132 · 2018/3

ANALYSIS

조애령에스티아이씨앤디 솔루션 사업부의 차장이다.

이메일 | joal@stikorea.co.kr

홈페이지 | www.flow3d.co.kr

주조 분야 사용자들에게 제공되는 FLOW-3D 제품은 주조해석

에 전문화된 FLOW-3D Cast이다. 이는 범용인 FLOW-3D를 주

조분야에만 국한시켜 이 분야의 사용자가 가장 쉽게 접근, 활용할

수 있도록 사용자 환경을 재구성하였고, 공정 설계자로부터 전문

해석자까지 제품을 사용하는데 어려움이 없도록 최대한 접근성을

높여 개발되었다. <그림 1>은 FLOW-3D Cast의 GUI와 그에 따른

절차 설명을 간단히 보여주고 있다.

FLOW-3D Cast는 대표적으로 고압 다이캐스팅, 저압 다이캐스

팅, 경동주조, 중력주조, 중자성형 등 거의 주조 전분야에 대한 해

석을 수행할 수 있으며, 주조 합금과 금형, 몰드 모두에 대해 유동 및

열응력 솔루션을 제공해 줄뿐만 아니라, 제품 생산 시 발생하는 불

량 문제 등을 빠르게 파악하고 개선해 나갈 수 있는 방향을 제시해

줄 수 있다.

FLOW-3D Cast의 각 기능에는 앞서 말한 주조 과정에서 사용

되는 공정을 모델링할 수 있도록 개발되었고, 정확한 유동과 응고

결과는 물론 제품의 표면산화물, 혼입된 공기, 매크로 및 마이크로

기공, 수축공과 같은 중요한 주조 결함을 포착할 수 있는 기능이 탑

재되어 있다. 또 다른 독특한 모델링 기능으로는 로봇 스프레이 냉

각을 적용할 수 있는 열 다이 사이클링 기능 및 샷 슬리브 흐름 프로

필, 스퀴즈 핀 및 열응력을 모델링할 수 있는 기능도 탑재되어 있다.

이번 호에서는 대표적인 실물 예제로 여러 주조 공법 중 고압 다이

캐스팅, 중력주조의 실례를 들어 설명하고 제철 및 제강 공정에서

활용된 몇 가지 사례를 덧붙여 소개하고자 한다.

연재순서

제1회 FLOW-3D 소개 및 특징

제2회 수자원, 해양 분야의 활용

제3회 주조, 기계 분야의 활용

제4회 코팅 분야의 활용

제5회 항공,우주 분야의 활용

지난 호에서는 FLOW-3D의 수자원 및 해양분야 활용 사례들을 살펴보았다. 이번 호에서는 FLOW-3D의 활용분야 중에서 주조, 기계 분유 및 철강

분야에서 활용된 다양한 사례를 살펴보고자 한다.

그림 1. FLOW-3D Cast의 GUI

그림 2. FLOW-3D Cast의 주조해석 종류

FLOW-3D 의 활용 및 설계 적용 사례 (3)

주조 , 기계 분야의 활용

ANALYSIS

2018/3 · 133

FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (3)

고압 다이캐스팅 해석

FLOW-3D Cast가 수행할 수 있는 주조 분야 중 대표적인 주조

해석은 용탕의 충진 현상이 최대 관점인 고압 다이캐스팅 해석이다.

고압 다이캐스팅은 FLOW-3D Cast 내의 GMO(Genera l

Moving Object)라는 기능을 이용하여 플런저 운동에 의한 슬리

브 내의 용탕(액체화된 용융된 금속)을 제품 캐비티 안에 고속으로

밀어 넣는 공정이다. FLOW-3D Cast는 용탕의 충진 과정뿐 아니

라 온도, 압력, 속도 등 사용자가 원하는 결과들을 얻을 수 있으며,

또한 용탕의 충진 과정에서 불가피하게 나타날 수 있는 표면 산화물

의 생성, 혼입된 공기로 인한 미세 기공의 생성, 응고 과정 중의 수축

공 등 다양한 불량 원인을 찾아 준다.

해석 사례로서 센터 블록이라는 실제 제품에 대해서 고압 다이캐

스팅 해석을 수행하여 충진 및 응고 해석을 수행하여 보았다. 이 제

품은 각종 유압장치들이 연결되는 부품으로 기밀성이 필수적인 제

품이다. 기존에는 사각형의 알루미늄 덩어리를 가공하여 제품을 생

산하였으나, 생산성 면에서 매우 뛰어나고 가벼운 고압 다이캐스팅

공법을 적용하여 생산하고 있다.

FLOW-3D Cast에서 해석을 수행하려면 순서적으로 기본 모델

설정, 물리모델 선택, 용탕의 물성 구성, 유한요소모델(격자) 생성,

경계조건 설정과 해석 수행 등의 단계별 절차를 거치게 된다. <그림

1>의 GUI에서 본 바와 같이 왼쪽의 순서별 메뉴인 Design Flow

를 따라 진행하면 어렵지 않게 수립이 가능하다. 각각의 세세한 내

용은 전문 교육이 필요한 부분이어서 여기에서는 상세 설명은 생략

하고자 한다.

다만 완료된 해석에 대해서 몇 가지 결과를 분석해 볼 수 있겠다.

해석 결과는 강력한 후처리기인 FlowSight 제품을 통해 자동으로

연결되어, 보다 고도화되고 정확한 결과 분석을 가능하게 해준다.

<그림 4>는 후처리기 FlowSight의 GUI를 보여준다.

충진해석-산화물 분포

우선 용탕의 충진 양상과 센터 블록의 표면 산화물 분포를 확인

하고자 한다. 여기서 표면 산화물이란 산소와 알루미늄 용탕과의 화

합물을 말한다. 공정상 불가피하게 나타나는 부분일 수 있으나, 산

소는 특히 알루미늄과 1/1000초 이내에 반응하여 용탕 표면에 산

화물을 만드는데 이 표면 산화물이 제품 내에 유입되어 분포하게 되

면 불량률이 높아질 수 밖에 없다. <그림 5>는 충진 완료된 센터 블

록의 산화물 분포를 나타낸다.

응고해석

제품의 불량은 충진 중의 유동 양상 뿐만 아니라, 응고 중 균일한

온도 저하가 이루어지지 않아서 발생한 수축공으로 인해 발생할 수

있다. FLOW-3D Cast에서 제품의 용탕 충진 완료 후 응고 시 발생

될 수 있는 수축공의 여부와 발생한 위치를 확인할 수 있다.

<그림 6>은 제품의 수축공 여부를 확인할 수 있는응고 분율 결과

이다.

<그림 7~8>은 응고가 완료된 시간에서 실 제품의 부위를 절개하

여 확인한 그림이다. FLOW-3D Cast에서 결함을 예측한 지점(<그

림 7>의 점선부, <그림 8>의 확대부 참고)에서 실제 제품의 불량이

확인되었다.

그림 3. 센터 블록의 제품 형상

그림 4. 후처리기 FlowSight의 GUI

그림 5. 센터 블록의 산화물 분포

그림 6. FLOW-3D Cast의 수축공 위치

134 · 2018/3

ANALYSIS

해석 결과를 실제 생산 제품과 비교하면 불량부의 위치가 거의 정

확하게 일치하는 것을 확인 할 수 있을 것이다. 이는 FLOW-3D

Cast의 뛰어난 표면 추적 기법(VOF : Volume of Fluid)과

FAVO R ( F r a c t i o n A r e a o f Vo l u m e O b s t a c l e

Representation)라는 독창적인 기법에 기인한다. 언급한 기법들

을 통해 FLOW-3D Cast는 슬리브로부터 제품까지 주입되는 용탕

의 흐름과 초기 혼입된 공기의 양상 및 표면 산화물의 분포를 정확

하게 추적하여 계산해 낼 수 있다.

FLOW-3D Cast의 다이캐스팅 분야 검증 사례는 상당히 많다.

지면의 제약상 여기에 모두 소개할 수 없어 몇 가지 사례(그림 9~10)

를 나열하는 것으로 마무리하겠다.

중력 주조 해석

중력 주조는 가장 기본적인 주조 방법으로 중력에 의해 주형에

용탕을 주입하는 공법이다. 이때 주형은 사형과 금형이 주로 사용되

고, 주입되는 금속의 재질은 주철, 주강, 스테인리스 스틸, 동합금,

알루미늄 합금 등 종류가 다양하다.

<그림 11>은 중력 주조 해석에 사용될 모델의 형상을 나타낸다.

이 제품은 직렬 6기통 엔진용 실린더 블록이고 재질은 회주철을 사

용한다. 중력 주조 공정에서 주로 발생되는 주조 결함은 수축, 비금

속 게재물 혼입, 기포, 미충진 등이다. 따라서 여기에서는 용융 금속

의 유동과 응고 시 발생할 수 있는 결함에 초점을 맞추어 주조 해석

을 실시하였다.

그림 7. 센터 블록의 수축공 분포(점선)

그림 8. 센터 블록 수축공 분포(점선 위치 확대)

그림 9. 검증 사례(Buhler, Germany)

그림 10. 검증 사례(ALCAN, USA)

그림 11. 직렬 6기통 엔진용 실린더 블록

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FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (3)

충진 해석

용융 금속을 중력에 의해 몰드 속에 흘려 넣어 제품을 얻는 중력

주조 공정은 부드러운 주입과 적절한 온도 구배가 제품의 품질을 좌

우한다. 따라서 이러한 현상을 정확히 계산할 수 있어야 제품의 불

량을 예측하고 대응할 수 있다. <그림 12>는 용탕의 충진 시 유체의

유동 거동과 그때의 온도 분포를 나타낸다. 또한 <그림 13>에서는

제품 각 부위의 용탕의 유입 속도를 나타내고 있다. 이러한 충진 해

석을 통해 엔지니어가 러너 및 게이트 방안 등을 최적화할 수 있다.

응고 해석

충진 과정에서의 불량을 제외하면 대부분의 중력 주조 제품의 불

량은 응고 과정에서 발생한다. 특히 용융 금속의 응고 순서가 게이

트에서 먼 부분에서 러너, 탕구 순으로 순차적으로 이루어져야 양호

한 제품을 얻을 수 있다. 따라서 이러한 고상 분율과 온도 분포는 중

력 주조 공정에서 매우 중요한 인자이다.

<그림 14>는 응고 시 고상 분율의 분포를 나타낸다. 그림에서 붉

은색으로 나타나는 부분은 이미 응고가 완료되어 고상의 금속으로

된 부분이며, 파란색으로 나타나는 부분은 아직 응고가 완료되지

않은 액상 상태이다. 고상 분율은 제품 - 게이트 - 런너 - 탕구의 순

서로 진행되는 것이 가장 이상적이다. 그러나 <그림 14>에서 제품의

중간부위에 파란색 부분이 나타나는 것으로 보아, 그 부분에서 응

고 시 수축 결함이 발생할 가능성이 있다.

앞서 <그림 14>에서 상대적으로 응고가 늦게 진행되는 부분(중간

파란색 부분)이 <그림 15>에서 온도 분포에서도 다소 높게 나타난

다. 또한 제품의 횡단면을 절개하여 내부의 온도 분포를 살펴보면

실린더 bore 부분의 다소 두께가 두꺼운 부분에서 온도가 높다. 따

라서 방안 설계 시 이러한 부분을 고려하여 게이트나 러너의 디자인

을 선택해야 한다.

<그림 16>은 응고가 진행되는 시간을 나타내고 있다. 붉은 색으

로 나타나는 부분이 응고가 이루어지기까지 많은 시간이 소요되는

것을 나타낸다. 이렇게 응고가 지연되는 부분이 최종 응고부가 되므

로 수축 결함이 발생할 수 있는 부분이다.

<그림 17>에서는 시간에 따라 응고되는 부피를 그래프로 나타내

었다. 이러한 정보들에 의해 사용자는 최적 응고시간을 결정할 수

있다. 실제 생산현장에서는 충진에서 응고까지를 한 사이클로 했을

때, 이 사이클 시간을 줄이는 것이 생산량을 증대시키는 주요한 원

인이 된다. 따라서 응고시간에 따른 부피 분율은 매우 중요한 정보

가 된다.

그림 12. 용탕 충진 시 온도 분포

그림 13. 용탕 주입 시 속도 분포

그림 14. 응고 분율

그림 15. 응고 완료 시 온도 분포

136 · 2018/3

ANALYSIS

응고 시 제품의 두께와 위치에 따라 냉각되는 정도가 다르다. <그

림 18>은 이러한 냉각되는 정도인 cooling rate를 나타내었다. 횡

단면으로 절개한 경우를 보면 상대적으로 열이 쉽게 빠져나가지 못

하는 부위가 냉각되는 그 정도가 느린 것을 알 수 있다.

금속이 응고하는 과정에서는 나뭇가지 형상의 응고 조직이 생성

되는데 이러한 조직을 수지상정(Dendrite)라고 한다. 이러한 수지

상정에서 가지와 가지 사이의 간격이 제품의 건전성에 영향을 준다.

FLOW-3D Cast에서는 1차 및 2차 Dendrite Arm Spacing에

대해 예측할 수 있다. <그림 19>는 2차 가지의 간격이다.

일반적으로 주조제품의 경우 미세기공으로 인한 불량이 많이 발

생한다. 이러한 미세기공은 제품의 내구성 저하, 리크 등의 원인이

된다. <그림 20>은 미세기공 분포에 대하여 나타내고 있으며 <그림

20-a>는 Niyama법, <그림 20-b>는 LCC법에 의한 미세기공 예

측 결과이다. 각각의 예측 방법에서 정도의 차이는 있으나 거의 같

은 부위에 미세기공이 발생할 것으로 예측된다. 따라서 이러한 부위

를 유의하여 주조방안 설계 시 반영하여야 한다.

제철 및 제강 분야에서의 활용

제철, 제강 절차

우리 나라의 제철 및 제강 기술은 세계적으로도 손꼽을 정도로

매우 뛰어나다. 이러한 제철, 제강 공정에는 많은 기술적 노하우가

적용된다. <그림 21>은 일반적인 제강공정의 개략도이다. 위쪽에서

부터 레이들(Ladle) → 턴디시(Tundish) → 연속주조 → 압연의

순서로 공정이 진행된다.

이러한 각각의 공정에 대해 FLOW-3D를 이용한 해석이 가능하다.

레이들에서 용융 금속을 처리한 다음 턴디시로 흘려 보낸 후 노즐을

통해 연속주조가 이루어진다. 해석 시 가장 중요한 것은 정확성이다.

해석이 정확하지 않을 경우 대량의 비용 손실이 초래되기 때문이다.

그림 18. Cooling rate의 분포

그림 19. Dendrite Arm Spacing

그림 20. 미세기공 예측(Porosity Criterion)

(a) Niyama법

(b) LCC 법

그림 21. 제강 공정

그림 16. 응고 진행 시간 분포

그림 17. 시간에 따른 응고량 변화

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FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (3)

레이들(Ladle)

레이들에서는 용탕을 청정하게 만들기 위해 여러 가지 기계적, 화

학적 처리가 이루어진다. 그 중 대표적인 것이 황을 제거하기 위한

탈류제 처리와 불순물을 제거하기 위한 O₂상취와 아르곤(Ar)

Bubbling이다.

<그림 22>는 레이들에서 탈류제를 사용할 때의 유동을 해석한

결과로, 교반기가 회전하는 것은 FLOW-3D 내의 강체(Rigid

Body) 기능인 GMO를 이용하여 수행하였다. 탈류제가 침투하는

깊이를 해석하여 적정한 탈류제 처리 조건을 설정할 수 있다.

<그림 23>은 O₂를 상부에서 취입시키고, 하부에서는 A r

Bubble을 투입시키는 공정을 해석하였다. 용융금속 - O₂ - Ar

bubble의 3상(phase) 유동을 해석하였다. 이러한 해석을 하기 위

해 O₂와 Ar Bubble은 FLOW-3D 내의 particle 기능을 사용하

여 수행하였다.

턴디시(Tundish)

레이들에서 턴디시로 유입된 용융금속은 턴디시 내의 dam과

weir에 의해 유동 패턴이 나타난다. 턴디시 내의 유동에 대해서는

실제 모델로는 실험하기가 어려우므로 수(水)모델을 이용하여 주로

실험을 실시한다. <그림 24>는 턴디시 내의 유동을 해석한 결과를

실제 수(水)모델로 실험한 결과와 비교한 것이다. 이러한 수(水)모델

과 FLOW-3D로 해석한 결과를 비교했을 때 유동 양상이 거의 유

사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

이후 턴디시에서 노즐을 통해 연속 주조 몰드로 용탕을 흘려 보내

면 항상 문제가 되는 것이 노즐의 막힘 현상이다. 노즐의 내부 벽면

에 융용 금속이 일부 응고하여 붙게 되면 노즐의 내부가 점점 좁아

지게 되어 원활한 용탕의 공급이 어려워지게 되는데, 이럴 경우 공

정을 멈춰야 하므로 매우 큰 손실이 발생한다. 이러한 노즐 부분이

clogging되는 현상을 실제 노즐의 단면과 비교하여 <그림 25>에

나타내었다. 실제 노즐 막힘 현상과 유사한 결과를 나타내는 것을

확인할 수 있다.

연속주조

연속주조 시 용융금속과 아르곤 가스를 같이 주입하게 되는데 이

러한 현상을 <그림 26>에서 아르곤 가스의 투입 효과에 대해 나타

내었다. 이때 아르곤 가스는 FLOW-3D의 Particle 기능을 사용

하여 해석하였다.

맺음말

지금까지 고압 다이캐스팅, 중력주조와 제철 제강 분야에서 활용

된 다양한 사례를 살펴보았다. FLOW-3D는 VOF 및 FAVOR 등의

앞선 기술을 통해 열해석 및 유동해석이 정확하게 계산된다. 이외

GMO와 같은 기능은 일반적인 유동해석이나 주조해석 프로그램에

서 찾기 어려운 고급 기능을 제공하고 있으므로 다양한 형태의 해

석에 활용할 수 있다.

앞으로도 FLOW-3D는 직관적인 사용자 인터페이스를 앞세워

현장에서 지속적으로 요구되어 온 불량 저감, 개발 기간 단축, 원가

절감 등을 위한 활용에 더욱 많이 쓰일 것으로 기대된다.

그림 22. 탈류제 침투 깊이 해석

그림 23. Melt - Ar Bubbles - O₂의 3상 유동 해석

그림 24. 턴디시 내 유동 해석

그림 25. 노즐 막힘 현상 해석

그림 26. 연속주조 시 아르곤 가스 효과 해석