3D 프린팅된 플라스틱 사출 금형을 위한 일체형 냉각 채널의 열유체 토폴로지 최적화 및 실험 연구

적층 제조의 출현과 함께, 네트워크 기반 기술과 구조적 토폴로지 최적화와 같은 혁신적인 설계 방법들이 최근 몇 년 동안 복잡하고 매우 효율적인 냉각 시스템을 생성하는 데 사용되었습니다. 그러나 열 및 유체 분석을 결합한 방법은 여전히 부족합니다. 본 논문에서는 일체형 냉각 채널 설계를 위한 열유체 토폴로지 최적화 알고리즘을 소개합니다. 문제는 나비에-스토크스 방정식과 대류-확산 방정식의 결합을 기반으로 형성됩니다. 이 문제는 어드조인트 방법을 사용하여 파생된 분석적 민감도를 기반으로 하는 경량 최적화 기법으로 해결됩니다. 이 방법을 통해 채널 위치 문제는 재료 분포 문제로 대체됩니다. 재료 분포는 흐름 저항, 열 전도, 자연 및 강제 대류의 영향에 직접적으로 의존합니다. 알고리즘은 최적의 열 전달 및 균형 잡힌 흐름을 갖는 2차원 개념 설계를 이끌어내며, 이는 이후 3차원 냉각 채널 설계로 변환됩니다. 여기서는 설계, 시뮬레이션, 3D 프린팅 과정 및 산업 생산 환경에서 일체형 냉각 채널이 있는 사출 금형의 실험 테스트를 포함한 종합 연구가 제시됩니다. 전통적인 금형 모델은 산업 협력자로부터 제공됩니다. 금형의 전체 열유체 성능을 향상시키고 최종 제품 품질을 개선하기 위해, 내부에 일체형 냉각 채널이 있는 이 금형 코어의 재설계가 이루어집니다. 최종 설계는 Truprint 3000 금속 3D 프린팅 기계로 마라징 스틸로 사전 합금된 공구강 분말로 3D 프린트됩니다. 인쇄된 코어는 생산 준비가 되도록 하기 위해 일부 열처리 및 마감 과정과 추가 기능이 필요했습니다. 모든 준비가 완료되면 코어는 우리 산업 파트너의 생산 시설에서 실제 산업 환경의 다중 캐비티 사출 성형 기계에서 실험적으로 테스트되었습니다. 본 논문은 설계, 분석, 금형 3D 프린팅 및 최종 실험 테스트까지의 모든 단계를 설명하며, 도구 설계자와 사출 성형 산업이 적층 제조를 그들의 이익을 위해 구현할 수 있도록 권장 사항을 제시합니다. 본 논문은 설계, 시뮬레이션 또는 제조와 같은 특정 측면에 초점을 맞추기보다는 실제 산업 생산 시나리오에서 토폴로지 최적화 및 적층 제조의 구현에 대한 사례 연구를 종합적으로 발표하는 논문입니다.