3D 프린팅 기술을 이용한 다이캐스팅 온도 제어 최적화

환경 보호와 에너지 절약의 차원에서 자동차 제조, 우주항공 및 기타 산업 분야의 경량 소재 요구가 점차 강해지고 있습니다. 알루미늄 및 마그네슘 합금은 경량 구조를 달성하는데 이상적인 소재가 되었으며, 특히 알루미늄 합금은 낮은 밀도와 높은 강도를 특징으로 합니다. 자동차 부품 제조 분야에서 이 합금의 적용은 지속적으로 확대되고 있습니다. 유럽 알루미늄 협회는 자동차 산업을 예로 들어 2030년까지 승용차 한 대 당 평균 알루미늄 사용량은 256kg에 이를 것으로 보고했습니다. 중국 산업정보기술부(Chinese Ministry of Industry and Information Technology)의 ‘에너지 절약 및 신 에너지 기술 로드맵’은 차량 한 대 당 알루미늄 사용량 목표를 2025년 250 kg, 2030년 350 kg으로 제시했습니다. 자동차 업계에서 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금의 비율은 70%에 이릅니다. 기존 내연기관 차량의 엔진 블록과 실린더 헤드 커버, 변속기 하우징, 스티어링 시스템 체인 커버부터 신에너지 차량의 모터 하우징, 전자 제어 시스템 및 기가 다이캐스팅 차체 구성품에 이르기까지 알루미늄 합금 다이캐스팅 부품이 널리 이용됩니다.

자동차 업계는 신에너지 차량이 꾸준히 증가하고 시장 경쟁이 심화되는 가운데 반복적으로 업그레이드를 진행하고 있습니다. 모터 구성품은 특히 기가 다이캐스팅을 적용할 경우 제조 과정에서 고압 다이캐스팅 공정이 필요합니다. 이는 다이캐스팅 업계와 다이에 새로운 기회와 과제를 제시했습니다. 특히 다이캐스팅 부품의 높은 품질을 확보하고 다이 공구 수명을 유지하는 것이 다이캐스팅 및 다이 제조사의 주된 과제입니다. 이러한 과제를 해결하기 위해서는 다이 온도 분배와 응력 제어, 생산 사이클 시간 및 수축 공극성, 균열, 캐스팅 제품 표면 품질 등 제품 문제를 제어하는데 중요한 역할을 하는 다이캐스팅 다이의 전체적인 열 균형을 관리하는 것이 매우 중요한 요소입니다.

특히 기가 다이캐스팅의 경우, 캐스팅이 비교적 무겁고 형태가 복잡하며 대부분의 경우 무게가 100 kg을 초과합니다. 다이캐스팅 공정에서 녹은 금속은 많은 잠열을 방출하여 복잡한 다이 온도 변화, 다이 전체에서 고르지 않은 높은 온도가 발생합니다. 게이트와 러너 부근은 온도가 높으며 냉각이 필요합니다. 제품의 두꺼운 벽을 갖고 있는 구획은 매우 뜨거우며 냉각에 각별히 주의해야 합니다. 반면 금속 흐름의 끝부분 온도는 비교적 낮기 때문에 콜드 셧 및 부족한 캐스팅 주입 등의 결함이 나타나지 않도록 열 손실을 제어해야 합니다.

현재 주로 이용하는 방법은 다이 내에서 다이 온도 컨트롤러와 내부 냉각 채널을 결합하여 여러 구획들의 다이 온도를 제어하는 것입니다. 하지만 기존 냉각 채널 레이아웃은 한계가 있기 때문에 온도 제어로 냉각 요구를 완벽히 충족할 수 없습니다.

적층 제조 (3D 프린팅 기술)를 통해 기존 방법으로는 불가능했던 냉각 채널 최적화를 할 수 있습니다. 이 기술은 다이의 열 균형 관리를 달성하기 위한 중요한 방법 중 하나입니다. 3D 프린팅 기술로 만든 복잡한 냉각 채널이 있는 다이 인서트는 다이캐스팅 업계에서 점차 많이 사용되고 있으며 다이캐스팅 다이에 특별한 경쟁 우위를 제공합니다.

3D 프린팅이 필요한 다이캐스팅 인서트는 일반적으로 높은 열 응력이 가해지며 내부 냉각 채널 설계가 복잡합니다. 따라서 프린팅 파우더 및 냉각 채널 설계 용량에 높은 성능이 요구됩니다.

현재 일반적으로 이용되는 3D 프린팅 파우더는 다용도로 이용되는 마레이징강인 1.2709입니다 (중국의 경우 18Ni300). 화학 조성에는 C (0.03%), Si (0.1%), Mn (0.15%), Cr (0.25%), Mo (4.5~5.2%), Ni (17-19%), Co (8.5~10%), 및 Ti (0.8~1.2%)가 포함됩니다. 이 소재는 인쇄 능력은 우수하지만 부족한 인성, 열전도성, 다이캐스팅 생산 시 다이에 들러붙는 경향 등의 문제가 있습니다. 이 파우더를 이용한 많은 고객들은 생산 기대사항을 충족하기 어려운 조기 균열 및 고장을 보고했습니다.

ASSAB은 다이캐스팅 다이를 위한 고성능 적층 제조(3D 프린팅) 파우더 AM Dievar를 제공합니다.

AM Dievar는 뛰어난 인성과 우수한 열강도와 열전도성, 뛰어난 인쇄 능력을 갖추어 내부 냉각 채널이 복잡한 다이캐스팅 다이에 특히 적합합니다. 제품 품질과 생산 효율성 개선, 다이캐스팅 비용 절감에 대한 높은 기대를 충족시키고자 하는 AM Dievar는 다이캐스팅 업계에서 새로운 과제를 충족하는데 두각을 보입니다.

내부 냉각 채널의 설계는 다이캐스팅 공정의 열 균형을 관리하는 핵심입니다. ASSAB은 냉각 채널의 5 단계 설계 공정을 따릅니다:

1. 고장 위험이 있는 다이 영역의 식별,
2. 내부 설계 원리를 토대로 한 냉각 채널 설계,
3. 열 균형 및 열 응력 분석 등 시뮬레이션 분석 수행,
4. 위 시뮬레이션 결과를 토대로 한 냉각 채널 설계 최적화,
5. 최적화 후 재분석.

특별한 고성능 3D 프린팅 파우더인 AM Dievar, 그리고 5 단계 설계 접근법을 이용하는 ASSAB AM 솔루션은 다음과 같은 명확한 장점을 제시합니다:

1. 다이캐스팅 부품의 품질을 개선하고 폐기율을 줄입니다: 다이는 과열점 없이 보다 균일한 온도 분포를 보입니다. 다이캐스팅 부품의 두꺼운 벽 부분에서 효과적인 냉각을 달성하여 품질의 일관성을 높입니다.
2. 다이 수명 연장: 다이의 응력 분포를 최적화하고 균열 저항력을 개선하며 조기 균열 문제를 예방합니다.
3. 적은 유지보수: 다이 고장으로 인한 비가동시간과 유지보수 비용을 줄입니다.

이러한 장점들은 다이캐스팅 생산에 반영됩니다. 다음은 ASSAB AM 솔루션의 성공적인 적용 사례입니다:

사례 2:

한 자동차 부품 제공사에서 엔진 배기가스 재순환 시스템 구성품다이캐스팅 시 과열점을 줄이기 위해 형상적응형 냉각 채널 3D 프린트 인서트를 이용했습니다. 이 인서트는 약 50,000에서 60,000 샷 후 균열이 발생하여 예상 공구 수명을 충족하지 못했습니다.

ASSAB은 다이 분석을 수행하고 기술 솔루션을 최적화했습니다. 다이 인서트 프린팅을 위해 AM Dievar를 이용함으로써 다이 수명은 40-50% 증가했습니다. 이를 통해 부품 당 생산 비용은 기존 인서트를 사용했을 때보다 50% 줄어들었습니다. 인서트의 공구 수명은 전체 생산 배치에서 요건을 충족했습니다.

사례 3:

한 다이캐스팅 제조사가 안정적인 품질 요건을 두고 대량 배치로 엔진 구성품을 제조했습니다. 이 제조사는 생산 사이클 시간을 줄이기 위해 1.2709 형식 AM 파우더를 이용한 3D 프린팅으로 생산 효율성 향상을 목표로 디스트리뷰터를 제조했습니다. 하지만 약 12,000 샷 후에 디스트리뷰터에 균열이 발생하고 더이상 이용하지 못하게 되었습니다.

ASSAB은 5단계 설계 공정을 이용하여 냉각 채널 설계를 최적화하고 AM Dievar로 디스트리뷰터를 생산했습니다. 이제 균열이나 고장 없이 35,000 샷 이상을 생산했습니다. AM Dievar의 뛰어난 열전도성은 생산 효율성을 더욱 높여주었습니다. AM Dievar를 이용하여 프린트된 디스트리뷰터는 아시아 태평양 지역 고객들에 의해 성공적인 대량 생산 능력을 인정받았습니다. 한 제조사의 경우 이 디스트리뷰터의 수명은 200,000 사이클을 초과했습니다.

위 사례는 ASSAB AM 솔루션의 제품 품질 및 생산 효율성 개선 및 생산 비용 절감 잠재력을 증명합니다.

추가적으로 혁신적인 3D 프린팅 기술을 적용함으로써 지속적인 개발을 촉진하고 환경 목표를 달성할 수 있습니다.

한 다이캐스팅 디스트리뷰터 적용 성공 사례에서 ASSAB의 3D 프린팅 기술을 통해 생산 사이클 시간이 10% 줄어들었으며 이산화탄소 배출량이 12 톤 감소했습니다. 기업들은 이 기술을 적용하여 환경 보호를 준수하면서 경쟁력을 유지할 수 있습니다.

탄소 발자국 계산 – 유통업자

참고자료:

1. ‘대형 다이캐스팅 몰드 제조 분야에서 새로운 기회를 가져온 기가 다이캐스팅’ http://www.cqmjxh.cn/newsx.asp?id=1372&fid=6&lm=19
2. 유럽 알루미늄 협회 승용차 알루미늄 이용 연구 및 예측 보고서 (2022-2030) – World Aluminium Network (세계 알루미늄 네트워크)
3. 혁명적인 다이캐스팅 기술: €3,000의 3D 프린팅 투자를 통해 연간 €45,000 절약”