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가소화 분석으로 용융 온도 제어



사출 성형에서 저온 플라스틱 고체 펠릿은 배럴의 스크류 회전 및 히터를 통해 가열되고 고온 상태의 용융물로 전달됩니다. 용융 온도는 제품 품질에 영향을 미칩니다. 온도가 너무 높으면 재료 열화 및 황변이 발생할 수 있습니다. 온도가 너무 낮으면 재료의 유동성이 감소하여 유동 저항이 커집니다. 용융 온도는 사출기 설정으로 직접 제어할 수 없지만 가소화 공정으로 간접적으로 제어할 수 있습니다. 가소화에는 용융 온도에 영향을 미치는 세 가지 주요 요인이 있는데, 이는 히터 온도, 스크류 속도 및 배압입니다. 가소화 공정이 재료 온도에 미치는 영향은 다음과 같이 해석됩니다.



스크류 회전 속도와 용융 온도의 관계


스크류의 회전은 소성 흐름을 유도하고 공정에서 생성된 전단열은 용융 온도를 증가시킵니다. 스크류 속도가 너무 높으면 재료 온도가 히터 온도에서 너무 많이 벗어납니다. 속도가 너무 낮으면 계량 시간이 늘어나고 생산 효율이 떨어집니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 스크류 속도가 높을수록 중앙 온도가 더 높습니다. 양면은 여전히 히터 온도이기 때문에 용융 온도가 고르지 않게 됩니다. 계량 시간을 줄이기 위해 스크류 속도를 높일 때 결과적으로 플라스틱의 온도 상승에 끼치는 영향을 인식해야 합니다.


[그림 1] 스크류 회전 속도와 용융 온도의 관계



배압과 용융 온도의 관계


계량하는 동안 스크류는 용융물을 배럴의 앞쪽 끝으로 옮기고 앞쪽 끝에 저장된 용융물은 압력을 상승시킵니다. 전면 압력이 배압보다 높으면 나사가 뒤로 당겨집니다. 배압이 너무 높으면 나사가 쉽게 후퇴하지 못하고 플라스틱과 나사 사이의 접촉 시간이 증가하여 전단열이 과도하게 발생하여 재료 온도가 상승합니다. 배압이 너무 낮으면 스크류가 너무 빨리 후퇴하여 공기가 포함될 수 있어 용융 계량이 정확하지 않거나 실제보다 적을 수 있습니다. 배압이 적절하면 플라스틱이 스크류와 상호 작용하는 적절한 시간을 만들어 용융 온도를 잘 제어할 수 있습니다.



히터와 용융 온도의 관계


각 히터는 일반적으로 재료의 온도 감도에 따라 설정이 다릅니다. 플라스틱이 녹기 전에 열은 주로 히터에서 나옵니다. 이때 플라스틱 온도는 히터의 온도보다 낮을 수 있습니다. 플라스틱이 녹아서 스크류의 뒷부분으로 들어가면 전단열이 점차 증가하고 용융 온도가 히터 온도보다 높아질 수 있습니다.


[그림 2] 히터와 용융 온도의 관계



가소화 시뮬레이션


가소화 시 플라스틱의 상변화와 스크류 회전의 공간변화를 고려해야 합니다. 두 가지 요인으로 인해 시뮬레이션이 너무 복잡해지므로 모델을 단순화해야 합니다. 고체 입자에서 플라스틱이 녹는 과정은 세 부분으로 나눌 수 있습니다. [1]: 상 변화 시뮬레이션의 기반이 되는 고체 층, 용융지 및 용융 필름. 스크류의 복잡한 형상의 경우, 풀림 방법을 사용하여 나사와 배럴 사이의 나선형 채널을 2차원 [2] 또는 3차원 [3,4] 채널로 곧게 펴고 스크류가 다음과 같다고 가정합니다. 고정되어 있고 배럴은 반대 방향으로 회전합니다. 그런 다음 동적 계산 필드를 고정된 공간으로 변환하여 계산 복잡도를 크게 줄일 수 있습니다. Moldex3D를 예로 들면 창에서 스크류 치수만 입력하면 소프트웨어가 시뮬레이션에 필요한 모델을 자동으로 완성할 수 있습니다. 단순화된 모델을 사용한 각 분석은 약 3분이 소요되며 데이터를 빠르게 생성할 수 있습니다.


[그림 3] 스크류 파라미터 설정



결과 해석


각 위치의 스크류 결과는 Moldex3D에 표시할 수 있습니다. 그림 4는 서로 다른 단면에서 스크류부터 배럴 표면까지의 온도 분포를 보여줍니다. 일반적으로 우리는 주로 최종 용융 온도에 대해 우려합니다. 여기서 가장 높은 온도가 히터보다 2℃ 높다는 것을 알 수 있습니다. 사용자는 용융 온도가 필요한 범위 내에 있는지 확인할 수 있습니다.


[그림 4] 용융 온도 분포


그림 5와 6은 각각 다른 위치의 평균 온도와 평균 압력입니다. 평균 온도는 모든 히터의 온도를 조정하는 기준이 될 수 있습니다. 평균 압력은 나사 회전 속도 및 배압 설정의 기준이 될 수 있습니다.


[그림 5] 포용 온도 분포


[그림 6] 평균 용융 온도 분포

그림 7은 다른 위치의 고체 플라스틱 비율을 보여줍니다. 값이 0이면 플라스틱이 완전히 녹은 것입니다. 이 그림에서 현재 조건의 플라스틱이 완전히 녹았는지 확인할 수 있습니다.


[그림 7] 용융 플라스틱 비율의 분포


아래 표는 시뮬레이션과 실험을 비교한 것입니다. 성형 조건은 스크류 속도 150RPM, 배압 4.5MPa입니다. 최대 온도 상승은 용융물과 히터의 최고 온도 간의 차이를 나타냅니다. 일반적으로 온도 차이가 작을수록 좋습니다. 이는 플라스틱 온도가 균일하고 히터 온도와 거의 동일하다는 것을 의미합니다. 가소화 시간은 스크류가 지정된 측정 위치에 도달하는 데 필요한 시간으로 냉각 시간보다 낮아야 하며 냉각 시간에 가까워야 합니다. 가소화 공정이 배럴 내부에서 진행되는 동안 이전 성형의 샷은 동시에 금형 내부에서 냉각됩니다. 가소화 시간이 냉각 시간보다 짧으면 플라스틱이 오랫동안 배럴에 남아 분해될 수 있습니다. 가소화 시간이 냉각 시간보다 길면 금형이 열리기 전에 계량을 완료할 수 없어 다음 주기가 지연됩니다.


[표 1] HIPS60의 시뮬레이션과 실험 비교



결론


Moldex3D의 가소화 해석은 배럴 내부의 압력 및 온도 변화뿐만 아니라 스크류 움직임을 평가하는 기능을 제공합니다. 동시에 재료 가소화 동안 다양한 공정 설정과 기하학적 구조로 인해 발생하는 온도 상승과 압력 강하를 관찰할 수 있습니다. 따라서 성형 조건을 보다 효율적으로 제어할 수 있습니다.



참조


  1. J.F. Agassant, P. Avenas, J.Ph. Sergent, P.J. Carreau, “Polymer Processing Principles and Modeling “, Hanser, Munich (1991).

  2. Tadmor, Z. (1966). Fundamentals of plasticating extrusion. I. A theoretical model for melting. Polymer Engineering and Science, 6(3), 185–190.

  3. Chang, R.-Y. and Lin, K.-J. (1995) ‘The hybrid FEM/FDM computer model for analysis of the metering section of a single-screw extruder’, Polymer Engineering and Science, 35(22), 1748+.

  4. Altınkaynak, A., Gupta, M., Spalding, M. A., & Crabtree, S. L. (2011). Melting in a Single Screw Extruder: Experiments and 3D Finite Element Simulations. International Polymer Processing, 26(2), 182–196.



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