WO2020116762A1 - 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 및 이를 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법 - Google Patents

주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 및 이를 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법 Download PDF

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김동현
이진우
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a light weight pattern formed on a sand mold for casting and a method for designing a sand mold for casting using the same, and more specifically, to a light weight pattern formed on a sand mold for casting manufactured by 3D printing and 3D printing using the same It relates to a method for designing a weight reduction of a sand mold for casting.
  • 3D printing refers to the manufacturing technology of additive manufacturing method that creates a 3D object while spraying a continuous layer of material.
  • the prevalence of 3D printing technology breaks away from the existing production methods such as machine cutting and forming, and high innovation is attracting attention because it can produce any type of product in a batch method.
  • 3D printing technology can be important to proceed with the process with different types of 3D printers depending on the purpose of the process.
  • the above-described binder-jet technology corresponds to a method of spraying a liquid adhesive or a binder on a powder bed in which powder is thinly laminated.
  • the binder-jet technique is mainly used for sand molding, such as sand mold for metal manufacturing processes as well as for art and architecture.
  • the sand mold is a mold and essential for the casting process to pour molten metal and harden it to form a mold.
  • the present invention is to solve a number of problems, including the problems as described above, in the casting sand manufacturing technology using 3D printing, securing economic efficiency through reduction of the amount of material used and the manufacturing process cost, furthermore stable, It is an object of the present invention to provide an efficient method for designing a lightweight sand mold for casting.
  • problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • a lightweight pattern formed on a sand mold for casting is provided.
  • the lightweight pattern includes a plurality of pores in which some regions of the casting sand mold are removed, and the plurality of pores are repeatedly arranged in a unit cell in a dense structure. It may have a structure formed.
  • the dense structure includes a first stacked surface and a second stacked surface formed to include the plurality of pores, and the first stacked surface and the second stacked surface alternately It may be configured to be repeatedly arranged to be stacked continuously.
  • the first stacked surface includes: first spherical pores disposed at each corner of the hexagon to form a hexagon; And pores of a central sphere disposed at a point at the center of the hexagon, and may be configured such that the hexagons of the first spherical pores and the central spherical pores are continuously connected and arranged.
  • the second stacked surface includes pores of a second sphere disposed at each corner of the triangle to form a triangle that centers a point corresponding to the pores of the central sphere,
  • the triangle formed of the second spherical pores may be configured to be continuously connected and arranged.
  • the dense structure is crystallographically a face centered cubic system (FCC), a body centered cubic system (BCC), and a hexagonal closed packed system (HCP). ).
  • FCC face centered cubic system
  • BCC body centered cubic system
  • HCP hexagonal closed packed system
  • the weight reduction pattern may include a connection part having a hollow shape capable of mass transfer, connecting at least two of the plurality of pores to each other.
  • the at least two of the plurality of pores are connected to each other, and includes a hollow connection portion capable of mass transfer, wherein the connection portion is the same in the first or second stacked surface It may be formed to connect the center of the pores formed corresponding to the line only on the same lamination surface.
  • the at least two of the plurality of pores to each other including a connection portion of a hollow type capable of mass transfer, the connection portion, the first stacked surface and the second stacked surface, respectively
  • the centers of the spherical pores formed may be formed to be connected to each other at different lamination surfaces.
  • the lightweight pattern may be designed for 3D printing.
  • the structural density of the casting sand mold to which the lightweight pattern structure is applied may have a range of 0.36 to 0.7.
  • the method of designing the weight reduction of the sand mold for casting includes designing a 3D model according to the structure of the sand mold, wherein the design of the 3D model is the first weight reduction by setting a range to which the first weight reduction pattern is applied. Includes; a first lightweight design step of designing a model, and the first lightweight pattern may include any one of the lightweight patterns formed on the above-described casting sand mold.
  • the first lightweight design step comprises: adjusting a maximum distance between the empty space in the first lightweight pattern and the size of the connecting portion and the outer surface; Determining whether or not to apply the first light weight pattern to a vicinity of a molten metal injected into the sand mold and spaced a predetermined distance from the surface of the sand mold into the sand mold; And determining a minimum volume to which the first weight reduction pattern is applied by determining a structural factor.
  • the step of designing the 3D model further includes a second weight design step of designing the second weight model by setting a range to which the second weight pattern is applied.
  • the weight reduction pattern may be formed by removing at least a portion of the sand mold.
  • the portion where the molten metal is not filled and not receiving the vertical load is the surface of the sand mold and It may include a step of determining whether to determine whether or not the portion of the inner surface is secured and the volume can be removed.
  • FIG. 1 shows a lightweight pattern structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the pore structure of the lightweight pattern having a dense hexagonal structure similar to the arrangement structure of metal atoms in a crystallographic aspect.
  • FIG. 3 shows a part of a sand mold for casting in which pores are formed in a compact hexagonal structure and a lightweight pattern is formed.
  • FIG. 5 is a process flow diagram schematically illustrating a method of designing a lightweight mold for casting sand according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically showing the structure of a sand mold for casting according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 9 are views schematically illustrating a design process according to the structure of the casting sand mold shown in FIG. 6 in order to describe a method for designing a light weight of a casting sand mold according to an embodiment of the present invention.
  • 3D printing is a manufacturing technique that creates a 3D object by spraying a continuous layer of material.
  • a 3D printer is a device that produces a three-dimensional object in a lamination method similar to that used in conventional inkjet printers rather than milling or cutting, and since it is controlled by a computer, it has a variety of forms and is easy to use compared to other manufacturing technologies.
  • Binder jetting is a method of spraying an adhesive or a binder on a powder bed, and does not melt the solid powder by heat, but bonds the powder using an adhesive.
  • the existing 3D printing technology for plastics overcomes the process limitations encountered in the existing design and manufacturing process such as design shape, dimension, and material complexity through DfAM (Design for Additive Manufacturing).
  • DfAM Design for Additive Manufacturing
  • many companies at home and abroad use DfAM technology for plastic and metal and carbon composite materials to manufacture component modules of complex functions and shapes in one piece without separate assembly, as well as high rigidity, low vibration, and complex internal structures.
  • the effect of weight reduction etc. is aimed at.
  • object (a) is a structure of an existing metal 3D printer, and shows a type 1 of a square array hole structure in which holes are arranged in a square shape
  • object (b) is a mesh of upper and lower surfaces
  • Figure 2 shows a type 2 with a 3D mesh with pads structure that forms the lattice of.
  • graph (a) shows the strength data obtained by changing the size of the hole (hole) inside the Type 1 structure
  • the graph (b) Shows the strength data obtained by changing the thickness of the mesh inside the type 2 structure.
  • FIG. 11(a) As a result shown in FIG. 11(a), it can be seen that when the size of the hole is increased to make a light-weight structure by performing 3D printing, the strength value is greatly reduced.
  • FIG. 11( b ) As a result shown in FIG. 11( b ), it can be seen that when the thickness of the mesh becomes thin, a problem in that the strength value of the structure is greatly reduced occurs.
  • 12(a) shows the results of the 3D and 2D stress distribution of the sample after the displacement per hour was applied as a result of the structural simulation.
  • the purpose of the structure simulation is to predict the fracture surface by analyzing the stress concentration inside the sample casting sand test specimen using the finite element method, and to compare the simulation and the actual failure through the fracture of the actual test specimen.
  • the structure of the casting sand test piece is composed of the upper and lower bulk structures and the central lattice structure, and the upper bulk pad at the rate of -0.0002m/s which is the same condition as the actual compression test on the upper part.
  • Deformation was applied to the top surface of the (Top bulk pad). The bottom is restricted so that it cannot move perpendicularly to the bottom surface, and conditions are set so that it can move freely on a flat part.
  • the test was a simulation that gives displacement per hour rather than a constant load, and was conducted at 0.01 second intervals for 0.1 second in a time dependent mode. As a result of the simulation, it can be seen that 0.4 MPa or more is concentrated in the tensile stress at the outer portion of each beam of the lattice structure.
  • the present invention proposes a new lightweight pattern structure configured by applying a metal atomic lattice structure, and stacking spherical pores together with a spherical atomic lattice structure to form a closed packed structure.
  • the weight reduction pattern structure includes a plurality of circular pores, which are empty spaces because some regions of the sand mold for casting are removed, wherein the plurality of pores have unit cells arranged in a dense structure 3 Repeated dimensionally to construct a translational pattern structure.
  • the dense structure is crystallized to include any one of a face centered cubic system (FCC), a body centered cubic system (BCC), and a hexagonal closed packed system (HCP).
  • the lightweight pattern further includes a connecting portion connecting the pores to each other.
  • a lightweight pattern structure according to an embodiment of the present invention, a case in which pores are densely structured is BCC, FCC, and HCP, respectively.
  • the efficient stacking structure of spherical bodies known in nature is a lattice structure of metal spherical atoms, and the body centered cubic (FCC), face centered cubic (BCC) and dense hexagonal structure (HCP) are typical.
  • FCC body centered cubic
  • BCC face centered cubic
  • HCP dense hexagonal structure
  • the body-centered cubic lattice (BCC) structure is a structure in which one atom is placed at each corner of the cube and one atom is placed at the center, and two atoms belong to the unit lattice.
  • the face-centered cubic (FCC) structure is a structure in which one atom is placed at each corner and face, and four atoms belong to the unit lattice.
  • the dense hexagonal structure (HCP) is a type in which three atoms are placed in the middle layer lattice between the upper and lower base surfaces with one atom at the center and the hexagonal surface corners at the base surfaces of the upper and lower sides, and six atoms belong to the unit lattice. Assuming that the shape of the atom is a general spherical body, the packing density (Atomic Packing density) of each structure is equal to 0.74 for HCP and FCC, and BCC is 0.68.
  • light weight is realized by increasing the degree of density by arranging pores, which are empty spaces in which a portion of the sand mold is removed, in the same manner as a stacked structure of metal atoms.
  • the pore structure of the light weight pattern having a dense hexagonal structure will be described in terms of crystallography similar to the arrangement structure of metal atoms.
  • the unit cell When the arrangement of pores has a crystallographically dense hexagonal structure, the unit cell includes a first stacked surface 1000 and a second stacked surface 2000 formed to include a plurality of pores 1100, and the second The stacked surface 2000 is disposed under the first stacked surface 1000, and the plurality of pores are each formed in a spherical shape, and are arranged to form a dense structure.
  • the first stacked surface 1000 forms a hexagonal shape, the first spherical pores 1100 arranged at each corner of the hexagon, and the central spherical pores 1200 arranged at the center of the hexagon. It may include, it may be characterized in that the first spherical pore 1100 and the central spherical pore 1200 is made of a hexagon formed of continuous connection.
  • the second stacked surface 2000 is composed of second spherical pores 2100 arranged in triangles and arranged at each corner of the triangle to form a triangle so that the point corresponding to the pores of the central configuration is the center. It may be characterized in that the triangular consisting of spherical pores 2100 are arranged to be continuously connected.
  • the first stacked surface 1000 and the second stacked surface 2000 are alternately arranged so as to be stacked alternately and continuously, so as to be stacked in an HCP structure, as shown in FIG. 3.
  • the shapes of the plurality of pores may be formed not only of a spherical shape, but also of a partially modified three-dimensional elliptical structure or a three-dimensional polygonal structure suitable for forming a stacked structure.
  • connection portion 3000 between the pores of the sphere and the pores are connected to the hollow connection portion 3000, the residual casting sand or gas formed during the manufacture of the sand mold can be discharged to the outside through the connection portion 3000 of the hollow shape have.
  • the connecting portion may have, for example, a circular cross section, but is not limited thereto and may have an elliptical or polygonal shape.
  • the connecting portion 3000 may be characterized in that the cross section of the connecting portion 3000 does not remain constant and varies at each position.
  • Figure 4 is a lightweight structure of the 3D mesh (Mesh) structure and the compression strength according to the structural density ( ⁇ / ⁇ 0 ) of the laminated structure (Void Cylinder Array, VCA) using the spherical pores according to an embodiment of the present invention Indicates change.
  • the structural density ( ⁇ / ⁇ 0 ) is the ratio of the volume ( ⁇ ) when each lightweight structure is applied to the original volume ( ⁇ 0 ).
  • HCP dense hexagonal structure
  • BCC body-centered cubic
  • FCC face-centered cubic
  • the dense hexagonal structure may have a structural density of 0.36 or more and 0.7 or less, and it can be seen that it exhibits the best compressive strength compared to other lightweight structures in the above range.
  • the compact hexagonal structure shows the best compressive strength compared to the ratio of spherical pores in the structure compared to other spherical atomic stacked structures, so it is most suitable for application to lightweight structures. It can be seen that it is suitable.
  • an embodiment of the present invention is a mold for a casting process made of a sand mold, and the sand mold may be formed of a pattern structure in which a plurality of pores are stacked in the above-described dense structure.
  • an embodiment of the present invention is a casting process method, heating the metal to a melting temperature; The step of injecting the molten metal into a mold for a casting process before solidification and returning the molten metal from a liquid state to a solid state again by a cooling action, wherein the mold for the casting process includes a plurality of pores. It may be characterized in that it is composed of a sand mold made of a pattern structure stacked in the above-described dense structure.
  • the structure is made lighter by reducing the amount of material used and the processing time while maintaining a certain level of safety strength.
  • the process using 3D printing is expected to spread.
  • the present invention is significant in that it extends the design for Additive Manufacturing (DfAM), a lightweighting technique for 3D printing of metal and plastic materials, into a sand mold for mold production.
  • DfAM Additive Manufacturing
  • a method for designing a weight reduction of a sand mold for casting is provided.
  • 3D printing manufactures a sand mold for casting from expensive materials, it shows a limitation in the substitution of a sand mold manufacturing method using a conventional wood mold. Therefore, in the present invention, 3D printing can be applied to the production of a sand mold for casting by effectively reducing the manufacturing cost compared to the conventional method by reducing the use of expensive materials by designing and applying a lightweight pattern before performing 3D printing.
  • FIG. 5 is a process flow diagram schematically illustrating a method of designing a lightweight mold for casting sand according to an embodiment of the present invention.
  • the method of designing a light-weight structure (LWS) for a sand mold for casting according to an embodiment of the present invention includes designing a three-dimensional model according to the structure of the sand mold.
  • the first light weight design step (1LWS) of designing the first light weight model by setting the range to which the first light weight pattern is applied and the second light weight of the second light weight pattern are set.
  • a second lightweight design step (2LWS) of designing a lightweight model is set.
  • the first weight reduction pattern means a pattern structure in which a plurality of pores are stacked in the above-described dense structure.
  • the first light weight model is a light weight model in a macroscopic aspect where the first light weight pattern is placed over the entire casting sand mold.
  • the second weight reduction model is a model that implements weight reduction through weight loss that locally removes a specific region of the casting sand mold, and the second weight reduction pattern refers to a region in which a specific region in the casting sand mold is locally removed.
  • the first lightweight design stage 1LWS and the second lightweight design stage 2LWS may be sequentially applied.
  • the second light weight design step 2LWS may be performed first and the first light weight design step 1LWS may be performed according to the degree of freedom of design, and may be simultaneously applied in some cases.
  • a step (S100) of designing a 3D model designed according to the structure of a sand mold and inputting it into a lightweight design program is performed.
  • a first lightweight design step (1LWS) is performed.
  • the first lightweight design step (1LWS) includes G1 (S200), G2 (S300), and G3 (S400) according to the sand structure, and performs each step sequentially.
  • a step (S500) of determining whether there is an obstacle in the designed first lightweight design is performed. If the first lightweight design does not pass the determined discrimination criteria, steps G1 (S200), G2 (S300), and G3 (S400) are performed again.
  • a second lightweight design step (2LWS) is performed.
  • the second lightweight design step 2LWS includes the L1 (S600) step. After performing the L1 (S600) step, a step (S700) of determining whether there is an obstacle in the second lightweight design designed is performed. If the second lightweight design does not pass the determined discrimination criterion, step L1 (S600) is performed again. On the other hand, if the second lightweight design passes a predetermined discrimination criterion, the lightweight design program is terminated (S800).
  • a detailed description of the steps G1 (S200), G2 (S300), G3 (S400), and L1 (S600) will be described later with reference to FIGS. 6 to 9.
  • FIG. 6 is a view schematically showing the structure of a sand mold for casting according to an embodiment of the present invention.
  • the casting sand mold 100 is composed of an upper sand mold 10 and a lower sand mold 20, and an upper sand mold 10 is disposed on the lower sand mold 20 Combined.
  • the upper sand mold 10 has a molten metal injection port 15 through which molten metal is injected.
  • the casting sand mold 100 includes a mold cavity 30 in which molten metal formed by combining the upper sand mold 10 and the lower sand mold 20 is injected and cast.
  • the mold cavity 30 is connected in communication along the molten metal inlet 15, and although not shown in the drawing, a gas vent capable of discharging gas during casting is provided in at least any part of the mold cavity 30. Can be formed.
  • the first weight reduction pattern (not shown) and the first weight reduction pattern (not shown) are applied by the first weight reduction design step (1LWS) and the second weight reduction design step (2LWS) 2 It is possible to fabricate the sand mold 100 for casting in which the lightweight pattern 50 is formed.
  • FIG. 7 to 9 are views schematically illustrating a design process according to the structure of the casting sand mold shown in FIG. 6 in order to describe a method for designing a light weight of a casting sand mold according to an embodiment of the present invention.
  • 7(a) and 7(b) are the results of the first lightweight design performed on the casting sand mold 100 shown in FIG. 6.
  • the G1/G2 area (see FIG. 2) illustrated by a dashed-dotted line is a light weight design applied by steps G1 (S200) and G2 (S300) of FIG. 7,
  • G1 step (S200) Is a step of controlling the first weight reduction pattern in consideration of the size of the sand mold 100 for casting.
  • Step G2 (S300) is a step of determining how to apply the first weight-reducing pattern by a certain distance from the sand surface to which the molten metal contacts.
  • FIG. 7(a) shows the G1/G2 region of the casting sand mold 100 to which the first weight reduction pattern is applied to the whole by way of example.
  • FIG. 7(b) is an enlarged V region shown in FIG. 3(a) and shows the structure of the first lightweight pattern 40.
  • the first weight reduction pattern 40 is a pattern in which the pores (a) and the connecting portions (b) connecting at least two pores (a) to each other are unit cells, and the unit cells are repeatedly formed.
  • the step G1 (S200) of controlling the first light weight pattern 40 may adjust the size of the empty space a and the connection part b in the first light weight pattern 40 and the maximum distance between the outer surface.
  • the pattern in which the unit cells are repeatedly formed may include any one of a face-centered cubic system, a body-centered cubic system and a dense hexagonal structure.
  • the structure is a type of crystal structure in which spherical particles are most stably and densely filled as much as possible, and the first lightweight pattern 40 according to the present invention is formed in any one of three types as described above for casting Mechanical stability of the sand mold 100 can be secured.
  • a molten metal is injected into the sand mold, a predetermined distance from the inside of the sand mold from the surface of the sand mold. This is a step of determining whether or not to apply the first light weight pattern 40 in the vicinity spaced apart by (ds).
  • the G3 region (see FIG. 6) shown by the dashed-dotted line is a light weight design applied by the G3 step (S400) of FIG. 5, and according to FIG. 8, the G3 step (S400) determines the structural factor (di) and is the first This step is to determine the minimum volume to which the lightening pattern is applied.
  • Structural factor (di) is a criterion for determining whether a space sufficient to apply a first lightweight pattern in an arbitrary region of the casting sand mold 100 is applied, and the minimum volume to which the first lightweight pattern can be applied is determined. it means.
  • the width d1 of the protruding pattern structure is compared with the size of a predetermined structure factor di to protrude. It is determined whether or not the first lightweight pattern is applied to the pattern structure.
  • the width d1 of the protruding pattern structure is smaller than the structure factor di, the first light weight pattern cannot be applied as shown in FIG. 8 because it is too narrow to form the first light weight pattern.
  • a second lightweight design is performed.
  • the L1 region (refer to FIG. 6) illustrated by the dashed-dotted line is the second lightening pattern 50 applied by the L1 step S600 of FIG. 7, and the second lightening pattern 50 is at least the casting sand 100 It is formed by removing some of the parts.
  • L1 step (S600) is a second lightweight design step, according to the load simulation result received by the molten metal in the casting process, the molten metal is not filled and the portion not receiving the vertical load (W) is the surface and interior of the sand mold This is a step to determine whether the part with a certain volume can be removed because the distance to the surface is secured.
  • the horizontal load 1 (H1), the horizontal buffer 2 (H2), and the vertical buffer P are determined by dynamically calculating the load W of the molten metal injected into the mold cavity 30. Except for the designated horizontal buffer 1 (H1), horizontal buffer 2 (H2), and vertical buffer P, the remaining areas become the width dL1 of the removable area. Subsequently, when the 3D printing is performed, a sand mold is manufactured in a state in which the corresponding part is emptied so as not to waste expensive material as much as the width (dL1) of the removable area, and the second weight reduction pattern 50 is applied to at least one part of the sand mold 100 for casting. ).
  • the shape of the casting sand mold is analyzed to secure a removable part around a portion having no structural density around a specific part. After removing unnecessary parts, it is verified through structural dynamics simulation to effectively lower the usage and manufacturing cost of expensive materials during 3D printing, thereby spreading the application of 3D printing to the conventional casting process and strengthening the competitiveness of the casting field.
  • the present invention can be used in the field of manufacturing a casting sand mold manufactured by 3D printing.

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 3D 프린팅을 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 제공한다.상기 주조용 사형의 경량화 설계 방법은 상기 사형의 구조에 따라 3차원 모델을 디자인하는 단계를 포함하되, 상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는, 제 1 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 1 경량화 모델을 설계하는 제 1 경량화 디자인 단계;를 포함하며, 상기 제 1 경량화 패턴은 상기 주조용 사형의 일부 영역이 제거된 복수의 기공을 포함하고, 상기 복수 개의 기공은 밀집 구조로 배열된 단위 셀(unit cell)이 반복적으로 형성된 구조를 가질 수 있다.

Description

주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 및 이를 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법
본 발명은 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 및 이를 이용하여 주조용 사형을 설계하는 방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 3D 프린팅으로 제조되는 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 및 이를 이용하여 3D 프린팅으로 제조되는 주조용 사형의 경량화 설계 방법에 대한 것이다.
널리 쓰이는 금속 가공 공정 중 하나인 주조공정은 모래나 왁스소재의 사형을 필요로 하며, 사형은 보통 목형 제작부터 시작된다. 다만, 최근에는 3D 프린팅 기술, 특히 그 중에서도 주물사 바인더-젯(Binder-Jet) 기술이 발달하면서 모래사형인 사형은 목형 없이 주조공정이 가능하게 되었다. 3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 분사하면서 3차원 물체를 만들어 내는 적층 가공방식의 제조 기술을 의미한다. 3D 프린팅 기술의 보급은 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산방식을 탈피하여, 일괄된 방식으로 어떤 형태의 제품을 만들어 낼 수 있어 높은 혁신성이 주목을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 공정의 목적에 따라서 3D프린터의 종류를 달리하며 공정을 진행하는 것이 중요할 수 있다. 이는 다양한 종류의 재료와 3D 프린터가 여러 가지 프로세스에 적용될 수 있으나, 그만큼 이후 가공 공정이 달라질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 전술한 바인더-젯 기술은 분말을 얇게 적층한 분말 베드에 액상의 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식에 해당한다. 상기 바인더-젯 기술은 미술용, 건축용뿐만 아니라 금속 제조공정을 위한 사형(sand mold)등의 사형제작에 주로 이용되어 진다. 사형은 용융 금속을 부은 후 굳혀서 형체를 만드는 주조공정을 위한 형틀이며 필수품이다.
그러나, 상기 바인더-젯 기술을 포함한 3D 프린팅 기술을 사용하면 기존 공법에서 반드시 필요한 목형 없이 사형 제작이 바로 가능하다는 큰 이점이 있음에도 불구하고, 사용되는 소재와 공정에 필요한 비용이 매우 고가라는 점에서, 기존의 목형을 이용한 사형제작법의 대체에 일정 수준 한계를 보이고 있다. 이에 기존에는 이종의 고분자들을 사용하여 유효한 강도를 가진 세라믹 몰드 및 중자의 슬러리 조성물 공정 개발에 관한 기술이 개시되어 있으며, 직접적 레이저 소결기법(Direct Laser Sintering)에 의한 사형 주조용 사형과 중자 제작에 관한 사형 주조용 사형 제작 방법 및 장치에 관한 기술을 개시하고 있다.
다만, 상기 기존 기술에 의하더라도 상기 바인더-젯 기술에 있어 소재의 사용량 및 제조 공정 비용과 관련된 문제점을 해결할 수 있는 것은 아니라는 문제점이 있다. 따라서 기존의 소재의 사용량을 줄이기 위해서, 안정적이면서도 효율적으로 사형을 제조하는 방법의 연구가 절실하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 3D 프린팅을 이용한 주조용 사형 제조 기술에 있어서, 소재의 사용량 및 제조 공정 비용의 감소를 통해 경제성을 확보하고, 나아가 안정적이고, 효율적인 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 경량화 패턴은, 상기 주조용 사형의 일부 영역이 제거된 복수의 기공을 포함하고, 상기 복수 개의 기공은 밀집 구조로 배열된 단위 셀(unit cell)이 반복적으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 밀집 구조는, 상기 복수의 기공을 포함하도록 형성되는 제 1 적층면 및 제 2 적층면을 포함하며, 상기 제 1 적층면과 상기 제 2 적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 적층면은, 육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제 1 구형의 기공; 및 상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 기공을 포함하며, 상기 제 1 구형의 기공과 상기 중심 구형의 기공으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 적층면은, 상기 중심 구형의 기공에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제 2 구형의 기공을 포함하고, 상기 제 2 구형의 기공으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 밀집 구조는 결정학적으로 면심입방정계(face centered cubic system, FCC), 체심입방정계(body centered cubic system, BCC) 및 조밀육방구조(hexagonal closed packed system, HCP) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 경량화 패턴은, 상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함하되, 상기 연결부는, 상기 제 1 적층면 혹은 제 2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 기공의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함하되, 상기 연결부는, 상기 제 1 적층면 및 제 2 적층면에 각각 형성된 상기 구형의 기공의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 경량화 패턴은 3D 프린팅용으로 설계된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 경량화 패턴 구조가 적용된 주조용 사형의 구조밀도는 0.36 내지 0.7의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 3D 프린팅을 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 제공한다.
상기 주조용 사형의 경량화 설계 방법은 상기 사형의 구조에 따라 3차원 모델을 디자인하는 단계를 포함하되, 상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는, 제 1 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 1 경량화 모델을 설계하는 제 1 경량화 디자인 단계;를 포함하며, 상기 제 1 경량화 패턴은 상술한 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 중 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 경량화 디자인 단계는, 상기 제 1 경량화 패턴 내 빈공간과 연결부의 크기 및 외부 표면과의 최대 거리를 조절하는 단계; 용융금속이 상기 사형에 주입되어 상기 사형의 표면으로부터 상기 사형 내부로 소정의 거리만큼 이격된 부근에 상기 제 1 경량화 패턴의 적용 여부를 결정하는 단계; 및 구조인자를 판별하여 상기 제 1 경량화 패턴을 적용할 최소 부피를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는, 제 2 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 2 경량화 모델을 설계하는 제 2 경량화 디자인 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 경량화 패턴은 상기 사형의 적어도 어느 일부를 제거하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 경량화 디자인 단계는, 주조과정에서 용융금속에 의해 받는 하중 시뮬레이션 결과에 따라, 상기 용융금속이 채워지지 않아 수직하중을 받지 않는 부분이 상기 사형의 표면 및 내부면과의 거리가 확보되어 일정한 부피의 제거가 가능한 부분인 지 여부를 판단하여 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 밀집 구조를 이루는 복수의 기공으로 이루어진 단위셀이 반복적으로 형성된 패턴의 배열을 통해서 최적의 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 제공할 수 있다. 또한 3D 프린팅 시 고가 소재의 사용량을 제어함으로써 주조용 사형의 제조비용을 효과적으로 낮춰 종래의 주조 공정에 3D 프린팅 방식의 적용을 확산시키고 주조 분야의 경쟁력 강화 및 새로운 시장을 개척하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 경량화를 위한 고유의 구조로써 성형체의 부피를 감소시키면서도, 운송과정 및 주조 공정 시, 경량화 패턴내의 특정 부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하는 패턴 구조를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 경량화 패턴 구조를 제시한 것이다.
도 2는 조밀육방구조를 가지는 경량화 패턴의 기공 구조를 금속원자의 배열 구조와 유사하게 결정학적 측면에서 설명하는 도면이다.
도 3은 기공들이 조밀육방구조 구조로 적층된 경량화 패턴이 형성된 주조용 사형의 일부분을 도시한 것이다.
도 4는 경량 구조 패턴의 압축 강도를 평가한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 설명하기 위해서, 도 6에 도시된 주조용 사형의 구조에 따른 설계 프로세스에 대해서 개략적으로 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
3D 프린팅은 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어 내는 제조 기술이다. 3D 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌 기존의 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물을 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다.
3D 프린터는 목적에 따라서 후가공 과정이 달리질 수 있으므로, 그 종류를 달리하여 공정을 진행하는 것이 중요하다. 그 중에서 전술한 바인더 분사(Binder jetting)는 분말 베드에 접착제 혹은 결합제를 분사하는 방식으로, 열로써 고상 분말을 용융시키지 아니하고 접착제를 이용하여 분말을 접합시킨다.
기존의 플라스틱 등에 대한 3D 프린팅 기술은 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 통해 설계형상, 차원, 재료의 복잡성 등 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복해 나간다. 실제로 국내외 많은 업체들은 플라스틱뿐만 아니라 금속, 탄소복합소재에 있어서, DfAM기술을 사용하여 복잡한 기능과 형상의 부품 모듈을 별도의 조립공정 없이 일체형으로 제작함은 물론, 내부구조가 복잡한 고강성, 저진동, 경량화 등의 효과를 도모하고 있다.
이하 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조방식을 사형으로 이루어진 구조물에 적용가능성을 검토하고, 주물사의 특성을 고려하여 본 발명에 따른 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식을 설명한다.
이를 위해 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 갖는 구조물을 대상으로 강도 테스트 및 FEM 시뮬레이션을 실시하여 중량감소 대비 강도값을 시험 비교하였다.
기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량 구조를 사형 구조에 적용한 실험 결과는 실험대상이 도시된 도 10과 실혐결과 그래프가 도시된 도 11을 통해 자세히 설명한다.
도 10은 시험 샘플 대상으로서, 대상 (a)는 기존의 금속 3D 프린터 내부 구조물의 구조로서 정사방형으로 구멍이 배열된 Square Array Hole 구조의 타입 1 를 도시하며, 대상 (b)는 상하부면이 메쉬의 격자(Lattice)를 이루고 있는 3D mesh with pads 구조를 갖는 타입 2를 도시한다.
도 11은 상기 타입 1 구조와 타입 2 구조에 대한 강도 실험 결과로서, 그래프 (a)는 상기 타입1 구조 내부의 홀(hole)의 크기를 변화시면서 얻은 강도 데이터를 도시하고 있으며, 그래프 (b)는 상기 타입 2 구조 내부의 메쉬(mesh)의 두께를 변화시키면서 얻은 강도 데이터를 도시하고 있다.
도 11의 (a)에 도시된 결과로 보아, 3D 프린팅을 실시하여 경량화 구조를 만들기 위하여 홀(hole)의 크기를 크게 하는 경우 강도 값이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 11의 (b)에 도시된 결과로 보아 메쉬(mesh)의 두께가 얇아지게 되면 역시 구조물의 강도 값이 크게 저하되는 문제가 발생하는 것을 알 수 있다.
도 12의 (a)는 구조 시뮬레이션의 결과로서 시간 당 변위 인가 후 샘플의 3D 및 2D 응력 분포결과를 도시하고 있다. 상기 구조 시뮬레이션의 목적은 유한요소법을 이용하여 샘플 주물사 시험편 내부의 응력집중을 분석하여 파단면을 예측하고, 실제 시험편의 파단을 통해 시뮬레이션과 실제 파괴를 비교해 보기 위함이다.
상기 구조 시뮬레이션에 있어, 주물사 시험편의 구조는 상하부 벌크(bulk) 구조와 중심부의 격자(Lattice) 구조로 구성되어 있으며, 상부에 실제 압축 테스트와 같은 조건인 -0.0002m/s의 속도로 상부 벌크 패드(Top bulk pad)의 상부 표면에 변형을 가하였다. 하부(Bottom)는 바닥면에 수직하게 움직이지 못하도록 제한을 두고, 평평한 부분으로는 자유롭게 움직일 수 있도록 조건을 설정한다.
상기 시험은 일정한 하중이 아니라 시간당 변위를 주는 시뮬레이션으로서 시간 의존성(Time dependent) 모드로 0.1초 동안 0.01초 간격으로 진행하였다. 시뮬레이션의 결과 격자(Lattice) 구조의 각 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)에 0.4MPa 이상이 집중되는 것을 확인할 수 있다.
본 샘플과 같은 저강도 세라믹 복합체의 경우 압축강도보다는 인장 강도에 특히 약하기 때문에, 빔(Beam)의 외곽부에 인장응력(Tensile stress)이 취약하여 파괴가 먼저 진행될 것으로 판단된다. 도 12의 그림(b)에 도시된 바와 같이 실제 실험 결과 역시 빔(Beam) 외곽부가 먼저 파괴와 진행되어 이와 일치함을 확인하였다.
따라서 기존의 금속 3D 프린터 구조물에 사용하던 경량구조 방식을 이용할 경우, 구조물의 경량화 효과에도 불구하고 3D 사선 메쉬(Mesh) 구조에서 인장응력이 집중되서 쉽게 파괴되거나 강도가 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 주물사 3D 프린터에 경량 구조물을 적용하기 위해서는 주물사의 특성을 고려하여 기존의 방식과 차별성 있는 경량 구조 방식이 필요하며, 이에 따라 응력 집중을 최소화할 수 있는 구형의 기공들을 이용한 새로운 적층 패턴 구조가 요구된다.
본 발명은 금속 원자 격자구조를 응용하여, 구형의 기공이 구형의 원자 격자구조와 같이 적층하여 밀집 구조(closed packed structure)를 이루는 방식으로 구성된 새로운 경량 패턴 구조를 제안한다.
본 발명의 기술 사상에 따른 경량화 패턴 구조는 주조용 사형의 일부 영역이 제거되어 빈 공간인 원형의 기공을 복수 개로 포함하되, 상기 복수 개의 기공은 밀집 구조로 배열된 단위 셀(unit cell)이 3차원적으로 반복하여 병진된 패턴 구조를 구성한다. 이때 상기 밀집 구조는 결정학적으로 면심입방정계(face centered cubic system, FCC), 체심입방정계(body centered cubic system, BCC) 및 조밀육방구조(hexagonal closed packed system, HCP) 중 어느 하나를 포함하게 된다. 또한 상기 경량화 패턴은 상기 기공을 서로 연결하는 연결부를 더 포함한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 경량화 패턴 구조로서, 기공의 밀집 구조가 BCC, FCC, HCP 인 경우가 각각 제시되어 있다.
자연계에서 알려진 구형체의 효율적인 적층구조는 금속 구형 원자의 격자 구조이며 체심입방격자(FCC), 면심입방격자(BCC) 및 조밀육방구조(HCP)가 대표적이다.
체심입방격자(BCC) 구조는 입방체의 각 모서리마다 원자가 한 개씩 놓여 있고, 중심에 하나의 원자가 놓여져 있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 2원자가 귀속된다. 면심입방격자(FCC) 구조는 각 모서리와 면심마다 하나씩의 원자가 놓여있는 형태의 구조로서, 단위 격자 내에 4개의 원자가 귀속된다. 조밀육방구조(HCP)는 상부와 하부의 기저면에 육각형 면 모서리와 중심에 원자 하나씩을 놓고 상하부 기저면 사이의 중간층 격자 내에 3개의 원자가 들어가 있는 형태로서, 단위 격자 내에 6개의 원자가 귀속된다. 원자의 형태를 일반적인 구형체로 가정할 때 각 구조의 충진 밀도(Atomic Packing density)는 HCP와 FCC가 0.74로 동일하고 BCC는 0.68이다.
본 발명의 기술 사상에 의하면, 사형 내에서 사형의 일부 영역이 제거된 빈 공간인 기공을 마치 금속 원자의 적층 구조와 동일하게 배열함으로써 밀집도를 향시켜 경량화를 구현하게 된다.
도 2를 참조하여, 예시적으로 조밀육방구조를 가지는 경량화 패턴의 기공 구조를 금속원자의 배열 구조와 유사하게 결정학적 측면에서 설명한다.
기공의 배열이 결정학적으로 조밀육방구조를 가지는 경우, 단위셀은 복수의 기공(1100)을 포함하도록 형성되는 제 1 적층면(1000) 및 제 2 적층면(2000)을 포함하며, 상기 제 2 적층면(2000)은 제 1 적층면(1000)의 하부에 배치되고, 상기 복수 기공은 각각 구형으로 이루어져, 상호 간에 밀집 구조를 이루도록 배치된다.
구체적으로, 상기 제 1 적층면(1000)은 육각형의 모양을 형성하며, 상기 육각형의 각 모서리에 배열되는 제 1 구형의 기공(1100) 및 상기 육각형의 중심에 배열되는 중심 구형의 기공(1200)을 포함하며, 상기 제 1 구형의 기공(1100)과 상기 중심 구형의 기공(1200)으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되도록 배치되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제 2 적층면(2000)은 상기 중심 구성의 기공에 상응하는 지점을 중앙이 되도록 삼각형을 이루며 각각 상기 삼각형의 각 모서리에 배열되는 제 2 구형의 기공(2100)으로 구성되고, 상기 제 2 구형의 기공(2100)으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되도록 배열되어 구성되는 것을 특징으로 수 있다.
상기 제 1 적층면(1000)과 상기 제 2 적층면(2000)이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성됨으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, HCP 구조로 적층되게 된다.
본 발명의 일실시예에 따라 상기 복수의 기공의 형상은 구형 뿐만 아니라, 적층 구조를 이루기에 적합하도록 일부 변형된 3차원 타원형 구조 또는 3차원 다각형 구조체로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 구형의 기공과 기공 사이는 중공 형태의 연결부(3000)로 연결되며, 사형의 제조 중에 형성된 잔류 주물사 혹은 기체는 중공형태의 연결부(3000)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이러한 연결부는 예시적으로 원형의 단면을 가지는 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 타원형 혹은 다각형 형태를 가질 수도 있다. 또한 상기 연결부(3000)가 원뿔의 형상과 유사하게 연결부(3000)의 단면이 일정하게 유지되지 않고 위치마다 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 4는 경량화 구조로서 3D 메쉬(Mesh) 구조 및 본 발명의 일실시예에 따른 상기 구형의 기공을 이용한 적층 구조(Void Cylinder Array, VCA)의 구조 밀도(ρ/ρ 0)에 따른 압축 강도의 변화를 나타낸다. 구조 밀도(ρ/ρ 0)는 원본 부피(ρ 0)에 대한 각 경량화 구조가 적용된 경우의 부피(ρ)의 비율이다.
도 4에 도시된 바와 같이 기존의 금속의 경량 구조인 3D 메쉬(Mesh) 구조의 구조물에 비해, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 구형의 기공을 이용한 적층 구조(Void Cylinder Array, VCA)의 구조물이 상대적으로 높은 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 적층 구조 중에서도 상기 체심입방격자(BCC) 구조나 상기 면심입방격자(FCC) 구조에 비해, 상기 조밀육방구조(HCP)가 상대적으로 높은 압축강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 조밀육방구조(HCP)는 구조 밀도가 0.36이상 0.7이하의 범위를 가질 수 있으며, 상기 범위에서 다른 경량화 구조에 비해 가장 우수한 압축강도를 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서 본 실험 그래프의 결과로서, 상기 조밀육방구조(HCP)가 다른 구형의 원자 적층 구조와 비교하여 구조물 내에서 구형의 기공이 차지하는 비율에 비해 가장 우수한 압축 강도를 나타내므로 경량 구조물로의 적용에 가장 적합함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는 사형으로 이루어진 주조 공정용 주형으로서, 상기 사형은 복수의 기공이 상술한 밀집 구조로 적층된 패턴 구조로 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는 주조 공정 방법으로서, 금속을 용융온도까지 가열하는 단계; 상기 용융금속을 응고가 되기 전에 주조 공정용 주형에 주입하는 단계 및 냉각 작용에 의해 상기 용융금속이 액체 상태에서 다시 고체 상태로 되돌아가는 단계를 포함하며, 이때 상기 주조 공정용 주형은 복수의 기공이 상술한 밀집 구조로 적층된 패턴 구조로 이루어지는 사형으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
주물사 3D 프린팅 시에 구조물에 본 발명에 따른 새로운 적층 패턴 구조를 적용함으로써 구조물의 경량화를 도모하여 그 사용 소재량 및 공정시간을 단축시킴과 동시에 일정 수준의 안전적인 강도를 유지하도록 하여 주형 제작에 있어서 3D 프린팅을 활용한 공정이 확산될 것으로 기대된다.
또한, 본 발명은 금속과 플라스틱 소재의 3D 프린팅을 위한 경량화 기법인 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 주형 제작을 위한 사형으로 확장시킨다는 점에서 의의가 있다.
본 발명의 또 다른 기술 사상에 의하면, 주조용 사형의 경량화 설계 방법이 제공된다.
3D 프린팅 시 고가의 소재로 주조용 사형을 제조하기 때문에, 종래의 목형을 이용한 사형제작법의 대체에 한계를 보인다. 따라서 본 발명에서는 3D 프린팅을 실시하기 이전에 경량화 패턴을 설계 및 적용함으로써 고가의 소재 사용량을 절감하여 종래 대비 제조비용을 효과적으로 낮추어 주조용 사형 제작에 3D 프린팅을 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 주조용 사형의 경량화(LWS(Light-Weight Structure)) 설계 방법은 사형의 구조에 따라 3차원 모델을 디자인하는 단계를 포함한다. 상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는, 제 1 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 1 경량화 모델을 설계하는 제 1 경량화 디자인 단계(1LWS) 및 제 2 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 2 경량화 모델을 설계하는 제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)를 포함한다.
상기 제 1 경량화 패턴은 상술한 바와 같이, 복수의 기공이 상술한 밀집 구조로 적층된 패턴 구조를 의미한다. 상기 제 1 경량화 모델은 이러한 제 1 경량화 패턴을 주조용 사형의 전체에 대해서 배치시키는 거시적인 측면에서의 경량화 모델이다.
상기 제 2 경량화 모델은 주조용 사형의 특정 영역을 국부적으로 제거하는 살빼기를 통해 경량화를 구현하는 모델이며, 상기 제 2 경량화 패턴은 주조용 사형 내 특정 영역이 국부적으로 제거된 영역을 의미한다.
제 1 경량화 디자인 단계(1LWS) 및 제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)는 순차적으로 적용될 수 있다. 그러나, 설계의 자유도에 따라 제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)를 먼저 수행하고, 제 1 경량화 디자인 단계(1LWS)를 수행할 수 있으며, 경우에 따라 동시에 적용될 수 있다.
예시적으로, 도 5에 의하면, 사형의 구조에 따라 디자인 된 3차원 모델을 디자인하여 경량화 설계 프로그램에 입력하는 단계(S100)를 수행한다. 이후에 제 1 경량화 디자인 단계(1LWS)를 수행한다. 제 1 경량화 디자인 단계(1LWS)는 사형 구조에 따라 G1(S200), G2(S300) 및 G3(S400)를 포함하며 각 단계를 순차적으로 수행한다. 이후에 설계된 제 1 경량화 디자인에 장애가 있는지 판별하는 단계(S500)를 수행한다. 만약, 상기 제 1 경량화 디자인이 정해진 판별 기준을 통과하지 못할 경우, G1(S200), G2(S300) 및 G3(S400) 단계를 다시 수행한다. 반면에 상기 제 1 경량화 디자인이 정해진 판별 기준을 통과할 경우, 제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)를 수행한다.
제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)는 L1(S600) 단계를 포함한다. L1(S600) 단계를 수행한 이후에 설계된 제 2 경량화 디자인에 장애가 있는지 판별하는 단계(S700)를 수행한다. 만약, 상기 제 2 경량화 디자인이 정해진 판별 기준을 통과하지 못할 경우, L1(S600) 단계를 다시 수행한다. 반면에 상기 제 2 경량화 디자인이 정해진 판별 기준을 통과할 경우, 경량화 설계 프로그램을 종료(S800)한다. 여기서, G1(S200), G2(S300), G3(S400), L1(S600) 단계에 대한 상세한 설명은 도 6 내지 도 9를 참조하여 후술한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주조용 사형(100)은 상부 사형(10) 및 하부 사형(20)으로 구성되며, 하부 사형(20) 상에 상부 사형(10)이 배치되어 결합된다. 상부 사형(10)에는 용탕이 주입되는 용탕 주입구(15)가 있다. 주조용 사형(100)은 상부 사형(10) 및 하부 사형(20)이 결합되어 생긴 용탕이 주입되어 주조되는 몰드 캐비티(30)를 포함한다. 몰드 캐비티(30)는 용탕 주입구(15)를 따라 연통되어 연결되고, 도면에 도시되지는 않았으나, 주조시 가스를 배출할 수 있는 가스 벤트(gas vent)가 몰드 캐비티(30)의 적어도 어느 일부에 형성될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 주조용 사형의 경량화 설계 방법에 따라 제 1 경량화 디자인 단계(1LWS) 및 제 2 경량화 디자인 단계(2LWS)에 의해 경량화 설계가 적용되어 제 1 경량화 패턴(미도시) 및 제 2 경량화 패턴(50)이 형성된 주조용 사형(100)을 제작할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 설명하기 위해서, 도 6에 도시된 주조용 사형의 구조에 따른 설계 프로세스에 대해서 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 주조용 사형(100)에 대해서 제 1 경량화 디자인이 수행된 결과이다.
도 6를 참조하면, 일점쇄선으로 도시된 G1/G2 영역(도 2 참조)은 도 7의 G1 단계(S200) 및 G2 단계(S300)에 의해 경량화 설계가 적용된 것으로서, 먼저, G1 단계(S200)는 주조용 사형(100)의 크기를 고려하여 제 1 경량화 패턴을 제어하는 단계이다. G2 단계(S300)는 용탕이 접촉되는 사형 표면에서 어느 정도의 거리만큼 이격하여 제 1 경량화 패턴을 적용할지에 대해 결정을 하는 단계이다.
도 7의 (a)는 제 1 경량화 패턴이 전체에 대해서 적용된 주조용 사형(100) 중 G1/G2 영역을 예시적으로 도시한 것이다. 도 7의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 V 영역을 확대한 것으로서, 제 1 경량화 패턴(40)의 구조를 보여준다. 제 1 경량화 패턴(40)은 기공(a) 및 적어도 2개의 기공(a)을 서로 연결하는 연결부(b)를 단위셀(unit cell)로 하고, 상기 단위셀이 반복적으로 형성된 패턴이다.
여기서, 제 1 경량화 패턴(40)을 제어하는 G1 단계(S200)는, 제 1 경량화 패턴(40) 내 빈공간(a)과 연결부(b)의 크기 및 외부 표면과의 최대 거리를 조절할 수 있다. 상기 조절에 의해, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단위셀이 반복적으로 형성된 패턴은 면심입방정계, 체심입방정계 및 조밀육방구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 구조는 구형 입자들이 가장 안정적으로 최대한 조밀하게 충진될 수 있는 결정 구조의 종류로서, 본 발명에 의한 제 1 경량화 패턴(40)이 상술한 바와 같이 3가지 중의 어느 하나의 형태로 형성되어 주조용 사형(100)의 기계적 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 사형 표면에서 어느 정도의 거리만큼 이격하여 제 1 경량화 패턴을 적용할지에 대한 결정하는 G2 단계(S300)는, 용융금속이 상기 사형에 주입되어 상기 사형의 표면으로부터 상기 사형 내부로부터 소정의 거리(ds)만큼 이격된 부근에 상기 제 1 경량화 패턴(40)의 적용 여부를 결정하는 단계이다.
일점쇄선으로 도시된 G3 영역(도 6 참조)은 도 5의 G3 단계(S400)에 의해 경량화 설계가 적용된 것으로서, 도 8에 의하면, G3 단계(S400)는 구조인자(di)를 판별하여 제 1 경량화 패턴을 적용할 최소 부피를 결정하는 단계이다.
구조인자(di)는 주조용 사형(100)의 임의의 영역에서 제 1 경량화 패턴이 적용될 수 있을 정도의 공간이 확보되어 있는 여부를 판단하는 기준으로서, 제 1 경량화 패턴이 적용될 수 있는 최소 부피를 의미한다.
예를 들어, 용탕이 주입되는 몰드 캐비티(30) 부분 내부에 돌출된 패턴 구조체가 존재할 경우, 상기 돌출된 패턴 구조의 너비(d1)를 기 설정된 구조인자(di)의 크기와 비교 분석하여 돌출된 패턴 구조체에 제 1 경량화 패턴의 적용 여부를 판단한다.
만약 돌출된 패턴 구조의 너비(d1)가 구조인자(di) 보다 작을 경우에는 제 1 경량화 패턴을 형성하기에 너무 협소하므로 도 8와 같이 제 1 경량화 패턴이 적용될 수 없게 된다.
제 1 경량화 디자인이 완료된 후 제 2 경량화 디자인을 수행하게 된다.
일점쇄선으로 도시된 L1 영역(도 6 참조)은 도 7의 L1 단계(S600)에 의해 제 2 경량화 패턴(50)이 적용된 것으로서, 제 2 경량화 패턴(50)은 주조용 사형(100)의 적어도 어느 일부를 제거하여 형성된 것이다.
L1 단계(S600)는 제 2 경량화 디자인 단계로서, 주조과정에서 용융금속에 의해 받는 하중 시뮬레이션 결과에 따라, 상기 용융금속이 채워지지 않아 수직하중(W)을 받지 않는 부분이 상기 사형의 표면 및 내부면과의 거리가 확보되어 일정한 부피의 제거가 가능한 부분인 지 여부를 판단하여 결정하는 단계이다.
도 9에 의하면, 몰드 캐비티(30)에 주입되는 용탕의 하중(W)을 역학계산하여 수평 버퍼1(H1), 수평 버퍼2(H2) 및 수직 버퍼(P)를 결정한다. 정해진 수평 버퍼1(H1), 수평 버퍼2(H2) 및 수직 버퍼(P)를 제외하고 나머지 영역은 제거 가능 영역의 너비(dL1)가 된다. 이후에 3D 프린팅시 제거 가능 영역의 너비(dL1)만큼 고가의 소재를 낭비하지 않게 해당 부분을 비워둔 상태로 사형을 제조하여 주조용 사형(100)의 적어도 어느 일 부분에 제 2 경량화 패턴(50)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 주조용 사형의 경량화 설계 방법을 이용하여, 주조용 사형의 형상을 분석하여 특정부분 주위의 구조 밀도가 없는 부분을 중심으로 제거 가능한 부분을 확보한다. 이후 불필요 부위를 제거한 후 구조역학 시뮬레이션을 통하여 검증을 진행하여 3D 프린팅시 고가의 소재의 사용량 및 제조비용을 효과적으로 낮춰 종래 주조공정에 3D 프린팅 방식의 적용을 확산시키고 주조분야의 경쟁력을 강화한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명은 3D 프린팅에 의해 제조되는 주조용 사형의 제조 분야에 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴으로서,
    상기 경량화 패턴은,
    상기 주조용 사형의 일부 영역이 제거된 복수의 기공을 포함하고,
    상기 복수 개의 기공은 밀집 구조로 배열된 단위 셀(unit cell)이 반복적으로 형성된 구조인,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀집 구조는,
    상기 복수의 기공을 포함하도록 형성되는 제 1 적층면 및 제 2 적층면을 포함하며,
    상기 제 1 적층면과 상기 제 2 적층면이 교대로 연속해서 쌓아지도록 반복 배치되어 구성되는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 적층면은,
    육각형을 형성하도록 상기 육각형의 각 모서리에 배치되는 제 1 구형의 기공; 및
    상기 육각형의 중심이 되는 지점에 배치되는 중심 구형의 기공을 포함하며,
    상기 제 1 구형의 기공과 상기 중심 구형의 기공으로 이루어진 육각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것인,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 적층면은,
    상기 중심 구형의 기공에 상응하는 지점을 중앙이 되는 삼각형을 형성하도록 상기 삼각형의 각 모서리에 배치되는 제 2 구형의 기공을 포함하고,
    상기 제 2 구형의 기공으로 이루어진 삼각형이 연속적으로 연결되어 배열되도록 구성되는 것인,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀집 구조는 결정학적으로 면심입방정계(face centered cubic system, FCC), 체심입방정계(body centered cubic system, BCC) 및 조밀육방구조(hexagonal closed packed system, HCP) 중 어느 하나를 포함하는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 경량화 패턴은,
    상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함하는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함하되,
    상기 연결부는, 상기 제 1 적층면 혹은 제 2 적층면에서 동일 선상에 대응되게 형성된 상기 기공의 중심을 동일한 적층면에서만 연결하도록 형성되는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 기공 중 적어도 2개를 서로 연결하는, 물질 이동이 가능한 중공 형태의 연결부를 포함하되,
    상기 연결부는, 상기 제 1 적층면 및 제 2 적층면에 각각 형성된 상기 구형의 기공의 중심을 서로 다른 적층면에서 서로 연결하도록 형성되는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 경량화 패턴은 3D 프린팅용으로 설계된 것인,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  10. 제 1 항에 있어서
    상기 경량화 패턴 구조가 적용된 주조용 사형의 구조밀도는 0.36 내지 0.7의 범위를 가지게 되는,
    주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴.
  11. 3D 프린팅을 이용한 주조용 사형의 경량화 설계 방법으로서,
    상기 사형의 구조에 따라 3차원 모델을 디자인하는 단계를 포함하되,
    상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는,
    제 1 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 1 경량화 모델을 설계하는 제 1 경량화 디자인 단계;를 포함하며,
    상기 제 1 경량화 패턴은 청구항 1 내지 청구항 10 항 중 어느 하나의 주조용 사형에 형성되는 경량화 패턴을 포함하는,
    주조용 사형의 경량화 설계 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 경량화 디자인 단계는,
    상기 제 1 경량화 패턴 내 빈공간과 연결부의 크기 및 외부 표면과의 최대 거리를 조절하는 단계;
    용융금속이 상기 사형에 주입되어 상기 사형의 표면으로부터 상기 사형 내부로 소정의 거리만큼 이격된 부근에 상기 제 1 경량화 패턴의 적용 여부를 결정하는 단계; 및
    구조인자를 판별하여 상기 제 1 경량화 패턴을 적용할 최소 부피를 결정하는 단계;
    를 포함하는,
    주조용 사형의 경량화 설계 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 3차원 모델을 디자인하는 단계는,
    제 2 경량화 패턴이 적용되는 범위를 설정하여 제 2 경량화 모델을 설계하는 제 2 경량화 디자인 단계를 더 포함하며,
    상기 제 2 경량화 패턴은 상기 사형의 적어도 어느 일부를 제거하여 형성된 것인,
    주조용 사형의 경량화 설계 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 경량화 디자인 단계는,
    주조과정에서 용융금속에 의해 받는 하중 시뮬레이션 결과에 따라, 상기 용융금속이 채워지지 않아 수직하중을 받지 않는 부분이 상기 사형의 표면 및 내부면과의 거리가 확보되어 일정한 부피의 제거가 가능한 부분인 지 여부를 판단하여 결정하는 단계;를 포함하는,
    주조용 사형의 경량화 설계 방법.
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