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제목 간단한 압출스크류 성능평가 방법
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2018/08/05 08:42

간단한 압출스크류 성능평가 방법


스크류 설계의 바탕이 된 데이터가 많이 있지만, 가공업체는 대개 이 정보에 접근할 방법이 없다. 그 대신 스크류가 제대로 작동하고 있는지 알아보기 위한 방법으로 항력유동(drag flow)을 계산해본다.


압출 스크류의 설계에 있어 폴리머 특성, 성능요건, 압출시스템 등 여러 가지 세부사항들을 고려하다 보면 거의 무한한 양의 데이터를 바탕으로 삼아야 한다. 대부분의 가공업체는 이 같은 정보를 제대로 갖고 있지 않을 뿐 아니라, 스크류가 적정 산출량을 생산해나고 있는지 확인하는 데 어떻게 그 정보를 활용할 것인지도 제대로 알지 못한다.


그 결과 현장에서 많은 오해가 팽배해 있고, 최적화되지 못한 설계의 스크류가 계속 만들어지고 있는 것이 현실이다. 그렇다면, 스크류가 제대로 작동하고 있는지 알 수 있는 방법은 무엇인가? 상대적으로 간단하면서도 가장 유용한 스크류 성능평가 방법은 항력유동을 알아내는 것이다.


항력 유동은 스크류의 비속도(rpm)에서 계량구간이 초 당 회전량 절반에, 단위 환산 값과 폴리머 용융 비중을 곱하면, 헤드 압력이 없는 조건에서 시간당 산출량(lb/hr)이이 매우 정확한 근사치가 나온다. 이 계산법은 1950년대에 미국에서 주로 Western Electric사 연구자들의 노력을 통해 다음과 같이 개발되고 검증되었다:

1/2 π2 D2HN(sin?)(cos?) = in.3/sec

위의 식을 조금 더 정확하게 만들고자 하면, 스크류 채널의 폭/깊이 비율을 나타내주는 형상계수(shape factor)를 추가해주면 된다. 이 형상계수는 스크류 플라이트와 채널 형상이 만드는 엣지 효과(edge effect)를 보정해준다. 대부분의 스크류에서 계량구간의 형상계수로 0.95가 적당했다. 따라서 아래와 같이 해주면 된다.

0.95 (0.5) π2 D2HN(sin?)(cos?) = in.3/sec

더불어, 많은 수의 압출 스크류가 계량구간에서 표준 피치(플라이트 피치가 스크류 지름과 같다)를 사용하고 있다. 이는 표준 피치가 대부분의 경우 전체 성능에서 가장 우수한 조합을 보여주기 때문이다. 표준 피치라면 계산식의 (sin?)(cos?)을 0.289로 간단히 표시해줄 수 있다.


또한, 계산식 내의 (π2)는 9.87로 간단히 표시해줄 수 있고, N은 초당 회전 수(revolutions/ sec)이므로 스크류 rpm 1/60으로 바꾸어 아래와 같이 만들 수 있다.

(0.95) (0.5) (9.87) (0.289)(1/60) D2HN = in.3/sec
0.02258 (D2HN)= in.3/sec

여기서 D = 스크류 지름(screw diameter), H = 채널 깊이(channel depth), N = 스크류 회전속도(screw rpm)다.


이제 in.3/sec 로 표시할 수 있는 스크류 성능평가 값을 얻기 위해서 알아야 하는 것은 계량구간의 채널 깊이 뿐이다. 스크류 지름과 스크류 rpm은 이미 알고 있다고 가정했다. 산출량은 in.3/sec (초당 입방 인치) 단위의 값이므로, 비교를 위해서는 이를 lb/hr (시간 당 파운드)로 변환시켜주어야 한다. in.3/sec 단위 값에 130을 곱하면 lb/hr 단위의 값으로 환산할 수 있다.


하지만 압출 스크류는 용적을 다루는 장치이므로, 산출량 또한 폴리머의 용융상태 비중(고형상태의 비중이 아니라)에 맞도록 그 비중 값을 곱해주어 다시 한번 보정해주어야 한다. 모든 종류의 범용 폴리머의 용융비중 값은 인터넷에서 쉽게 검색할 수 있다. 스크류 계량구간 채널 깊이를 대입하면 이제 헤드 압력이 없을 때의 산출량을 얻을 수 있게 된다.


헤드 압력이 낮으면(2000psi 미만) 대개 이 값은 상당히 정확하다. 압력이 높거나, 폴리머 점성이 매우 낮은 경우라면 헤드압력으로 인한 산출량의 유실을 감안한 보정을 위해 다시 한번 계산이 필요할 수도 있다.


이 계산법은 싱글 스크류의 경우에만 사용할 수 있다. 2단계 (혹은 그 이상) 벤팅이 이루어지는 스크류라면, 계산에 사용해야 하는 채널 깊이는 스크류의 첫 번째 용융구간의 채널 깊이로, 이렇게 나온 수치는 매우 정확한 값이 될 것이다.


첫 번째 계량구간은 벤팅용 통기구가 개방되어 있는 한 헤드압력을 전혀 받지 않기 때문이다. 이렇게 얻은 계산결과와 실제 산출량이 크게 차이가 난다면 어떻게 해야 할까? 산출량을 떨어트릴 수 있는 원인은 여러 가지가 있을 수 있다.


이에 관해서 더 많은 정보와 계산이 필요하기 때문에 다음에 다루기로 하고. 실제 산출량이 계산을 통해 얻은 계량구간의 이론적 산출량에 미치지 못하는 가장 흔한 원인은 불충분한 원료 피딩 용량이다. 드물게는 고형 폴리머가 스크류 채널을 막아 용융성능에 심각한 장애가 생기는 경우도 있다.
스크류 설계에 대한 별 지식 없이도 이런 문제나 원인에 관해 매우 확실한 결론을 이끌어 낼 수 있는 외부적으로 측정 가능한 증상들도 있다.


또 다른 원인으로는 스크류가 피딩구간, 용융구간, 계량구간의 균형이 제대로 맞지 않는 설계를 가진 경우, 또는 산출량을 저하시키는 믹서나 기타 장치가 압출기에 장착되어 있는 경우도 있다. 하지만 이런 경우에는 스크류의 도면과 그에 대한 스크류 설계에 전문성을 가진 사람의 철저한 분석이 필요하다.


위에서 설명한 계산법은 스크류의 산출량이 대략 어떤 수준이 되어야 하는 지를 나타내주고, 혹시 더욱 세밀한 조사가 필요한지를 알려준다. 스크류 설계에 영향을 미치는 여러 가지 변수들이 있지만, 스크류 계량구간의 항력유동은 기대 가능한 산출량 수준을 매우 잘 나타내준다. 스크류 구간들 간의 적절한 균형을 위해, 대부분 설계가 계량구간을 기반으로 삼기 때문이다.

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