In today’s highly competitive market situation, it is of vital importance for the manufacturing industry to reduce both lead-time and costs for product development. Since its first advent in 1986, as a new tool for time-reduction of product development, rapid prototyping (RP) has helped to address the challenges successfully. Recently, significant advances in materials and equipments enable most RP processes to produce physical models that are precise and strong enough to serve as master patterns for a variety of rapid tooling (RT). Many kinds of RT processes have been used for diverse applications including prototyping of die casting products. The combination of RP and plaster casting has provided useful means of making prototypes that physically simulate die casting. Unlike in standard die casting, however, plaster casting molten metal is poured into a plaster mold without additional pressure except gravity and the mold cools down much slower than a die cast mold. Because of these differences, which mainly stem from their large grain structure, and incomplete filling of the thin walls, plaster castings are not suitable enough for prototyping of die casting.
The application of vibrations to solidifying metals and alloys has been found to be beneficial in a number of ways. The most notable effect of vibration is the suppression of columnar and dendritic growth and the formation of fine equiaxed grains and consequently a marked improvement in density and mechanical properties. The first purpose of this study is to propose a new plaster die casting process to improve prototyping of steel die casting, and to develop a plaster die casting machine implementing the proposed process.
The RP process of LOM (Laminated Object Manufacturing) is employed to make the patterns to prepare silicone molds. Even though silicone molding is generally used for producing wax patterns, in the proposed process, it is applied to produce plaster molds repeatedly. The process combines pressurizing and vibrating the molten metal simultaneously to fill the mold completely and to facilitate the creation of nuclei in the molten metal, respectively. A plaster die casting machine employing pressurization and vibration has been developed which has a structure similar to that of a die casting machine. The machine utilizes an oil cylinder for pressurization and a magnetic actuator for vibration.
An end clutch cover, which is normally manufactured by high pressure die casting, was obtained by the developed plaster casting machine. Mechanical properties and microstructures of the prototypes are compared with varying process parameters. The lower temperature of the mold surface and shorter injection time resulted in the notable improvement in surface roughness. The change of frequency did not affect the roughness of the surface as much as the mold temperature. The lower mold temperature as well as the vibration from the plunger during solidification, which activates the creation of a nucleus of the casting, causes the remarkable decrease in the grain size of the prototype made by the developed process. Vibration with high frequency was conducive to the production of fine-grained castings. Mold temperature, solidification time, and vibration frequency affected the grain size of the part in various degrees.
In the metal casting process, a molten metal is poured into three-dimensional die cavity of complex geometry with high speed. The molten metal flow during the filling process exhibits very complex phenomena such as front flow merging and breaking, abrupt in flow direction, and air entrapment. A variety of simulation models have been proposed and used for analysis of casting processes, in all of which calculation of complex free surface movement and transient velocity change is the key procedure. The finite difference method (FDM) has been widely employed to simulate the molten metal flow for general practical problems. Recently, the finite element method (FEM) is being even more applied to the mold filling analysis.
The second purpose of this study is to develop an improved VOF (Volume of Fluid) method and an adaptive grid technique for efficient analysis in three-dimensional finite element modeling of the filling stage in the die casting process. In this study, the improved VOF method in conjunction with the Eulerian method is used in order to carry out a FE analysis of casting process. The improved VOF method is the filling pattern technique to predict the free surface by considering the geometric shape of triangular and tetrahedral elements for two- and three-dimensional analyses respectively. The adaptive grid refinement is incorporated in the FEM and the improved VOF method to capture a higher resolution of the free surface configuration. The adaptive grid is created at each time step through the grid refining and coarsening procedures, as opposed to employing the fixed grid in the VOF methods. The elements finer than those of the internal and external regions are distributed over the surface region. The adaptive grid refinement technique is applied to the generation of a flow field that better resembles the shape of the predicted free surface, and to advance the predicted free surface more precisely.
By adopting the proposed numerical techniques, the two-dimensional radial flow with a point source and the collapse of a water dam has been analyzed. The collapse of a three-dimensional water dam also has been analyzed. The numerical results have been found to be in good agreement with the known theoretical solutions and the experimental results. Through comparisons with the numerical results in several cases using different types of grid, the efficiency of the proposed methods has been verified. A three-dimensional benchmark problem has been analyzed which was used for a voluntary test in the 7th conference on the MCWASP VII 1995 in Birmingham University. The numerical results have been shown to be in good agreement with the experimental results.
Using the developed casting process and FE code, a typical industrial part of the die casting process such as an aluminum road wheel has been prototyped and analyzed. The predicted flow patterns by the numerical simulation have been compared with the experimental results obtained from detecting temperature of thermocouples. Through the results of this analysis and prototype produced, it has been shown that the proposed numerical method and the casting process can be successfully applied to practical industrial problems.
1986년 쾌속 조형 기술의 개발로 새로운 제품의 개발 시간과 비용의 획기적인 감소가 이뤄졌으며, 그 쾌속 조형 기술을 기반으로 하는 쾌속 툴링 공정을 통하여 제품의 양산 과정에 소요되는 비용이 감소되었다. 이와 같은 쾌속 툴링 공정 중 금속 제품의 제작을 위하여 중력을 이용한 석고 주조 공정이 금속 금형을 사용한 주조 공정의 시작 공정으로 활용되고 있다. 하지만, 매우 복합적 요소들로 이뤄진 주조 공정의 변수와 금속 금형의 특성을 석고 몰드가 대신 할 수 없는 단점들로 인하여 시작 공정으로 제작된 제품이 실제 양산품의 특성에 못 미치는 결과를 초래하였다.
본 논문은 금속 금형을 이용한 주조 제품의 생산에 있어 제품의 개발 시간 및 비용 감소를 위한 방법으로 새로운 수치적 모사와 시작 공정을 제안한다.
기존의 연구에서 금속의 응고 과정에 부가된 진동의 효과로 수지상 조직의 제거를 통한 내부 조직의 미세화와 주조폼의 기계적 특성의 향상 등이 연구되었다. 본 논문의 하나의 목적은 진동을 부가한 새로운 석고 주조 공정의 개발로 기존의 시작 공정에서 얻어지는 제품의 특성을 향상시키는 것이다. 제안된 공정에서는 쾌속 조형 공정의 하나인 LOM 공정을 활용하여 제품의 원형을 제작하고 원형으로부터 실리콘 몰드를 제작하여 최종적으로 석고 몰드를 제작하는 쾌속 툴링 공정을 이용하였다. 일반적으로 실리콘 몰드로부터 왁스 원형을 제작하지만, 본 연구에서는 석고 몰드를 반복적으로 생산하여 시작품 제작에 사용하였다. 개발된 주조 장비는 용융 금속에 유압을 통한 가압과 함께 마그네틱 진동자에 의한 제어된 진동을 부가하도록 제작되었다. 이와 같은 공정은 몰드의 완전 충전과 함께 응고 과정에서 안정적 핵의 생성을 촉진하여 내부조직의 미세화 및 기계적 특성의 향상 결과를 나타낸다.
개발된 장치와 제안된 공정을 통하여 고압 다이 캐스팅 공정으로 양산되고 있는 End Clutch Cover를 제작 및 분석하여 공정의 효용성을 보였다. 0.5 mm의 진폭과 진동 주파수를 0에서 60Hz까지 변화시켜 제품을 생산하여 내부조직을 비교한 결과, 진동을 부가한 경우 내부조직의 크기가 진동을 부가하진 않은 경우데 대하여 50 %로 감소하였으며 이와 같은 현상은 진동 주파수가 증가할수록 촉진되었다. 하지만, 조직의 미세화 및 표면 거칠기의 향상 등의 기계적 특성은 단지 진동 주파수에만 의존하는 것이 아니라 석고 몰드의 온도, 응고 시간 등에 의해서도 복합적으로 영향을 받았다.
열을 포함한 매우 복잡한 자유 표면 유동으로 대표되는 주조 공정은 앞서 설명한 시작 공정으로 모든 공정 변수를 결정하기에 많은 어려움이 있다. 이의 해결 방안으로 수치적 모사를 통한 시작 공정의 단점을 보완하는 것이 본 논문의 또 다른 목적이다.
주조 공정의 수치적 모사를 위하여 많은 기법이 기존에 개발 되었으며, 이와 같은 기법은 대표적으로 FDM와 FEM을 기반으로 하여 비정상 자유표면을 표현하는 방법이 적용되어 활용되고 있다. 본 논문에서는 3차원의 복잡한 금형을 자유로이 표현할 수 있는 사면체 격자를 사용한 VOF 법을 제안하고 자유표면의 정확도 향상과 효과적인 계산 시간 활용을 위한 격자 세분화 기법을 제안한다. 제안된 사면체 격자를 사용한 VOF 법은 주변 요소의 충전 형상을 고려하여 각 요소의 충전 형상을 결정하는 기법으로, 기존의 방법이 반복적 계산을 통하여 자유표면을 구성함과 달리 주변의 충전율로서 분류된 충전 형상 중 하나를 반복적 계산 없이 선택하는 효율적 방법이다. 이와 같은 충전 기법에 해석 정확도의 향상과 충전 형상의 유연한 표현을 위한 격자 세분화 기법을 자유 표면 요소에 적용하였다. 제안된 수치적 기법의 검증을 위하여 3차원의 물 댐의 붕괴 과정을 해석하여 실험 결과와 비교하였으며 제 7회 MCWASP 학회 주관의 검증 문제를 해석하여 실험 결과와 비교하여 제안된 기법의 효용성을 입증하였다.
개발된 시작 공정과 수치해석 기법을 저압 다이 캐스팅 공정으로 생산되는 알루미늄 합금 자동차 휠에 적용하였다. 시작 공정과 수치 해석 결과를 통하여 유동의 특성과 충전 및 응고 과정의 온도 분포를 비교하였으며, 열점에 의한 수축 현상의 예측과 공기의 함입 가능성의 예측을 통하여 금형 설계의 변경 안을 제시하였다.
