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제목 플라스틱 컴파운딩용 압출기 시뮬레이션 소프트웨어의 개발 동향
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/03/01 14:02

 

  

최근 15년간 산업계는 다양한 종류의 기능성 플라스틱 제품 수요가 증가하고 있다. 자동차 분야는 강화 및 경량화 제품을, 전기/전자 분야에서는 전기전도성 또는 열전도도가 높은 제품을, 생활용품 분야는 친환경적인 제품 등을 요구하듯 각각의 영역에 따라 요구사항이 점점 높아지고 있다.

또한 이러한 기능들이 여러 개 뒤섞인 복합적인 기능을 요구하고 있기도 한다. 각각의 제품들은 폴리머, 첨가제, 충진제들의 종류와 혼합비율에 따라 특성이 변하며, 그 조성이 일부분만 달라도 수요처는 사용가능 여부에 영향을 주기 때문에 특성이 조금씩 다른 수많은 등급의 제품군이 형성된다.

압출기를 사용하는 컴파운딩 과정에서 다양한 재료들의 혼련 효과를 높이기 위해 일반적으로 이축압출기(TSE-Twin Screw Extruder)를 사용하고 있다. 원재료의 종류, 필러의 종류와 함유량에 따라 이축압출기 스크류의 배열과 운전조건 등이 변경돼야 하는데, 이를 정형화하는 것이 쉽지 않아 플라스틱 가공업계가 겪고 있는 난제 중 하나이다.

실제 상황에서 압출공정에 관련한 각종 물리화학법칙의 상호작용을 명확히 이해하고, 압출 테스트나 초기 운전조건을 확정하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 대부분의 생산현장에서는 결과적으로 압출이 성공했거나 실패했다고 하는 결과만 다룰 뿐이다.

  

 

시뮬레이션 소프트웨어의 사용목적

압출기를 이용한 컴파운딩 과정에서 제품 품질에 영향을 주는 기본적인 3가지 요소가 있다. 그 요소로는 기계의 기하학적 구조, 재료의 물성, 압출기의 운전조건 등으로, 이 3가지 요소와 혼련효과 사이에서 관계를 시각적으로 또는 계측기를 이용해 확인하기는 쉽지 않다. 때문에 현실적인 방법으로 주로 시뮬레이션(전산모사) 소프트웨어를 이용한다.

시뮬레이션 소프트웨어를 사용할 경우 처음부터 실질적인 테스트나 실험을 굳이 할 필요는 없다. 단지 실험을 대신할 입력자료만으로도 충분하다. 시뮬레이션에서는 입력자료가 압출모사의 품질을 좌우하는 중요요소가 된다. 기술지원을 하는 과정에서 느끼는 것이지만, 고객들로부터 부실한 입력자료를 제공받는 경우가 많다.

이 경우 절대로 신뢰할 만한 결과값이 도출되지 않는다. 반대로 신뢰성이 높은 실질적인 자료가 입력될 경우 최종 시뮬레이션 결과는 높은 단계의 만족할 만한 결과를 볼 수 있다. 최근 출시되는 시뮬레이션 프로그램들의 경우 실제 장비에서 측정한 값들과 비교했을 때 크게 다르지 않은 결과값들을 제공한다.

입력 데이터의 핵심은 특별히 재료의 물성을 입력변수화하는 것과 밀접한 관계가 있다. 최근 압출기에서 가공된 제품들은 다종의 폴리머가 혼합되거나 액상필러, 가스, 기능성 충진제 등 다양한 종류의 첨가제가 투입되며, 여기에 반응압출 등 다양한 물리 화학적 현상이 수반돼 압출이 진행된다. 이러한 압출과정에 유효한 솔루션 제공은 재료에 대한 입력데이터가 좀 더 정확해야 한다.

그럼, 입력데이터가 완벽하지 않으면 시뮬레이션은 의미가 없나? 그렇지도 않다. 지금까지의 경험을 살펴봐도 유용한 영역 내의 일부 입력데이터만으로도 시뮬레이션을 실행할 가치가 있다.

올바른 방법으로 수행한 시뮬레이션은 경향성이 높은 결과를 제공해 가치 있는 정보로서 사용이 가능하다. 이를 통해 얻은 결과로 모사프로그램은 다음과 같은 많은 도움을 줄 수 있다.

● 제품 출시시간의 단축: 시뮬레이션은 빠른 신제품 출시를 위한 기본적인 도구이다. 주어진 재료의 물성과 장비 제원을 기준으로 투입량, RPM 등 운전조건을 빠르게 파악할 수 있어 생산까지 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

● 생산라인의 최적화: 시뮬레이션의 지원을 받아 스크류를 포함한 장비의 제원과 재료, 운전조건 등에서 기계적 상관관계 파악이 가능해 공정 셋팅이 쉽고 스크류 디자인(조합)도 쉽게 수행할 수 있다.

● 동일한 제품 품질의 확보: 이종 장비, 다른 현장에서 생산된 제품들 사이에서도 동일한 품질을 유지할 수 있다.

● 재료 합성의 리엔지니어링: REACH와 같은 법규의 규제 또는 기계 장비 등의 변경에 따른 재료 혼합비의 역설계가 가능하다.

 

 

시뮬레이션 소프트웨어의 적용

당연한 말이지만, 시뮬레이션 제품들은 시장의 필요에 의해 발전해 왔다. 컴파운딩 산업에 있어 중요한 이슈는 고기능성 제품들을 생산하는 것으로 그동안 시뮬레이션 소프트웨어들을 이용해 새로운 제품의 생산과정을 모사해보길 원해 왔다. 개발자 관점에서 보면 실질적 테스트 없이 실험해 보고자 하는 제품의 조성을 여러 가지 형태로 바꿔가면서 진행해볼 수 있음을 의미한다.

이제 단순한 구조의 폴리머 시대는 갔다. 오늘날 대부분의 폴리머 구조는 필러나 첨가제의 비율이 증가하는 추세이다. 일반적으로 55~60% 이상의 필러가 포함되는 추세이며, 요구에 따라 더 많은 양이 함유되는 경우도 있다.

이런 새로운 제품은 어떻게 공정 모사를 진행해야 할까? 이에 대한 답변을 하자면 모사 프로그램들은 그러한 조성들을 프로그램상에서 해석이 가능하도록 알고리즘을 꾸며야 한다. 알고리즘에는 고체나 액체상태의 첨가제들이 유체의 흐름에 어떠한 영향을 주는지 적용이 가능한 유변학적 모델 등이 적용돼야 한다.

시뮬레이션 소프트웨어는 기존 기술들에 대한 적용뿐 아니라 새로운 시장에 적용도 가능하다. 예를 들면 단순히 기술적인 컴파운딩에 사용되는 게 아니라 위에 언급한 고함량 고체 필러의 유동현상부터 제약분야의 핫멜트 압출(HME - Hot Melt Extrusion)분야에도 적용이 가능하다.

게다가 압출기술이 향상되고 재발견될수록 압출기는 단순한 혼련용이 아닌 연속생산이 가능한 반응장치 용도로 사용된다. 이 경우 혼련정도, 온도, 체류시간의 조합을 통해 화학반응의 개시시점을 조절한다.

화학적 반응은 재료에 특별한 구조나 특성(가교나 열화 등)이 발현될 수 있는 시점을 찾는 것이 중요하다. 또한 화학반응에 의한 폴리머의 열화현상은 제품 특성을 떨어트리는 요인이 될 수도 있다. 이러한 열화를 방지하거나 반응시기를 조절하기 위해 모델링을 사용하는 것은 매우 흥미롭다.

  

 

시뮬레이션 소프트웨어 개발

컴파운딩 시뮬레이션에서 중요한 포인트는 재료와 기하학적 구조를 어떻게 모델링할 것인가다. 재료 측면에서 어떤 유변학적 모델을 채택할지 고려해야 한다. 즉 재료의 기계적 물성을 결정짓는 일반적인 분석적 방법으로 모델링하는 것은 충분하지 않다.

아레니우스나 마롱 앤 피어스 법칙같이 열이나 점도 데이터를 모델링에 적용 가능하도록 적절한 관련법칙을 선정해야 한다. 반면 에 압출기 제작사들은 새로운 요구에 맞춰 개발되는 특수용도의 압출기용 스크류 제작에 연구를 집중해야 한다. 그렇게 개발된 스크류가 어떻게 재료의 흐름에 영향을 주는지 파악해 프로그램에 연결할 수 있다.

특별히 비자정형(non-self wiping) 스크류는 모델링 법칙을 다시 써야 하는 새로운 종류의 부품이다. 그런 부품은 3D CFD 프로그램을 이용하면 쉽게 모사할 수 있지만, 보다 쉽게 접근이 가능한 1D 모델은 더 많은 정성을 기울여야 한다. 일반적으로 1D 시뮬레이션 프로그램의 경우 압출기 모든 영역에 걸쳐 모사가 가능하며, 전 영역에 걸친 해석에 필요한 시간도 수십 초 정도로 매우 짧다.

압출기의 전 영역에 걸친 기하학적 구조, 운전조건 등을 빠른 시간 내 프로그램에 입력이 가능하며, 재료의 열-기계역학적 자료들도 보다 쉽게 설정할 수 있다. 또한 일부 프로그램에서는 DoE(design of Experiments) 기능이 제공돼 좀 더 다양한 경우의 수를 쉽고 빠르게 모사할 수 있다.

예를 들면, 각각의 조건을 하나씩 변경하여 실행시키는 것을 경우의 수만큼 반복하는 게 아니라 아래 그림 2와 같이 압출량, RPM, 온도 등 변경이 가능한 여러 종류의 조건을 설정, 한 번에 결과값을 도출할 수 있다. 이후 녹색영역 내에서 최적의 조건(경우의 수 중 하나)을 파악해 실제 압출에 적용해보는 방법이다.

또한 1D 프로그램에서는 일반적인 조건의 폴리머 컴파운딩뿐만 아니라 특수한 기능을 부여할 수도 있다. 반응 압출, 유리섬유의 분쇄, 발포, 마이크로파 가열, 등 조건을 추가로 부여해(물론 알고리즘상에 모델링 구현을 해야 하지만) 모사를 진행할 수도 있다. 강화플라스틱 개발에서 압출기 내의 유리섬유를 원하는 길이로 유지해야 하는데, 그림 3과 같이 적절한 압력과 전단속도가 발생할 수 있도록 스크류 조합과 위치를 디자인할 수도 있다.

다른 한편으로 압출기 전체가 아닌 일정 영역의 구간을 중점적으로 살펴보기에는 3D CFD 프로그램이 유용하다. 3D CFD 프로그램의 해당 구간의 혼련 정도를 파티클을 투입해 아래 그림과 같이 직접적으로 모사해볼 수 있는 장점이 있다.

하지만 전산유체 전공자가 아니거나 컴퓨터가 고성능이 아닌 경우 범용 3D CFD프로그램을 이용해 유체 흐름을 모사하기는 쉽지 않다. 모델링 과정에서 혼련구간에 적용할 각종 현상(구간 체류시간, 구간 전단력 분포, 파티클의 유동선 및 분포 등)을 적용해 프로그램에서 계산하도록 하기가 쉽지 않기 때문이다.

 

폴리머 압출 회사와 소프트웨어 개발사간의 협력

SCC(www.scconsultants.com)사는 압출 관련 시뮬레이션 소프트웨어를 개발, 컨설팅하는 회사로, 폴리머 프로세스 및 믹싱 분야의 협력할 파트너를 찾고 있다. 유럽내에서 수행한 수많은 연구사례를 통해 실체적 지식과 소프트웨어 사용에 관한 방법론에 접근할 최선의 파트너가 될 수 있다. 최근에 수행한 연구는 각종 폴리머와 다양한 압출기 내에서 천연섬유의 유동현상을 모사하고 실증하는 것으로 우드 파이버의 최적 분산조건을 찾아내는 것이었다. 결론적으로 소프트웨어의 도움을 받을 경우 시험횟수의 반을 줄여 제품 출시까지 스피드가 올라감이 입증됐는데, 기본적으로 시험횟수의 50%, 재료비의 50%, 제품 출시까지 걸린 시간은 30% 가량 줄어 들었다.

현재 유럽 내에서 진행중인 프로젝트는 액상첨가제 혼합, 가스사출, 재료간의 혼합에 관한 새로운 법칙 적용 등에 관해 검증이 완료되면 바로 소프트웨어에 적용, 사용자들이 쉽게 해당 현상을 모사하도록 할 예정이다. 압출 및 믹싱 관련 시뮬레이션 및 협력을 원하면 strategic initiatives program을 이용할 수 있다.

  

  

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