Development and optimization of casting technology on part of the suspension of a heavy vehicle used in difficult environmental wetland conditions

ICME 기반 주조 공정 최적화: 고강도 경량 서스펜션 부품 개발 사례

이 기술 요약은 Marcin Małysza 외 저자들이 2016년 [PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA (TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE)]에 발표한 논문 "[Development and optimization of casting technology on part of the suspension of a heavy vehicle used in difficult environmental wetland conditions]"을 기반으로 합니다.

키워드

• Primary Keyword: 주조 공정 최적화
• Secondary Keywords: ICME, 유동 해석, 알루미늄 합금, 경량화, 신속 조형

Executive Summary

• 도전 과제: 습지와 같은 열악한 환경에서 사용되는 대형 차량을 위한 내구성 있는 경량 서스펜션 스윙암을 개발하는 것.
• 해결 방법: 통합 계산 재료 공학(ICME) 방법론을 활용하여 구조 최적화, 재료 선정, 주조 공정 시뮬레이션을 체계적으로 수행.
• 핵심 성과: 초기 설계 대비 15%의 중량 감소를 달성하면서도 요구 강도를 유지했으며, 잠재적인 기공 결함을 탕구 및 압탕계 내에 국부화시키는 데 성공.
• 핵심 결론: 시뮬레이션 기반의 체계적인 접근법은 프로토타입 개발 시간을 획기적으로 단축하고 최종 제품의 품질과 성능을 보장.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

새로운 부품, 특히 극한의 환경에서 운영되는 대형 차량의 서스펜션 부품을 개발하는 것은 설계와 제조 단계의 여러 요소를 통합해야 하는 매우 복잡한 과정입니다. 기존의 방식으로는 프로토타입을 제작하고 테스트하는 데 많은 시간과 비용이 소요되며, 제조 과정에서 발생할 수 있는 수많은 위험을 사전에 예측하기 어렵습니다. 특히 고강도와 경량화를 동시에 달성해야 하는 알루미늄 주조품의 경우, 최적의 형상과 건전한 내부 품질을 확보하는 것이 핵심적인 기술적 난제입니다. 이 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 최신 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 어떻게 활용할 수 있는지 보여줍니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 통합 계산 재료 공학(ICME, Integrated Computational Material Engineering) 방법론에 기반하여 스윙암 부품의 개발 및 최적화를 진행했습니다. 이 접근법은 설계, 재료, 공정 단계를 논리적으로 연결합니다.

• 구조 최적화: 차량의 총중량(m = 6000 kg), 동적 여유율(k = 1.3) 등 실제 운용 조건을 기반으로 하중 조건을 설정했습니다(그림 3 참조). ANSYS 소프트웨어를 사용하여 응력 분포를 분석하고, 강도 기준을 만족시키면서 중량을 최소화하는 방향으로 형상 최적화를 반복적으로 수행했습니다.
• 재료 선정: A201, A355, A356, ENAC-43300 등 여러 알루미늄 합금을 대상으로 비교 분석을 수행했으며, 운용 조건에 대한 안전 계수와 재료 강도 지수를 고려하여 최종적으로 ENAC-43300을 선정했습니다.
• 주조 공정 시뮬레이션: 최적화된 형상을 바탕으로 주조 방안을 설계했습니다. Flow3D 및 MAGMAsoft 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 용탕 충전 및 응고 과정을 분석했습니다. 주입 온도(T = 660°C), 주형 재료(CO2 바인더), 충전 시간(t ≈ 17s) 등의 경계 조건을 실제 공정과 유사하게 설정하여 기공과 같은 잠재적 결함을 예측하고 탕구 및 압탕 시스템을 최적화했습니다.
• 프로토타입 제작: 시뮬레이션으로 검증된 주조 방안을 바탕으로 FDM(Fused Deposition Modeling) 신속 조형 기술을 이용해 주조용 툴링을 제작하고 실제 프로토타입 주물을 생산했습니다.

핵심 성과: 주요 결과 및 데이터

성과 1: 구조 최적화를 통한 15% 중량 감소 달성

설계 최적화 프로세스를 통해 스윙암의 성능을 저하시키지 않으면서 상당한 경량화를 이루었습니다. Table 1에 따르면, 초기 설계안의 질량은 48.3kg이었으나 최종 최적화된 설계안의 질량은 41kg으로 약 15% 감소했습니다. 동시에, 최대 등가 응력(Maximal Equivalent Stress)은 초기 45.6 MPa에서 최종 42.3 MPa로 유사한 수준을 유지하여, 강도 저하 없이 경량화 목표를 성공적으로 달성했음을 보여줍니다.

성과 2: 시뮬레이션 기반 주조 방안 설계로 건전한 주물 확보

주조 공정 시뮬레이션은 내부 결함이 없는 건전한 주물을 만드는 데 결정적인 역할을 했습니다. Figure 8은 용탕이 주형 캐비티를 채우는 과정을 시각적으로 보여주며, 난류나 공기 혼입 없이 안정적인 충전이 이루어지도록 주조 방안이 설계되었음을 나타냅니다. 또한, Figure 9는 두 가지 다른 시뮬레이션 소프트웨어(Flow3D 및 MAGMAsoft)를 통해 예측된 기공 분포를 보여줍니다. 두 결과 모두 잠재적인 기공이 제품이 아닌 압탕 및 탕구계에 집중되어 있음을 명확히 보여주며, 이는 제안된 주조 기술과 조건이 건전한 주물을 생산할 수 있음을 강력하게 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 다양한 탕구 및 압탕 시스템(그림 7)을 시뮬레이션함으로써 기공을 압탕으로 국부화시키는 최적의 방안을 찾을 수 있음을 보여줍니다. 이는 주물의 건전성을 확보하고 불량률을 줄이는 데 직접적으로 기여할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: Flow3D와 MAGMAsoft의 기공 예측 맵(그림 9) 데이터는 초도품의 비파괴 검사(NDT) 시 중점 검사 영역을 정의하는 데 활용될 수 있어, 보다 효율적이고 정확한 품질 검증 기준을 수립하는 데 도움이 됩니다.
• 설계 엔지니어: Table 1에 나타난 반복적인 최적화 과정은 작은 형상 변화가 응력 분포와 중량에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여줍니다. 이는 설계 초기 단계에서부터 주조 시뮬레이션을 통합하는 것이 얼마나 중요한지를 시사합니다.

논문 상세 정보

[Development and optimization of casting technology on part of the suspension of a heavy vehicle used in difficult environmental wetland conditions]

1. 개요:

• 제목: Development and optimization of casting technology on part of the suspension of a heavy vehicle used in difficult environmental wetland conditions
• 저자: Marcin Małysza, Robert Żuczek, Stanisław Pysz, Andrzej Gil, Piotr Wieliczko, Piotr Kowalski, Krzysztof Wańczyk
• 발행 연도: 2016
• 학술지/학회: PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA / TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE
• 키워드: ICME, simulation, aluminum alloy, rapid prototyping, casting optimization

2. 초록:

신규 부품 개발은 설계 및 제조 단계와 관련된 많은 요소의 조합을 요구하는 매우 복잡한 절차이다. 가장 효율적인 방법은 전체 설계 및 생산 공정의 검증을 가능하게 하는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 것이다. 수년에 걸쳐 컴퓨터 기술의 발전은 통합 계산 재료 공학(ICME)의 개발을 가능하게 했다. 이 방법은 논리적 순서에 따라 프로젝트 활동을 통합하고, 새로운 제조 방법을 개발하며, 적합한 재료를 선택하고, 최종 공정을 검증하는 것을 가능하게 한다. 이러한 다중 스레드 작업은 프로토타입 생산에 필요한 시간을 크게 단축시켜 설계된 주물의 계획된 생산 구현을 가속화한다. 이러한 작업의 추가적인 장점은 변화와 그것이 최종 제품에 미치는 영향을 지속적으로 모니터링할 수 있다는 것이다.

3. 서론:

프로토타입 주물의 생산을 위한 현대 기술에는 고급 설계 기술이 포함된다. 설계 과정은 논리적인 사건의 연속으로 간주되어야 한다. 컴퓨터 지원 설계, 제조 및 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 것은 그 과정을 지원한다. 이러한 솔루션은 부품의 제조 공정과 관련된 여러 위험을 고려할 수 있게 한다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

열악한 습지 환경에서 사용되는 대형 차량의 서스펜션 부품에 대한 새로운 주조 기술을 개발하고 최적화하는 것을 목표로 함.

기존 연구 현황:

언급되지 않음.

연구 목적:

컴퓨터 시뮬레이션과 ICME 방법론을 사용하여 고성능, 경량화된 서스펜션 부품의 프로토타입 개발 시간을 단축하고, 최종 제품의 품질을 보장하는 체계적인 개발 및 최적화 절차를 확립하는 것.

핵심 연구:

1. ICME 방법론을 적용한 스윙암의 형상 최적화.
2. ANSYS를 이용한 운용 조건 하의 응력 해석.
3. 다양한 알루미늄 합금의 비교 분석을 통한 최적 재료 선정.
4. Flow3D 및 MAGMAsoft를 이용한 주조 공정(충전 및 응고) 시뮬레이션.
5. 신속 조형 기술을 이용한 프로토타입 툴링 제작 및 실제 주물 생산.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 ICME 접근법에 따라 구조 최적화, 재료 선정, 공정 시뮬레이션, 프로토타입 제작 단계를 순차적으로 통합하여 진행되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 구조 해석 및 최적화: ANSYS 소프트웨어를 사용하여 유한 요소 해석(FEA) 수행.
• 주조 공정 해석: Flow3D 및 MAGMAsoft 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 용탕 충전, 응고 및 기공 형성 예측.
• 재료 분석: 광학 분광 분석법(Optical Spectrometry)을 사용하여 용해 중 품질 샘플 분석.

연구 주제 및 범위:

연구는 대형 차량용 알루미늄 합금 서스펜션 스윙암의 개발에 초점을 맞추었다. 범위는 초기 형상 설계부터 구조 최적화, 재료 선정, 주조 공정 시뮬레이션, 그리고 최종 프로토타입 제작까지의 전 과정을 포함한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 컴퓨터를 이용한 기하학적 최적화는 부품 노드에서 발생하는 응력 수준을 낮추고 무게를 감소시켰다.
• 초기 설계 대비 최종 주물의 무게가 약 15% 감소했다.
• 주조 공정의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 주조 툴링의 신속 조형에 사용될 수 있는 적절한 주조 기술을 설계할 수 있었다.
• 시뮬레이션 결과, 잠재적 기공이 압탕 및 탕구계에 위치하여 건전한 주물 생산이 가능함을 예측했다.
• 논리적 순서에 따른 컴퓨터 시뮬레이션의 사용은 프로토타입 주물의 빠르고 정확한 설계를 가능하게 했다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Prototype vehicle and the swing arm
• Fig. 2. Optimization steps of the design changes of the swing arm shape
• Fig. 3. The load schematic used in the exploitation simulation with the force – A ≈ 4600 N, moment - B ≈ 36 000 N-mm and two fix points C, D
• Fig. 4. Stress distribution in the swing arm during the exploitation simulation
• Fig. 5. Distribution of the safet factor in the final desingn of the rocker arm for the chosen material
• Fig. 6. The natural solidification in the casting geometry with highlighted hot spots
• Fig. 7. Concepts of the casting technologies
• Fig. 8. Visualisation of the filling process
• Fig. 9. Predicted porosities in the casting results in a) Flow3D, b) MAGMAsoft
• Fig. 10. Pouring of the liquid metal (a) and the final casting (b)
• Fig. 11. Final swing arm casting

7. 결론:

1. 기하학적 목적을 위한 컴퓨터 최적화의 사용은 부품 노드에서 발생하는 응력 수준을 낮추고 무게를 감소시킨다.
2. 주조 공정의 컴퓨터 시뮬레이션은 주조 툴링의 신속 조형에 사용될 수 있는 적절한 주조 기술 설계를 가능하게 한다.
3. 논리적 순서에 따른 컴퓨터 시뮬레이션의 사용은 프로토타입 주물의 빠르고 정확한 설계를 가능하게 한다.

8. 참고 문헌:

1. Kowalski P., K. Wańczyk, M. Małysza, A. Gil. 2015. „Numerical Analysis of Casting Process of the Diesel Engine Compressor Rotor". Archives of Foundry Engineering 15 (sp.is. 2): 51-54.
2. Gwiżdż A., M. Małysza, M. Nowak. 2013. „Use of Flow-3D Program for simulation of pouring and solidification process of ductile cast iron castings. Part I". Transactions of Foundry Research Institute 53 (1): 35-53.
3. Pysz S., R. Żuczek, E. Czekaj, A. Karwiński, M. Małysza, P. Sprawka. 2014. „Integration of numerical procedures in the design and manufacturing technology on the example of a cast component for the automotive industry". Foundry Trade Journal International 188 (3711): 26-29.
4. Pysz S., J. Piekło. 2013. „The application of Integrated Computational Materials Engineering (ICME) in foundry practice". Transactions of Foundry Research Institute 53 (4): 57-70.
5. Pysz S., J. Piekło, M. Małysza. 2014. „The Use of Topology Optimization in Shaping the Strength of Castings". Solid State Phenomena 223 : 62-69.
6. Zachura A., R. Żuczek. 2014. „Innovative design of a longwall shearer's haulage system with highly loaded components of a tribological pair manufactured according to the precise casting technology". Solid State Phenomena 223: 171-180.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 이 프로젝트에 ICME 방법론을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: ICME는 설계, 재료 선정, 공정 검증을 하나의 논리적 순서로 통합하여 프로토타입 개발 시간을 획기적으로 단축시키기 때문입니다. 또한, 개발 과정 중 발생하는 변경 사항이 최종 제품에 미치는 영향을 지속적으로 모니터링하고 신속하게 대응할 수 있게 해줍니다.

Q2: Table 1은 여러 설계 반복 과정을 보여줍니다. 최종 설계를 선택한 주요 기준은 무엇이었습니까?

A2: 최종 설계는 질량 최소화(41 kg), 최대 등가 응력의 낮은 수준 유지(42.3 MPa), 그리고 Figure 5에서 보여주는 높은 안전 계수 확보 사이의 균형을 기준으로 선택되었습니다. 이 모든 과정에서 제조 가능성 또한 중요한 고려 사항이었습니다.

Q3: 논문에서는 Flow3D와 MAGMAsoft 두 가지 시뮬레이션 소프트웨어를 모두 사용했습니다. 두 가지를 사용한 특별한 이유가 있나요?

A3: 논문에 따르면 "양질의 주물을 제조할 확률을 높이기 위해" 추가적인 시뮬레이션을 수행했습니다. 유사한 경계 조건 하에서 두 번째 소프트웨어(MAGMAsoft)를 사용하는 것은 초기 Flow3D 시뮬레이션 결과, 특히 기공 예측에 대한 검증 단계로서의 역할을 했습니다.

Q4: Figure 6의 자연 응고 해석에서 '핫스팟(hot spot)'을 식별하는 것의 중요성은 무엇이었습니까?

A4: 마지막으로 응고되는 영역인 핫스팟을 식별하는 것은 주조 기술을 설계하는 첫 번째 핵심 단계였습니다. 이는 수축 기공을 방지하기 위해 어느 부분에 용탕 보급이 가장 필요한지를 보여주었고, 해당 영역에 용탕이 효과적으로 공급되도록 탕구 및 압탕 시스템의 설계와 배치를 안내하는 역할을 했습니다.

Q5: 최종 재료로 ENAC-43300이 선택되었습니다. A201이나 A356과 같은 다른 알루미늄 합금 대신 이 재료를 선택하게 된 요인은 무엇입니까?

A5: 재료 선정은 가정된 운용 조건에 대한 안전 계수와 재료 강도 지수를 기반으로 한 비교 분석을 통해 이루어졌습니다. 분석 결과, ENAC-43300이 서스펜션 부품의 까다로운 성능 요구사항을 충족하는 "가장 적합한 재료"로 결정되었습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 복잡한 고성능 부품 개발에서 직면하는 문제를 해결하기 위해 주조 공정 최적화가 얼마나 강력한 도구인지를 명확히 보여줍니다. 통합 계산 재료 공학(ICME) 접근법을 통해 초기 설계부터 재료 선정, 제조 공정 시뮬레이션에 이르기까지 전 과정을 체계적으로 관리함으로써, 15%의 경량화를 달성하면서도 제품의 강도와 품질을 보장할 수 있었습니다. 이는 개발 시간 단축과 비용 절감이라는 실질적인 이점으로 이어집니다.

"CASTMAN은 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최신 산업 연구 결과를 적용하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 "[Marcin Małysza]" 외 저자들의 논문 "[Development and optimization of casting technology on part of the suspension of a heavy vehicle used in difficult environmental wetland conditions]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: DOI: 10.7356/iod.2016.24

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