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제목 체류시간 및 체류시간 분포 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/04/30 10:51

체류시간 및 체류시간 분포 ①

체류시간 계산과 정확한 고려가 이루어지지 않으면 사출이 이루어지기도 전에 원료의 물성 저하가 발생할 수 있다. 체류시간을 알아내는 실용적 방법은 배럴 내의 샷 수를 통해 알아내는 매우 쉽고 실용적인 방법이 있다.

 

대부분의 열가소성플라스틱은 유기 물질로서, 화학적 물성상 일정 시간 이상 용융가공 온도를 견딜 수 없다. 제조사 SABIC(사빅)이 널리 공급하고 있는 PBT 원료 VALox 420을 대상으로 한 연구 데이터는 260°C

(500 °F) 온도에 6분 동안 방치하면 분자가 분해되고 플라스틱 물성이 손상되는 것을 보여주고 있다(그림 1).

이 연구에서 대상으로 한 물성은 점도였다. 우리는 260°C(500°F) 온도에서 이 PBT 제품의 최대 허용가능 체류시간은 6분이라는 결론을 얻었다. 하지만 특정 속성 하락이 절대값 또는 백분율로 얼마나 나타나는지에 대한 언급 없이 주어진 원료에 대한 최대 체류시간을 정의하는 것은 너무 광범위하다는 생각이다.

기능이 과도하게 설계된 부품 또는 부하가 전혀 가해지지 않는 부품이라면 성형 과정에서 분자가 분해되거나 분자량이 낮아져도 작동에는 문제가 없을 수 있다. 또한 첨가제가 베이스 수지의 분해를 촉진하는 경우도 있기 때문에 이는 그렇게 단순한 문제가 아니다.

체류시간 계산

체류시간은 플라스틱이 사출기의 배럴 안에서 보내는 시간이다. 보다 정확하게 말하자면, 플라스틱 펠렛이 호퍼 바닥부분을 출발한 시점부터, 노즐 끝부분에 도달할 때까지 이송을 기다리며 스크류 상에 머무는 시간을 말한다. 이는 매우 간단한 수식을 사용해 계산해낼 수 있지만, 여기서 나오는 것은 아주 대략적인 추정치에 지나지 않는다.

이를 이해하기 위해서는 먼저 배럴 내부의 최대 플라스틱 량을 계산하는 법을 이해해야 한다. 많은 성형업체들이 사출기 제조업체가 일러준 최대 샷 용량 값을 사용한다. 이 수치도 틀린 것은 아니지만, 완전히 정확하지는 않다.

간단한 예로, 사출기 제조업체가 샷 용량을 지정한 기준 원료인 PS로 성형한 부품이 있다고 가정해보자. 그리고 이 사출기의 최대 샷 용량이 100g이라 하자. 샷 중량은 성형 부품과 러너의 총 중량으로 정해진다. 아래의 논의에서는 보압단계(패킹 및 보압) 마지막에 존재해야 하는 적은 양의 쿠션은 무시했다.

 

시나리오 1 : 최대 샷 용량을 사용하는 경우

이런 경우는 있을 수 없지만, 샷 중량이 100g이라고 가정해 보자. 다시 말해, 최대 샷 용량의 100%가 부품 성형에 사용되고 있다고 가정했을 때 스크류가 최대 샷 사이즈 위치로 물러나 있는 상태일 때, 스크류 팁 앞에는 100g의 플라스틱이 존재한다(그림 2).

이 부분에 자리한 원료 외에, 스크류 상에도 플라스틱이 있다. 스크류 계량구간 내의 플라스틱은 모두 용융상태다. 압축 구간의 플라스틱은 부분적으로 용융된 상태다. 그리고 피딩구간의 플라스틱은 아직 연화가 진행 중이며 곧 융융될 것이다.

 

시나리오 2 : 최소 샷 용량을 사용하는 경우

이번에는 샷 중량이 20g이라고 가정해 보자. 다시 말해 최대 샷 용량의 20%를 사용하는 경우다. 시나리오 1에서 살펴본 것처럼, 배럴 내 용융수지의 총량은 이 20g에 스크류 상의 용융상태 플라스틱을 더해주어야 한다. 

샷 크기 이외의 모든 가공상의 설정 값이 양쪽 시나리오가 동일하다고 가정하면, 스크류의 계량 구간과 압축구간의 플라스틱 양도 동일함을 알 수 있다(그림 3).

그러나, 피딩구간의 플라스틱 양은 샷 용량의 100%를 사용하는 경우에 비해 20%를 사용하는 두 번째 시나리오에서 더 높을 수 있다.

배럴 내부의 플라스틱 양 추정은 여러 가지 요소들과 함수관계에 있음은 분명하다. 위에서 언급하지 않은 다양한 가공 설정값은 특히 배압에 영향을 미칠 수 있다. 배럴 내의 용융수지 최대량을 제대로 계산하고자 한다면, 스크류 앞에 있는 플라스틱의 양에 스크류 각 구간 플라스틱 양을 더해야 한다.

 최대 샷 크기를 기준으로 높은 비율로 사용하는 경우, 이를테면 70%를 사용했을 때, 수지는 피딩구간에 있을 때도 가공 용융온도에 노출될 수 있다. 우리가 여기서 이야기하는 플라스틱의 양이란 용융 가공이 가능한 플라스틱이며, 스크류의 어느 지점에서 플라스틱이 용융 가공 가능한 온도에 도달했는지는 추정하기 어렵다. 제조업체가 제공하는 스크류 설계 정보는 스크류 각 구간의 플라스틱 양에 관한 보다 정확한 추정에도움이 될 수 있으며, 이를 계산에 사용할 수 있다.

배럴에 있는 샷의 수

배럴 내의 플라스틱 양을 알면, 이 숫자를 샷 중량으로 나눌 수 있다. 이것이 배럴 내에 존재하는 샷의 수다. 이 샷의 수를 사이클타임과 곱하면 플라스틱이 배럴에서 보내는 총 체류시간을 얻을 수 있다. 예를 들어, 스크류 상의 플라스틱 양과 스크류 앞 부분에 만들어진 샷의 합이 150g이고 샷 중량이 25g이라면, 배럴 내 샷의 수가 6개임으로 계산해낼 수 있다.

 이때 성형하는 부품의 사이클타임이 30초라면, 이 사이클타임에 샷 수를 곱해 플라스틱이 용융 시작 지점에서 노즐 팁까지 이송되는데 180초(3분) 걸린다는 사실을 알아낼 수 있다. 아직 용융온도에 도달하지 않은 원료는 포함시키지 않았으므로, 피딩구간 내 플라스틱 일부는 고려해 넣지 않는다.

이런 계산을 매일매일 일상적인 작업과정에서 일일이 수행하는 것은 어렵고 실용적이지 않을 수 있다. 그래서 배럴의 샷 수 계산을 위해 널리 사용되는 간단한 공식이 있다.

 

샷수 = 사출기의 최대 샷 용량 ÷ 샷 중량

 

여기서도, 체류시간은 배럴 내의 샷 수에 사이클타임을 곱해 계산한다. 위의 공식은 대부분의 경우 잘 들어맞지만, 100% 정확하지는 않다.

체류시간을 알아내는 실용적 방법

배럴 내의 샷 수를 알아내는 매우 쉽고 실용적인 방법이 있지만, 어두운 색상의 성형품에서는 잘 맞지 않는다. 이러한 경우 가능하면 밝은 색상이나 천연색상의 원료를 사용해 동일한 금형에서 가공해보면 도움이 된다. 먼저, 부품 성형을 개시한 뒤, 호퍼를 피드스롯에서 분리해낸 뒤, 거울이나 스마트폰 카메라를 이용해 스크류에 피딩되는 플라스틱을 관찰한다. 여기서 안전규칙을 준수해야 하고, 절대 호퍼를 직접 들여다 보면 안 된다.

원료가 없는 상태의 맨 스크류가 시야에 들어오면, 짙은 색상의 안료 펠렛 한두 개를 피드스롯에 떨어트린 뒤 원료 호퍼를 제자리에 장착한다. 그 다음 금형을 개방해 이전 샷으로 성형된 부품을 이형시킨다. 이제 성형품에 조금 전 떨어트린 안료 색상이 나타날 때까지 샷 수를 세기 시작한다.

예를 들어, 안료의 색상이 여덟 번째 샷에서 나타났다면 배럴에 최소 7개의 샷이 있는 것이다. 여덟 번째 샷에 색상이 약간 나타났다면, 안전을 기하기 위해, 배럴에 8개의 샷이 있다고 생각할 수도 있을 것이다. 배럴 내 플라스틱 체류시간을 얻기 위해서는 사이클타임에 8을 곱해주면 된다.

예를 들어 사이클타임이 40초라면 체류시간은 8× 40 = 320초 또는 5.4분이 된다. 사용하는 플라스틱 수지의 최대 체류시간이 6분이라고 하면, 이 경우 성형품의 열화(劣化)는 발생하지 않을 것이지만, 원료의 최대 체류시간이 4분인 경우라면, 열화를 염려해 봐야 한다.

이 실험의 예는 그림 4에서 보는 것과 같다. 여기서는 안료의 색상이 세 번째 샷에서 나타났다. 이 사례는 본 컬럼 2부에서 이 주제를 다루면서 계속 사용할 예정이다. 다음 달에는 체류시간 분포을 중점적으로 살펴보기로 한다. 

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20215   피드스롯의 온도와 브릿징 플라스틱코리아
20357   체류시간 및 체류시간 분포 ② 플라스틱코리아