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제목 배럴 용량에 대한 숏 사이즈의 적정 비율
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/09/25 10:08

배럴 용량에 대한 숏 사이즈의 적정 비율

이 주제는 이전에도 몇 차례 다루었지만 또 살펴보아야 할 만큼 중요한 문제다. 공정 개발과 관련된 변수는 수백 가지가 존재하기 때문에, 그리 뚜렷이 드러나지 않는 이 변수는 간과하기 쉽다.

일반적으로 성형품의 충전과 패킹(압축)에 필요한 숏 사이즈를 결정하고 그로부터 공정을 구축해 나아가게 된다. 모든 것이 보기에 문제가 없고 공정도 안정적이며, 사이클 재현에 문제가 없고 다 좋아 보인다고 해보자. 심지어 성형품도 품질에 문제가 없어 보인다.

불행하게도, 품질관리팀에 성형품을 보내자 일부 성형품은 정한 사양을 충족하고 일부는 사양은 충족하지 못하는 한편, 일부 성형품은 성능 테스트를 통과하지 못한다. 이는 성형품의 크기, 외관 또는 뒤틀림이 문제일 수 있다. 이러한 유형의 문제는 너무 작거나 너무 큰 숏 사이즈가 원인일 수 있다.

모든 사출성형 공정에 공히 결정적으로 중요한 한가지 문제는 용융 플라스틱의 품질이다. 온도, 점도, 구성이 균일한가? 성형품 내에 펠렛 상태의 수지가 용융되지 않거나 부분적으로만 용융된 상태로 남아있는가? 일부 성형품에 색의 소용돌이 또는 줄무늬 혹은 색조 차이가 나타나는가? 이같은 문제들은 측정이나 모니터링 또는 문서화가 어려울 수 있지만 성형품의 성능과 생산 공정을 엉망으로 만든다.

만일 펠렛 상태의 수지가 제대로 균일하게 용융되지 않으면, 이 모든 문제들뿐 아니라 공정을 뜻대로 통제할 수 없는 “머피의 법칙”이 지배하는 상태에 놓이게 될 수도 있다. 용융 품질과 관련해, 용융공정 및 용융품질에 영향을 미치는 가공 변수에만 주의를 기울이는 것으로 과연 충분할까?

그렇다면 아래의 변수들은 어떤가? 필자는 다음과 같은 체크리스트를 제시하고자 한다.

1. 숏 사이즈가 배럴 용량에 대해 차지하는 비율(%).

2. 공정에 사용하는 수지의 유형(비정질 또는 반결정질); 필러(충전재)를 사용하는가, 만일 사용한다면 어떤 종류인가?

3. 스크류의 설계 - 길이 대 지름 비율 혹은 L/D 비율, 범용 스크류인지 아니면 배리어, 믹싱 또는 다른 유형의 스크류인지의 여부. 이 컬럼에서는 범용 스크류에 초점을 맞출 것이다. 가장 흔히 사용되고 있지만, 필자는 범용 스크류의 사용을 권하지 않는다.

4. 수지의 펠렛 또는 펠렛 형태와 크기

5. 펠렛 크기의 일관성

6. 배럴 히터 밴드의 종류와 크기

 

이 컬럼에서는 목록의 처음 두 가지에 초점을 맞추어 살펴보려 한다. 필자는 펠렛 상태의 플라스틱이 스크류의 원료공급 즉 피드(feed)구간으로 투입되어 그 다음 천이(transition)구간, 또는 다른 말로 압축(compression)구간으로 보내어진 뒤 마지막으로 계량(metering) 구간을 통과해 숏을 위한 용융 플라스틱을 공급하게 되는 일련의 과정에서 실제로 어떤 일이 일어나는지 눈으로 볼 수 있으면 큰 도움이 될 것이라고 생각한다.

하지만 안타깝게도 그런 기능은 아직 존재하지 않는다. 그러나 플라스틱 가공에 관한 연구와 관찰을 바탕으로, 또 다양한 스크류를 가동시켜 보고, 가장 중요하게는 스크류를 꺼내 피딩구간, 이송구간, 계량구간에서 벌어지는 일을 분석해 본 경험을 토대로 하여 배럴 몇 퍼센트를 사출성형에 사용하는 것이 바람직한지에 관한 가이드라인을 제시하고자 한다.

다음과 같은 질문으로 시작해 보자. 적절한 용융을 위해 배럴용량 사용비율은 몇 퍼센트가 바람직할까? 필요한 숏 사이즈가 배럴용량의 25~65%를 사용하도록 하는 것이 좋다. 25% 미만으로 사용할 경우 균일한 용융을 얻기가 어렵다. 최대 배럴 용량의 25% 미만의 숏 사이즈에서는 수지의 배럴 체류 시간이 문제가 될 수 있다는 점에 대해서는 대부분 동의하고 있다.

하지만 이 문제 말고도 또한 용융 품질이 나빠지는 경우가 많다는 것을 필자는 발견했다. 논리적으로는 체류 시간이 길면 열을 통해 펠렛 상태의 수지가 용융될 것이라고 생각할 수 있다. 이같은 추정은 논리적일 수 있지만, 이 문제를 스크류의 관점에서 생각해보자. 낮은 rpm과 짧은 스크류 회전 시간이 결합되어 균일하지 않은 용융을 초래한다.  

범용 스크류(아래 그림 참조)에는 피드구간, 압축구간 및 계량구간이라는 세 개의 구간이 있다. 용융 불균일은 왜 발생하는 것일까? 다음에 배럴 용량의 25% 미만을 사용하는 작업을 할 기회가 있다면, 스크류 rpm이 낮은 것을 확인하고, 더 중요하게는 숏 사이즈를 만드는 데 걸리는 스크류 회전수를 계산해보라.

낮은 rpm에서도 스크류 복구 시간이 짧은 것을 알 수 있다. 범인은 바로 스크류의 회전수가 많지 않다는 사실이다. 스크류의 회전수 부족 및 짧은 복구 시간으로 인해 스크류가 전단과 압축을 통해 펠렛 상태의 수지를 제대로 용융시키는 작업을 정상적으로 수행하지 못하게 되는 것이다.

범용 스크류에서 배럴 용량의 25% 미만을 사용해 가동하면 용융품질이 떨어진다. 이는 숏 사이즈를 만드는데 필요한 rpm과 스크류 회전수가 낮기 때문이다. 반면 배럴용량의 65% 이상을 가동시키는 경우에는, 펠렛 형태의 수지를 받아서 천이구간 또는 용융구간으로 보내기 위해 압축하고 준비시키는 데 스크류 플라이트를 3.5개밖에 사용할 수 없게 된다.

열 에너지가 배럴 벽을 통해 균일하게 이동하여 스크류 플라이트 내의 플라스틱 덩어리로 이동할 수 있을까? 플라스틱 용융에 필요한 ~80%의 에너지를 배럴 히터가 아닌 전단을 통해서 얻어야 한다는 점을 기억해야 한다.

숏 사이즈가 배럴 용량의 65% 이상인 경우에는 스크류는 적절한 속도로 회전하겠지만 이번에는 다른 문제가 발생한다. 스크류의 피드 섹션으로 투입될 때 펠렛 형태의 수지원료에 어떤 일이 벌어지는지 유의해야 한다. 통상적인 20:1(L/D) 스크류는 피딩 즉 원료공급을 위한 플라이트 수가 10개다. 숏 사이즈가 배럴의 65%를 차지하는 경우는, 6.5개의 플라이트가 피드 스롯 뒤쪽에 있게 되어 원료 없는 빈 상태가 된다.

이는 받아서 천이구간 또는 용융구간으로 보내기 위해 압축하고 준비시키는 데 스크류 플라이트를 3.5개밖에 사용할 수 없게 된다는 뜻이다. 상대적으로 작다 해도, 용융에는 열이 필요한 측면이 있다. 하지만 숏 사이즈가 클 때 피드 구간이 필요한 열 효과를 제공하기에 충분한 시간을 갖는 것이 가능할까? 이 질문에 대해 답하기 위해서는 가공하고자 하는 수지의 유형에 대한 이해가 필요하다. 즉 비정질인가 아니면 반결정질인가에 따라 달라진다.

만일 비정질 수지를 가공하는 경우에는 큰 문제가 없지만, 반결정질 원료를 가공하는 경우라면 예의 그 머피의 법칙이 공정을 지배하게 된다. 왜 이런 차이가 생길까? 이는 이 두 수지 계열의 전혀 다른 용융 거동과 관련이 있다.

비정질 수지는 마치 마가린이나 버터같은 방식으로 녹는다. 에너지가 가해지면 부드러워지다가 결국 녹는다. 또한, 적은 에너지만으로도 녹는다. 예를 들어, ABS는 비정질 수지로 실온에서 용융 상태로 만드는 데 파운드(454g) 당 ~150 BTU가 필요하다.

반결정질 수지는 얼음처럼 녹는다. 융점에 도달할 때까지 딱딱한 상태를 유지하는 것이다. 반결정질 수지는 용융온도에 도달할 때까지는 점차적으로 부드러워지지 않는다. 또한, 반결정질 수지를 용융시키는 데는 두 배나 많은 에너지가 들어간다. 예를 들어 폴리프로필렌은 용융에 파운드 당 300 BTU가 필요하다.

따라서 큰 숏 사이즈를 사용해 반결정질 수지를 가공하는 경우는, 피드 섹션의 플라이트 가운데 2~4개만이 에너지 전달을 시작할 수 있다. 추가로 천이구간이 이 에너지를 거의 전부 공급할 수 있으리라 기대하겠지만, 이런 희망사항은 접어야 한다. 믿을 수 없겠지만, PP 또는 PE 같은 원료는 특히 배럴 용량 65% 이상의 큰 숏을 사용하면 말 그대로 스크류 플라이트의 금속을 깎아 낼 정도라는 것을 알아야 한다. 

요컨대, 사출성형 시 주의를 기울여야 할 수많은 변수가 있지만, 성형품을 만들기 위해 배럴을 얼마나 사용해야 하는지 확인하는 것을 잊어서는 안된다. 배럴 용량에 비해 너무 크거나 너무 작은 숏 사이즈는 커다란 문제를 불러올 수 있다. 급하게 돌아가는 생산 현장의 압박에 시달리다 보면 이를 실천에 옮기기 보다 말이 쉽다 하겠지만, 작업 계획을 짤 때 배럴용량을 반드시 확인하는 것이 필요하다. 그래야 머피의 법칙을 잠재울 수 있다.

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19727   효과적 공정 모니터링 방법 플라스틱코리아