주조 방안 설계 및 해석 시스템, Cast-Designer
■ 개발 : C3P, http://www.c3p-group.com■ 특징 : 유동 해석, 열전달 해석 및 고화 해석 기술 통합 탑재, 선행 주조 설계 및 주조 설계의 해석 검증을 설계 초기 단계에 수행, 정밀 주조 방안을 하루에 4~5안 작성 가능해 리드타임 단축 지원■ 공급 : 캐디언스시스템, 1600-7805, http://www.cadians.com
Cast-Designer 소개
Cast-Designer는 미국에 본사를 둔 C3P Software International Co. Ltd.(아시아 서비스 센터는 중국 광저우 주재)에서 개발하고 캐디언스시스템에서 공급하는 주조 솔루션 소프트웨어이다.
Cast-Designer는 선행 설계와 CAE 기술에 기반한 주조 방안(게이팅 시스템) 설계 및 주조 해석의 통합 시스템이다. 유동 해석, 열전달 해석 및 고화 해석 기술이 통합 탑재된 주조 설계 전문가 소프트웨어이다. 선행 주조 설계 및 주조 설계의 해석 검증을 설계 초기 단계에 수행하여, 엔지니어가 자신의 프로젝트에 대하여 올바른 의사결정을 하도록 도와주는 시스템이다.
또한 설계 초기 단계에 잠재적 유동 문제나 응고 문제가 될 수 있는 제품 특성과 인자를 탐지하거나 주조 방안(게이트, 런너, 오버플로 등)을 평가하여 주조 설계를 최적화하는 설계 도구이기도 하다. 3차원으로 설계하는 주조 설계 전문 시스템이지만, CAE 지식이 없고 해석 경험이 없는 초심자라도 짧은 시간 안에 주조 설계와 주조해석을 쉽게 수행할 수 있다.
주조 방안(게이팅 시스템)을 30분만에 생성하고 최신 CAE 해석 기술을 탑재해 대부분의 해석을 1시간여 만에 완료할 수 있다. 설계자와 CAE 전문가가 하루에 4~5개 방안을 비교하고 최적안을 선택할 수 있다.(그림 1-a) 짧은 개발 기간, 단납기가 요구되는 오늘의 상황에서 전통적 CAD/CAE에 의한 설계 방식으로는 단납기 대응을 할 수가 없다. 제품의 개념, 설계 및 해석을 직결하는 Cast-Designer야말로 적기 시장 출시(Time-to-Market)의 요청에 부응하는 시스템이라고 할 수 있다.(그림 1-b)
고객, 영업 담당자, 설계자, 가공자 사이에서 정보가 제대로 교류되고 모두의 기술 지식이 제품에 결집될 때 수요 창출의 힘을 가지는 제품이 비로소 탄생한다. Cast-Designer는 관련자 모두의 참여를 허용하는 시스템으로 산업의 요구인 적기 시장 출시 목표를 달성하도록 도와준다.
Cast-Designer Basic의 장점
■ 제조 적합성에 대한 쉽고 빠르고 강력한 설계 검토 방법■ 설계 초기 단계에서의 품질 향상을 통한 후공정 납기 단축 및 원가 절감■ 제조 공정 적합 설계를 위해 3D CAD 모델의 설계 임계 영역을 제시■ 설계 생산성 제고■ 사용하기 매우 쉬움, 30분 내 습득 가능
Cast-Designer Basic에서 주조 방안(게이팅 시스템) 설계
주조 게이트 설계를 비롯하여 런너, 스프루, 오버플로, 냉각, 배기 설계는 경험과 계산식을 이용하여 행해지는 것이 일반적이다. Cast-Designer는 그러한 요구 계산이나 설계에 대한 전문가 시스템으로 안내자 역할을 한다.
부피, 무게, 두께로부터 오버 플로우 볼륨 비율을 추론하여 계산한다. 자동, 반자동으로 즉각적으로 계산 결과가 제시되므로 반복적 수정을 거쳐 3차원 탕구, 탕도 설계를 10~30분에 완료한다. 이것을 전통적 방식인 CAD에서 수행하면 수 시간, 심지어 수 일까지도 필요하다. 고압 다이캐스팅은 물론 중력 주조, 인베스먼트 주조 등도 물론 지원한다.
신속하고 쉽게 설계를 구현토록 해 주는 게이트 시스템 마법사를 제공하며(그림 2) 재질과 기계의 데이터베이스도 제공한다. 충진 시간을 예측하여 적정 챔버 충진율에 부합되는 주조기를 선택할 수 있도록 제시한다, 탕구, 스프루 런너, 런너의 단면의 크기와 수를 평가하고 조정한다. 기본 사항을 안내하고 챔버 길이, 피스톤 지름, 1차 및 2차 속도, 임계이동점, 전체 가속 비율을 적절하게 정의할 수 있다. 즉 인게이트, 게이트 런너, 런너 및 스프루 런너의 최종 단면적을 산출하고 게이트와 런너의 총수를 예측하거나 실시간으로 조정할 수 있게 해 준다.
Cast-Designer의 특징 중 하나는 실무형 초안설계이다.(그림 3) 탕도의 개념 설계를 2차원의 선으로 그려도 되고, 오토캐드의 DXF나 JPEG(JPG) 이미지도 사용할 수 있다. 이러한 설계 방식은 실무와 일치하여 설계자에게 가장 자연스럽다.
게이트 런너 형상은 정의된 패턴을 사용하면 된다.(그림 4) 런너의 단면 형상의 정의는 파라메트릭 설계로 복잡한 설계에 오히려 적합하다. 시작, 종료의 각도도 매개변수로 제어할 수 있다. 하나의 런너에 여러 구획이 연결되어 있고, 구획별 다수의 단면을 가감할 수 있다. 멀티 스프루를 지원하고 핫챔버 및 복잡한 콜드챔버를 지원한다.
오버플로 설계와 배기(venting) 설계도 지원한다.(그림 5) 간단하게 이동, 회전 및 미러 수정을 할 수 있고, 일단 한 번 설계 후 이후의 설계에서 재사용할 수 있다. 냉각 및 배기는 2차원으로 중심선을 쉽게 정의한다. 냉각 경로 계산 도구가 길이와 직경의 치수를 제시한다. 배기 블록 또한 파라메트릭 설계로 지원되며, 진공 시스템이 지원된다.
중요한 점으로 모든 데이터를 템플릿으로 저장하여 언제든지 사용할 수 있다. 템플릿의 장점을 최대한 활용하는 '원 버튼 디자인 옵션'을 도입, 활용성을 확장 배가할 수 있다. Cast-Designer Basic은 다른 CAD의 기존 설계를 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 결과물을 여타 상용 주조 해석 소프트웨어에서 사용할 수 있으므로, 그 전처리기(preprocessor)로도 사용할 수 있다.
Cast-Designer CPI에서 주조 해석
CPI(Casting Process Insight)는 Cast-Designer Basic과 일체로 사용하기를 권장한다. CPI는 주조 해석만을 위한 독립 소프트웨어로도 사용될 수 있으며, 제품 모델 또는 외부 메시 모델도 유연하게 사용할 수 있다. CPI는 모델을 가져와 고속 시뮬레이션을 택할 경우 1시간에 대부분 완료된다. 기존의 전통적 CAE는 수 시간에서 수 일이 걸리는 것이 현실인 것을 감안하면 획기적이다. 후처리기로 ParaView를 사용한다.
이제 해석이 필요하다는 것을 누구나 충분히 인식하고 있지만, 현실적으로 실행할 수 없는 상황에 봉착을 하기도 한다. 해석을 할 경우 긴 해석 시간으로 생산 리드 타임이 현저하게 연장되거나 CAE에 대한 고수준의 지식과 이를 위한 트레이닝, 게다가 알아야 할 많고 오랜 경험이 오히려 걸림돌이 된다. 더구나 CAE 전문가가 분석한다고 해서 그 분석 결과를 설계자가 즉시 이용하는 것도 어렵고, 설계 수정 또한 늦을 수 밖에 없는 현실이다. 적시 시장 출시(Time-to-Market)가 시장을 결정하는 오늘날의 비즈니스에 완전히 반하는 상황이다.
이에 반하여 Cast-Designer CPI는 1시간 여라는 짧은 시간에 해석을 완료할 수 있다. 금속유동, 수축기공, 속도 벡터, 압력 등 충진 과정에 대한 상세한 결과를 제공한다. 또한 온도 분포, 냉각 속도, 액 고상 비율 등 고화 과정의 세부 사항을 제공한다.
CPI는 주조품의 CAD 모델 또는 메시 파일에서 시작한다. 도형이 불완전한 경우 이를 치유한다. CAE의 지식은 반드시 요구되지 않으며, 초보자라도 학습 기간이 짧아 소기의 효과를 신속히 얻을 수 있다. 전통적 CAE에 비해 CPI는 보다 빠르고 단순하지만 그 결과의 수준은 거의 동일하다. 전통적 CAE 시스템은 완전한 CAD 도면과 완성된 게이트, 오버플로우, 냉각 시스템과 금형 CAD 데이터를 필요로 한다. 이에 비해 CPI는 주조 부품 모델만으로 시작한다. 전통적 시스템에서 CAD 클리닝은 해석자에게 두통거리인데, Cast-Designer CPI에서는 도형의 청결 여부를 불문하고 어떤 모델에서도 몇 분 안에 끝난다.
Cast-Designer CPI의 장점
■ 주조 해석 독립 기능 및 주조 방안 설계와 해석의 통합 3D 환경 제공■ 주조 파트의 두께 분석을 제공■ 금형과 냉각 채널 설계와 위치를 안내■ CAD 파트 모델로 시작, 한 시간안에 해석 결과 실제공■ 첨단 고속 자동 메싱■ 강력한 CAD 클린, 치유 기능■ CAE 지식 없이도 단기간 내 습득 가능■ 수분 내 몇 번의 클릭으로 해석 모델 설정■ 거대 모델의 유연한 지원
시작 데이터는 NX, 카티아, 프로엔지니어, 솔리드웍스, 오토캐드 및 기타 각종 CAD로부터의 주조품 모델과 CAE에서의 메시 모델이다. STEP, STL, IGES, BREP, DXF 등의 표준 CAD 가져오기, 내보내기를 지원하며 STL, UNV, ANSYS, Nastran 등 다수의 CAE 포맷을 지원한다.
Cast-Designer CPI 메시는 자동으로 생성된다.(그림 7) CAE의 지식은 불필요하지만 요소의 크기는 어느 방향으로도 제어할 수 있다. 획기적인 기술로 멀티 도메인이 가능하다. 메싱 전에 부울린(Boolean) 연산 어셈블리 작업을 필요로 하지 않는 고속 메싱(Fast Mesh)을 제공한다. Cast-Designer는 유한 요소법을 사용하고 있어, 일반적으로 사용되는 전통적 CAE의 차분법, 체적법보다 형상 기술이나 계산 속도에서 앞서며, 게이트 설계에서 해석까지 일관되게 수행할 수 있는 시스템이다.
필요에 따라 고품질 3D 메시를 생성할 수 있지만, CPU 운전의 장시간 소요를 감수해야 한다. 또한 그러한 정밀 해석이 필요한 경우라도 대부분 그 효과는 실무상 거의 미미한 것이 사실이다. 정작 필요한 경우는 기계적 응력 해석인데, 병렬 연산이 가능하므로 이를 적용하여 적절한 시간에 적정한 결과의 정확도를 비교적 단시간에 얻을 수 있다.
CPI는 시작 설정에 템플릿과 개체 지정(대상을 지정하는 것)을 이용한다. 기존 CPI 모델에 대한 부품 교체도 간단히 된다. 해석 종류로 충진 해석, 고화 해석(그림 8) 단독 또는 충진 및 고화의 연동 해석이 있다. 사용자는 재질 데이터, 열전달 조건, 주조 속도 또는 압력을 정의한다. 최종 시뮬레이션을 제어하는 매개 변수를 지정하여 결과를 저장한다. 재질은 기본 데이터베이스에서 선택한다. 사용자 자신의 데이터베이스를 만들고 관리할 수도 있다.
솔버는 ParaView 플랫폼을 기반으로 하여 신속하고 유연하며 정확하다. 주조 공정, 경계조건 등 모든 조건과 설계 파라미터는 한 페이지에 단순하게 처리된다. 이렇게 입력 설정된 프로파일은 CSF 템플릿으로 저장되며 언제든 재사용 가능하다. 배치 해석과 다중 작업을 지원한다. 주조품 해석을 위해 특별히 설계된 후처리기를 사용한다.(그림 9)
해석 결과를 도식화하여 변형, 벡터, 곡선 등 다양한 형식으로 제공한다. 전체나 일부분의 애니메이션을 만들 수 있다. 데이터 교환으로 VRML로 내보내기할 수 있다. 또한 CPI는 거대 데이터를 가볍게 처리하는 장점이 있다.
Cast-Designer의 검증 사례
■ Shrinkage Porosity■ Metal Flow■ Cooling system check by Fast Cooling function■ Casting deformation & compensation
기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.
작성일 : 2013-09-02