적층 제조 공정 맞춤 균일 냉각 제어를 위한 표면적응형 유로 설계와 제작에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 자동차 피스톤 금형의 균일한 냉각제어를 위하여 레이저 분말 베드 용융(LPBF, laser Powder Bed Fusion)방식의 금속 3차원 프린터로 제작가능한 표면적응형 유로의 설계와 공정을 제안하고 검증한다. 표면적응형 유로란 주조품의 형상과 유사한 형태를 가진 냉각 유로를 의미한다. 적층 가공을 위한 설계 개념(DfAM, Design for Additive Manufacturing)을 기반의 균일 냉각 제어 표면적응형 유로(Surface-adaptive conformal cooling channel)를 설계하였으며, 파이프 형태의 등각 냉각 유로의 설계변수를 활용하여 균일 냉각 제어 표면적응형 유로의 설계 변수와 가이드를 제안하였다. 또한 냉각 효과를 극대화하기 위하여 표면적응형 유로 내부에 핀-서포트를 설치하였다. 핀서포트는 열 균일도를 향상시키며 적층 제조의 서포트 역할을 복합적으로 수행한다. 제안된 표면적응형 유로는 냉각 속도 향상을 통해 생산성을 증가시키며, 주조품 결정립 미세화, 위치 별 냉각 온도 편차 감소의 효과를 가지고 있어 주조품을 고품질화 할 수 있다는 이점이 있다. 균일 냉각 제어 표면적응형 유로를 가지는 금형을 효율적으로 제작하기 위해 절삭가공의 하부 금형 위에 복잡한 유로를 가지는 금형을 적층하는 하이브리드 금형 제작 공정을 제안한다. 하이브리드 금형 제작 비용을 절감하기 위하여, 스케일로 인해 유로가 막혀 사용하지 못하는 기존 SKD61 소재의 폐금형의 상부를 제거하여 하부 금형으로 활용하였으며, 이 하부 금형 위에 STS630 소재의 금속 파우더로 표면적응형 유로를 가진 상부 금형을 적층하였다. 하이브리드 금형 제작 중 계면 접합 불량과 유로의 배열 불일치 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 계면 접합 최적 레이저 파라미터를 도출하고, 유로 배열 일치를 위한 모니터링 스터디를 제안하였다. 제안한 균일 냉각 제어 표면적응형 유로의 우수성과 효용성을 검증하기 위하여 자동차 엔진 피스톤 금형에 적용하였다. 제안한 설계 가이드와 공정 조건, 모니터링을 활용하여 피스톤 금형의 표면적응형 냉각 유로를 설계하고 제작하였다. 그 결과 피스톤 주조 공정이 단순한 냉각채널을 가진 기존 양산 금형에 비해 생산성이 30% 향상됨을 확인하였다. 또한 표면적응형 유로 피스톤 금형으로 제작한 피스톤의 초정 Si 입자와, 결정립의 크기가 감소하였고, 기계적 물성이 향상되었다. 본 연구에서는 균일한 냉각 제어를 위하여 면 형태의 냉각 유로인 표면적응형 유로를 설계하고 제작하는 공정 방법을 제시, 적용하였다. 균일 냉각 제어 표면적응형 유로 금형은 금형뿐만 아니라 우주 연소기, 발전 터빈, 열교환기와 같이 우수한 냉각효율이 필요한 다양한 산업 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.