KR102560811B1 - 3D 프린터 적용을 위한 Ti64 합금 봉재 주조에서의 몰드 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ti64 합금 봉재를 주조하기 위한 몰드 및 응고 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린터의 원료로 사용하기 위한 Ti64 합금을 봉재로 제작하기 위해 필요한 몰드를 설계하고 주조를 위한 응고 시뮬레이션 변수를 확립하여 500mm급 Ti64 합금 봉재의 주조에 적용 가능하다.

Description

3D 프린터 적용을 위한 Ti64 합금 봉재 주조에서의 몰드 설계 방법 {Mold design method in casting of Ti64 bar for 3D printer application}

본 발명은 Ti64 합금 봉재를 주조하기 위한 몰드 및 응고 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린터의 원료로 사용하기 위한 Ti64 합금을 봉재로 제작하기 위해 필요한 몰드를 설계하고 주조를 위한 응고 시뮬레이션 변수의 확립에 관한 것이다.

금속 3D 프린팅 기술은 금속분말 소재를 이용하여 디자인의 제한 없이 3차원 제품을 구현하기 용이하며, 제조공정의 접근성이 매우 우수하다. 그 중에서도 적층형 3D 프린팅 기술은 그 사용도가 크게 증가하고 있으며, 이에 사용되는 금속 분말소재는 매년 수요가 급증하는 새로운 고부가가치 소재로, 우주항공, 발전 등 산업에 필요한 경량 및 고강도 타이타늄 부품 및 장치산업의 핵심이다. 이러한 금속 3D 프린팅 산업의 성장에 장애를 주는 가장 큰 요인은 금속분말의 높은 가격이며, 사용 장비에 따라 전용 분말을 사용해야 하는 제약이 있다. 특히, 국내 금속 3D 프린팅용 분말소재의 경우, 전량 수입에 의존하고 있으며 고부가가치 적층 제조용 분말 및 3D 프린팅 시장에 진출하기 위해서는 분말제조공정의 국산화와 제조원가를 저감한 저비용 분말제조 기술이 절실히 필요하다. 발전 부품 적층 제조용 타이타늄 합금 분말은 금속 적층 제조에 사용되는 고용점/고활성의 Ti-6Al-4V(Ti64) 분말을 산화물의 오염이 없는 고순도/저비용으로 제조할 수 있는 EIGA(Electrode Induction Melt Gas Atomization) 및 VIGA-CC(Vacuum Induction Melting Gas Atomization-Coldwall Crucible) 기술로 제작한다. 이를 위해 고순도의 Ti64 봉재를 주조해야 한다. 정밀 주조에서 주조품의 특성 및 조직은 몰드의 제작 및 주조 공정의 여러 변수에 따라 달라지므로 주조 전 몰드 및 주조의 시뮬레이션을 통한 공정 변수의 확립은 중요한 요소이다.

Ti64 고순도 분말을 제조하기 위해 EIGA (Electrode Induction Gas Atomization)공정으로 분말제조를 시행하며 봉재를 제조하기 위해 ISM (Induction Skull Melt) 장비를 이용하여 주조 공법으로 제조한다. 이때 Ti64 용융금속으로 봉재를 주조하기 위해서는 바람직한 몰드 설계가 필요하다. 또한, 용융금속은 몰드 내에서 고체로 응고 시 밀도의 변화로 주조품의 내 외부 결함이 나타난다. 그러므로 주조 시의 결함을 줄이기 위해 주조 응고 시뮬레이션이 필수적이다.

따라서, 본 발명에서는 3D 프린터 적용을 위한 500mm Ti64 합금 봉재의 주조를 위해 몰드를 설계하고 주조 시뮬레이션(ProCAST)을 통해 바람직한 공정 변수를 확립하고자 한다.

1. 본 발명은 500mm 봉재를 제작하기 위해 주조방식을 정밀주조 방법인 세라믹 몰드를 적용하여 설계한다. 주조 몰드 트리는 탕구, 런너 게이트 제품으로 설계하고 제품부에서 건전한 제조품이 나오기 위해 각 부분용량 및 열응력으로 인한 변형 등을 고려하여 설계한다.

2. 또한, 주조 용해간 다양한 변수(용탕 주입 방법 용탕 온도 몰드 예열온도 등)를 고려하고 유체 흐름 및 열전달 응고 거동 수축공 등 결함을 하여 확립된 몰드 설계를 바탕으로 주조 응고 시뮬레이션(ProCAST)을 시행한다.

본 발명에서 확립된 몰드 및 응고 설계를 통해 3D 프린터 적용을 위한 Ti64 합금 봉재 제작할 수 있다.

또한, 본 발명을 통해 정립된 몰드 및 응고 설계를 통해 현재 주조의 한계점을 가지는 500mm급 이상의 Ti64 합금 주조품 제작에 가능성을 열어 줄 것이다.

도 1은 본 발명의 500mm의 타이타늄 합금 봉재 주조를 위한 세라믹 몰드 설계이다.
도 2는 본 발명에서 확립된 주조 응고 시뮬레이션의 조건이다.
도 3은 본 발명에서 실시한 응고 시뮬레이션이다.
도 4는 본 발명에서 실시한 응고 시뮬레이션에서의 응고 수축을 나타낸 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

최종 제품인 봉재를 건전한 상태로 제조하기 위해 봉재보다 런너의 용량을 크게 디자인하며 3개의 게이트를 가지는 것을 특징으로 한다. 이 설계는 용탕이 봉재에 잘 주입될 수 있게 하고 응고 변형에 강하게 한다.

응고 시 열변형을 고려하여 제품부의 열간섭을 최대한 줄이기 위해 조립 각도를 40~50^o로 설계하는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 조립 각도를 45^o로 설계하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제품 간의 응고 시 수축공이나 가스결함을 배제하기 위해 제품간 거리를 최대한 멀게 설계한다.

위 조건들을 모두 고려하여 주조 트리 설계를 완료하고 응고해석 프로그램을 이용하여 주조성 및 주조 후 결함 등을 분석한다. 도 1은 본 발명의 500mm의 타이타늄 합금 봉재 주조를 위한 세라믹 몰드 설계이다.

금속은 액체에서 고체로 변할 때 밀도가 변하면서 수축 제품 외 내부에 결함이 나타날 수 있다. 현재의 주조기술에서는 시행착오를 줄이기 위해 응고 시뮬레이션(Pro-cast)을 필수적으로 행하고 있으며 주조 용해간 다양한 변수인 용탕 주입 방법, 용탕 온도, 및 몰드 예열온도 등을 고려하고 유체 흐름 및 열전달, 응고 거동, 수축공 등 결함을 예상하여 주조 변수를 확립하였다. 본 발명의 3D 프린터 적용을 위한 Ti64 합금 봉재 주조의 시뮬레이션 변수로는, 몰드, 진공시간, 주입속도, 및 냉각조건으로 하였다.

적용되는 몰드는 알루미나와 샤모트의 복합 세라믹 재료로 사용하는 것을 특징으로 한다. 몰드의 열전달계수는 400W/(m²K)인 것을 포함한다.

용탕의 주입은 1733mm/s 속도로 2초간 진행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 분위기는 진공대기로 10분동안 진행한다.

주조 후 냉각은 공랭으로 하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명에서 확립된 주조 응고 시뮬레이션의 조건이다.

[실시예 1]

주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 사용하여 도 2에서 확립된 주조 변수를 기반으로 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 설계된 몰드의 런너 및 게이트를 통해 몰드 하부까지 용탕이 건전하게 주입되었으며 용탕의 불완전 주입은 보이지 않았다.

도 3은 본 발명에서 도 2의 변수로 설계된 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.

도 4는 실시예 1의 응고 시뮬레이션에서의 응고 수축을 나타낸 것이다. 시간에 따른 냉각거동 결과 제품부에서부터 냉각이 시작되어 수축공 등 결함은 런너(점선화살표) 및 탕구(실선화살표)로 집약되는 형태의 매우 이상적인 거동을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 확립한 몰드 설계 및 주조 공정 변수를 기반으로 3D 프린터 적용을 위한 500mm 급 Ti64 합금 봉재 제작에 적용할 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 활용하여, 몰드의 재료, 몰드의 열전달계수, 몰드의 게이트 갯수를 변수로 하는 3D 프린터에 사용되는 Ti64 합금 봉재용 몰드의 설계 방법에 있어서,
   상기 몰드의 재료는 알루미나와 샤모트의 복합 세라믹 재료이고, 상기 몰드의 열전달계수는 400W/(m²K)이며, 상기 몰드는 용탕이 봉재에 잘 주입될 수 있게 하고, 응고 변형에 강하게 대응하기 위해 3개의 게이트를 가지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터에 사용되는 Ti64 합금 봉재용 몰드의 설계 방법.
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7. 제1항의 3D 프린터에 사용되는 Ti64 합금 봉재용 몰드의 설계 방법에 의해 설계된 몰드를 사용하는 것으로, 용융금속의 주입속도는 1733mm/s이며, 주조 분위기는 진공이며, 주조 후 냉각은 공랭으로 하는 것을 특징으로 하는 Ti64 합금 봉재의 주조 방법.
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