 갭 생성으로부터 버의 발생을 예측한 사례이다. 금형 모델의 열변형에 의한 갭이 계산 결과로서 얻어지고, 이것을 평가함으로써 버 발생의 유무를 평가할 수 있다.
이 사례에서는 갭량이 0.2mm 이상이 되면 버가 발생한다고 평가하고 있는데, 이 한계값에 관해서는 재료나 여러 조건에 따라 다르다는 것을 생각할 수 있으며, 금형 열변형의 예측과 갭량의 평가에 의해 버 발생 예측의 유익한 정보를 얻을 수 있다는 것을 나타내고 있다.
그림 5는 주탕 속도가 큰 부위에 발생한 버의 사례를 나타내고 있다. 박육 주물품에서 고온․고속의 주탕이 생기는 경우에 금형 용손이 생겨 버가 발생하고 있다고 생각되며, 시뮬레이션에 의해 온도 및 속도에 주목해 평가하는 것이 가능하다.
압출핀에 의한 탈형 시뮬레이션
ESI Group는 주조 시뮬레이션 소프트웨어로서 ProCAST를 제공하고 있는데, 그 외에도 여러 가지 CAE 솔루션을 가지며 목적에 따른 소프트웨어 활용을 제안하고 있다. 이들 여러 가지 솔루션의 연계에 의해 하나의 시뮬레이션 영역에 그치지 않고, 부가가치가 높은 예측 기술을 제공하고 있다.
다이캐스트에서도 ProCAST에 의해 금형이나 제품의 변형응력 예측 기술을 제공하고 있는데, 금형 내 제품의 열응력에 의한 금형 부착력을 고려한 압출핀에 의한 제품 탈형 시뮬레이션을 동사 구조해석 통합 솔루션 Virtual Performance Solution(VPS)와 연계해 실시하고 있다.
이것은 열에 의해 발생하는 내부 응력 변화를 ProCAST에 의해 구하고, 그 내부 응력을 고려하면서 압출핀에 의한 외력과 그것에 의해 발생하는 동적 거동을 VPS에 의해 구하는 방법이다.
그림 6에 그 해석 사례를 나타낸다. 그림 중 왼쪽은 간이 형상에 의한 압출력에 미치는 빼기구배의 영향을 계산에 의해 구한 결과이고, 빼기구배를 준 아래 그림에서는 압출핀 하중이 위 그림보다 반감되어 있는 것을 확인할 수 있다.
오른쪽 그림은 실제 금형, 제품 모델에 대한 적용 사례를 나타내고 있다. 이것에 의해 압출핀에 대한 하중을 구할 수 있고, 최적의 핀 수나 배치 등을 사전에 평가해 금형 설계에 반영함으로써 시제작이나 수정을 최소한으로 억제할 수 있으며, 금형 제작에 유익한 정보를 설계 단계에서 검토할 수 있다.
이상, ProCAST를 활용한 금형에 관련된 시뮬레이션 기술에 대해 최신 사례를 포함해 소개했다. 기존과 비교해 실용적인 시뮬레이션을 실시할 수 있는 범위가 넓어지고 있는 것을 알 수 있다. 앞으로 더욱 컴퓨터 성능의 향상이 기대되고, 이에 함께 예를 들면 보다 대형 복잡 형상 모델에 대한 적용이나 미크론 레벨의 상세한 해석, 전공정 및 후공정의 연계 등 그 범위도 더욱 넓어질 것으로 예상된다.
ESI Group에서는 주조 시뮬레이션의 정도 향상에 대응하는 것은 물론이고, 이 글에서 나타낸 기술 확장도 포함해 버추얼 엔지니어링 실용화 검토 개발을 추진함으로써 실제 제조 프로세스에서 시뮬레이션에 의해 한층 더 유익한 정보를 활용할 수 있게 대응해 갈 예정이다.
