650톤 이하 중소형 다이캐스팅 금형에서 냉각수 유량제어와 온도를 측정하는 시스템을 개발하는 과제에 대해서 발표한다. 이 과제는 정부의 업종공통 기술개발사업으로, 정부가 한국다이캐스트공업협동조합과 참여기업을 지원해서 연구 개발하는 내용이다. 이 과제에서 중점을 둔 부분은 650톤 이하의 중소형 장비에서 금형의 냉각수 유량을 제어할 수 있고, 온도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. 총 사업 기간은 2013년 11월부터 2014년 10월 31일까지 1년이었다.
금형온조기는 유럽이나 일본에서 상당히 많이 쓰고 있는데, 온조기를 사용하려면 온조기에 맞는 온조 라인을 설계해야 한다. 우리나라에서는 다이캐스팅 냉각 방법으로 냉각채널을 많이 써왔으며, 지금도 많이 쓰고 있다. 그런데 이 냉각채널에 그냥 온조기만 달면 안 되고, 온조기에 맞게 금형 설계가 이루어져야 한다.
기존 냉각수 유량제어 볼밸브를 예로 들어 본다. 금형의 냉각채널을 만들 때 매니폴더를 만들고 각각의 부위별로 볼밸브를 단다. 작업하는 사람마다 다르기 때문에 유량을 조절하기 힘들다. 그러나 한 가지 확실한 것은 공정에서 조건을 정했다면 그 조건에서 온도가 몇 도였고, 그 때 흘렀던 냉각수의 유량이 어느 정도였다는 것을 데이터로 기록해 놓으면 다음 번에 트라이 에러가 적어질 것이다. 그리고 여름, 겨울 등 계절에 따라 다른 물의 온도를 여러 가지 방법을 동원해 특별히 조절해야 한다. 그런데 데이터가 없으면 해결할 수 없으므로 재현 가능한 데이터를 만들기 위한 시스템 개발이 필요했다.
(주)캐스트맨 박광훈 부장
개발 기술의 필요성
금형의 온도가 높을 때가 있고 낮을 때가 있다. 금형의 온도가 높을 때에는 금형 캐비티에서 들러붙어 형상 변형과 소착 때문에 적출 불량이 발생한다. 이형제 품질이 떨어지고, 이형제를 많이 써야 된다. 또한 사이클 타임이 증가하고 금형이 마모되거나 손상이 생긴다. 이동측 금형 구성품, 슬라이드 등의 오작동이 발생한다. 금형의 변형이 생기고, 주조품의 치수 정밀도가 떨어진다. 기포가 발생할 수 있고, 기공 발생 빈도가 증가하는 등 여러 가지 문제가 있을 수 있다. 반대로 금형 온도가 너무 낮으면, 수축응력이 증가해서 금형 캐비티에서 적출이 잘 안된다. 주조용 합금의 소착이 발생하기도 하고, 이형제의 윤활 효과가 떨어지기도 한다. 콜드 쇼트, 금형 마모, 콜드 래핑 등이 발생하고, 주조품 치수 정밀도가 떨어진다. 또한 캐비티 내부 미충전 현상이 발생하기도 한다. 따라서 금형 온도가 너무 높아도 너무 낮아도 안 좋다는 것이다. 형상이 다르고 조건이 다르므로 몇 도로 정하기는 어렵지만, 이러한 불량들이 있기 때문에 금형 온도를 제어해야 한다.
특히 다이캐스팅 금형에서 온도 관리는 매우 중요하다. 금형 온도의 높고 낮음에 따라 탕주름, 경계, 깨짐, 기포 및 비틀림 등의 제품 결함이 발생하고, 금형 온도 측정에 여러 변수가 많기 때문에 고품질의 제품을 얻을 수 있는 지속적인 온도 관리가 필요하다. 또한 다이캐스팅에서 가장 주요한 3대 기본 요소인 탕구 속도, 충전 시간, 금형 온도 중 금형 온도의 관리는 냉각수 방안이 중요하다. 금형 냉각 기술에서는 이형제 도포 및 냉각수로 설계 등의 여러 방안이 있지만 안정적인 냉각 유지 관리를 위해서는 이에 적합한 유량 제어가 필요하다.
그러나 국내 다이캐스팅 업계의 90% 이상을 차지하는 중소기업에서 고가의 금형온조기를 구입하는 것은 현실적으로 어렵다. 국내 다이캐스팅 장비의 약 80% 이상이 650톤 이하의 소형 장비이다. 650톤 이상의 장비에는 유랑 제어 및 온도측정 시스템이 기본으로 장착되어 있으나, 소형 장비의 경우 시스템을 장착하기 위해 높은 비용을 투자해야 하며 시스템이 복잡하여 사용하기 쉽지 않는 실정이다. 이에 대부분의 중소기업에서는 작업자의 경험 및 상황에 따라 임의적으로 관리하여 제품 불량의 원인을 제고하고 있다. 이를 해결하기 위해 업계에 공통되고 표준화된 시스템을 개발하여 합리적인 가격에 공급하고자 했다.
개발 기술의 연구 목적
개발 기술의 연구 목적은 우선 다이캐스팅 업계의 공통되고 표준화된 금형 냉각수 유량제어 및 온도 측정 시스템 개발이다. 그리고 업계의 90% 이상인 중소 다이캐스팅 업체들이 개발 시스템을 활용하여 품질 안정화, 불량률 저감 및 금형 수명 연장을 통해 생산성 향상 및 시장경쟁력 강화로 이어질 수 있게 하는 것이다. 또한 한국다이캐스팅공업협동조합에서 합리적인 가격 책정 및 최소의 투자비로 시스템 보급이 가능하도록 시스템을 개발하는 것이었다.
이렇게 연구 개발하여 얻고자 하는 최종 목표는 3가지가 있다. 냉각수 유량 제어하는 시스템 설계, 용량별 유량제어 시스템 설계, 그리고 금형 및 냉각수 온도측정 시스템 설계이다. 냉각수 유량제어 시스템 설계는 냉각수 유량제어를 통한 일정한 금형 온도 유지 조건 설계와 금형 냉각 라인별 유량변동 제어 시스템 개발, 유량제어 컨트롤 및 알람 시스템 개발로 세분할 수 있다. 용량별 유량제어 시스템 설계는 650톤 이하 다이캐스팅 용량별 유량제어 시스템 설계와, 전산모사를 통한 용량별 냉각수 열해석 및 유동해석 등이 있다. 마지막으로 금형 및 냉각수 온도측정 시스템 설계에는 냉각수 유입부 및 유출부 온도측정 센서 및 시스템 설계와 금형 주요부위 온도측정 가능, 온도측정 컨트롤 및 알람 시스템 개발 등이 있다.
이번에 포함시킨 것 중에 상한치와 하한치를 넣을 수 있는 기능이 있다. 메인에 들어오는 유량계에서 분배가 된다. 그러면 어느 곳이 잘못되면 메인에서 센서가 감지하여 유량이 설정한 상한치를 벗어나면 알람이 울린다. 마찬가지로 온도가 상한치를 벗어나도 알람이 울리게 해 놓았다. 중간에 갑자기 관이 막혔다든지, 작업자가 냉각수 라인을 잠가 버렸다든지 그럴 수 있기 때문에 설치했다.
기술 개발의 기대 효과
1차 시제품을 제작했는데, 복잡하게 되어 있어 2차 시제품은 심플하게 다시 만들었다. 센서가 있는 유량계를 메인에 달아 유량을 체크하게 했다. 총 7개의 라인이 있는데, 가동측에 2개, 고정측에 2개, 슬리브 측에 1개, 프리저 측에 1개, 예비로 1개가 있다. 신용신안을 출원해 높은 상태이다. 중요한 것은 어떤 방법을 취하던지 각 공정에서 또한 각 공장에서 회사마다 기계특성이 다르고 사용할 수 있는 온도 레인지도 다르기 때문에 규정을 한다는 것은 쉬운 일이 아니며, 일정한 금형 온도 유지가 중요하다. 정답이 반드시 하나만 있다는 보장은 없다.
결국 추구하는 것은 일정한 금형 온도 유지를 통한 다이캐스팅 제품의 품질 안정화와 금형 수명 연장이다. 일정한 온도로 계속 유지가 되어야 같은 조건으로 제품을 생산할 수 있고 품질이 안정화된다. 이에 따라 적절한 온도를 유지해 주는 것은 금형 수명 연장에 도움이 된다고 생각한다. 두 번째는 투자비 절감 효과이다. 금형온조기 사용하려면 3천만원에서 비싼 것은 8천만원까지도 소요된다. 그러나 이번에 개발한 시스템은 5백만원이다. 약 2천만원에서 7천만원까지 투자비가 절감된다. 세 번째는 다이캐스팅 공정의 생산성 향상 및 중소기업들의 가격경쟁력 강화이다.
양산화 계획으로는 현재 시제품 제작 업체와 기술교류 및 개발품 공급계약을 맺고 양산 모델 개발을 진행하고 있다. 지속적인 문제점 분석 및 업데이트를 통한 신뢰성을 확보하고, 초기 양산용 장비 및 설비를 구축한다. 다이캐스팅 용량별 양산 라인 구축 및 생산 능력도 확보한다. 또한 앞으로 판로 확보를 위해 다이캐스팅조합 68개 회원사 및 비회원사를 대상으로 사업성과를 발표하고, 조합 홈페이지, 정기간행물, 소식지 및 협회 주관 세니마 등을 통해 홍보활동을 할 계획이다. 국내 다이캐스팅 관련 전시회 참석을 통해 개발품 시연 및 홍보를 하고, 안정적인 물량 공급 및 저렴한 투자 비용을 바탕으로 판매망을 구축할 것이다.
(주)캐스트맨 박광훈 부장
<정리 : 김정아 기자>
