Cut Cell 방법을 활용한 공정별 주조유동해석 적용 연구

최영심 한국주조공학회 2023 한국주조공학회지 Vol.43 No.6

일반적으로 주조품은 복잡한 형상을 가지고 있고 , 한 제품 내에서 두께의 차이가 현저하게 나는 경우가 있어 시뮬레이션을 위한 격자를 생성할 때 어려움이 있다 . 주조 유동은 이상유동으로 수치해석을 할 때 공기와 용탕의 경계면을 추적해야하며 밀도차에의한 압력장 계산에 많은 시간이 소요된다 . 이와 같은 이유로 주조유동해석에는 직교격자가 주로 이용되어왔다 . 그러나 직교격자는형상을 제대로 표현하지 못한다 . 곡면에서 나타나는 계단형상 격자로 인해 모멘텀 손실이 발생하고 이로 인해 용탕의 흐름이 달라질 수 있으며 결과적으로 잘못된 주조 방안 설계를 할 수 있다 . 이를 피하기 위하여 직교격자계에서 형상을 좀 더 정확하게 표현하기 위하여 많은 수의 격자를 생성하여 해석을 한다 . 또는 직교격자계에서 발생하는 문제를 수치적으로 보완하는 Cut Cell 방법을 적용하여 해석하는 방법이 있다 . 본 연구에서는 직교격자계에서 주조유동해석을 할 때 격자수에 따른 해석결과와 Cut Cell 방법을 적용한 해석 결과를 비교하였다 . 또한 주조공정별로 실제제품을 주조유동해석을 하고 공정별로 Cut Cell 방법을 적용한 결과를 고찰하였다. In general, castings often have complex shapes and significant variations in thickness within a single product, making grid gen-eration for simulations challenging. Casting flows involve multiphase flows, requiring the tracking of the boundary between air andmolten metal. Additionally, considerable time is spent calculating pressure fields due to density differences in a numerical analysis. For these reasons, the Cartesian grid system has traditionally been used in mold filling simulations. However, orthogonal grids failto represent shapes accurately, leading to a momentum loss caused by the stair-like grid patterns on curved and sloped surfaces. This can alter the flow of molten metals and result in incorrect casting process designs. To address this issue, simulations in theCartesian grid system involve creating a large number of grids to represent shapes more accurately. Alternatively, the Cut Cellmethod can be applied to address the problems arising from the Cartesian grid system. In this study, analysis results based on thenumber of grid in the Cartesian grid system for a casting flow analysis were compared with results obtained using the Cut Cellmethod. Casting flow simulations of actual products during various casting processes were also conducted, and these results wereanalyzed with and without applying the Cut Cell method.

주조유동해석 검증을 위한 수모델 실험 연구

최영심 한국주조공학회 2024 한국주조공학회지 Vol.44 No.6

In modern manufacturing, CAE and numerical analysis technologies are essential for product design and production processes, enabling the prediction and optimization of product performance. The importance of accurate flow analysis in casting processes has also increased. This study conducts water model experiments to validate the effectiveness of the Cut Cell method used in casting flow analysis. A transparent acrylic casting shape model was fabricated, and experiments were conducted using a gravity casting approach, with results captured by a high-speed camera. The accuracy of the Cut Cell method was compared to the traditional numerical method. The experimental results demonstrated that the Cut Cell method exhibited higher symmetry and accuracy than conventional approaches, effectively addressing the complexities of casting gate systems. The Cut Cell method provides more accurate outcomes in casting flow analysis and is expected to contribute to improvements in casting design. These findings highlight the potential for efficient application of CAE technologies in the casting industry. 현대 제조업에서 CAE와 수치해석 기술은 제품 설계와 생산 과정에 필수적으로 활용되고 있으며, 이를 통해 제품의 성능을 예측하고 최적화할 수 있다. 또한, 주조 공정에서는 정확한 유동해석의 중요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 주조유동해석에서 사용되는 Cut Cell 방법의 유효성을 검증하기 위해 수모델 실험을 수행하였다. 투명 아크릴 주조형상 모델을 제작하고 중력주조 방식으로 실험을 진행하였으며, 고속카메라를 활용하여 결과를 확인하였다. 이를 통해 Cut Cell 방법과 기존 수치해석법의 정확성을비교하였다. 실험 결과, Cut Cell 방법은 전통적인 방법보다 더 높은 대칭성과 정확성을 보였으며, 주조 탕구계의 복잡성에 효과적으로 대응하였다. Cut Cell 방법은 주조유동해석에서 보다 정확한 결과를 제공하며, 향후 주조방안 설계 개선에 기여할 수 있을것이다. 이러한 결과는 주조 산업에서 CAE 기술의 효율적인 활용 가능성을 제시한다.

이임사 ( 한국주조공학회 , 한국주조공학회지 ( 주조 ) 제 20 권 , 제 6 호 , 2000 )

최상호 한국주조공학회 2000 한국주조공학회지 Vol.20 No.6

N/A

한국 전통 유기 제작에서 결함을 방지하기 위한 기계 학습 기반의 공정 조건 선택 방안

이승철,한도석,이혁,김낙수 한국주조공학회 2022 한국주조공학회지 Vol.42 No.4

In the present study, in order to prevent the misrun defects that occur during traditional brass casting, a method for selecting the proper casting process conditions is proposed. A learning model was developed and demonstrated to be able to learn the presence or absence of defects according to the casting process conditions and to predict the occurrence of defects depending on the certain pro- cess given. Appropriate process conditions were determined by applying the proposed method, and the determined conditions were verified through a comparison of different simulation results with additional conditions. With this method, it is possible to determine the casting process conditions that will prevent defects in the desired sand model. This technology is expected to contribute to real- ization of smart traditional brass farming workshops 본 연구에서는 전통 유기 주조 시 발생하는 미충전 결함을 방지하기 위하여, 주조 공정 조건 선택 방안을 제시하고자 한다. 공정 조건에 따라 발생하는 결함 유무를 학습하여 어떠한 공정 조건이 주어질 때, 결함 발생 여부를 예측하는 인공지능 모델을 개 발하고 검증하였다. 이를 응용하여 적합한 공정 조건을 결정하였고, 추가적인 시뮬레이션의 결과를 상호 비교하여 결정된 조건을 검증하였다. 이를 통해 원하는 사형 모델에서 결함을 방지할 수 있는 주조 공정 조건을 결정할 수 있다. 이와 같은 기계학습 및 전통기술 표준화를 통해 향후 전통 유기의 스마트 공방화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

알루미늄 합금 주조공정의 쉘 코아 가스 발생 전산모사 연구

조인성,남정호,김희수 한국주조공학회 2023 한국주조공학회지 Vol.43 No.4

Shell core making is an excellent process in terms of formability and desanding, but when the molten aluminum comes into contact with the shell core, gas generation by pyrolysis of the resin is inevitable. In addition, when the ventilation is inadequate, pores will remain inside the casting, which can directly lead to defects of the casting. While studies on the gas generation behavior of shell core making have been reported, the modeling of gas generation has not been extensively investigated. We will develop a gas evolution analysis method that considers the relationship between temperature and gas quantity for the core to be developed. We then use the developed method to analyze the flow and solidification behavior of metal molten metal during core mold design and low-pressure casting of cylinder head products, and predict the occurrence of casting defects to derive a casting method that minimizes the occurrence of defects. 쉘 중자 공법은 성형성, 탈사성에 있어서는 뛰어난 프로세스이나, 고온의 알루미늄 용탕이 중자와 접촉할 때 수지의 열분해에의한 가스발생이 필연적이며, 이의 배출이 원활하지 못할 때에는 주물내부에 기공 등으로 남게 되어 주조품의 내기밀성에 직접 영향을 미친다. 쉘 중자 이용 시 가스발생거동에 대해서는 일본에서 약간의 연구가 있었으나, 직접적인 예측 결과는 발표되지 않았고, 특히 가스발생에 대한 모델링이 성립되어 있지 않아 이의 연구는 아주 미미한 상태이다. 개발되는 코어에 대한 온도-가스량과의 관계를 고려한 발생 가스량 시뮬레이션 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 실린더 헤드 제품의 코어 금형 설계 및 저압주조 시금속 용탕의 유동 및 응고 거동을 해석하고 주조결함 발생을 예측하여 결함발생을 최소화 하는 주조방안 도출하고자 한다.

제74차 세계주조대회 (74th WFC) 결과 보고

한국주조공학회 한국주조공학회 2023 한국주조공학회지 Vol.43 No.1

각종 주물사의 특성과 주강품 주조에 적합한 인공사 선택

김광식,김재형,김명준,김지태,권기명,김성규 한국주조공학회 2023 한국주조공학회지 Vol.43 No.3

Natural silica sand was commonly used for sand casting of cast steel products, and chromites sand was used to suppress seizure defects due to the lack of thermal properties of silica sand. However there are disadvantages such as deterioration by repeated use, system sand mixing problem, difficulty separating and removing, increased during mold according to high density and to being waste containing chrome. Recently, industrial waste reduction and atmospheric environment improvement have been highlighted as important tasks in the casting industry. In order to solve the problems that occur when using foundry Sand and to improve the environment of casting factories, various artificial sands that can be applied instead of natural silica sand have been developed and introduced. Artificial sands can be clas- sified into artificial sand manufactured by the electric arc atomization or gas flame atomization, artificial sand manufactured by the spray drying & sintering process, artificial sand manufactured by the sintering & crushing process and exhibit different physical properties depending on the type of raw-minerals and manufacturing method. In this study, comparative evaluation tests were conducted on the phys- ical properties of various foundry sands, mold strength, physical durability, thermal durability, and casting test pieces. When compre- hensively considering the actual amount of molding sand used according to density, the mold strength according to the shape of sand, the physical and thermal durability of foundry sand, and the heat resistance characteristics of foundry sand, ‘Molten artificial sand A1’ or ‘Molten artificial sand B’ is judged to be the most suitable spherical artificial sand for casting of heavy steel castings. 주강품 사형주조에는 천연규사가 보편적으로 사용되었고 , 규사의 열적특성 부족에 의한 소착결함 억제를 위해 , 크로마이트사가 사용되기도 하였으나 , 반복 사용에 의한 골재 열화 , 시스템샌드 혼입 문제 , 분리 제거의 어려움 , 높은 밀도에 따른 조형 시 하중증가 , 크롬함유 폐기물이 되는 단점이 있다 . 최근에는 주조업계의 중요한 과제로써 산업폐기물 저감 및 대기환경 개선이 부각되고 있다 . 종래의주물사 사용 시 발생되는 문제점 해결과 주조공장의 환경개선을 위해서 , 천연사를 대체 적용할 수 있는 다양한 인공사가 개발되어 소개되고 있다 . 인공사는 용융분사법으로 제조된 인공사와 조립소결법으로 제조된 인공사 및 분쇄법으로 제조된 인공사로 분류할 수 있으며, 원료광물의 종류 , 제조공법에 따라 상이한 물리적 특성을 나타낸다 . 본 연구에서는 각종 주물사의 물성 , 주형강도 , 물리적 내구성 , 열적 내구성 , 소착시험편 주조 등의 비교 평가시험을 하였다 . 밀도에 따른 주물사 실사용량 , 주물사 형상에 따른 주형강도 , 주물사의물리적 및 열적 내구성 , 주물사의 내열특성을 종합적으로 고려하였을 때, 아크용사법으로 제조된 용융인공사 A1 또는 분말식화염용사법으로 제조된 용융인공사 B가 대형주강품 주조에 가장 적합한 구형의 인공사로 판단된다.

자동차 Brake Disc 적용을 위한 과공정 Al-Si합금 조성 및 차압주조 공정 최적화

윤필환 한국주조공학회 2025 한국주조공학회지 Vol.45 No.6

본 연구에서는 과공정 Al-Si-Cu 합금 (Al-18Si-xCu-0.55Mg-0.5Fe-0.2Ti)과 차압주조 (Counter Pressure Casting, CPC) 공정 을 적용하여 경량 , 고방열 알루미늄 brake disc를 개발하고자 하였다 . 열역학 계산 및 Scheil 응고 시뮬레이션을 통해 과공정 Al- Si-Cu 합금에서 Cu첨가량 (1~4wt.%)에 따른 상 형성 거동을 예측하였고 , 주조 시뮬레이션을 통해 금형의 주조방안과 냉각 채널을 설계하고 , 제작된 금형을 차압주조기에 장착한 후 시제품을 주조하며 주조조건을 최적화하였다 . 제조된 brake disc 시제품은 X-ray 1등급과 내부 가스 함량은 평균 3.8 cc/Al·100 g 수준이었으며 , 기계적 및 열적 특성 평가 결과 , 인장강도와 연신율은 2 wt.%Cu 합금 에서 각각 216.41 ± 3.7 MPa과 1.21±0.1%로 최고치를 나타내었고 , 경도는 3 wt.%Cu 합금에서 103.4 ± 1.2HB로 최고치를 보였으나 , 4wt.%Cu 합금에서는 다시 95.6±1.9HB로 감소하였다 . 열전도도는 4 wt.%Cu 합금의 경우 159.2 W/m·K로 측정되었는데 , 이는 기존 brake disc 소재인 회주철 (gray cast iron) 대비 약 3배 향상된 수치였다 . 이러한 결과는 Cu 첨가량 및 차압주조 공정 최적화를 통해 기존 주철제 brake disc 대비 높은 경량화 및 열적, 기계적 특성이 우수한 Al제 brake disc 제조 가능성을 확인할 수 있었다. In this study, lightweight and high-thermal-conductivity aluminum brake discs were developed by applying a hypereutectic Al– Si–Cu alloy (Al–18Si–xCu–0.55Mg–0.5Fe–0.2Ti) and the counter pressure casting (CPC) process. Thermodynamic calculations and Scheil solidification simulations were conducted to predict the phase formation behavior according to the amount of Cu added (1–4 wt.%). Based on casting simulations, the mold gating and cooling channel designs were optimized, after which prototype discs were produced using the CPC process. The fabricated brake discs exhibited X-ray grade 1 quality with an average internal gas content of 3.8 cc/Al·100g. Mechanical and thermal property evaluations revealed that the 2 wt.% Cu alloy achieved the highest tensile strength and elongation of 216.41 ± 3.7 MPa and 1.21 ± 0.1%, respectively, while the 3 wt.% Cu alloy exhibited the highest hardness of 103.4 ± 1.2 HB. However, the hardness decreased to 95.6± 1.9 HB at 4 wt.% Cu. The thermal conductivity of the 4 wt.% Cu alloy reached 159.2 W/m·K, which is approximately three times higher than that of conventional gray cast iron brake discs. These results confirm that optimizing the Cu content and CPC process enables the fabrication of aluminum brake discs with superior lightweight characteristics and enhanced mechanical and thermal properties compared to those created via conventional cast-iron fabrication.

CPC 공정에서 차압 방식에 따른 RCS 중자의 중공 주조 Feasibility 연구

윤필환,강호정 한국주조공학회 2025 한국주조공학회지 Vol.45 No.6

Hollow aluminum alloy components are increasingly in demand in the automotive industry, as they achieve both weight reduc- tion and structural rigidity. However, when a ceramic core (resin-coated sand, RCS) is applied in the conventional counter pressure casting (CPC) process, gas generated by the reaction between the core and the molten metal cannot be vented to the outside, result- ing in internal blow-hole defects. In this study, a CPC process employing a chamber depressurization method was introduced to address this issue, and its performance was compared with that of the conventional CPC process. Initial balancing pressures of 1,100, 1,200, and 1,300 mbar were applied while maintaining the same pressure difference (P) to produce hollow castings. In the conventional CPC condition, molten metal penetration along the core surface was observed, whereas in the chamber depressur- ization condition, such penetration was suppressed, resulting in sound castings. In the conventional CPC specimens, both central shrinkage defects and blow holes near the core were observed, whereas in the chamber depressurization specimens, blow holes were suppressed and only central shrinkage defects remained. Gas content measurements showed that the chamber depressurization spec- imens had consistently lower values, with tensile testing revealing slight improvements in the ultimate tensile strength along with a notable increase in elongation. These results demonstrate that the chamber depressurization CPC process effectively reduces internal gas-related defects and improves the mechanical performance of hollow aluminum alloy castings. 중공 알루미늄 합금 부품은 차량 경량화와 강성 확보를 동시에 달성할 수 있어 자동차 산업에서 수요가 증가하고 있다 . 그러나 기존 차압주조 (Counter Pressure Casting, CPC) 공정에 RCS 중자를 적용할 경우 , 중자 -용탕 반응으로 발생한 가스가 외부로 배 출되지 못해 내부 기포결함이 발생하는 문제가 나타난다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 챔버 감압(Chamber Depressurization) CPC 공정을 적용하고 , 기존 CPC공정과 비교 , 분석하였다 . 초기 균형압력은 1,100, 1,200, 1,300 mbar로 설정 하고 동일한 차압 (ΔP)을 유지하여 중공 주조품을 제작하였다 . 기존 CPC 조건에서는 중자 표면을 따라 용탕이 침투하는 현상이 관찰되었으나 , 챔버 감압 조건에서는 이러한 침투가 억제되어 건전한 주조품이 제조되었다 . 기존 CPC 시편에서는 중심부 수축결함 과 중자 인접부 기포결함이 모두 관찰되었으나 , 챔버 감압 시편에서는 기포결함이 억제되고 중심부 수축결함만 나타났다 . 내부 가 스량 측정 결과 , 챔버 감압 시편은 전반적으로 낮은 값을 보였으며 , 기계적 특성 평가에서는 인장강도와 연신율이 모두 향상되었다 . 특 히, 초기 균형압력이 1,300 mbar인 챔버 감압 시편에서 인장강도 280 MPa, 연신율 4.68%로 가장 우수한 특성을 나타냈다.

Alloy 625의 특성과 조직에 미치는 원심주조품 두께의 영향

이유정,김병훈,주윤곤,조창용,이재현 한국주조공학회 2022 한국주조공학회지 Vol.42 No.3

The effect of thickness on the microstructure and the mechanical properties of centrifugal cast 625 was investigated. Centrifugal cast 625 with various thickness of 10, 17 and 50mm showed partially columnar grained structure 8, 12.3 and 18.5mm respectively from the outer surface. Secondary dendrite arm spacing in the columnar grains slightly increased with increasing casting thickness. Tensile strength of the columnar region was similar regardless of casting thickness. Solidification behavior of the columnar grained region is similar to that of directional solidification, thus solidification rate in the centrifugal cast tube was extrapolated from the secondary dendrite arm spacing data of the directionally solidified material. The equiax grained region formed interior of the thick castings. The tensile strength of the equiaxed region showed the average value of the columnar region which is presumably orig- inated from the grain structure rather than secondary dendrite arm spacing. 초내열합금 625 튜브의 제조에 필요한 원심주조품의 두께에 따라 응고조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다 . 10, 17, 50 mm 두께로 원심주조한 625합금에서 두께의 증가에 따라 주상정 부분의 길이와 2차 수지상 간격이 약간 증가하였으나 상 온 인장특성은 큰 차이를 보이지 않았다 . 주상정 부분의 응고는 일방향응고의 형태로 응고가 진행되기 때문에 일방향응고 조건을 변화시켜 2차 수지상의 간격을 비교하여 각 두께의 주조품에서 응고속도를 계산하였다 . 두꺼운 주조품일수록 내부 다결정 조직의 비율이 증가하였다 . 다결정 부분의 인장특성은 주상정 부분의 평균값과 유사한 값을 보였으며 이는 2차 수지상의 간격보다 결정립 형태의 영향인 것으로 사료된다.