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제목 체류시간 및 체류시간 분포 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/06/03 18:04

체류시간 및 체류시간 분포 ②

 

성형 제품 내의 분자들은 제각기 체류시간이 달라질 수 있다. 이 같은 가변성은 체류시간 분포에 반영된다. 이를 결정하는 방법을 이번 컬럼에서 알아보자.

 

지난 달 연재 제1부에서 체류시간의 바탕이 되는 이론 그리고 그것의 계산이 쉽지 않은 까닭을 검토했다. 널리 사용되는 공식을 소개하고, 체류시간을 결정하는 실용적 방법도 살펴 보았다. 이번 컬럼에서는 체류시간 분포를 집중적으로 살펴보고자 한다.

실제 체류시간의 계산은 체류시간 분포 때문에 복잡해진다. 스크류의 기능은 플라스틱을 배럴 앞쪽으로 전달하는 것뿐 아니라 플라스틱 분자와 첨가제를 혼합해 공정을 위한 균일한 용융수지를 만드는 것이다.

실험을 통해 붉은색 펠렛 한 개를 사출기에 떨어뜨리고, 그로부터 만들어져 나온 사출품을 시간 순으로 수집했다. 붉은색은 3번째 샷에 모습을 보이기 시작했고 그 다음 오는 5번의 샷에 걸쳐 분포되어 나타났다. 계산을 위해, 우리는 2.5샷이라는 숫자를 사용했다.

그 즈음에 성형품의 약 절반이 붉은색으로 착색됐기 때문이다. 이것은 0.18g의 중량을 지닌 펠렛 하나 안의 분자들이 총 중량 147.51g의 5개 샷으로 분포됐음을 보여준다. 다시 말해 0.12%의 첨가제 투입으로 5개의 샷에 걸친 색상 분포를 얻었다는 것으로, 매우 효과적인 믹싱이 이루어 졌음을 나타낸다.

실제 체류시간의 계산은 체류시간 분포 때문에 복잡해진다.

 

이는 또한 컬러 펠렛 분자들 일부가 대략 2.5샷 정도의 시간 동안 배럴에 체류했으며, 또 일부는 약 5샷의 시간 동안 체류했음을 의미한다. 이 성형품의 사이클타임은 25초이므로 피드스롯으로 투입된 원료 분자는 62초에서 125초 사이의 어느 지점 정도 동안 배럴 내에 머무를 수 있다.

따라서, 체류시간은 일정 범위로 분포되어 있으며, 이는 우리가 체류시간으로 단정적으로 간주할 수 있는 단 하나의 시간을 잘라 말할 수 없음을 의미한다. 이런 범위를 체류시간 분포라 부르며 그림1에서 성형품의 컬러 상태를 보여주는 사진을 통해 확인할 수 있다.

동일한 성형품, 동일한 공정, 다른 체류시간

 

좋은 소식은 이 분포 곡선이 오른쪽으로 기울어져 있고, 대부분의 분자는 체류시간이 낮다는 사실이다. 분포 곡선의 꼬리 부분 분자의 수는 피크 지점에서 보다 크게 낮다. 또한 이 분자들은 체류시간이 더 낮은 더 많은 양의 원료와 혼합되어 있고, 이는 원료 물성의 유지에 도움이 된다.

다시 한번, 지난 달 1부 컬럼에서 예로 다루었던 25 초의 사이클타임을 가진 성형품을 떠올려 보자. 생산 공정에서 이 성형품 하나를 집어 든다면, 그 성형품에는 62초의 체류시간을 지닌 원료 일부와 75초의 체류 시간을 가진 다량의 플라스틱이 들어있을 것이다. 그리고 그 다음에 나오는 3번의 샷에서는 각 100초, 125초, 150초의 체류시간으로 원료는 점차로 줄어들게 된다.

숫자 62는 성형품의 절반이 컬러를 보인다는 가정에 근거한 근사치다. 분포 곡선의 꼬리부분과 달리 컬러가 전혀 혼합되어 있지 않은 원료가 일부 존재한다. 위에서 언급한 숫자는 변화하는 체류시간 분포를 나타내기 위해 선택된 임의 숫자들이다. 실제 상황에서는 그림 2에 나타난 바와 같이 연속적 분포를 보인다.

체류시간이라는 주제는 복잡하지만 가공에 있어 중요한 역할을 하기 때문에 제대로 이해해야 한다. 체류시간 계산은 가장 널리 쓰이는 효과적이고 실용적인 아래 공식을 사용해 구할 수 있다:

 

체류시간 = 배럴 내의 샷 수 × 사이클타임

 

여기서 배럴의 샷 수 = 사출기의 최대 샷 용량/샷 중량

상기 실험에서 사용한 물질은 1.06g/cc 밀도의 PS였다. 사출기의 샷 용량의 100g이라 함은 사출기가 100g의 PS를 지니고 있을 수 있음을 의미한다. 하지만 성형되는 원료가 밀도 1.33인 PBT인 경우 배럴 내의 동일한 부피는 이제 더 높은 중량을 갖게 된다. 즉, PBT의 최대 샷 용량이 높게 된다.

따라서 재료 A 사용 시의 샷 사이즈 = (PS의 샷 사이즈÷1.06) x 재료A의 밀도 PBT의 경우 다음과 같을 것이다.

PBT 사용 시의 샷 사이즈=(100÷1.06)×1.33=125.47g

 

모든 계산에서 배럴 샷 사이즈는 항상 성형에 사용되는 원료로 변환되어 사용해야한다. 또는, 성형되는 원료의 샷 사이즈를 PS의 샷 중량으로 변환하는 방법을 쓸 수도 있다.

핫러너에 대한 고려

 

성형에 쓰이는 금형에 핫러너가 장치되어 있는 경우라면 핫러너 시스템의 체류시간을 배럴 체류시간에 더해줘야 한다. 핫러너 제조업체는 핫러너 시스템의 체적에 관한 정보를 제공해줄 수 있다. PS의 용융밀도를 핫러너 부피에 곱하면 매니폴드에 있는 PS의 중량을 구할 수 있다. PS의 용융밀도는 0.945g/cc다. 위의 계산과 비슷하게, 매니폴드 내의 플라스틱 중량을 샷 중량으로 나누어 매니폴드 내의 샷 수를 얻을 수 있다.

핫 러너 제조업체로부터 정보를 얻기가 어렵다면, 사출기 노즐 팁 오리피스에 용융수지에 사용할 수 있는 가능한 어두운 색의 플라스틱 펠렛 하나를 놓고 이것이 확실이 용융될 때까지 기다린다. 용융이 됐다면 펠렛을 그대로 두고 성형을 시작해 이 색을 나타내는 첫 번째 성형품이 나올 때까지 샷 수를 세어 배럴 내의 샷 수를 계산해낸다.

여기서 주의할 점은 이상의 작업을 수행하기 전에 반드시 내열 장갑, 긴 소매, 눈 보호 장구 및 기타 필수 안전장비를 착용하고 작업 과정에서 각별한 주의를 기울여야 한다. 

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20297   체류시간 및 체류시간 분포 ① 플라스틱코리아