고압 다이캐스팅에서는 먼저 장난감 모양의 금형을 만듭니다. 그런 다음 금속이 물처럼 액체가 될 때까지 녹입니다. 큰 기계를 사용하여 뜨거운 액체 상태의 금속을 강한 압력으로 금형에 빠르게 밀어 넣습니다. 금속이 식고 단단해지면 금형의 모양을 갖추게 됩니다. 마지막으로 금형을 열면 새로운 금속 장난감이 튀어나옵니다! 이것이 바로 고압 다이캐스팅입니다.

HPDC는 2030년까지 $5534억 달러 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. 자동차 부품이나 전자제품과 같은 소량에서 대량으로 사용되는 산업용 애플리케이션이 그 증가의 원인입니다.

이 문서에서 이 프로세스와 기술, 디자인, 최적화 등 관련 매개변수에 대해 자세히 알아보세요.

고압 다이캐스팅의 원리

제조업체가 시작 고압 다이캐스팅 몇 가지 초기 준비가 필요합니다. 이 준비에는 금형을 청소(게시 및 송풍)하고 단단히 고정(모듈 잠금)하는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 용융 금속을 용기에 붓습니다.

기계에 장착된 사출 시스템은 금속을 10MPa~150MPa의 속도로 금형 쪽으로 펌핑합니다. 이 시스템은 3단계로 진행될 수 있습니다.

충전하는 동안 첫 번째 단계에서는 낮은 압력을 가하고, 두 번째 단계에서는 속도와 압력을 높이며, 세 번째 단계에서는 일정한 압력을 유지합니다.

응고 단계에서는 용융된 입자를 단단한 형태로 변환합니다. 품목 프로파일에 따라 모양을 만듭니다. 마지막으로 제조업체는 금형을 열고 고체 금속 부품을 제거합니다.

용융 금속 특성의 역할

용융 금속의 점도와 유동성을 각각 약 1-10 mPa-s 및 20-50 cm 유량 거리로 유지해야 합니다. 그래야 물질 내부에 금형을 원활하게 채울 수 있습니다. 또한 이러한 매개변수를 조정하려면 녹는점보다 20~30°C 높은 온도를 유지해야 합니다.

금속의 융점에 대해 말하자면, 금속의 융점은 다양합니다. 예를 들어 알루미늄은 660°C, 아연은 419.5°C, 마그네슘은 650°C입니다. 따라서 꾸준한 열이 필요합니다.

합금 시스템의 영향

가장 일반적인 HPDC 합금 유형은 알루미늄, 마그네슘, 아연입니다. 그러나 이들은 성질과 특성이 서로 다릅니다. 예를 들어 알루미늄은 밀도가 2.7g/cm³이고 무게가 가볍습니다. 엔진 블록이나 기어 하우징과 같은 구조 부품에 사용할 수 있습니다.

반대로 마그네슘의 밀도는 1.7g/cm³입니다. 또한 더 가볍습니다. 일반적으로 카시트 프레임과 같은 부품에 사용됩니다.

아연의 밀도는 7.1g/cm³이고 가격은 $1.80/kg입니다. 커넥터 및 브래킷과 같이 작거나 섬세한 부품에 적합한 옵션입니다.

냉각 채널 및 응고 속도

금형 내 냉각 채널의 온도를 약 200-300°C로 유지하세요. 이 범위는 최적의 결과를 얻기에 적합합니다. 예를 들어, 열 응력을 줄이고 입자 구조를 개선하며 부품 강도와 품질을 향상시킵니다.

또한 더 빠른 냉각을 적용하면 입자 크기가 최소화됩니다.. 부품에 강도를 부여하고 매끄러운 표면을 만듭니다.

예를 들어 제조업체가 250°C의 냉각 속도를 적용하여 알루미늄 부품을 생산할 경우, 느리게 냉각할 때보다 인장 강도가 20% 더 높은 것을 확인할 수 있습니다.

샷 무게와 그 중요성

금형에 올바른 샷 중량(금속량) 파라미터를 추가하면 결함을 줄일 수 있습니다. 일반적으로 금형 캐비티의 부피는 80-95%입니다. 사출 전에 용융 금속을 측정해야 합니다.

샷 중량을 파트 중량보다 약 2~3배 높게 유지합니다. 오버플로, 러너 또는 스프루가 낭비될 수 있기 때문입니다.

캐스팅 품질 향상을 위한 HPDC 기술

1. 진공 주조

진공 주조 과정에서 다이캐스터는 용광로에서 잉곳을 녹입니다. 이 용융 금속을 플런저를 사용하여 진공 챔버로 옮깁니다. 그런 다음 금속을 50~100mbar의 진공 상태에서 강철 다이 쪽으로 밀어 넣습니다. 냉각 후 금형 반쪽을 열어 그물 모양에 가까운 부품을 얻습니다.

여기서 다이 캐비티의 진공은 공기와 특정 결함을 제거합니다. 이것이 내장 방식입니다. 공기 유입을 최소화합니다. 이는 소재를 약화시킬 수 있습니다.

기존의 HPDC 방식보다 낫습니다. 진공 주조 설정 비용은 $200,000이며 부품 당 약 1-2 분의 사이클 시간을 제공합니다.

2. 스퀴즈 캐스팅

압착 방식에서는 제조업체가 먼저 도가니에서 금속을 녹인 다음 고압(일반적으로 100-150 MPa)으로 금형에 붓습니다. 펀치를 눌러 전체 섹션을 완전히 채웁니다.

이 펀치 부품은 금형에서 이물질을 제거하거나 에어 갭을 만드는 데 도움이 됩니다. 몰드에 장착된 이젝터 핀은 몰드가 냉각되어 굳으면 성형된 부품을 밀어냅니다.

압착 주조는 엔진 블록과 기어박스 하우징과 같은 고밀도 부품을 만들 수 있습니다. 그러나 사이클 시간(2~4분)이 길고 최대 $250,000까지 더 많은 투자가 필요합니다. 액체를 완전히 활용합니다. 엔진 부품과 같이 견고한 부품에는 스퀴징 주조 방식을 사용할 수 있습니다.

3. 반고체 다이 캐스팅

반고체 다이 주조의 경우 가스 유도 방법을 사용하여 금속 슬러리를 준비합니다. 슬러리는 부분적으로 액체 형태와 부분적으로 고체 분획(30-70%)으로 구성되어야 합니다. 그런 다음 샷 시스템을 통해 이 슬러리를 다이에 충전합니다.

금형의 클램핑 시스템은 금속이 균일하게 다듬어지고 제품 모양이 만들어질 때까지 단단히 고정된 상태를 유지합니다.

용융물의 녹는점 바로 아래의 처리 온도와 50~100MPa의 가압기 등의 파라미터를 유지합니다.

주조와 단조의 조합은 이 공정을 진공 및 압착 주조와 차별화합니다. $ 30만~40만 달러의 예산이 필요하며 단위 사이클당 1~3회가 소요될 수 있습니다.

이 공정을 사용하여 미세 구조 부품을 만들 수 있습니다. 필요한 강도와 정밀도를 제공하는 데 가장 적합하기 때문입니다.

한계와 과제

1. 진공 주조: 이 공정은 약 $200,000의 높은 투자 비용이 소요됩니다. 이 기술로 얇은 벽의 부품을 제작하는 데 어려움이 있을 수 있습니다. 3mm 이하의 두께는 지원하지 않기 때문입니다. 또한 매우 복잡한 부품을 만들 수 없습니다. 예를 들어 언더컷이나 날카로운 모서리가 있고 복잡도가 10점 척도에서 7-8을 초과하는 부품은 진공 주조를 통해 얻을 수 없습니다.
2. 스퀴즈 캐스팅: 진공 주조보다 생산 주기가 최대 20-30% 느려집니다. 스퀴즈 주조는 소규모 산업에서 비용이 많이 듭니다(설치 비용 약 $250,000). 또한 이 공정은 두께가 4mm 미만인 얇은 벽을 가진 부품을 생산할 수 없습니다. 또한 복잡한 격자 구조와 같은 복잡한 형상을 생산할 수 없습니다.
3. 반고체 다이 캐스팅: 반고체 공정은 진공 및 스퀴즈 주조보다 비용이 더 많이 듭니다. 반고체 상태에 적합한 특정 합금으로 제한됩니다. 또한 두께가 5mm 미만인 부품을 제작하려면 힘든 작업이 필요합니다. 또한 반고체는 10점 척도에서 복잡도 수준 9를 초과하는 극단적인 형상도 용이하지 않습니다.

HPDC용 다이 설계 및 제조

다이 수명에 영향을 미치는 요인

200-400°C의 온도 변화에서 열 순환이 발생한다는 사실을 알아야 합니다. 균열이 발생합니다.

마찬가지로 50m/s 이상의 속도로 금속을 밀면 표면이 마모됩니다. 이는 침식으로 이어집니다.

시간이 지남에 따라 금속에서 발생하는 다른 요인으로는 부식, 녹, 강도 및 약화 등이 있습니다. 이러한 영향은 금속에 2% 이상의 염소가 포함되어 있는 경우가 많기 때문에 발생합니다. 이는 다이 수명을 30~50% 감소시킵니다.

환기 및 냉각의 중요성

환기 시스템을 최적화하여 주조 중 공기 유출을 줄입니다. 이러한 설정은 100-150cm³/s의 공기 유량을 유지해야 합니다. 과열을 방지하고 다이 온도 프로세스를 유지합니다. 이를 위해 냉각 채널을 200°C에서 250°C 사이로 설정합니다.

또한 열 스트레스와 같이 간과되는 문제도 있습니다., 는 50°C를 초과하는 온도 차이를 조절하지 못할 때 발생합니다. 이로 인해 금형에 균열과 뒤틀림이 발생합니다.

게이팅 및 라이징

게이팅은 금형에서 통로 역할을 하며, 5~10mm 두께의 러너로 액화 금속의 흐름을 제어합니다. 한편, 가공 설정의 라이저는 금형 물질을 균일하게 채우기 위해 존재합니다. 20~30mm의 직경을 사용합니다. 이러한 요소의 부적절한 정렬은 제품에 다공성을 유발할 수 있습니다.

다양한 합금을 위한 금형 재료

이것은 고려해야 할 가장 중요한 측면입니다. 주조할 금속을 염두에 두고 가장 강한 합금을 선택하여 다이를 만드세요. 예를 들어 강철, 구리 또는 알루미늄이 있습니다.

그러나 강철은 강하고 고온을 견딜 수 있기 때문에 금형에 주로 사용됩니다. 구리는 부품에서 열을 효율적으로 전달할 수 있는 좋은 금속입니다. 알루미늄은 가벼운 부품을 만드는 데 항상 사용할 수 있습니다.

금형 제조 공정

두 가지 방법을 사용하여 다이를 만들 수 있습니다. 그 중 하나는 방전 가공(EDM)이고 다른 하나는 정밀 CNC 가공.

EDM 공정은 0.01mm의 최소 절삭으로 금형을 제작하는 데 적합합니다. 전기 방전을 사용하여 재료를 기화시킵니다.

제조업체는 CNC를 통해 자동화된 도구를 통합하여 복잡한 형상의 금형을 제작합니다. 이 프로세스는 공차가 최대 0.1mm인 프로토타입과 형상 제작에 적합합니다.

다이 코팅

금형에 세라믹이나 전기 도금과 같은 코팅을 적용하면 수명을 30~50%까지 향상시킬 수 있다는 사실을 알고 계셨나요? 300°C 이상에 노출되어야 하는 부품에는 세라믹 코팅을 할 수 있습니다. 그러나 전기 도금은 표면의 내구성과 금형 마감을 향상시킬 수 있습니다.

HPDC의 프로세스 최적화 및 제어

부품 분석

부품을 분석하고 주조 설계의 실용성을 확인합니다. 원활한 사출을 위해 벽 두께(일반적으로 2~5mm)와 구배 각도(1~3도)에 중점을 둡니다. 이 단계에서는 실제 오류 영역과 스트레스 포인트를 보여줍니다.

분할 표면

이별 표면을 평평하게 유지하거나 자연스러운 윤곽을 따르도록 하세요. 이렇게 하면 플래시가 줄어들고 주물을 쉽게 제거할 수 있습니다. 또한 가공 시간이 20-30% 단축됩니다.

금형 시스템 설계

금형 설계의 주요 구성 요소는 게이트, 러너 및 통풍구일 수 있습니다. 균일한 흐름을 위해 최적화하세요. 예를 들어 러너 길이(100~200mm)와 게이트 두께(5~10mm)를 조절하면 결함 없는 결과물을 생산할 수 있습니다.

프로세스 매개변수 최적화

공정 파라미터에는 사출 속도(균일한 충전을 위한 4-6m/s), 유지 압력(500-800bar), 냉각 속도(20-50°C/s)가 포함됩니다. 정확한 치수의 부품을 만들고 오류 없이 제작하려면 이러한 파라미터를 적절하게 설정해야 합니다.

2D 문서화 및 제조

2D 기술 도면은 설계 세부 사항을 따르고 결함을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 이를 위해 제조업체는 금형에 CNC 가공과 EDM을 사용합니다. 이를 통해 최대 0.01mm의 공차를 달성할 수 있습니다.

HPDC 시뮬레이션

HPDC에서는 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션과 유한 요소 분석(FEA)이 유용합니다. 금형 설계에서 열, 흐름 및 응력을 처리할 수 있습니다. 또한 리드 타임을 약 40%까지 단축할 수 있습니다. 최초 품질을 더욱 향상시킵니다.

적응형 제어 및 SPC

적응형 제어 시스템에는 AI 알고리즘이 포함되어 있습니다. 이를 통해 공정 설정을 동적으로 수정할 수 있습니다. 또한 자재 낭비를 20~30%까지 줄이고 생산 비용을 절감하며 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다.

마찬가지로 통계적 공정 제어(SPC)를 사용하면 생산을 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 제조업체가 데이터 추세를 분석하여 일관된 결과물을 만들 수 있도록 도와줍니다. 또한 중요한 매개변수의 변동성을 제거할 수 있습니다.

실시간 프로세스 제어

이제 센서와 액추에이터를 통해 주조 중에 설정을 조정할 수 있습니다. 열전대는 금속의 온도(200°C-450°C)를 측정합니다.

트랜스듀서는 물리적인 양의 사출 압력(500~1200bar)을 전기 신호로 변환합니다. 따라서 실시간 프로세스 제어를 채택하면 파라미터를 즉시 유지할 수 있습니다.

결론:

제조업체는 고압 다이캐스팅 방식을 사용하여 디테일이 좋은 부품을 제작합니다. 가장 빠른 기술입니다. 용융 알루미늄, 아연 또는 마그네슘 금속을 다양한 모양의 응용 부품으로 변환할 수 있습니다. 하지만 완벽한 금형을 개발하는 것이 중요합니다. 최종 출력 결과에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 따라서 AI, FEA, CFD 등과 같은 고급 도구를 사용하여 HPDC의 파라미터를 즉시 조정할 수 있습니다.