BMW의 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스, 최첨단 경량 금속 주조 및 제조

본 논문 요약은 SAE International에서 발표된 논문 "BMW's Magnesium-Aluminium Composite Crankcase, State-of-the-Art Light Metal Casting and Manufacturing"을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: BMW의 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스, 최첨단 경량 금속 주조 및 제조 (BMW's Magnesium-Aluminium Composite Crankcase, State-of-the-Art Light Metal Casting and Manufacturing)
  • 저자: 미하엘 회슐 (Michael Hoeschl), 볼프람 바게너 (Wolfram Wagener), 요한 볼프 (Johann Wolf)
  • 발행 연도: 2006년
  • 발행 저널/학회: SAE International
  • 키워드: 마그네슘 주조, 알루미늄, 복합 크랭크케이스, 경량 금속 주조, 제조, 엔진 설계, 효율적인 역학 (efficient dynamics), 자동차 공학
Figure 3: Composite Mg/Al cylinder crankcase
Figure 3: Composite Mg/Al cylinder crankcase

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락: 자동차 산업은 지속적으로 향상된 동적 성능과 감소된 연료 소비에 대한 요구에 의해 주도됩니다. 증가된 출력과 감소된 무게 사이의 균형을 맞추는 것은 중요한 과제입니다. BMW 브랜드 아이덴티티는 높은 민첩성과 운전 경험과 밀접하게 관련되어 있어 엔진 설계 및 제조에 혁신적인 접근 방식이 필요합니다.
  • 기존 연구의 한계: 기존의 경량 엔진 부품 설계 방법은 새로운 엔진 세대의 요구 사항을 충족하는 데 점점 부적절해지고 있었습니다. 크랭크케이스 재료의 이전 기술적 도약, 예를 들어 철 주조에서 알루미늄으로의 전환은 이미 상당한 무게 감소를 가져왔습니다. 기존의 알루미늄 크랭크케이스를 사용하여 추가적인 무게 감소를 달성하는 것은 점점 더 어려워지고 있었습니다.
  • 연구의 필요성: "효율적인 역학 (efficient dynamics)" 개념을 실현하기 위해 BMW는 엔진 설계, 특히 크랭크케이스의 무게 감소에 초점을 맞추면서 동시에 출력 향상 및 연료 소비 감소를 위한 새로운 방향을 모색해야 했습니다. 이는 점진적인 개선에서 벗어나 마그네슘 및 복합 재료 조사를 포함한 혁신적인 접근 방식을 채택해야 함을 의미했습니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 본 연구의 주요 목적은 BMW의 직렬 6기통 엔진용 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스를 개발 및 구현하는 것으로, 경량 설계 및 대량 생산 제조 분야에서 상당한 발전을 나타냅니다.
  • 주요 연구 질문:
    • 현대 엔진 설계에서 수냉식 크랭크케이스의 대량 생산을 위해 마그네슘 주조를 어떻게 활용할 수 있는가?
    • 크랭크케이스 적용 분야에서 더 낮은 영률 (Young's modulus) 및 내식성과 같은 마그네슘의 한계를 극복하기 위한 최적의 재료 조합 및 구조적 구조는 무엇인가?
    • 마그네슘-알루미늄 크랭크케이스와 같은 복잡한 복합 부품에 대한 견고하고 신뢰할 수 있는 제조 공정을 어떻게 구축할 수 있는가?
    • 복합 크랭크케이스의 품질 및 성능, 특히 마그네슘과 알루미늄 사이의 접합 및 알루미늄 인서트의 실리콘 분포와 관련하여 어떤 혁신적인 테스트 방법론이 필요한가?
  • 연구 가설: 본 연구에서는 마그네슘 하우징과 알루미늄 인서트 및 소결 강철 인레이를 결합한 복합 설계가 상당한 무게 감소를 달성하고 고성능 엔진 크랭크케이스에 대한 엄격한 성능 및 내구성 요구 사항을 충족할 수 있다고 가정했습니다. 또한 고급 주조, 표면 처리 및 테스트 공정이 성공적인 대량 생산에 필수적일 것이라고 가정했습니다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 본 연구는 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스의 개념화, 재료 선택, 구조 설계, 제조 공정 개발 및 테스트에 초점을 맞춘 설계 및 개발 접근 방식을 채택했습니다.
  • 데이터 수집 방법: 본 논문은 주로 공정 개발 및 제조 단계를 자세히 설명합니다. 재료 데이터 및 성능 특성은 참조되지만 본 논문 내에서 실험을 통해 명시적으로 도출되지는 않았습니다. 품질 보증 방법론은 X선 검사, 실리콘 분포에 대한 와전류 테스트, 접합 품질에 대한 초음파 자극 잠금 열화상 (ultrasonic-stimulated lock-in thermography) 검사를 포함하여 설명됩니다.
  • 분석 방법: 본 연구에서는 주조 공정 계획 및 최적화를 위해 컴퓨터 시뮬레이션 (MagmaSoft의 FDM-소프트웨어 도구)을 활용했습니다. 품질 보증을 위해 데이터 매트릭스 코드 (DMC) 추적, X선 검사, 와전류 테스트 및 초음파 자극 잠금 열화상 검사 방법을 포함했습니다. 현미경 분석은 와전류 방법과 비교되는 실리콘 입자 분석에 대한 기존 방법으로 언급되었습니다.
  • 연구 대상 및 범위: 본 연구는 BMW의 직렬 6기통 스파크 점화 엔진용 크랭크케이스 개발에 초점을 맞췄습니다. 범위는 이 복합 크랭크케이스에 대한 설계, 재료 선택, 주조, 제조, 표면 처리, 가공 및 품질 보증 공정을 포함했습니다. 연구는 BMW 란츠후트 공장과 오스트리아 슈타이어 엔진 공장에서 외부 재료 공급업체와의 협력을 통해 수행되었습니다.

5. 주요 연구 결과:

  • 주요 연구 결과:
    • 수냉식 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스의 성공적인 개발 및 대량 생산 구현.
    • 이전 알루미늄 및 철 크랭크케이스 설계에 비해 상당한 무게 감소 달성 (그림 2).
    • 마그네슘 하우징 (합금 AJ62), 실린더 라이너용 과공정 알루미늄 합금 (AlSi17Cu4Mg) 인서트, 마그네슘 베드플레이트의 소결 강철 인레이를 특징으로 하는 복합 구조 도입.
    • 알루미늄 인서트용 저압 주조, 마그네슘 하우징 및 베드플레이트용 고압 다이캐스팅 (HPDC), 표면 처리를 위한 열 아크 와이어 스프레이 공정 (LDS)을 포함한 특수 제조 공정 개발.
    • 실리콘 분포에 대한 와전류 테스트 및 접합 품질에 대한 초음파 자극 잠금 열화상 검사를 포함한 혁신적인 품질 보증 방법론 구현.
  • 통계적/질적 분석 결과: 본 논문은 주로 공정 설명과 설계 및 제조 혁신에 대한 질적 평가에 중점을 둡니다. 양적 데이터는 그림 2에 제시되어 있으며, 마그네슘-알루미늄 복합 주조로 상당한 무게 감소를 보여주는 크랭크케이스의 무게 개발을 보여줍니다.
  • 데이터 해석: 그림 1은 "효율적인 역학 (efficient dynamics)"을 크랭크케이스 무게 감소 (-10 kg), 엔진 출력 증가 (+20 kW) 및 연료 소비 감소 (-12%)의 조합으로 정의합니다. 그림 2는 철 주조, 알루미늄 주조 및 통합된 AlSi17과 비교하여 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스로 달성한 무게 감소를 보여줍니다. 복합 설계가 가장 낮은 무게를 달성합니다.
  • 그림 목록:
    • 그림 1: 효율적인 역학 (efficient dynamics)의 정의
    • 그림 2: 크랭크케이스의 무게 개발
    • 그림 3: 복합 Mg/Al 실린더 크랭크케이스
    • 그림 4: 베드플레이트가 있는 크랭크케이스 단면
    • 그림 5: AlSi17Cu4Mg로 만든 인서트
    • 그림 6: DMC [3]에 의한 부품 코딩
    • 그림 7: 인서트의 알루미늄 코팅
    • 그림 8: Mg와 Al 사이의 반응 영역
    • 그림 9: BMW 란츠후트 공장의 중앙 용융 시설
    • 그림 10: 마그네슘 잉곳 팔레트
    • 그림 11: 액체 마그네슘 운송
    • 그림 12: BMW 란츠후트 공장의 다이캐스팅 기계
    • 그림 13: hpdc에서 크랭크케이스를 제거하는 로봇
    • 그림 14: 캡슐화된 가공 센터 (BAZ)
    • 그림 15: 칩 축적을 방지하는 BAZ 설계
    • 그림 16: Mg-Al 칩으로 만든 브리켓
    • 그림 17: 1차 및 2차 실리콘 입자 (현미경 분석)
    • 그림 18: 실린더 라이너의 와전류 분석
    • 그림 19: US-잠금 열화상 검사 [6]의 개략도
    • 그림 20: US-잠금 열화상 검사 결과
    • 그림 21: 새로운 BMW 6기통 엔진
    • 그림 22: BMW 6시리즈 쿠페 (2004)
    • 그림 23: 새로운 BMW 3시리즈 에스테이트
    • 그림 24: BMW 컨셉 Z4 쿠페 및 Z4 로드스터
Figure 4: Section crankcase with bedplate
Figure 4: Section crankcase with bedplate
Figure 5: Insert, made of AlSi17Cu4Mg
Figure 5: Insert, made of AlSi17Cu4Mg
Figure 6: Coding of components by DMC [3]
Figure 6: Coding of components by DMC [3]
Figure 7: Aluminium coating of the insert
Figure 7: Aluminium coating of the insert
Figure 9: Central melting facility at BMW Landshut plant
Figure 9: Central melting facility at BMW Landshut plant
Figure 13: Robots remove crankcases from the hpdc
Figure 13: Robots remove crankcases from the hpdc
Figure 16: Briquette made of Mg-Al-chips
Figure 16: Briquette made of Mg-Al-chips
Figure 21: the new BMW 6-cyclinder engine
Figure 21: the new BMW 6-cyclinder engine

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약: 본 연구는 BMW의 직렬 6기통 엔진용 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스의 대량 생산 가능성을 성공적으로 입증했습니다. 이 혁신은 엔진 성능 및 내구성을 유지하거나 향상시키면서 상당한 무게 감소를 달성했습니다. 이러한 성공의 핵심은 지능형 복합 설계, 고급 주조 및 제조 공정, 혁신적인 품질 보증 방법론이었습니다.
  • 연구의 학문적 중요성: 본 연구는 자동차 공학, 특히 엔진 설계 분야에서 경량 재료 적용 분야에 기여합니다. 복합 설계 및 공정 혁신을 통해 고유한 재료 한계를 극복하면서 중요한 엔진 부품에 마그네슘 주조를 성공적으로 구현한 사례를 보여줍니다. 초음파 자극 잠금 열화상 검사 및 고급 와전류 분석과 같은 새로운 테스트 방법론의 개발은 비파괴 검사 기술에 대한 중요한 학문적 기여를 나타냅니다.
  • 실용적 의미: 실용적 의미는 자동차 산업에 상당합니다. 마그네슘-알루미늄 복합 크랭크케이스는 성능 저하 없이 더 가볍고 연비가 좋은 차량을 가능하게 합니다. 개발된 제조 및 품질 보증 공정은 복잡한 복합 부품의 대량 생산을 위한 청사진을 제공합니다. 이 기술은 BMW의 직렬 6기통 엔진에 구현되었으며 다양한 모델로 확장되었습니다.
  • 연구의 한계: 본 논문은 주로 개발 및 구현 프로세스에 중점을 둡니다. 비교 연료 소비 또는 배출 데이터와 같은 자세한 성능 데이터는 제시되지 않습니다. 향후 연구에서는 대량 생산에서 이 복합 크랭크케이스의 장기적인 내구성과 비용 효율성을 탐구할 수 있습니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향: 향후 연구는 다음 사항에 초점을 맞출 수 있습니다.
    • 향상된 성능 및 비용 절감을 위한 복합 설계 및 재료 선택의 추가 최적화.
    • 향상된 특성 및 가공성을 위한 대체 마그네슘 합금 및 알루미늄 합금 탐색.
    • 마그네슘 및 알루미늄 부품을 위한 더욱 효율적이고 환경 친화적인 제조 공정 개발.
    • 다양한 작동 조건에서 복합 크랭크케이스의 장기적인 내구성 및 신뢰성 조사.
    • 유사한 복합 설계 원칙을 다른 엔진 부품 및 자동차 구조에 적용.
  • 추가 탐구가 필요한 영역: 이종 재료, 특히 마그네슘과 알루미늄의 접합 기술 분야는 복합 구조의 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 추가 탐구가 필요합니다. 또한 복잡한 인터페이스 및 재료에 대한 비파괴 검사 방법의 발전은 경량 자동차 부품의 품질과 안전을 보장하는 데 중요합니다.

8. 참고 문헌:

  • [1] C. Landerl, R. Jooß, A. Fischersworring-Bunk, J. Wolf, A. Fent, S. Jagodzinski, ‘Aluminium and magnesium compound construction-an innovative approach to lightweight technology in crankcases', 12th Aachen Colloquium (2003)
  • [2] C. Landerl, M. Klueting: ‘The new BMW six-cylinder in-line spark-ignition engine', part 1: concept and constructive structure, Motortechnische Zeitschrift 65 (2004)
  • [3] J. Wolf, W. Wagener, 'The BMW magnesium-aluminium crankcase a challenge for state-of-the-art light metal casting', IMA's 62nd Annual World Magnesium Conference, Berlin (2005)
  • [4] E. Baril, P. Labelle, A. Fischersworring-Bunk, 'AJ(Mg-AI-Sr) Alloy System Used for New Engine Block', SAE2004-01-0659 (2004)
  • [5] E. Baril, P. Labelle, M.O. Pekguleryuz, 'Elevated Temperature Mg-Al-Sr: Creep Resistance, Mechanical Properties and Microstructure' JOM (2003)
  • [6] A. Fent, W. Wagener, F. Dörnenburg, A. Fischer-worring-Bunk, 'Innovative Testing Methodology for Quality Assurance of the new 6-Cylinder-Mg/Al-Composite Crankcase', 13.Magnesium-Abnehmer-seminar, EFM, Aalen (2005)
  • [7] H. Brosinsky, ‘Stereoscan-Aufnahmen und Fax-Film-Bilder von Oberflächen gußeisener Motorenzylinder Technische Zeitung für praktische Metallbearbeitung, 64.Jahrgang (1970)

9. 저작권:

*본 자료는 미하엘 회슐 (Michael Hoeschl), 볼프람 바게너 (Wolfram Wagener), 요한 볼프 (Johann Wolf)의 논문 "BMW's Magnesium-Aluminium Composite Crankcase, State-of-the-Art Light Metal Casting and Manufacturing"을 기반으로 합니다.
*논문 출처: doi:10.4271/2006-01-0069

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