실용적인 다이캐스팅 설계를 통한 제조성 향상(DFM): 비용 절감과 품질 개선 전략

TL;DR

다이캐스팅에서의 설계를 통한 제조성 향상(DFM)은 부품 설계를 효율적이고 비용 효과적인 방식으로 최적화하기 위한 핵심 엔지니어링 기법입니다. 그 주요 목적은 제조 공정의 복잡성을 최소화하여 비용을 절감하고 최종 제품의 품질을 향상시키는 것입니다. 여기에는 몰드로부터 부품을 쉽게 탈형할 수 있도록 드래프트 각도를 적용하고, 다공성과 같은 결함을 방지하기 위해 균일한 벽 두께를 유지하며, 필렛 및 리브와 같은 요소를 전략적으로 사용하여 재료 사용량을 최소화하면서 강도를 높이는 등의 기본 원칙을 준수하는 것이 포함됩니다.

다이캐스팅 DFM의 핵심 원리: 드래프트 각도, 벽 두께 및 곡률 반경

제조를 위한 효과적인 다이캐스팅 설계의 기반은 품질, 비용 및 생산 속도에 직접적인 영향을 미치는 몇 가지 핵심 원칙에 달려 있습니다. 이러한 개념들을 숙지하는 것은 기능적일 뿐 아니라 생산 경제성 또한 갖춘 부품을 만드는 첫 번째 단계입니다. 이를 무시할 경우 이젝션(ejection) 곤란, 재료 낭비에서부터 구조적 결함에 이르기까지 다양한 문제가 연쇄적으로 발생할 수 있습니다. 드래프트(draft), 벽 두께, 필렛 및 곡률 반경 사용과 같은 핵심 원칙들은 다이 내부에서 용융 금속의 흐름과 응고 물리 현상을 해결합니다.

A 드리프트 각도 다이는 열리는 방향과 평행한 모든 표면에 적용되는 약간의 경사면을 말합니다. 일반적으로 1도에서 3도 사이인 이 작은 경사는 냉각되고 수축하는 용융 금속이 다이의 내부 형상에 강하게 밀착되는 것을 방지하여 파손 없이 깨끗하게 주조 부품을 금형에서 이젝트(eject)할 수 있도록 하는 데 중요합니다. 드래프트가 없으면 필요한 이젝션 힘이 부품을 변형시키거나 파손시킬 수 있습니다. 다음에서 자세히 설명하듯이 가브리안의 디자인 가이드 , 외벽은 부품이 수축하면서 벽에서 멀어지기 때문에 덜미각이 작아도 되지만, 내벽과 구멍은 금속이 그 주위로 수축하므로 더 큰 덜미각이 필요합니다.

디젤 연료 주입 펌프 테스트 벤치 균일 벽 두께 는 설계를 고려한 제조(DFM) 원칙 중에서 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있습니다. 벽 두께가 현저히 다르면 용융 금속이 서로 다른 속도로 냉각됩니다. 두꺼운 부분은 응고되는 데 시간이 더 오래 걸리며, 이로 인해 내부 응력, 다공성(기체 방울), 그리고 표면에 오목하게 들어간 싱크 마크(sink marks)가 발생할 수 있습니다. 반대로 너무 얇은 벽은 금속이 조기에 응고되어 금형이 완전히 채워지지 않게 되며, 이를 샷 부족(short shot) 결함이라고 합니다. 대부분의 설계에서는 벽 두께를 1.5mm에서 4mm 사이로 맞추는 것을 목표로 합니다. 두께 변화를 피할 수 없는 경우, 금속 흐름과 냉각이 일관되도록 점진적이고 부드러운 전환이 이루어져야 합니다.

마지막으로 날카로운 모서리를 피하는 것이 중요합니다. 이것은 곡선을 포함함으로써 달성됩니다. 필렛 및 곡률 —표면 간의 곡선형 연결부. 필렛은 내부 모서리에 적용되며, 반경(라운드)은 외부 모서리에 사용됩니다. 날카로운 내부 모서리는 하중 하에서 파손 지점이 될 수 있는 응력 집중 지점을 생성합니다. 또한 용융 금속의 원활한 흐름을 방해하여 난류를 유발하고 이는 기공 발생으로 이어질 수 있습니다. 0.5mm와 같이 작은 크기라도 충분한 필렛과 곡률 반경을 추가하면 금속 흐름이 개선되고 부품 강도가 높아지며 보다 견고하고 신뢰성 있는 최종 제품 제작이 가능해집니다.

주요 설계 최적화 방법

• 드래프트 각도: 모든 수직 표면에는 최소 1~2도의 탭퍼(taper)를 적용하여 부품이 쉽게 분리될 수 있도록 하십시오. 내벽 및 깊이가 큰 특징 부위의 경우 각도를 더 크게 설정하십시오.
• 벽 두께: 전체 부품에 걸쳐 균일한 두께를 유지하려고 노력하십시오. 두께 변화가 불가피할 경우 결함을 방지하고 균일한 냉각을 보장하기 위해 점진적인 전이부를 사용하십시오.
• 필렛 및 곡률 반경: 모든 날카로운 모서리를 둥근 엣지로 대체하십시오. 응력을 줄이고 금속 흐름을 개선하기 위해 내부 모서리에는 필렛을, 외부 모서리에는 곡률 반경을 사용하십시오.

부품 강화 및 경량화: 리브, 보스, 포켓

DFM의 주요 목표는 비용과 사이클 타임을 증가시키는 불필요한 재료 없이 강도 요구사항을 충족하는 부품을 제작하는 것이다. 리브, 보스, 포켓 등 세 가지 핵심 요소는 설계자가 이러한 균형을 달성하도록 돕는다. 이를 올바르게 설계하면 구조적 완전성과 기능성을 향상시키면서 동시에 다이캐스팅 공정에 맞춰 부품을 최적화할 수 있다. 이를 통해 제조 효율성이 뛰어난 강력하고 가벼운 설계가 가능해진다.

리브 리브는 부품의 전체 벽 두께를 증가시키지 않으면서 지지력과 강성을 더해주는 얇은 벽 형태의 특징입니다. 이는 휨을 방지하고 무게 대비 강도 비율을 향상시키는 데 중요합니다. 리브를 적용하면 설계자는 부품 전반에 걸쳐 얇고 균일한 벽 두께를 유지하면서도 핵심 부위를 보강할 수 있습니다. 최적의 결과를 얻기 위해 리브는 일반적으로 주 벽 두께의 약 60% 정도로, 주 벽 두께보다 일부 얇은 크기로 설계되어야 하며, 이는 반대쪽 표면에 싱크 마크(sink mark)가 생기는 것을 방지합니다. 또한 리브는 용융 금속이 다이의 원거리 또는 복잡한 영역까지 흐르도록 돕는 통로 역할을 할 수도 있습니다.

보스 부시(boss)는 마운팅 포인트, 스탠드오프 또는 패스너 장착 위치로 사용되는 원통형 돌출부입니다. 후가공 과정에서 부품의 두꺼운 부분에 구멍을 뚫는 대신, 부시는 설계 단계에서 직접 통합할 수 있으므로 상당한 시간과 2차 공정을 절약할 수 있습니다. 균일한 벽 두께 원칙을 준수하기 위해 부시는 중심에 구멍이 뚫린 코어 아웃(core out) 형태로 제작되어야 합니다. 이렇게 하면 재료가 두꺼운 덩어리가 되어 천천히 냉각되면서 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. 또한 강도를 확보하고 금속 흐름을 원활하게 하기 위해 주벽에 여유 있는 필렛과 리브로 연결되어야 합니다.

재료 사용량과 부품 무게를 더욱 줄이기 위해 설계자는 전략적으로 주머니 또는 중공 단면을 의미합니다. 이 공정은 종종 '코어 아웃(core out)'이라고 불리며, 구조적으로 중요한 부분이 아닌 영역에서 재료를 제거하는 방식입니다. 이러한 공간을 생성함으로써 복잡한 형상을 가진 부품에서도 일관된 벽 두께를 유지할 수 있습니다. 이를 통해 재료 비용을 절감할 뿐 아니라 금형 내 냉각 시간을 단축시켜 생산 사이클을 더 빠르게 할 수 있습니다. 다만 포켓 설계가 부품의 전반적인 강도나 기능성을 저해하지 않는지 면밀한 분석이 필요합니다.

금형 및 탈형 최적화: 분할선, 언더컷, 핀

성공적인 다이캐스트 부품은 부품의 형상과 몰드의 기계적 구조 간의 시너지가 만들어낸 결과물이다. 금형을 고려하지 않고 내린 설계 결정은 비용이 많이 들고 복잡한 금형을 만들며, 결함률을 높일 수 있다. 이 분야에서 중요한 고려 사항으로는 분할선(parting line) 배치, 언더컷(undercuts) 관리 및 이젝터 핀(ejector pins) 위치 설정이 포함된다. 이러한 요소들에 대한 신중한 설계는 금형을 단순화하고 비용을 절감하며 주조 후 부품이 다이에서 신뢰성 있게 탈형될 수 있도록 보장한다.

그 분할선 다이는 두 개의 반쪽이 만나는 부분을 말하며, 그 위치는 도구 설계 시 처음에 결정해야 하는 가장 중요한 요소 중 하나로, 거의 모든 다른 특징에 영향을 미칩니다. 항상 간단하고 평면인 파팅 라인이 선호되는데, 이는 금형 가공을 보다 용이하고 비용 효율적으로 만들어 주기 때문입니다. 복잡하고 비평면적인 파팅 라인은 금형 제작 비용을 크게 증가시킬 수 있으며 플래시(flash) 문제를 일으킬 수 있습니다. 플래시란 틈새로 새어나온 얇은 과잉 금속막으로, 후속 공정에서 제거해야 합니다. 설계자는 가능한 한 직선에 가까운 파팅 라인을 만들 수 있도록 부품의 방향을 적절히 배치하려는 노력을 기울여야 합니다.

밑면 처리 언더컷은 단순한 2단 몰드에서 부품을 직접 탈형하는 것을 방해하는 특징들입니다. 여기에는 리세스 가공된 표면이나 다이에 부품이 잠긴 상태가 되게 하는 요소들이 포함됩니다. 기능상 필요할 수는 있지만, 언더컷은 가능하면 피해야 하며 이는 사이드 코어나 슬라이더를 필요로 하기 때문입니다. 이러한 장치들은 언더컷 형상을 형성한 후 탈형 전에 수축하는 다이 내부의 움직이는 구성 요소이며, 도구에 상당한 비용과 복잡성, 그리고 잠재적인 고장 요소를 추가합니다. 언더컷을 피할 수 없는 경우, 제조 파트너와 협력하여 가장 효율적인 금형 솔루션을 찾는 것이 중요합니다. 자체적으로 다이 설계 역량을 보유한 기업은 양산성을 고려한 복잡한 금형 최적화에 있어 소중한 전문 지식을 제공할 수 있습니다.

마지막으로, 이젝터 핀 다이는 고체화된 주물을 다이 캐비티로부터 밀어내는 강철 막대입니다. 이러한 핀은 부품 탈형에 필수적이지만, 부품 표면에 작고 원형의 자국을 남기는 것은 피할 수 없습니다. 설계자의 역할은 이러한 자국이 허용될 수 있는 비중요 또는 비외관 부위를 식별하는 것입니다. 탈형 핀 자국을 평평하고 견고한 표면에 배치하는 것이 이상적이며, 이는 탈형 시 균일한 힘 분포를 보장하고 부품 변형의 위험을 최소화합니다. 이러한 허용 가능한 위치를 초기 단계에서 금형 제작자에게 명확히 전달함으로써 최종 제품의 외관상 문제를 방지할 수 있습니다.

쉬운 탈형을 위한 설계 체크리스트

• 분할선을 가능하면 평평하고 직선적으로 단순화하십시오.
• 측면 코어와 슬라이더 사용으로 인한 비용 증가를 피하기 위해 언더컷을 가능한 한 제거하십시오.
• 다이의 움직임과 평행한 모든 표면에 충분한 드래프트 각도를 포함시키십시오.
• 탈형 핀 자국이 허용되는 비외관 표면을 식별하십시오.
• 이젝터 핀이 평평하고 안정적인 표면에 위치하도록 하여 금형에서 탈형 중 휨을 방지해야 합니다.

다이캐스팅 설계가능성(DFM)에 대한 자주 묻는 질문

1. 설계가능성(DFM)에는 무엇이 포함되나요?

다이캐스팅에서의 설계가능성(DFM)은 부품 설계를 생산 용이성을 위해 단순화하고 최적화하기 위한 일련의 원칙을 포함합니다. 주요 내용으로는 탈형을 위한 드래프트 각 적용, 결함 방지를 위한 균일한 벽 두께 유지, 날카로운 모서리 방지를 위한 필렛 및 곡률 반경 사용, 리브 및 보스와 같은 특징 설계를 통한 강도 증가 및 재료 감소 등이 있습니다. 또한 금형 분할선을 단순화하고 언더컷을 피하는 등의 금형 관련 고려사항도 포함됩니다.

2. 제조 가능성을 고려한 설계 접근 방법은 어떻게 되나요?

이 접근 방식은 설계 초기 단계에서 전체 제조 공정을 고려함으로써 시작된다. 제조 엔지니어와 협력하여 잠재적인 생산상의 문제점을 파악하는 것이 포함된다. 주요 단계로는 설계 간소화, 부품 수 최소화, 가능한 범위 내에서 구성 요소의 표준화, 다이캐스팅(발형각, 벽 두께 등)과 같은 공정별 규칙 준수가 있다. 목표는 공장 현장에서 비용이 많이 드는 문제를 해결하기보다는 도면 상에서 변경 비용이 저렴할 때 제조 관련 문제를 능동적으로 해결하는 것이다.

3. 제조용 설계(Design for manufacturability)의 특징은 무엇인가?

제조를 위한 설계(Design for manufacturability)는 효율성, 비용 절감 및 품질 향상을 위해 지능적인 설계 선택에 중점을 둔다. 제조 용이성을 고려해 최적화된 설계는 일반적으로 더 단순하며, 적은 양의 재료를 사용하고, 추가 공정이 적게 필요하며, 결함률이 낮다. 이는 선택한 제조 공정의 능력과 한계를 깊이 이해하고 반영한 결과로, 기능적일 뿐 아니라 대량 생산 시에도 경제적이며 신뢰할 수 있는 제품을 만들어낸다.