전통적으로 금형 냉각 설계는 여전히 주로 실용 지식과 설계자의 경험에 기반을 두고 있다. 이 방법은 단순하고 실용면에서 효율적일 수 있다. 그러나 이러한 접근 방법은 성형품이 점점 복잡해지고 고냉각효율이 요구될 때에는 그 타당성이 결여된다. 이 방법은 최적설계나 적절한 파라미터 값을 항상 보장하지 못한다. 이번 호에서는 캐스트 디자이너(Cast-Designer) 소프트웨어를 통한 냉각 시스템의 설계 방법을 소개한다.
 

김광은
캐디언스시스템의 기술이사로 CAD/CAE/PLM/ERP 전문 컨설팅 및 관련 신기술 개발을 담당하고 있다.
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홈페이지 | http://www.CADians.com

제1회 다이캐스팅 산업의 환경과 신기술
제2회 주조품의 응력 및 변형 예측
제3회 고압 다이캐스팅용 주조 방안 템플릿 및 설계
제4회 다이캐스팅에 특화된 메시 조립 기술
제5회 PQ 곡선과 주조 방안 설계
제6회 주조 공정을 위한 냉각 채널 설계와 고속 검증
제7회 중력 주조 공정용 주조 방안 템플릿과 설계

영구 금형 캐스팅에서 주조용 알루미늄 합금강과 마그네슘 합금강 제품의 다이 설계는 많은 고전도 재료의 냉각블럭들('냉각채널'이나 '냉각회로'로 불리기도 함)을 포함한다. 이 블록은 직접 열전달을 퉁해 용융금속(용탕)으로부터 열을 빼앗아, 캐스팅이 지정된 방식으로 가능한 신속히 응고시키는 데 그 목적이 있다.
전형적인 냉각블럭은 영구 금형(또는 다이)에 내장되는 냉각회로로서, 캐스팅 내 목표 주단면에 최고 열전달(유효냉각)이 가능한 곳에 위치한다. 캐스팅 내 큰 부피의 단면은 효율적으로 냉각이 되지 않고, 전반적 제품 내 정확한 순서로 냉각되지 않는다. 즉 스프루 입구에서 가장 멀리 떨어져 있는 부분에서 고화가 시작되어, 스프루 입구를 향하여 연속적으로 순서대로 고화가 진행된다. 스프루 입구 자체가 고화될 때까지 진행된다. 그 후 캐스팅 내 거대수축(macro-shrinkage)을 생성하는 '핫스팟(hot spot)'을 생성하게 된다. 이러한 것은 주조 부적합, 생산성 손실 및 재작업 등 해당 제조회사에 수백만 달러를 낭비하게 할 수 있다.   
반면, 고압다이캐스팅 전용 영구 금형 캐스팅은 고효율 및 고 생산성으로 캐스팅 제품을 만드는 가장 보편적 제조방법으로 여겨 왔다. 주조 공정(casting process)은 3개의 주요 단계를 갖는데 충진단계, 고화 및 냉각 단계 그리고 취출 단계이다. 이 단계 중 고화 및 냉각 단계가 가장 중요한데 생산성과 성형 품질에 주 영향을 끼치기 때문이다. 적절한 냉각채널 설계는 냉각시간을 현저히 감소시켜 주조 공정의 생산성을 증가시킬 수 있다. 더구나 균일 온도분포를 성취할 수 있는 효율적인 냉각 시스템은 핫스팟, 차등수축, 열적 잔류응력 및 변형(warpage) 과 같은 성형품의 품질에 영향을 끼치는 바람직하지 못한 결함을 최소화할 수 있다.
전통적으로 금형 냉각 설계는 여전히 주로 실용지식과 설계자의 경험에 기반을 두고 있다. 이 방법은 단순하고 실용면에서 효율적일 수 있다. 그러나 이러한 접근방법은 성형품이 점점 복잡해지고 고냉각효율이 요구될 때에는 그 타당성이 결여된다. 이 방법은 최적설계나 적절한 파라미터 값을 항상 보장하지 못한다. 이번 호에서는 캐스트 디자이너(Cast-Designer) 소프트웨어에서 기반을 두고 있는 냉각 시스템의 새 설계 방법을 소개한다.
 
1. 냉각 시스템의 개요와 냉각채널 레이아웃
효율적인 냉각회로 설계는 냉각시간을 감소시키고, 캐스팅 공정의 전체적 생산성을 제고시키는 것으로 잘 알려져 있다. 더구나 균일한 냉각은 잔류응력을 감소시키고 치수 정확도와 안정성을 유지시켜 제품의 품질이 개선된다.
주조냉각 시스템은 전통적으로 다음과 같은 품목으로 구성된다.

■ 온도 제어 장치
■ 펌프 
■ 호스 
■ 공급(supply manifold) 및 수집 매니폴드(collection manifold)
■ 금형 내 냉각채널

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