[첨단 헬로티]
타카노 마사히로 (高野 昌宏), 미야카와 히로야스 (宮川 廣康), 요시다 유타 (吉田 勇太), 츠카다 카츠유키 (塚田 勝之) 이시카와현 공업시험장
1. 서론
금속 AM은 부가 제조이기 때문에 복잡한 형상을 조형할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 기존 공법으로는 제작이 어려운 래티스 구조는 금속 AM으로 조형할 수 있는 대표적인 구조로, 경량화나 충격흡수성 향상에 관한 연구나 히트싱크 응용에 관한 검토가 이루어지고 있다. 또한 내부에 복잡한 냉각수관을 갖는 금형이나 터빈 블레이드 등이 금속 AM의 효과적인 활용으로서 제안, 실용화되고 있다.
이번 연구에서는 이 냉각수관의 열교환 성능의 향상을 목적으로, 수관 내부에 래티스 형상의 핀을 배치한 수관 구조를 제안했다.
래티스 구조는 열교환 면적의 증가에 더해, 강도․강성이나 유체의 확산성도 향상되기 때문에 수관의 형상이나 배치의 설계 자유도를 높일 수 있고, 보다 표면 근방에 수관을 형성할 수 있는 이점을 갖는다. 이 글에서는 래티스 수관의 압력 손실 및 열교환 성능, 또한 금형에 응용한 경우의 효과에 대해 검토한 결과를 소개한다.
2. 래티스 수관의 압력 손실
이번 연구에서는 그림 1에 나타낸 조형성이 우수한 팔면체 형상의 래티스 구조에 대해 검토했다. 이 래티스 구조의 격자 피치, 선지름을 변화시킨 경우의 압력 손실 변화를 통기성 시험기를 이용해 측정했다. 실험에서 얻은 래티스 구조의 압력 손실 △p와 수력 직경 dh의 관계를 그림 2에 나타냈다. 격자 피치나 선지름에 의해 압력 손실은 변화하는데, 다음의 다르시 바이스바하의 식에 거의 근사하고 있다.
식
여기서 λ : 관 마모계수, l : 관 길이, ρ : 밀도, ν : 유속, A : 관 단면적, W : 젖는 가장자리 길이다. 따라서 위의 식을 이용하면 여러 가지 형상의 래티스 구조의 압력 손실 추정이 가능하다고 생각된다.
3. 래티스 구조의 열교환 성능
다음으로 동일하게 선지름, 격자 피치가 다른 래티스 구소의 열교환량을 열전도 해석을 이용해 구했다. 그림 3에 압력 손실과 열교환량의 증분비 관계 및 해석 조건을 나타냈다. 열교환량의 증분비는 수관 내부에 래티스가 없는 경우(보통 수관)의 증분으로 했다. 또한 가로축의 압력 손실은 위의 식에서 구했다.
동 그림에 나타냈듯이 격자 피치나 선지름의 차이에 의해 열교환량과 압력 손실이 변화하는 것을 알 수 있다. 여기서 격자 피치/선지름의 애스펙트비로 정리한 결과를 그림 중의 선으로 나타냈다. 애스펙트비 2.5의 래티스 형상이 다른 애스펙트비보다도 전체적으로 열교환량이 커지고 있으며, 최적의 애스펙트비가 존재하는 것을 알 수 있다.
그림 4에 애스펙트비와 열교환량의 증분비 관계를 나타냈다. 압력 손실(격자 피치)을 변화시켜도 애스펙트비는 약 2.5로 극대를 나타냈다. 따라서 래티스 수관의 설계는 최적의 애스펙트비(이 조건에서는 2.5)를 먼저 결정, 격자 피치는 냉각계의 압력 손실, 펌프 능력에 대응해 적정한 값으로 결정하면 된다고 할 수 있다.
4. 금형에 대한 응용
래티스 수관의 효과를 검증하기 위해 사출성형용 금형에 대한 적용을 검토했다. 그림 5에 설계한 래티스 수관과 기존의 컨포멀 수관을 나타냈다. 여기서 래티스 구조는 애스펙트비 2.5로 하고 금형 강도를 만족시키도록 수관 단면이나 길이를 결정하며, 마지막으로 압력 손실을 고려해 격자 피치를 5.0mm로 했다.
금속 AM으로 조형한 마르에이징강의 공시체를 이용해 항온조에서 냉각 효과를 검증했다. 분위기 온도는 150℃로 하고, 냉각수의 온도는 20℃, 유량은 2.3L/min으로 했다. 또한 압력 손실은 래티스 수관 쪽이 약간 낮은 값이 됐다.
그림 6에 서모 뷰어로 측정한 정상 상태의 금형 표면 온도 분포를 나타냈다. 래티스 수관 금형 쪽이 전체적으로 균일하게 냉각되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 금형 전체의 열교환량은 컨포멀 수관의 1.5배 이상이었다.
5. 맺음말
금속 AM의 효과적인 활용을 목표로, 래티스 구조에 의한 냉각 성능의 향상에 대해 검토했다. 결과로서 적정한 래티스 수관을 설계하면, 컨포멀 수관과 비교해 더욱 냉각 성능의 향상을 예상할 수 있는 것을 확인했다. 또한 핀 효과에 의해 공랭 금형에 응용할 수 있으며, 수관의 형성이 어려운 장소에 적용도 기대할 수 있다.
