Design Science Research를 이용한 고압 다이캐스팅 사출 서브셋의 사례 기반 제품 개발

본 논문 요약은 ['Design Science Research를 이용한 고압 다이캐스팅 사출 서브셋의 사례 기반 제품 개발'] 논문을 기반으로 작성되었으며, ['FME Transactions']에 발표되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: Design Science Research를 이용한 고압 다이캐스팅 사출 서브셋의 사례 기반 제품 개발 (Case-Based Product Development of a High-Pressure Die Casting Injection Subset Using Design Science Research)
  • 저자: 마틸데 C. 토잘 (Matilde C. Tojal), F. J. G. 실바 (F. J. G. Silva), R. D. S. G. 캄필호 (R. D. S. G. Campilho), 아르날도 G. 핀토 (Arnaldo G. Pinto), 루이스 핀토 페레이라 (Luís Pinto Ferreira)
  • 발행 연도: 2022년
  • 발행 저널/학회: FME Transactions
  • 키워드: 제품 개발 (Product Development); 디자인 과학 연구 (DSR); 유지보수 (Maintenance); 지속가능성 (Sustainability); 다이캐스팅 (Die Casting); 생산성 (Productivity); FMEA; 마모 분석 (Wear analysis).
Table 3. ZIN models developed in the first and second stages of development.
Table 3. ZIN models developed in the first and second stages of development.

2. 연구 배경:

연구 주제 배경:

자동차 산업은 현대 사회의 경제 구조에서 중요한 역할을 수행하며, 생산 시스템 기술 개발의 최전선에 위치하고 있습니다. 조직은 혁신과 제품 개선을 위해 연구 개발 활동에 자원 투입을 지속적으로 늘리고 있습니다. 예비 부품 소비는 생산 시스템 내에서 경제적 및 인적 자원 소비의 주요 원인입니다. 지속 가능한 제조는 경제적, 환경적, 사회적 차원을 고려하여 실행 가능한 생산을 창출하는 패러다임이자 전략입니다. 유지보수는 전략적, 운영적, 전술적 수준뿐만 아니라 장기적인 결과에 대한 활동 관리에 매우 중요하며, 생산량, 비용, 생산 시스템 가용성 및 효율성에 영향을 미칩니다. 다이캐스팅은 금속 가공 산업에서 널리 사용되지만, 특히 고온에 노출되는 부품 및 장치에 심각한 마모를 유발합니다. 특히 고압 다이캐스팅의 사출 노즐 영역은 잦은 교체와 생산성 손실로 인해 주의가 필요합니다.

기존 연구 현황:

기존 연구에서는 주요 예비 부품 선정 및 근본 원인 분석을 위한 데이터 수집의 중요성을 강조하며, 파레토 분석, FMEA, 이시카와 다이어그램과 같은 도구를 활용합니다. 제품 개발의 복잡성이 증가함에 따라 데이터 기반 의사 결정의 필요성이 커지고 있습니다. 제품 데이터 관리 유지보수 시스템은 상충되는 요인을 더 잘 이해하는 데 적합한 것으로 간주됩니다. 혁신과 최적의 성능/비용 비율은 효과적인 위험 관리와 함께 제품 개발의 핵심 요소입니다. 산업 4.0 스펙트럼 내 유지보수 기술과 효과적인 인적 자원 관리는 지속가능성을 향상시키기 위한 주요 연구 분야입니다. 이전 연구에서는 최적의 예비 부품 관리를 위한 모델과 데이터 수집 및 유지보수 비용 증가와 같은 지속 가능한 유지보수의 장벽이 확인되었습니다. 디자인 과학 연구 (DSR)는 복잡하고 불분명한 문제를 해결하고 기존 제품에서 새로운 제품을 개발하는 데 유용한 방법론으로 인식되고 있습니다.

연구의 필요성:

다이캐스팅 공정에서 사출 노즐 영역과 금형 연결부는 최근 몇 년 동안 일부 변경이 있었음에도 불구하고 여전히 잦은 교체, 공정 중단 및 생산성 손실을 겪고 있습니다. 이는 특히 이러한 중요한 영역에서 공정 효율성을 향상시키기 위해 노즐 및 연결 영역에 대한 새로운 개념 연구의 시급성을 강조합니다. 현재 상황은 고압 다이캐스팅 사출 시스템 내에서 예비 부품 요청 감소, 예비 부품 수명 연장, 구매 비용 절감 및 장비 교정 유지보수 시간 단축의 필요성을 강조합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 논문의 목적은 고압 다이캐스팅 사출 시스템 내에서 인적, 기계/공정 또는 공급업체 수준에서 발생하는 주요 문제 분석 및 완화에 자원을 집중함으로써 지속 가능한 유지보수를 어떻게 달성할 수 있는지 보여주는 것입니다. 본 연구는 디자인 과학 연구 (DSR)를 통해 새로운 사출 서브셋 개념을 구현함으로써 얻을 수 있는 유익한 결과를 제시하고자 합니다.

주요 연구 질문:

주요 연구 질문은 디자인 과학 연구 (DSR) 방법론을 이용한 고압 다이캐스팅 사출 서브셋의 사례 기반 제품 개발입니다. 이는 자마크 고압 다이캐스팅 사출기 (ZHPIM)를 위한 새로운 사출 서브셋 개념을 개발하고 구현하기 위한 반복적인 DSR 프로세스를 포함합니다.

연구 가설:

새로운 사출 서브셋 개념의 구현은 다음과 같은 유익한 결과를 가져올 것이라는 가설을 설정합니다:

  • 사출 서브셋 소비 감소.
  • 구매 비용 절감.
  • 폐기물 발생량 감소.
  • 유지보수 작업 중 개입 시간 단축.
  • 장비 가용 시간 증가.

4. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구에서는 디자인 과학 연구 (DSR)를 반복적인 연구 방법론으로 채택하였으며, 특히 디자인 사고와 기존 DSR 단계를 결합한 Siedhoff [35]의 DSR 프로세스를 사용했습니다. DSR 사이클의 시작점은 사례 기반 추론 접근 방식을 따라 연구 대상 제품의 초기 설계였습니다. DSR 사이클은 탐색적 연구, 문제 명확화, 솔루션 설정 및 솔루션 권장 사항으로 이어지는 규범적 연구로 구성되었습니다.

데이터 수집 방법:

데이터 수집은 다음을 포함합니다:

  • 요청의 양적 관련성 및 구매 비용별 예비 부품 소비 분류표 작성 (표 1).
  • 시급히 연구해야 할 구성 요소를 식별하기 위한 파레토 분석 (그림 1).
  • 문제 설명, 원인, 해결책, 개입 장비 및 고장 시간을 제공하는 소프트웨어 기반 작업 지원 데이터.
  • 소프트웨어 데이터를 보완하기 위한 제조 공정의 관찰 및 모니터링.
  • SEM 및 EDS를 이용한 재료 분석.
  • 금속 조직 및 경도 시험.

분석 방법:

사용된 분석 방법은 다음과 같습니다:

  • 소비량 및 구매 비용을 기준으로 예비 부품의 우선 순위를 정하기 위한 파레토 분석 (그림 1).
  • 가장 높은 고장 및 개입 시간을 나타내는 고장을 식별하기 위한 FMEA.
  • 연구 결과를 요약하고 개발 단계를 안내하기 위한 이시카와 다이어그램 (그림 17).
  • ZIN 마모 특성화를 위한 SEM 및 EDS 분석 (그림 18).
  • 미세 조직 변화를 평가하기 위한 금속 조직 분석.
  • 경도 측정을 위한 로크웰 C 경도 시험 (ISO 6508-1:2016).
  • 시스템 및 고장 그룹별 개입 분류의 정량적 분석 (표 2).

연구 대상 및 범위:

연구 대상은 강철 케이블 끝단에 자마크 5를 사출하는 데 사용되는 자마크 고압 다이캐스팅 사출기 (ZHPIM)입니다. 범위는 ZHPIM의 사출 시스템, 특히 자마크 사출 노즐 (ZIN) 및 관련 부품을 포함한 사출 서브셋 구성 요소에 초점을 맞추었습니다. 본 연구는 이러한 구성 요소에 대한 예비 부품 소비, 고장 모드를 분석하고 개선 사항을 개발했습니다.

5. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

  • 파레토 분석 결과 누적 구매 비용을 기준으로 SP01, SP03, SP06, SP09 및 SP10이 가장 시급한 예비 부품으로 나타났습니다 (그림 1).
  • 사출 시스템 개입은 전체 개입의 43.4%를 차지했으며, 몰딩 세트가 47.9%를 차지했습니다 (표 2).
  • 사출 세트 내에서 ZIN 고장은 개입의 44.6%를 차지했습니다 (표 2).
  • 마모 및 파손이 주요 ZIN 고장 모드로 확인되었습니다 (그림 4).
  • DSR 반복 설계를 통한 설계 변경으로 모델 07이 개발되었으며, 모델 07은 과도한 소성 변형으로 인한 마모를 나타내어 이전 모델에 비해 크게 개선된 140일 이상의 작동 시간을 달성했습니다 (표 4).
  • 새로운 사출 서브셋 개념 (모델 07)은 제품 효율성 향상, 예비 부품 소비 감소, 예비 부품 작동 시간 1100% 증가, 부품 구매 비용 58% 감소 및 교정 유지보수 시간 55% 감소를 달성했습니다.

데이터 해석:

파레토 분석은 연구 초점을 가장 비용 집약적인 예비 부품으로 효과적으로 유도했습니다. 개입 분류는 사출 시스템, 특히 ZIN이 개선이 필요한 주요 영역임을 밝혔습니다. DSR 방법론은 반복적인 설계 및 테스트를 통해 ZIN의 조기 마모 문제를 성공적으로 해결했습니다. 모델 01에서 모델 07로의 발전은 DSR이 고압 다이캐스팅 시스템의 지속가능성 및 운영 효율성을 향상시키는 크게 개선된 사출 서브셋을 개발하는 데 효과적임을 입증합니다. 최종 모델 07은 취성 파괴에서 소성 변형 마모로 고장 모드가 전환되어 예측 가능하고 관리 가능한 마모 프로세스를 나타냅니다.

그림 목록:

  • 그림 1. 누적 구매 비용에 따른 예비 부품 소비량에 대한 파레토 분석 (총 비용).
  • 그림 2. 주요 시스템, 세트 및 작업 그룹별 ZHPIM 장비 구조.
  • 그림 3. 워크스테이션, 사출 시스템 및 커플링 시스템과 해당 주요 구성 요소 및 위치.
  • 그림 4. 연구 기간 동안의 ZIN 고장 모드 수에 대한 파레토 분석.
  • 그림 5. 커플링 시스템 요소의 기술적 문제로 인한 사출 불량.
  • 그림 6. 가열 세트 및 몰딩 세트 내부 부품의 보호판 위치.
  • 그림 7. 커플링 시스템 튜닝 슬롯의 극심한 마모.
  • 그림 8. ZHPIM에서 발견된 커플링 시스템과 와셔 그룹을 연결하는 다웰 핀의 틈새.
  • 그림 9. 조기 커플링 및 튜닝 시스템 마모에 대한 개입 프로세스 영향.
  • 그림 10. 가열 세트와 ZIN 사이의 접촉부 밀봉의 기술적 문제.
  • 그림 11. 코일 히터를 작동 불능으로 만드는 가열 세트의 과도한 부식으로 인한 고장 모드.
  • 그림 12. ZIN과의 하단 프레임 플레이트 상호 작용.
  • 그림 13. BFP와 ZIN 사출 접촉 영역 사이의 접촉점.
  • 그림 14. 기하학적 문제는 파손으로 인한 고장 모드의 주요 원인으로 작용합니다.
  • 그림 15. 필요한 작동 상태를 준수하는 BFP의 ICZ.
  • 그림 16. 마모 및 충격으로 인한 BFP의 ICZ의 부적합성.
  • 그림 17. ZIN 조기 고장에 대한 이시카와 다이어그램.
  • 그림 18. ZIN에 대한 SEM 분석.
  • 그림 19. 피팅에 의한 ZIN 사출 접촉 영역의 고장 모드.
  • 그림 20. 스폴링에 의한 ZIN 사출 접촉 영역의 고장 모드.
  • 그림 21. 조기 파손의 핵 생성 및 전파에 미치는 피드 마크 영향.
Table 1. Spare part consumption by number of requests and respective acquisition cost, and overall expenses for the first nine months of 2019.
Table 1. Spare part consumption by number of requests and respective acquisition cost, and overall expenses for the first nine months of 2019.
Figure 1. Pareto’s analysis on spare part consumption by accumulated acquisition cost (Overall expenses).
Figure 1. Pareto’s analysis on spare part consumption by accumulated acquisition cost (Overall expenses).
Figure 2. ZHPIM equipment structure by main systems, sets and working groups.
Figure 2. ZHPIM equipment structure by main systems, sets and working groups.
Figure 3. Workstation, Injection System and Coupling System and corresponding main components and location: (1) Cable trimming device; (2) Flower device and drive cylinder; (3) Mold closure system and drive cylinder; (4) Transfer and drive cylinder; (5) Mold and frame; (6) Air, water and oil hoses; (7) Coupling system; (8) Zamak container; (9) Zamak ingot; (10) Zamak injection nozzle; (11) Heating set; (12) Frame base; (13) Pump adaptor; (14) Support base; (15) Rotation mechanism; (16) Coupling tuning system; (17) Rotation drive system; (18) Dowel pins.
Figure 3. Workstation, Injection System and Coupling System and corresponding main components and location: (1) Cable trimming device; (2) Flower device and drive cylinder; (3) Mold closure system and drive cylinder; (4) Transfer and drive cylinder; (5) Mold and frame; (6) Air, water and oil hoses; (7) Coupling system; (8) Zamak container; (9) Zamak ingot; (10) Zamak injection nozzle; (11) Heating set; (12) Frame base; (13) Pump adaptor; (14) Support base; (15) Rotation mechanism; (16) Coupling tuning system; (17) Rotation drive system; (18) Dowel pins.
Figure 1. Pareto’s analysis for ZIN failure mode count for the period under study.
Figure 1. Pareto’s analysis for ZIN failure mode count for the period under study.
Figure 5. Injection failure caused by technical problems on the coupling system elements.
Figure 5. Injection failure caused by technical problems on the coupling system elements.

6. Conclusion:

Figure 6. Location of the protection plates of the heating set and the internal parts of the moulding set
Figure 6. Location of the protection plates of the heating set and the internal parts of the moulding set
Figure 12. Bottom frame plate interaction with the ZIN.
Figure 12. Bottom frame plate interaction with the ZIN.
Figure 17. Ishikawa diagram for ZINs premature failure
Figure 17. Ishikawa diagram for ZINs premature failure
Figure 19. Failure mode of the ZIN injection contact zone by pitting.
Figure 19. Failure mode of the ZIN injection contact zone by pitting.
Figure 20. Failure mode of the ZIN injection contact zone by spalling.
Figure 20. Failure mode of the ZIN injection contact zone by spalling.
Table 4. ZIN models developed on the third stage of development. Table 5. New concept of injection subset.
Table 4. ZIN models developed on the third stage of development. Table 5. New concept of injection subset.

6. 결론:

주요 결과 요약:

본 연구는 디자인 과학 연구를 통해 ZHPIM용 새로운 사출 서브셋 개념을 성공적으로 개발했습니다. 이 개발은 예비 부품 소비, 구매 비용, 폐기물 및 유지보수 개입 시간 감소와 함께 장비 가용성 및 안전한 개입 프로세스 증가를 포함하여 상당한 개선을 가져왔습니다. 새로운 모델 07 ZIN은 작동 시간이 크게 증가했으며 보다 예측 가능한 마모 모드로 전환되었습니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 다이캐스팅 제품 개발 및 지속 가능한 유지보수 맥락에서 디자인 과학 연구 방법론의 효과적인 적용을 입증합니다. 고압 다이캐스팅 시스템의 주요 구성 요소를 개선하기 위한 DSR 구현의 상세한 사례 연구를 제공함으로써 지식 체계에 기여합니다. 또한 본 연구는 반복 설계, 데이터 기반 분석 및 제품 개발에 대한 유지보수 중심 접근 방식의 중요성을 강조합니다.

실용적 의미:

본 연구의 실용적 의미는 다이캐스팅 산업에 매우 중요합니다. 개발된 사출 서브셋 개념은 고압 다이캐스팅 작업에서 예비 부품, 유지보수 및 가동 중지 시간과 관련된 비용을 절감하기 위한 실질적인 솔루션을 제공합니다. ZIN의 수명 연장과 최적화된 유지보수 절차는 보다 지속 가능하고 효율적인 제조 공정에 기여합니다. 사용된 체계적인 접근 방식은 다이캐스팅 및 유사 산업 내 다른 구성 요소 및 공정을 개선하는 데 적용될 수 있습니다.

연구의 한계

논문에서는 연구의 한계점을 명시적으로 언급하지 않았습니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    본 논문에서는 개입 프로세스 최적화에 대한 모델 05에서 얻은 장점을 더욱 추구할 것을 제안합니다. ICZ의 조기 마모에 대한 보다 구체적인 분석이 권장됩니다. 선택된 강철 특성과 관련된 재료 거동에 대한 추가 연구도 제안됩니다.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    추가 탐구는 DSR 방법론과 개발된 사출 서브셋 개념을 ZHPIM 또는 유사한 다이캐스팅 기계 내의 다른 주요 구성 요소에 적용하는 데 초점을 맞출 수 있습니다. ZIN 및 펌프 어댑터의 내마모성 및 성능을 더욱 향상시키기 위해 다양한 재료 및 제조 공정을 조사할 수도 있습니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "마틸데 C. 토잘 (Matilde C. Tojal), F. J. G. 실바 (F. J. G. Silva), R. D. S. G. 캄필호 (R. D. S. G. Campilho), 아르날도 G. 핀토 (Arnaldo G. Pinto), 루이스 핀토 페레이라 (Luís Pinto Ferreira)"의 논문: "Design Science Research를 이용한 고압 다이캐스팅 사출 서브셋의 사례 기반 제품 개발 (Case-Based Product Development of a High-Pressure Die Casting Injection Subset Using Design Science Research)"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: doi: 10.5937/fme2201032T

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