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제목 2019 CNSPPT 동계기술강좌 - 압출, 사출, 코팅공정에 대한 통합 기술교육
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/02/03 20:41

지난해 12월 18일부터 20일까지 3일간 서울대학교 글로벌공학교육센터에서 2019 고분자·나노 융합 소재 가공기술센터(CNSPPT) 동계기술강좌가 진행됐다. CNSPPT는 매년 고분자 가공 기술과 관련해 다양한 교육프로그램을 운영하고 있다. 초급 엔지니어와 연구원을 대상으로 하는 하계강좌와 중견 엔지니어와 연구원들을 대상으로 하는 동계강좌, 그리고 실습 중심의 압출 및 사출 강좌를 운영하고 있다. 이번 동계강좌에서는 압출, 사출, 코팅 공정에 대한 통합 기술교육을 3일간 진행했다.


이 행사는 고분자·나노 융합소재 가공기술센터(CNSPPT)가 주최하고, 사단법인 한국유변학회, 한국석유화학협회, 서울대학교 화학공정신기술연구소, 글로벌공학교육센터, 코팅기반화학공정연구센터가 후원했다.

압출기 구조와 성능 해석
한남대학교 김명호 교수는 ‘단축 압출기 구조와 성능해석’에 대해 발표하면서 압출기에서 핵심은 스크류라는 점을 강조했다. 보통 작업을 하기 전에 설계 도면을 보고 진행하지만 항상 같은 형상의 제품이 생산된다는 보장은 없다. 미묘하게 다른 점은 스크류의 핸들링에 따라 제품 품질이 결정되기 때문에 공정 과정에서 생산성에 차이가 난다. 결국 압출기의 목표는 생산성을 올리는 것이다. 때문에 스크류 교체를 통해 원하는 품질을 얻을 수 있다.

사탕봉지와 같은 얇은 필름을 제조하려면 잡아 늘려도 찢어짐 없는 필름을 생산하는 기술이 필요하다. 이 부분에서 일본 제품은 이런 원천기술이 좋고, 가격도 저렴한 편이다. 상대적으로 국내는 원천기술이 부족하지만 어셈블리(부품을 조립) 기술이 뛰어나다. 하지만 생산성을 높이려면 원천 기술을 확보하고자 하는 노력이 필요하다.


압출과 사출, 블로우몰딩기의 핵심은 생산성을 늘리고 불량을 줄이는 것이다. 이런 요소의 직접적인 요인은 스크류에 있다. 보통 스크류를 30% 이상 사용하게 되면 교체를 통해 불량률을 줄여야 한다.


고토출량에서도 품질저하없이 모든 물질을 고르게 해주는 믹싱 과정과 균일한 온도 유지를 위해 스크류의 역할은 중요하다. 동일한 온도에 POE, PP소재를 사용하게 되면 동일한 스크류라 해도 물질을 다르게 하면 결과도 다르다.


플라스틱은 천연 고분자가 아닌 인간이 자의적으로 합성한 폴리머로, 에틸렌의 결합 수에 따라 다른 성분들이 생성된다. 1~4까지는 LNG, 5~11은 가솔린, 9~16은 낮은 점도의 액체인 캐로린, 16~25는 고점도 액체인 오일과 그리스가 생성된다.


플라스틱은 사슬의 엉킴에 따라 모든 것이 결정된다. 평균 밀도는 1.2정도지만 비교적 강도가 있는 정밀도 소재인 플라스틱은 다양한 가공방법을 통해 저렴하게 이용할 수 있다. 알루미늄은 600°C에서 플라스틱은 300°C미만에서 녹기 때문에 연구비가 저렴한 편이다. 때문에 과거에는 집에서 연구하는 경우도 있었다. 따라서 플라스틱 가공에 대한 새로운 아이디어 창출을 위한 노력이 필요하다. 그래야 새로운 프로세스를 통해 생산성을 높이고, 중국과도 경쟁할 수 있다.


앞으로 한국의 미래는 실리콘 폴리머에 달려 있다. 새로운 것을 애플리케이션 함으로써 모든 이들이 사용할 수 있도록 하는 자세가 필요하다. 특허에도 신경을 써야 한다. 당장 특허가 이익을 주지 않더라도 특허는 후배들을 위해서도 필요하기 때문이다.


최근에는 기능성에 초점을 맞춰폴리머 개발보다는 블렌딩과 컴파운드 개발이 주를 이루고 있다. 보통 레진 업체들은 대량공급에 맞추어진 시스템을 갖추고 있어 소량 공급이 어렵다. 때문에 소량의 경우는 컴파운딩 업계에서 수용하는 경우가 많다.


컴파운드 분야는 응용할 수 있는 분야가 많은 만큼 미래가 밝다. 앞으로 다양한 연구와 석박사들의 양성이 기대되는 분야다. 따라서 다양한 응용분야에 서 프로젝트가 활발하게 추진해야 후배들에게도 좋은 이력을 남길 수 있고, 향후 회사를 이직하더라도 연계할 수 있는 산업군이 생성된다.

제품생산 압출가공 문제해결
LS전선 이원석 박사는 압출기의 제품 생산 중심으로 압출가공 문제 해결 방법을 소개했다. 이원석 박사는 압출가공에서 문제가 발생했을 때 제일 먼저 문제원인 파악이 중요하다고 강조했다. 보통은 2개 이상 복합적인 원인이 발생하는데, 하나의 원인으로 여러가지 어려움을 겪기도 한다. 따라서 이러한 메커니즘을 파악의 중요성을 강조했다.

보통은 문제가 발생할 경우 생산 엔지니어가 재료 분석과 해석, 원인분석, 개선, 확인의 절차를 거치지만 중요한 것은 먼저 압출공정을 이해해야 한다는 점이다. 원자재에 대한 이해도 필요하지만 신입사원의 경우, 원자재 물성에 대해서는 알지만 가공 물성에 대해서는 모르는 경우가 많다. 예를 들자면 원료 투입 시 펠렛과 호퍼에는 문제가 없지만, 파우더에 문제가 있을 수 있다. 따라서 자재와 투입방식도 알아야 한다.


또한 스크류는 모든 부위에서 문제가 발생할 수 있으므로 각 구간별 특징을 파악해야 한다. 다이를 위해서는 유체역학에 대한 지식이 있어야 하고, 기기 타입과 모터 동작에 대한 원리도 파악해야 한다. 또한 현장에서 문제가 발생하면 확대해서 파악하는 광학도구와 온도측정(접촉 시, 비접촉 시)도 필요하다. 온도측정은 적어도 1분간 계속 점검하면서 가장 높은 값을 측정해야 한다.


시중에 나와 있는 해석 프로그램도 유용하다. 최근의 Compuplast 프로그램은 계산도 빠르고, 스크류 설계를 검토하거나 다이 및 정체구간에 대한 확인용으로도 사용된다. 외국산 압출기는 데이터를 기본적으로 파악한다. 공정진단도 로그온된 데이터를 통해 상황을 파악하고 부위별로 얇은 TC를 부착한 후 제품을 양산하면서 상태를 파악해야 한다.


압출공정에서 보통은 외관/외형 품질문제가 많다. Melt Fracture 문제는 표면이 깨지면서 뒤틀리는 현상으로 수지 압출 시 0.1~0.4Mpa 상태에서 발생한다. 이럴 경우, 다이 온도나 다이의 갭을 높인다. 압출량을 조절하고, 활재를 사용해 점도를 낮추거나 수지 Melt 온도를 높여 점도를 맞추는 방법으로 해결한다.


표면 돌기 현상이 발생하면 제품을 반으로 갈라서 내면 현상을 파악해야 한다. 내면은 깨끗한데 돌기가 있다면 혼련이 부족한 경우일 수 있고 표면이 봉긋이 올라간 경우는 수축이 잘 안될 때 나타나는 현상이다. 이럴 경우, 스크류와 자재가 적합한지, 용융이 잘 이뤄지는지 등을 파악한다. 헤드에서 압력을 올려주면 회전율이 좋아지지만 스크류 개선도 필요하다.


압출 전에 재료를 건조하는 엔지니어링플라스틱은 스크류와 다이에 재료가 정체되면 탄화로 인해 돌기가 발생한다(색상이 노란 경우). 이럴 때는 압출기 및 다이의 내부 정체구간을 제거하고, 사용전에 펠렛을 건조시켜, 스크린 메시를 강화한다. 표면이 뚫려 있는 경우는 이물이 수지에 묻어 있다가 압출 시 가스가 형성되어 기포를 만드는 경우다. 이럴 경우는 이물 관리가 필요하다. 고운 재료를 사용하거나 필터링을 강화해야 한다. 케이블 작업에서 기포가 발생하는 경우도 있다. 이는 컴파운드와 스크류 설계가 적합하지 않은 경우이다. 보통 압출가공에서 오래된 기계를 사용할 때 발생한다.


수지가 방치되면 수분을 흡수한다. 호퍼드라이어로 건조상태를 유지하지만 너무 저렴한 호퍼드라이어를 사용하면 히팅 시 여름철 외부의 습한 공기가 들어와 오히려 수분을 흡수할 수 있다. 따라서 호퍼 관리도 필요하다. 표면에 줄무늬가 일어나는 현상은 수지 정체로 탄화되어 형성하는 경우이다. Breaker Plate 재설계를 통해 상황에 따라 Breaker Plate 대신 Ring을 사용할 필요가 있다.


특정 부위에 줄무늬가 형성되는 경우도 있다. 이럴 때는 다이 내부의 파손 부위 존재 여부를 확인하고 시뮬레이션을 통해 저속 구역을 확인하고 개선해야 한다. 색상을 내기 위해 BL, GN, RD, BK, CMB를 2% 첨가해 사용할 때 BL, GN, CMB의 경우 Weldline을 따라 표면에 줄무늬가 발생할 수 있다. 이럴 때는 150°C에서 160°C, 165°C로 온도를 올려주면 개선 효과가 나타난다.


나일론 튜브식 압출에서도 미코팅 현상이 발생한다. 베이스 수지에 CMB를 섞어 생산하면 간헐적으로 대구경 제품의 경우, 미코팅 현상이 발생한다. 이때 미세한 기포 파악과 수분에 대한 분석이 필요하다. CMB를 사용하기 전에 건조하면 미코팅 현상이 사라진다.


펠렛 이송에서 문제가 발생하면 참고해야 할 부분이 배럴과 펠렛간 마찰력이 스크류와 펠렛간 마찰력보다 커야 한다는 점이다. 우선은 온도를 낮추고 변화가 없으면 온도를 올려 스크류 냉각상태를 점검한다. 모터는 보통 용융수지를 밀어낼 때 부하 현상이 나타난다. 이럴 때는 점도를 낮추는 방법도 있지만 용융상태를 파악하고 모터 기어비를 변경한다.

사출기 동작
LS엠트론 박경호 수석은 사출성형기의 구조와 작동원리를 소개했다. 사출성형 공정의 특징은 복잡한 형상의 플라스틱 제품 생산에 널리 사용한다는 점이다. 플라스틱 바가지 같은 단순한 제품부터 광통신 접속관, 자동차 내·외장재 등 다양하게 사용된다. 소재는 범용 플라스틱인 PE, PP, ABS, PS, PMMA, PET와 엔지니어링 플라스틱인 PBT, PA, PC, POM, PSF, PES, PPS, PAI, PEI, PEEK 등과 비플라스틱 재료로는 철분말(주조식)사출, 세라믹계 사출, 고무사출, 엘라스토머 사출 등이 있다.


사출성형은 압출성형, 블로우성형, 진공성형 등에 비해 생산 사이클 시간이 짧고 다른 생산방식보다 저렴하게 복잡한 제품을 효율적으로 생산할 수 있다. 사출공정에서 형닫기/승압은 이동 형판의 전진 동작으로, 금형의 하형과 상형이 체결되고, 사출력에 의한 금형개방방지에 필요한 형체력을 형성하는 단계이다.


노즐 전진은 사출장치의 노즐을 금형의 스프루에 일정한 힘으로 밀착하는 것을 말한다. 충진은 용융수지가 스프루, 런너, 게이트를 통해 금형 내의 공간으로 유입되는 단계를 말하며, 보압은 게이트가 고화될 때까지 일정한 압력을 유지하며 수지의 수축을 보정하는 단계이다.


가소화는 스크류의 회전 동작과 후퇴 동작으로 용융된 수지가 스크류 앞단으로 유입시키는 단계이다. 냉각은 제품이 금형에서 큰 변형 없이 취출될 수 있도록 용융수지가 냉각/고체화하는 단계를 말한다. 형 열기/사출은 성형품을 얻기 위해 금형을 개방하고 금형으로부터 떼어내기 위한 동작을 일컫는다.


사출성형기의 기구적 구성은 크게 형체부와 사출부로 구분한다. 형체부는 형두께 조정, 압출, 금형장착파트로 구성된다. 사출부는 노즐 이송과 계량구동, 사출 구동파트로 구성된다. 사출성형기 분류는 형체장치 구조에 따라 직압식과 토글식, 복합식으로 구분되며 사출장치 구조에 따라 스크류 프리플라 방식과 플렌저 방식, 인라인 스크류 방식, 플렌저 프리플라 방식, 벤트식으로 구분한다. 이밖에 기계배열로는 수평식과 수직식으로 구분되고 구동동력에 따라 유압식과 하이브리드, 전동식으로 나눠진다.


사출기에서 직압식은 유압 실린더의 작동만으로 형 체결력을 얻는 방식이다. 원리와 구조가 간단하며 취급도 용이한 장점이 있다. 압력계에 의해 형체결력을 쉽게 알 수 있으며 조정도 용이하다. 직압식의 Tiebarless 사출기는 금형 탈/부착이 용이하고, 금형 설계나 규격에 대한 제한없이 최대한으로 형판을 활용할 수 있다. 토글식은 기계적인 링크를 통해 힘을 확대시켜 금형을 체결하는 방식으로 싱글 토글방식과 확대율이 큰 더블 토글방식이 있다.


사출장치 구조에서 스크류 프리플라 방식은 인라인 스크류 타입에 비해 사출용량이나 사출압력을 크게 할 수 있다. 스크류가 고정되어 회전하기 때문에 수지에 열 이력이 일정해, 용융상태가 안정되어 있다.


플런저 방식은 성형에 필요한 양만을 가열 실린더에 넣는 것으로, 실린더의 밴드 히터와 플렌저에 의해 밀어 붙여진 수지는 토피도로 가열, 용융시킨다. 어뢰형 토피도는 수지의 유효전열 면적을 크게하고, 압축해 발열과 용융시키는 것을 목적으로 하고 있다.


인라인 스크류 방식은 호퍼에서 공급된 수지를 스크류 회전과 히터 열에 의해 가열 실린더 앞쪽으로 이송하는 형태를 취한다. 이송된 수지 압력으로 스크류가 후퇴하고, 계량 완료 위치에서 후퇴 및 회전정지가 이뤄진다. 스크류 후부의 유압 실린더로 스크류를 전진시켜, 금형 내에 수지를 사출한다.


벤트 방식은 전단부에서 용융된 재료 중에 포함되어 있는 수분이나 잔류 모노머 등의 휘발분을 벤트 구멍으로 배출 또는 진공장치 등을 이용해 완전히 탈기한 후에 후단부로 이송하는 방법으로 수지 예비 건조시간을 줄일 수 있다.


유압식(절전-서보펌프) 사출기는 기존 유압식과 비교했을 때 기존 유압식의 유도 모터를 인버터와 서보모터로 대체했다는 장점이 있다. 동작 구간에서만 인버터를 이용해 속도를 가변하여 에너지를 절감할 수 있도록 해준다.


전동식 사출기는 개별 동작을 각각의 서보모터로 이용이 가능하다. 유압식에 비해 저속 운동 특성이 뛰어난 장점과 고정밀 시스템 구현이 가능하고, 유압식 대비 최대 70% 에너지 절감 효과를 볼 수 있다. 온도에 의한 정확도와 재현성 변동이 유압식보다 극히 작으며 전원 변동에 대한 허용 범위가 넓다.

사출성형 기술
아주대 이병옥 교수는 사출성형기술 특징과 설계 및 공정에 따른 단계별 특징에 대해 설명했다. 이병옥 교수는 사출성형에서 설계의 중요성을 강조했다. 설계가 정확하지 않으면 공정단계에서 많은 비용이 발생된다. 사출성형을 위한 충전/보압/냉각/취출 같은 일련의 과정은 기계가 하므로 이런 과정을 제어하고, 제품 양산을 위한 설계의 중요성을 강조했다.


사출기는 설계부터 다른 부품과 연결관계를 고려해 디자인돼야 한다. 금형의 열고 닫힘이 원활하고, 얇고 균일한 살두께(플라스틱 표면)와 플라스틱 형체의 둥그런 코너를 고려해야 한다.


플라스틱 양산구조는 재료를 녹여, 이를 고화시키는 과정이다. 비교적 단순하지만 플라스틱 특성상 점도가 높아 전단가열이 일어나면 용융수지 흐름에 불균형이 일어난다. 용융수지는 비선형 유체로 물과 다른 특성으로 인해 열이 빠지지 않기 때문에 두꺼워서는 안된다. 따라서 두께를 적절하게 유지해야 한다.


균일하고 얇은 플라스틱 살두께는 균일하게 덧붙여가면서 모양을 만드는 과정이 필요하다. 살두께가 불균형해지면 공기가 가운데로 모이게 되면서 공기 포집이 발생한다. 수지 종류에 따른 살두께는 폴리에틸렌은 0.9~4.0mm, 폴리프로필렌은 0.6~3.5mm, 폴리아미드는 0.6~3.0mm, 폴리아세탈은 1.5~5.0mm, 아크릴은 1.5~5.0mm 등으로 하고 있다.


플라스틱 공정은 원만하고, 둥글며, 부드러운 제품처리 과정을 염두 해 두고 설계해야 한다. 또한 적정한 살두께가 갖춰져야 한다. 살두께가 증가하면 냉각 시간도 증가해 후변형으로 인한 제품 정밀도가 떨어져 전체적으로 생산성이 저하된다.


제품을 냉각시킬 때 안과 바깥은 냉각 속도가 다르기 때문에 다양한 보강법이 필요하다. 리브보강법은 약간 튀어나오는 보강 방식으로 제품 변형상태를 막아준다. 둥근 코너 보강법은 외관 디자인과 안정성, 플라스틱 재료에서 느끼는 감성을 전달하기 위한 것으로 모서리의 응력 집중을 막아 제품 변형을 방지해준다. 모서리 반지름은 최소 성형품 두께의 1/3로 하며, 안쪽 모서리를 둥글게 할 때 균일한 살두께를 위해 외벽도 둥글게 한다.


보스(BOSS) 설계는 구멍 주위를 보강하고 다른 부품과 부착을 위해서다. 설계부터 강도를 늘리기 위해서 두껍게 하면 싱크마크 발생 우려가 있어 주의해야 한다. 보스를 이용해 전체적인 평면 조건을 유지하려면 보스 수를 3개로 하는 것이 바람직하다. 보스가 높은 경우 미충전의 우려와 통기 문제 발생 가능성이 있다.


벽면 보강 방법 설계는 테두리의 두께를 다르게 하거나 형상을 변화시켜 보강하는 방식이다. 측벽이 약해질 수 있는 냉장고 보관용기와 비교적 큰 플라스틱 통에 적용된다. 평면 보강 방법은 넓은 평면을 가진 형상은 요철을 만들어 보강한다. 평면부는 사출성형품에서 가장 변형이 쉬운 부분이며 따라서 바닥 부분과 벽면이 만나는 부분을 큰 반지름으로 둥글게 처리한다.


빼기 구배(Draft)는 성형품을 방출할 때 쉽게 하기 위해 파팅 라인에 수직한 면에 빼기 구배를 준다. 일반적으로 1~3도 가량 주며, 최소 한도는 0.25~0.5도 정도 이다. 내외측 빼기 구배는 내측이 외측보다 1도 정도 크게 하는데, 이는 재료가 내측으로 수축하기 때문이다. 성형품에 무늬가 있거나 무광택 처리를 할 경우, 1도 이상의 빼기 구배를 준다. 이는 표면 무늬가 방출을 방해하기 때문이며 빼기 구배가 너무 작은 경우에는 표면 손상을 가져온다.

사출금형 기술
울산과학대 박시환 교수는 사출금형 구조와 기술적 특징에 대해 설명했다. 사출금형은 제품의 형상을 구현하기 위한 것으로 제품의 냉각과 취출 기능을 실현한다. 금형의 구조는 크게 고정측 설치판과 고정측 캐비티판, 코어, 이젝터핀, 스프루 플러핀, 스페이서 블록, 가동측 설치판과 스프루 부시, 가동측 캐비티판, 리턴핀, 받침판, 이젝터판(상, 하)으로 구성된다.


고정부는 사출부 방향으로 고정 형판에 설치되는 것으로 A판 혹은 상형으로 불려진다. 가동부는 가동 형판에 설치되고, 설치판, 스페이스 블록, 받침판, 가동 캐비티판, 이젝터판으로 구성되며 일반적으로 코어가 설치되어 있다. 2단 금형은 분할선에 의해 고정측 형판과 가동측 형판이 분할되어, 구조가 간단하며 취급이 용이한 장점이 있다. 내구성도 높고 금형 가격이 낮으며 성형 사이클을 단축해 준다.


3단 금형은 고정측 형판과 가동측 형판 사이의 핀을 말한다. 중간판을 런너 판이며 캐비티는 런너판과 가동측 형판 사이에 설치한다. 3단 금형은 게이트가 깨끗하게 잘려 외관이 좋은 장점이 있는 핀 포인트 게이트 사용에서 용융 수지의 충전 균형에 용이하다.


슬라이드 코어는 주로 외측 언더컷(바깥 형상)을 처리하기 위한 기구다. 앵귤러 핀이나 캠에 의해 금형의 왕복 운동을 수직 방향의 왕복운동으로 바꿔 전진 또는 후퇴하도록 설계한다. 이 방식은 금형의 열림 거리가 길어져 사출성형 사이클 시간이 늘어나는 단점이 있다. 또한 금형이 완전히 열리지 않아도 코어를 움직일 수 있어 사출성형 사이클을 단축할 수 있지만 제어와 구조가 복잡하다.


러너는 금형으로 유입된 수지를 캐비티까지 열과 압력의 손실을 최소한으로 유지하면서 안내하는 역할을 한다. 러너 밸런스를 통해 각 캐비티에 수지가 동시에 같은 양으로 도달할 수 있도록 하며 압력 손실과 온도 강하를 최소화 해준다. 또한 콜드 슬러그 웰과 가스 빼기를 적절하게 설치해 준다.


핫러너 금형은 PET병의 프리폼처럼 다수의 캐비티 상에서 작은 성형품의 경우나 성형품의 크기가 크고 다수의 게이트가 필요한 경우도 사용한다. 연속 성형할 때 사이클을 단축할 수 있지만 성형 준비 기간이 길어 대량생산에 적합하다. 하지만 금형의 구조가 복잡하고 유지보수가 어려운 단점이 있다.


게이트는 용융수지의 흐름 방향과 유량을 제어하고, 캐비티 내의 수지가 고화할 때까지 수지의 역류를 방지해 준다. 게이트 자국으로 인한 표면 불량을 최소한다. 또한 위치와 개수의 최적화를 통해 제품의 불량률과 scrap를 최소한다. 충전시간은 게이트가 클수록 빠르고 고화 시간은 게이트가 작을수록 빠르다. 게이트 제거와 손질작업을 고려한다면 게이트가 작은 것이 유리하다.

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