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제목 2018 CNSPPT 동계기술강좌
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/12/29 16:34

 

 

지난해 12월 12일부터 14일까지 사흘간 서울대학교 글로벌공학교육센터에서 2018 고분자·나노 융합소재 가공기술센터(CNSPPT) 동계기술강좌가 개최됐다. 이 행사는 고분자·나노 융합소재 가공기술센터(CNSPPT)가 주최하고, 사단법인 한국유변학회, 한국석유화학협회, 서울대학교 화학공정신기술연구소, 글로벌공학교육센터, 코팅기반화학공정연구센터가 후원했다.

 

1일차 압출

 

 

압출기 구조와 성능 해석

 
한남대 김명호 교수는 이 강좌에서 고분자의 종류와 플라스틱 가공방법, 한국 플라스틱 산업지도 등 전반적인 설명을 하면서 앞으로 PVC와 고무산업 방향이 유망해질 가능성을 전망했다. 김 교수는 폴리머 프로세싱의 단위공정 이해에 대한 설명에서 고형 이송, 가소화, 혼련, 탈기, 토출 등을 설명하며 유변학에서 고분자 물리나 고분자 화학에 대한 지식이 꼭 필료하다고 강조했다.

 

압출공정의 이해에서는 플라스틱의 이해, 중합수에 따른 에틸렌의 상태변화, 고분자의 종류, 플라스틱의 종류, 온도 압력게에 따른 플라스틱의 체적 변화 등을 강의하면서 단축 압출기는 고분자 가공공정의 가압 및 용융목적으로 사용되며 기본 스크류 명칭부분에서 시계방향 왼쪽으로 이동하는 스크류는 기능에 따라 고형수지 이동(Solid Conveying), 용융(Melting), 계량부(Metering)과 형태에 따라 투입부(Feeding), 전이부(Transition), 가압(Pumping)등 용어를 통일해 표기해야 함을 강조했다.

 
이상적인 스크류 설계는 원활하고 경제적인 공정 수행을 요하며, 불량 발생에 직접적인 영향을 끼친다. 때문에 이상적이고 최적화된 스크류는 고토출량에서도 품질 저하가 발생하지 않고, 수지 온도가 적절하게 유지되며, 스크류 앞부분에서 수지는 고체상태를 유지하지만, 중간으로 갈수록 고체와 용융체가 섞여 있는 형태로 공존하고, 뒷부분에서는 용융체 형태로 존재한다고 설명했다.

 
고형수지 이송의 근본원리는 볼트·너트 효과로 고형수지대가 낮은 스크류 표면 마찰과 높은 바렐 표면 간의 마찰계수비에 의해 이송효과가 결정된다. 때문에 배관의 마찰계수를 고려해야, 고체는 똑같은 압력의 영향을 받지 않는다. 압출기는 애초 세팅한 온도보다 더 높고, 수지에 따라 용융속도가 달라지고, 생산량 결과에 영향을 미친다. LDPE MI 0.8과 LDPE MI 3.0을 실험한 결과, LDPE MI 3.0에서 토출량이 더 많다는 것을 알 수 있다.

 
꽉 차 있는 상태에서 끌림이 생기면 압력은 같지만, 앞을 막으면 앞으로 못 나오는 양으로 뒤로 돌게 되는데, 이때 상단 압력이 높아진다. 스크류와 다이 특성 곡선 공식에서 스크류 RPM은 기울기 채널 깊이의 3승이며, Qd에서 스크류 벽면에 붙어 있는 재료 말고 가장 빨리 빠져나가고, 0.8Qd, 0.4Qd로 갈수록 느려지며, 0Qd에서는 앞이 폐쇄되면서 거의 수지의 흐름이 없게 된다.

 

 

다층 sheet 압출기술의 이해

 
수원대 장건수 교수는 다층필름에 대한 수요는 기계적, 전기적, 광학적 산소투과억제용 특성들 향상을 위해 연구돼 왔다고 밝히며, 다층필름 제조용 공압출기 원리를 소개했다. 서로 다른 고분자를 압출기 2대 혹은 2대 이상을 이용해 각 압출기에서 압출된 필름을 서로 겹친다. 압출기 2대를 이용할 경우, 필름 멀티플라이어(multiplier)를 이용해 겹쳐진 필름을 수직으로 반으로 나눈 뒤, 그 중 반을 나머지 반 위에 올린다. 이때, 반으로 쪼개진 고분자 용융필름은 압축시켜 본래 총두께로 맞춰준다. 멀티플라이어 여러 개를 두고 이와 같은 과정을 반복하게 되면, 다층필름의 총두께는 일정하나, 2n+1개의 층이 이루어지며, 각 층의 두께는 0.5n배가 되어진다. 이때 n은 멀티플라이어의 개수를 의미한다.

 

 
이 공정과정의 필요조건은 서로 다른 고분자들의 동일한 점도, 동일한 탄성력이다. 두 고분자의 점도 차이가 크게 되면 낮은 점도의 고분자가 높은 점도의 고분자를 감싸 안는 viscous encapsulation 현상이 발생하며, 탄성력의 차이가 생기게 되면 secondary flow가 일어나 각 층의 균일도를 저하시킨다. 이 방식으로 제조된 다층필름은 최대 4096층, 최소 20nm 각 층 두께를 이룰 수 있으며, 여러 물성, 특히 기계적, 광학적 산소투과억제용 물성 향상을 유발시킨다.

 
이 원리를 약간 수정해 강력한 섬유(robust fiber)형태로도 제조가 가능하다. 서로 다른 두 필름이 만나는 지점까지는 기존 다층용 공압출법과 동일하나, 겹쳐진 시점 이후에 90도로 꺾어서 필름을 세운다. 세워진 필름을 수평방향으로 멀티플라이어를 설치해 수평방향으로 쪼개서 차곡차곡 쌓는다. 이 작업을 십수 개의 멀티플라이어를 통해 반복해 수천 개 혹은 수만 개의 수직한 층을 만든다.

 
그 이후 깨지기 쉬운(brittle) 고분자, 예컨대, 폴리스티렌(polystyrene)을 현재까지 진행된 수직한 층 그 위와 아래에 투입시킨다. 지금부터는 멀티플라이어를 반대로 수직방향으로 설치해 수직방향으로 쪼개어 그 위에 쌓게 된다. 그러면 결국 삽화처럼 수많은 도메인을 가진다. Brittle 고분자를 water jetting등으로 파괴시켜주면 dual-component fibers 시스템이 된다. 이때도 마찬가지로 세 가지 고분자가 동일한 점도, 동일한 탄성력을 가지고 있어야 하며, 추가로 서로의 interfacial thickness가 낮아야 한다. 이 방식으로 제조된 섬유는 쉽게 추가 인장(drawing)공정이 가능하며, 저렴하고 강인한 섬유제조가 가능하다.

 

 K.-S. Jang. Composites Science and Technology 165(2018) 380

 

제품생산 압출기를 중심으로 한 압출 가공문제 해결

 
LS전선 이원석 책임연구원은 압출공정이란 다양한 형태의 원재료를 투입해 용융시켜 원하는 모양·상태로 일정하게 밀어내는 공정이라고 설명했다. Troubleshooting의 첫 단계는 모든 공정상태가 원하는 대로 이뤄지고 있는지 파악하는 것으로, Troubleshooting에서 가장 핵심은 압출문제의 원인이나 메커니즘을 정확히 판단하는 것인데, 보통 2개 이상의 복합적인 원인이 한 가지 결과를 가져오는 경우가 많아 압출문제의 원인과 메커니즘을 제대로 판단하지 못하면 비용과 인력이 과하게 투입하게 된다고 강조했다. Troubleshooting을 위한 효과적인 도구로는 Lupe 등의 광학도구와 온도 측정도구, Die Flow나 스크류 시뮬레이션 소프트웨어, Process Data Logging 시스템, 분석기기 등을 소개했다.

 
압출공정 Trouble의 4대 유형으로 외관·외형품질 관련문제, 외경·두께·치수 변화, 다이 드롤 문제, 모터 부하문제 등에 대해 먼저, 외관·외형품질 관련문제에는 수지 고유특성과 다이 설계문제가 추정원인인 Melt Fracture 유형, 혼련 부족과 수지 탄화물, 미용융, 이물로 인한 표면 돌기 유형과 수지 탄화물과 이물이 원인인 핀홀·표면기포 유형, 발열과 흡습이 원인이 발포 유형, Breaker Plate의 정체와 다이 내부 정체, 활제 문제가 원인인 표면 줄무늬 유형이 있으며, 둘째, 외경·두께·치수 변화에는 다이 설계문제인 High Frequency 유형, 압출량 불균형과 Draw Resonance 문제인 Medium Frequency 유형, 펠렛 이송문제로 인한 Low Frequency 유형이 있고 셋째, 다이 드롤 문제에는 흡습과 첨가제, 수지·FILLER간 상용성으로 인한 원자재 유형, 다이 내부 표면상태와 다이 및 스크류 설계로 인한 설비 유형, 온도와 생산량으로 인한 공정 유형이 있다. 끝으로 모터 부하에는 모터 용량 부족과 기어비로 인한 펌핑 유형, 스크류 설계문제로 인한 용융 유형이 있다고 설명했다.

 

2일차 코팅

 

 

코팅공정기술의 이해(중급강좌)

 
서울대 남재욱 교수는 최근 코팅공정에서 대량생산공정에 맞춰지면서 폭과 길이가 넓어지고, 용매를 적게 쓰는 트렌드로 변화하고 있으며, 용액이 원하는 환경조성이 중요하다고 밝혔다. 흐름은 액체의 상대적인 움직임으로, 액체가 움직이는 힘에 의해 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 힘과 변형의 상관관계가 기본원리로 작용한다. 움직이는 벽에 액체가 유동할 때 선형 및 삼각형 모양의 흐름이 나타나고, 움직이는 벽과 채널에 정비례하는 힘이 생긴다. 움직이는 벽과 채널간 압력 차이가 있는 경우 둘 다 더해주는데, 이때 채널크기의 3승에 비례하고, 움직이는 벽과 정비례한다. 윤활분석법에서 비틀어진 코팅에는 압력이 상승하다 하락하는 압력 산과 압력이 하락하다 상승하는 압력 계곡이 발생한다. 바 코팅에서는 와류가 발생하는 게 가장 큰 특징이다.

 
젖음현상은 기체와 액체의 밀도 차이가 크다. 표면장력은 기액(기체, 액체)계면과 액액(액체, 액체)계면에서 나타나고, 기액계면의 표면장력이 액액계면의 표면장력보다 세다. 물방울에서는 물방울이 흐르는 방향으로 표면장력이 발생하는데, 합력에서는 물방울 안과 밖의 압력차이는 표면장력에 비례하고, 휘어진 곡률반경에 반비례한다. 그리고 유리판과 유리판 사이의 틈에 액체가 있으면 물과 공기의 계면은 휘게 되고, 갭이 적을수록 높게 올라간다.

 
액체와 기체 계면의 표면장력이 모두 동일하다면 힘의 불균형이 생겨나지 않겠지만, 어느 면에서 표면장력의 차이로 힘의 불균형 때문에 힘의 표면장력 구배에 따른 흐름이 발생하게 된다. 앞쪽의 표면장력보다 뒤쪽 표면장력이 세면 결국 힘의 흐름은 뒤쪽으로 흘러가게 된다. 휘어진 곡률에서 압력 차이가 발생하면 흐름현상으로 레벨링이 진행되는데, 시간에 따른 두께 변화로 레벨링 타임이 결정된다.

 
계면의 굴곡이 적을수록 점도에 반비례하고 코팅 막이 두꺼울수록 표면장력에 정비례한다. 기액계면 특성상 코팅 끝이 튀어나올 수밖에 없는데, 밀도 차이의 의한 계류에서 물질 장력이 생기면 에너지를 줘야 한다. 고체와 액체, 기체가 한꺼번에 만나는 3상 계면은 복잡하고 관찰하기도 쉽지 않다. 접촉선 근처 계면이 고체 쪽으로 이동도 하고, 기액계면이 고체에서 멀어지기도 하고, 액체가 파고 드는 현상도 발생한다. 이때 공기가 유입될 수 있는데, 공기의 점도를 바꿔 이 현상을 완화할 수 있다.

 
슬롯 코팅에서 콘텍트 라인 3개가 나오는데, 많이 젖어 있을수록 압력계곡이 나타나고, 리빙 현상이 일어날 가능성이 크다. 끝부분 접촉선인 pin에 의해 기체가 들어가지 않도록 해야 한다. 슬롯 다이에서 감압장치가 약하면 기액계면의 형태가 유지되기 힘들어 코팅 비드가 깨지는 현상이 발생한다. 코팅영역에서 조업조건은 Operability Window에서 Quality Window으로 이동하는 추세이고, 코팅 윈도우를 찾는 방법으로는 전산모사 예측모델을 통해 찾는 방법과 유동의 모습을 관찰함으로써 찾는 시각화 방법이 있다.

 
진동요소를 파악하는 데 있어 장비의 기능이 중요한데, 펌프는 맥동을 적게 해야 하고, 슬롯 다이는 두께를 조절하지 않고 평탄도를 조절해야 한다. 현재까지 진동에 의한 영향을 실험적으로 구현한 예는 많지 않지만 대략적으로 두께를 체크하면 시간당 얼마의 주기로 움직이는지 파악할 수 있고, 그것으로 전산모사의 모델과 거꾸로 비교해가면서 코팅 진동의 원인을 추적해나갈 수 있다.

 

듀얼 슬롯 코팅

 
서울대 남재욱 교수는 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 슬롯 코팅의 장점을 설명하면서 최근 선호하는 슬롯 다이는 기액계면에 노출되는 것이 적어 불순물로부터 자유롭다고 밝혔다. 액액계면이 가는 방향에서 코팅 갭을 통과할 때 엄청난 양의 쓸림현상이 발생된다. 이때 쓸림률 10의 4~5승 정도가 되면 힘의 방향에 따라 변형이 생기면서 쓸림 안의 회전때문에 물질이 섞일 수 있다. 이로인해 액액계면의 위치에 따라 불량이 많이 발생한다.

 
탑 레이어(Top layer)의 유량에 비해 레이어 2에 액액계면이 위치하고 있고, 유량비도 측정할 수 있다. 압력과 움직이는 힘의 영향에는 중간 갭을 통과한 이후 역류가 발생하게 되고, 레이어 두께의 1/3지점에서 버틈 레이어(Bottom layer)의 두께가 더 낮아질 때 와류가 발생하게 된다. 점도에 의한 영향이 좀 더 다르게 나타나기도 하는데, 버틈 레이어의 점도가 탑 레이어 점도보다 높은 경우 1/3 규칙에 따라 구현되는 방식은 다르게 나타난다. 아래쪽의 점도가 낮으면 전산모사를 통해 점진적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 슬롯 다이는 유랑에 민감한 반응을 일으킨다.

 
일반적으로 지금까지 언급된 코팅 다이 방식이 fixed gap으로, 코팅 갭이 일정한 간격으로 유지되고 코팅 갭에 의해 결정되는데, 코팅 갭을 줄이기 힘들다는 한계가 있다. 코팅 갭이 일정하게 유지되지 않는 방식이 tensioned web인데, 블레이드코팅과 비슷한 방식으로 코팅 갭을 기하학적으로 줄일 수 있어 코팅 안정화가 가능하다. 즉, TWOSD(Tension-web-over slot die) 코팅은 fixed gap보다 더 얇고 더 빠르게 코팅할 수 있다.

 
TWOSD 코팅의 Feed slot에서 와류가 발생할 수 있으며, 너무 텐션을 세게 하면 액체가 코팅 다이를 젖게 되고, 압력계곡이 생기면서 압곡계곡 아래에서 위로 올라오는 부분이 코팅 기액계면 근처로 가게 되면 물결모양의 리빙현상이 벌어지게 된다. 압력은 코팅 기제와 반비례하는데, 기제가 얼마나 휘어져 있느냐는 코팅 다이 형태에 따라 달라진다. 다이가 완만하게 바뀌면 걸리는 힘도 작아진다.

 
유량이 두꺼우면 weeping이 발생할 수 있고, 유량 감소함에 따라 안정된 코팅유동을 유지할 수 있다. 너무 유량이 부족하게 되면 두 개의 계면이 Feed slot vortex 근처까지 가게 돼 코팅 비드가 깨지게 된다. 어느 정도 수준의 적당한 유량이 존재해야 주어진 텐션과 다이 조건에서 코팅 윈도우를 가질 수 있다. 이때 중요한 것이 텐션 넘버로 자신이 할 수 있는 최소 코팅 두께와 최대 코팅 두께를 예측할 수 있다. 코팅속도에 따라 와류가 발생되 이보다 유량이 낮게 되면 와류가 무조건 생기게 된다. 두께는 유량에 비례하고, 코팅 다이는 두께를 결정짓는 역할을 크게 하지 못하기 때문에 대부분 다이 각도에 따라 두께에 대한 의존성이 커지게 된다.

 
다이의 뽀쪽함에 따라 코팅 두께가 결정되는데, 뽀쪽한 다이는 압력 차이가 커 역류가 발생할 가능성이 크고, 어느 곳에 위치해 있느냐에 따라 최소의 두께를 결정하며, 뭉뚝한 다이는 와류 발생 가능성이 작지만 두께가 두꺼워진다. 상류 쪽 기액 위치에 따라 안쪽으로 파고 들게 되면 Beed breakup 현상이 일어나고, 너무 밖으로 튀어나오게 되면 Weeping 현상이 일어나게 된다. 두께 컨트롤을 정밀하게 할 수 있는 이유는 펌프의 유량에 의해 두께가 결정되기 때문이다.

 
점도가 바뀌게 되면 코팅 갭도 바뀌게 되는데, 점도비율을 올리면 좀 더 얇게 코팅을 할 수 있지만, 코팅 갭이 바뀌게 되면서 전반적인 형태가 바뀌게 되는 것이다. 그 점에서 약간은 슬롯 다이보다 이중층 조건을 잡기가 어렵다. 코팅을 와류 없이 작게 잡을 수 있어야 하는데, 그렇게 하려면 점도 코팅이 필수적이다. 투 레이어 다이의 가장 큰 특징 중 하나가 생각보다 다이의 형태가 다양하다.

 

코팅공정 이슈사례

 
서울대 안경현 교수는 플라스틱 공정의 문제는 정보에 의해 해결해야 하는데, 공정에서 일어나는 지식이 부족해 문제를 풀지 못하는 경우가 많다고 지적하고, 가공이 어려운 것은 물질에 따라 고체나 액체가 균일한 양상으로 나타나지 않는다고 밝혔다.

 
이어 입자의 특성에 따라 점도가 10배 이상 차이나는 등 양상이 달라지기도 하고, 똑같은 재료로 실험을 해도 서로 다른 결과가 도출되기도 하며, 분산 정도에 따라 물성과 점도 등의 양상이 달라지기도 했다고 입자계 소재로 전자부품을 만들 때 패턴이 정확히 나오지 않고 나중에 불량이 나오게 될 때 제품을 개선하기 위해 뭘 조정해야 하는지 모르는 경우도 많다. BaTiO3 슬러리의 필름구조에서 에탄올을 용매로 사용했을 때 기포로 인한 불량이 나타났는데, 툴루엔을 삽입해 상태가 호전되는 경우와, 니켈페이스트의 내부구조와 패턴형성에서 분자량 선택에 따라 결과가 달라지는 실험을 소개했다.

 
탄성에 의한 혼잡유동에서는 고분자영역의 독특한 현상들이 벌어져 실제 장비 안에서 일어날 가능성에 대해 장담할 수 없는 문제와, 생각보다 훨씬 복잡한 문제가 발생할 수 있는 가능성이 있다. 신장유동에서의 입자파괴 시뮬레이션에서 어떤 과정에서 입자들이 깨지고 뭉치는 과정을 확인하고, 전단유동보다 신장유동에서 훨씬 구조적으로 변화하는 것을 알 수 있었다. 액상 소재로 분산이 잘 됐다 하더라도 건조과정에서 반대의 양상이 나타나는데, 건조조건에 따라 필름 내부구조에 입자가 쌓이는 방식이 달라지기도 한다.

 
이어서 코팅 공정사례로 배터리 제조와 CR코팅이 소개됐다. 먼저 실례로 예전에 배터리 제조에서 똑같은 재료를 가지고 똑같은 믹서로 똑같은 조건으로 만들었는데, 배터리 성능이 확연히 다르다고 했던 경우의 일이다. 연구실로 가져온 후 측정한 결과, 점도가 10배 이상 차이 나고, 믹싱실험 결과, 물성이 만 배까지 차이가 났다. 믹싱방법에서도 교반기 내 체류하는 부위에 따라서 결과가 달라졌다. 이형 입자계의 겔화현상에서 소량의 나노가 결합하면서 점도가 확 증가해 균일하게 입자가 형성되지 않았다. 결국, 핵심은 유동과 건조에 맞게 설계가 이뤄져야 하고, 생산성 1% 차이로 성패가 갈린다고 강조했다.

 
두 번재 사례로 소개된 것은 일본의 사프가 8세대 잉크젯 라인을 발표하자 삼성에서도 이에 맞대응하는 프로잭트를 발표하면서 겪은 사례다. 당시 잉크는 제일모직에서 제조하고, 삼성전기원에서 테스트를 진행했다. 여러 차례 시양산 과정을 거쳤지만, 제품화는 실패한 채 악순환이 거듭됐다. 수많은 전문연구인력들이 있었지만, 대부분은 합성에 대해서만 잘 알고, 공정을 이해하는 사람이 없어 문제 파악에 어려움이 있었던 일을 소개하며, 안 교수는 실험실에서 물성을 구현할 수 있어야 문제가 해결되는 경우가 많다고 소개하면서 공정의 중요성을 강조했다.

 

3일차 사출

 

 

사출기 동작

 
LS엠트론 박경호 수석은 사출성형 공정의 특징으로 복잡한 형상의 플라스틱 제품 생산에 널리 사용되며, 소재가 다양하고, 저렴한 생산비용과 생산 사이클 타임이 짧다고 설명했다.

 
사출성형기는 당초 탄환 제조를 위한 기계로 탄생해 플라스틱을 제조하게 됐으며, 1946년 인라인 스크류 사출기가 개발됐고, 1956년 현재 방식의 사출성형기가 개발됐다. 사출성형기는 형체장치구조에 따라 직압식, 토글식, 복합식으로 나뉘며, 사출장치구조에 따라 스크류 프리플라 방식, 플런저 방식, 인라인 스크류 방식, 플런저 프리플라 방식, 벤트식으로 나뉘고, 기계배열방식에 따라 수평식과 수직식이 있고, 구동동력방식에 따라 유압식, 하이브리드, 전동식이 있다.

 
사출성형기의 형체부 특징을 비교하면 형체력은 직압식과 복합식이 회로압에 의해 조절되고, 토글식은 타이바 연신량에 의해 조절되며, 금형두께 조정은 직압식이 용이하고, 토글식은 금형두께 조정장치가 이용하며, 복합식은 락넛 체결위치로 조정한다. 형 개폐속도는 토글식이 가장 짧고, 형판의 평행도는 토글식이 기계 마모로 저하됐다. 설치공간은 토글식이 가장 길지만 에너지 소비가 최소였다. 전동화에서는 직압식과 복합식이 기구적으로 전 전동화가 불가능해 부분 전동화가 가능하며, 토글식이 토글의 특성을 이용한 전 전동화가 가능하다.

 
사출장치 구조에 따른 분류에서 스크류 프리플라 방식은 스크류가 고정돼 회전하기 때문에 수지에 열 이력이 일정하며, 사출 플런저와 실린더의 공차가 적당하지 않을 경우 수지가 역류 발생한다. 플런저 방식은 회전장치가 없고, 혼연과 색분산, 균일성이 나쁘며, 체류부분이 많고, 사출압력 손실이 큰 것이 특징이다. 인라인 스크류 방식은 수지를 가열실린더 앞쪽으로 이송하고 계량 완료위치에서 후퇴 및 회전을 정지한다. 플런저 프리플라 방식은 예비 가소화 장치로 플런저 방식과 사출 플런저를 별도 설치해 플런저 방식의 결점을 보완한다. 베트 방식은 수지 예비건조시간을 줄일 수 있다는 게 특징이다.

 
사출압력 설정에서 유압식은 구동 유체압력이나 스크류 전단의 수지압력을 사용하고, 전동식은 스크류 전단의 수지압력을 사용한다. 사출기의 압력을 유지하려면 스크류 속도를 낮춰야 하고, 사출 구동화면은 아시아에서는 모든 정보를 한 화면에 구성하는 반면, 유럽에서는 기능별 정보를 한 화면에 구성하는 것이 다르다. 또한 수직식은 인서트 성형에 유리하다.

 
유압식은 구매·유지보수비용 측면에서 전동식 대비 경제적인데, 동작구간에서만 인버터를 이용해 속도를 가변해 에너지를 절감하고, 하이브리드 성형기는 기존 유압식 대비 50~60% 수준의 절전효과가 있다. 전동식 사출기는 유압과 다르게 부위별로 힘·압력 측정센서가 다르고, 유압식보다 저속운동 특성이 뛰어나며, 유압식 대비 최대 70%까지 에너지 절감이 가능하다.

 

사출성형기술

 
서울과학기술대학교 김선경 교수는 사출성형은 여러 가지 복합적인 관련설비가 필요하고, 사출성형기는 사출기구와 형체기구로 크게 구성되며, 최근 들어 열경화성 수지와 고무(엘라스토머)를 많이 하고 있다고 소개했다. 카르보닐 그룹에 의한 가교에 대한 설명에서 스크랩을 반복 사용해 압출 또는 사출하게 되면 카르보닐 그룹의 산소로 연결된 가교가 형성되는데, 고분자 사슬절단에 의한 저분자량 저점도 구간과 가교에 의한 고점도 구간으로 분리돼 재료가 불균일해진다. 이 현상이 계속되면 노즐을 막게 되는데, 이때 산화안정제나 열안정제를 사용해야 한다.

 
멜트 필름은 적당한 두께로 형성돼야 하고, 사출속도가 빨라지게 되면 군데군데 덜 녹은 수지가 생길 수 있다. 사출에서는 수지 공급이 끊기는 피딩이 일어날 수 있다. 사출 스크류 내 선속도가 5m/min일 때 Solid bed와 Melt pool 구분이 명확하지 않고, 15m/min일 때 Solid bed와 Melt pool 구분이 명확하게 나타났고, 25m/min일 때 15m/min보다 Melt pool 형성이 약했다.

 
스크류 왕복운동 중에 Solid bed가 붕괴되면 비용융수지가 토출되고, 배럴온도가 상승해 열화가 발생한다. 배럴히터 온도는 스크류 펌프 원리에 따라 원활한 수지 공급을 위해 적절한 마찰력이 필수적이며, 온도 설정방식은 증가식이 가장 널리 사용되는 방법이다. 논란이 큰 분야인 배압은 가소화될 때 스크류 후진을 방해하는 압력으로 행정 길이는 수지 체적을 배럴 단면적으로 나눠주고, 계량값은 쿠션량과 Suck-back량을 더한다.

 
Suck-back은 스크류를 회전 없이 뒤로 일정 거리를 후퇴시키는데, 배압으로 인해 수지가 압축돼 있는 상태 그대로 개방하면 압력이 해제돼 팽창하면서 노즐을 통해 수지가 흘러나간다. 역류방지밸브가 밀폐 중인 상태에서는 용융수지의 역류를 방지할 수 없으며, 이 구간 동안의 제어는 불가능하고, 이 구간 동안의 오차를 상대적으로 줄이려면 한 사이클의 계량값이 전 행정의 평균 60%선에서 사용해야 한다.

 
충전과정 제어의 특징으로는 속도와 압력 중 하나만 제어 가능하고, 충전시간 혹은 V/P 절환위치 중 하나가 먼저 도달하면 보압으로 전환한다. 충전 중의 수지 유동선단은 분수 유동현상을 보이면서 금형을 충전하고, 최외곽 스킨은 분수 유동의 영향으로 불규칙 배향이 나타난다. 수지의 높은 점도로 인해 전단가열이 발생하며, 수지의 낮은 열전도도에 의해 열이 쉽게 빠져나가지 않아 높은 전단률 구간에서 높은 온도의 가열층이 형성되는데, 과거에는 고점도 수지의 사출성형을 위해 런너 직경을 크게 설계했지만, 런너 직경을 줄여 설계한 금형에서 향상된 결과를 얻을 수 있었다.

 
보압과정 중 스크류는 압력에 의해 제어되는데, 충전과정에서 보압과정으로 전화되는 시점에 사출에서 보압으로 부드럽게 전환되기 위해 보압절환을 한다. 보압절환시점이 너무 늦으면 Over-packing에 의해 플래시가 발생하고, 너무 빠르면 sink mark, surface mark 등 불량이 발생하게 되는데, 게이트가 고화돼 더 이상 게이트를 통해 압력이 제품 내로 전달되지 않는 시간을 적정 보압시간으로 한다. 사출성형공정 중 수지는 용융상태에서 최고 1800bar 정도의 압력을 받는데, PvT 선도를 이용하면 적정 보압을 계산할 수 있다. 좋은 공정을 수행하려면 비교적 낮은 온도, 높은 압력에서 성형하는 것이 사이클 타임 단축에 도움이 된다.

 
냉각과정은 전체 사출과정 중 가장 긴 시간을 차지하며 생산성과 직결되는데, 불균일한 냉각을 방지해 제품이 비틀리는 현상이 Warpage를 방지해야 한다. 결정화 과정에서 열적 전이 및 온도 구배, 전단속도, 핵제 등 결정 생성에 영향을 미치는 인자 3가지에 유의해야 하는데, 최소 냉각시간 계산에 있어 제품의 살두께가 가장 두꺼운 부분을 기준으로 결정해야 한다.

 
잔류응력은 사출성형품에서 공정 후 제품 내부에 남아있는 응역인데, 유동에 의한 잔류응력은 금형 벽면에서 높은 전단응력과 높은 냉각속도로 인해 제품 표면에서는 높은 응고분자 배향을 가지는 고화층이 존재하고, 열에 의한 잔류응력은 냉각과정에서 주로 발생한다. 캐비티 내에서의 잔류응력은 냉각됨에 따라 고화되면서 쌓이는 내부응력으로 취출 후 제품 수축 및 휨을 일으킨다.

 
휨현상은 제품 두께 편차가 증가할수록 불균일한 냉각속도로 인해 수축이 되면서 발생한다. 이젝터 핀은 성형품을 변형하거나 백화현상을 일으키지 않도록 배치하고, 성형품에 핀 자국이 남지 않도록 해야 한다. 이형 중 표면에 무늬가 생기거나 강제로 밀어서 빼면 변형이 발생하기도 한다.

 

사출금형기술

 
울산과학기술대학교 박시환 교수는 사출금형은 금형이 완벽하게 닫힐 수 있어야 하고, 용융 플라스틱을 내부 캐비티에 충진할 수 있어야 하며, 굳은 플라스틱을 금형 밖으로 쉽게 취출이 가능해야 한다며, 사출금형 구조와 명칭에 대해 설명했다. 높은 강도와 경도를 요구받는 캐비티를 위해 별도의 인서트 블록을 이용해 가공하고, 금형판에 구멍을 내고 분할코어를 별도 가공해 삽입해야 한다.

 
사출금형과 사출성형기 정렬을 위해 고정 형판 중앙에 일정한 크기의 원형 구멍이 설치되고, 이에 맞도록 금형에 원형의 링을 설치해야 한다. 링 외경은 고정 형판에 마련된 로케이팅 홀에 내경과 동일해야 한다. 2단 금형은 구조가 간단해 취급이 쉽고 고장요인이 적어 성형 사이클 시간을 줄일 수 있다. 3단 금형은 외관이 좋은 장점이 있는 핀 포인트 게이트를 사용할 때 사용하는데, 금형 열림간격이 커지며, 시간이 많이 걸려 성형 사이클 시간이 길어지고, 내구성이 떨어지며, 금형 가격이 높다. 특수금형은 슬라이드 코어나 회전 코어 등 가동 코어를 설치하는 금형이다.

 
슬라이드 코어는 주로 외측 언더컷을 처리하기 위한 기구로 금형의 왕복을 이용한 방식과 유압 또는 공압을 이용한 방식이 있다. 록킹 블록은 캐비티 내부압력에 의해 앵귤러 핀이 부러지지 않도록 슬라이드 코어가 밀리는 것을 방지하고, 회전 코어는 나사부 성형용 코어를 빼기 위한 기구이며, 콜렙서블 코어는 봉을 앞으로 밀어 넣은 상태에서 외부 표면을 가공한 후 금형에 설치하며, 봉의 움직임은 금형의 움직임을 이용한다.

 
유동안내부는 될 수 있는 대로 압력 강하가 적게 발생하도록 설계해야 하고, 스프루는 금형 입구에서 용융수지를 피팅면까지 안내해 런너로 연결하는데, 스프루 입구의 곡률반경은 노즐보다 1㎜ 정도 크게 하며, 입구 직경은 노즐보다 약 0.5~1㎜ 크게 선정한다. 콜드 러너 금형은 금형의 대부분을 차지하고 있고, 구조가 비교적 간단하며, 제작비가 적게 들고, 보수유지가 용이하다. 핫 러너 금형은 연속 성형시 성형 사이클을 단축할 수 있고, 대량 생산용에 적합하지만, 금형구조가 복잡하고 보수유지에 매우 까다롭다.

 
콜드 슬러그웰은 러너 직경의 약 1.0~1.5배 길이로 하고, 벽면에 유동 정체가 일어나는 것을 방지한다. 러너는 수지를 캐비티까지 열과 압력의 손실을 최소화으로 유지하면서 안내하는 역할을 하는데, 원형이 가장 효과적이지만 가공이 힘들고, 가공이 손쉬운 사디리꼴 단면을 많이 사용한다. 러너의 유효길이는 부차 손실을 줄이려면 코너 부위를 런너 직경의 3~5배에 해당하는 반경을 가진 곡선으로 가공하고, 러너 직경의 1/3에 해당하는 길이로 모따기를 한다.

 
게이트는 러너까지 온 수지를 용융수지의 흐름방향과 유량을 제어하고, 좁은 게이트를 통과하며 발생한 마찰열은 수지온도를 상승시켜 웰드라인과 플로마크 등을 감소시킨다. 게이트의 중심은 러너의 중심과 될 수 있는 대로 일치되는 것이 압력 손실관점에서 유리하고, 성형품의 외관상 눈에 뜨이지 않는 곳에 설치해야 하고, 웰드라인이 생기는 곳이나 공기와 가스가 모이는 곳은 피해야 한다. 충전시간은 게이트가 클수록 빨라지므로 유리하고, 고화시간은 보압시간과 비례한다. 벤팅은 고속으로 충진되는 수지 앞단의 공기가 밀폐된 캐비티 내에서 단열 압축되지 않도록 설치해야 하는데, 가스 발생이 많은 수지는 통기구가 막히지 않도록 세척해야 한다.

 
금형의 열설계를 위한 최적설계에서는 금형 표면온도 분포가 고르게 되도록 해야 하며, 난류현상을 고려해야 한다. 코너부위 변형설계의 사례로는 살두께 줄임, 코너 반경조절, 보스 및 리브 보강 등이 있으며, 코어는 열이 중앙으로 집중돼 들어오는 부위이므로 열전달 설계에 특히 주의를 기울여야 하고, 요즘은 Heat Pipe를 사용해 냉각하기도 하는데, 이 방법을 사용할 때에는 Heat Pipe 냉각부의 열전달 설계에 주의해야 한다. 평판부위의 냉각설계에서 넓은 면적을 가진 평판한 구조의 성형품은 냉각속도가 균일하지 못한 경우 제품의 변형이 발생하고, 냉각관이 길이가 길어지게 되면 냉각수 입구와 출구를 복수로 하는 방법도 좋다.

 
취출시스템에서 이젝터 핀은 고화된 수지와 금형 벽면 사이의 마찰력을 이기도록 설계하는데, 성형품에 핀 자국이 남지 않도록 해야 한다. 슬리브 핀 이젝션은 접촉면적이 작은 원통모양 또는 보스 등을 밀어내는 데 사용하고, 스트립퍼 플레이트 이젝션은 크랙이나 백화현상이 없으며, 변형자국이 남지 않아 투명성형품에 적용된다. 공압 취출은 플라스틱 컵과 같이 두께가 매우 얇거나 깊이가 있는 제품에 적용한다. 이젝터 플레이트 구동에는 금형 열림을 이용하는 방법과 유압 실린더를 이용하는 방법이 있다. 금형이 다음 싸이클을 위해 닫힐 때 이젝터 핀은 모두 원래의 위치로 반드시 복귀해야 하는데, 귀환기구에는 리턴 핀과 스프링, 링크 등을 이용하는 방법이 있다.

 
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