선박용 프로펠러는 선박 추진 성능과 연비에 직접적인 영향을 미치는 핵심 부품으로, 제작 과정에서 높은 정밀도가 요구된다. 사형주조는 복잡한 형상의 금속 부품 제작에 널리 사용되는 공정이지만, 주조 과정에서 발생하는 열적 팽창과 냉각 수축은 최종 치수 오 차와 가공 비용 증가를 초래하는 주요 원인이다. 본 연구에서는 사형주조 과정에서 발생하는 열팽창 및 수축 현상을 정밀하게 예측하고, 이를 고려한 최적의 치수 여유 설정을 통해 연마 작업을 최소화하는 설계 방안을 제안하였다. 알루미늄 청동 합금(ALBC3)을 사용한 프로 펠러를 대상으로 열팽창 공식과 유한요소해석(FEM)을 적용하여 블레이드, 허브, 전체 지름 등 각 부위별 변형을 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 블레이드 너비와 두께는 약 1.9%, 허브 직경은 1.5%, 전체 지름은 2.0%의 여유를 두는 것이 적절한 것으로 나타났다. 이러한 최 적 치수 여유를 적용한 결과, 최대 23kg의 재료 절감, 30만 원 이상의 제작 비용 절감, 작업 시간 50~60% 단축 등의 정량적 개선 효과가 확인되었다. 최적 설계를 적용함으로써 추가 연마 작업과 재료 손실을 줄일 수 있으며, 이에 따른 비용 절감 효과도 기대된다. 본 연구 결 과는 선박용 프로펠러 제작 과정의 품질 향상과 생산성 제고에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Marine propellers are essential components that significantly influence a vessel’s propulsion performance and fuel economy. Precision in their manufacturing process is essential to ensure optimal performance. Sand casting is widely used for producing large, complex propeller shapes; however, thermal expansion and contraction during casting often lead to dimensional deviations, resulting in additional machining and increased production costs. This study aims to precisely predict the thermal deformation occurring during the sand casting process and establish optimal dimensional allowances to minimize post-casting finishing work. Using an aluminum bronze alloy (ALBC3) propeller as the subject, the analysis combined thermal expansion formulas and finite element analysis to evaluate the deformation characteristics of key sections, including the blade, hub, and overall diameter. The results indicated that an allowance of approximately 1.9% for blade width and thickness, 1.5% for hub diameter, and 2.0% for overall diameter is appropriate. Applying these optimal allowances is expected to reduce machining requirements and material waste, thereby enhancing manufacturing efficiency and lowering costs. As a result, the proposed dimensional allowance optimization led to significant efficiency gains, including up to 23 kg of material savings, over 300,000 KRW in cost reduction, and a 50–60% decrease in labor effort. The findings of this research are expected to serve as a practical basis for enhancing both the quality and productivity of marine propeller manufacturing.

Abstract
요 약
1. Introduction
2. Research Methodology
    2.1 Research Target and Material Properties
    2.2 Thermal Expansion and Contraction
    2.3 Heat Transfer Calculation
    2.4 Stress-Strain Relationship
    2.5 Finite Element Method (FEM)
3. Thermal Expansion Analysis
    3.1 Comparison of Thermal Expansion and ContractionDeformations
    3.2 Analysis of Stress Distribution and ConcentrationRegions
    3.3 Stability Assessment through Vibration Analysis
    3.4 Comparison and Optimization Review of TheoreticalCalculations and Analysis Results
4. Conclusion
Acknowledgment
References

• Hyosung Lee(Graduate School of Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, Korea) | 이효성 (국립목포해양대학교 대학원)
• Myungjun Jang(Graduate School of Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, Korea) | 장명준 (국립목포해양대학교 대학원)
• Jaeyong Ko(Professor, Division of NAOE, Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, Korea) | 고재용 (국립목포해양대학교 조선해양공학과 교수) Corresponding author
• Sunghoon Kang(Baeksan Machinery Co. Ltd, Mokpo 58558, Korea) | 강성훈 (㈜백산기계)