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제목 미니어처 압출 스크류에 대해
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2020/08/31 14:53

미니어처 압출 스크류에 대해

적층제조가 발전하면서 매우 작은 소형 스크류가 이전보다 널리 사용되고 있다. 적층제조의 성장과 함께 일반화 되고 있다. 이런 미니어처 스크류의 설계 시에는 필요 출력과 토크 강도 사이의 균형을 맞추는 것이 특히 중요하다.

 

펠렛 또는 분쇄 스크랩을 사용하려면 매우 작은 소형 스크류 공급부(feed sections)를 스크류의 나머지 구간 출력에 비례해 더 깊게, 다시 말해 그만큼 더 큰 압축비로 만들어야 한다. 이는 스크류가 진입하는 구간 치수가 작고, 스크류 채널 내의 원료 입자 수가 훨씬 적어 압축비가 낮아지기 때문이다. 스크류 공급부의 채널 깊이를 늘리면 당연히 스크류의 토크 용량이 낮아지게 된다.

적층제조 장비에서 용융 폴리머의 공급을 위해 폴리머 필라멘트를 공급해주는 힛건(heat gun) 대신 소형 압출기를 사용하는 경향이 두드러지고 있다. 소형 압출기는 성형품 적층 속도 또는 출력을 높여주고 원료 비용을 절감해준다. 폴리머의 열 전도율이 낮기 때문에 힛건의 출력은 제한적이고 필라멘트의 비용도 펠렛 1 파운드(450g) 당 5배 또는 그 이상의 비용이 든다. 적층제조 장비에 사용하는 경우든 아니든, 매우 작은 소형 스크류 설계 시에는 필요 출력과 토크 강도 간의 균형을 맞추는 것이 특히 중요하다.

적층제조용 압출기는 통상적인 압출 가공전문가가 운전하지 않는 경우가 많고 가열이 이루어지지 않은 상태에서 가동을 시작하는 것이 불가피하기 때문에 이 문제가 더욱 중요할 수 있다.

이런 용도로 사용할 때는 스크류 강도가 구동장치가 제공하는 가용 풀 토크를 넘어서야 한다. 그래야 가열이 충분히 이루어지지 않고 가동할 때 구동장치 토크가 구동장치의 최고 용량 수준으로 급상승해도 스크류가 파손되지 않는다.

힛건과 비교해 소형 압출기는 성형품 적층속도 또는 출력을 높여주고 원료 비용을 절감해준다.

스크류 파손을 방지하기 위해 활용할 수 있는 충분히 확립된 기계공학적 원리를 이용한 비교적 간단한 계산식이 있다. 구동장치가 제공 가능한 토크는 다음과 같이 계산하면 된다:

구동장치 토크 (in.-lb[인치-파운드])

=(마력×63025)÷최대 스크류 속도

 

예를 들어, 필자는 최근 1750rpm의 최대 속도를 가진 2마력 구동 모터에, 10:1 기어 감속기(리듀서)를 결합해 최대 스크류 속도 175rpm을 얻을 수 있었다.

가용 토크 = (2.0 x 63025) ÷ (1750/10)

= 720 in.-lb의 토크.

 

스크류 토크는 다음과 같이 계산한다:

스크류 토크 = 16T/(πd3))

 

비틀림 강도는 구동장치의 가용 토크의 16배를 πd3로 나눈 값과 같다. 여기서 (d)는 스크류에서 구동장치에 가장 가까운 가장 깊은 부분, 즉 공급부 골지름이다. 한 예로 공급부 골지름이 0.325인치, 루트 지름이 0.625인치인 지름 스크류를 들 수 있다.

토크 강도=(16×720)÷(π×(0.325)3) = 106,820 psi

비틀림 강도는 샤프트 중심 0부터 가장 바깥쪽 표면의 최대값까지 큰 변동을 보인다. 이것이 바로 스크류 토크로 인한 불량 발생 시 균열이 처음에는 외경의 플라이트에서 나타나기 시작해 중앙으로 확장되어가는 이유다.

일반적인 형태(사각형, 원형, 삼각형 등)의 비틀림 강도를 파악하기 위한 다양한 형상 계수들이 있다. 이 계수들은 실험을 통해 개발되었지만 실제 스크류의 단면에는 정확히 적용되지 않는다. 결과적으로 스크류 골의 둥근 부위는 총 비틀림 강도보다 낮은 강도를 보이지만 가장 널리 사용되게 된다.

적층제조가 확산되면서 매우 작은 소형 압출기 스크류(연필의 크기와 비교해 보라)가 이전보다 널리 사용되고 있다. 사진에서 보는 스크류는 5/8인치 지름에 전체 길이가 16.28인치다.

압출 스크류에 일반적으로 사용되는 강철은 열 처리 경도 32 Rc로 열처리된 4140 강으로 인장강도는 145,000 psi이다. 강철의 전단 강도는 보수적으로 잡아 인장강도 0.577%로, 스크류 플라이트가 강도를 확실하지 않은 범위로 증가시키기도 하지만, 허용 가능한 비틀림 응력은 83,655 psi이다.

즉, 위에서 언급한 5/8인치 스크류의 주입부 구동장치에 완전히 부하가 걸렸을 때 최대 설계 강도 128%의 응력을 받게 된다. 원하는 출력을 얻기 위해서는 스크류 깊이를 줄이고 최대 스크류 속도를 증가시켜줘야 한다. 그렇지 않으며, H-13과 같은 고강도 강철을 사용하는 것도 방법이다.

이 H-13 강철은 Rc 52의 경도에서 인장 강도가 289,000 psi이며, 비틀림 응력은 166,753 psi 또는 필요한 강도보다 훨씬 높을 수도 있다. 코폴리에스터를 부식 문제 없이 가공하기 위해서 H-13 공구강을 스크류 소재로 선택한 경우를 예로 들 수 있다.

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19663   압출 가공업체가 알아야 할 중요한 폴리머 용융 방정식 플라스틱코리아