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기술과 솔루션

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화학(연), 태양광 이용 ‘3차원 플라스틱 인공 나뭇잎’으로 유용한 자원 만든다

- 햇빛으로 지구온난화 가스를 자원화하는 3차원 플라스틱 인공 나뭇잎 핵심 원천기술 확보- 국제 학술지인 ChemCatChem 전면 표지(Front Cover) 논문으로 선정한국화학연구원 백진욱 박사(CO2에너지연구센터장) 연구팀이 태양 빛만을 이용해 이산화탄소로부터 포름산*을 선택적으로 생산하는 ‘3차원(3D) 플라스틱 나뭇잎’ 원천기술을 세계 최초로 개발했다.이번 기술은 그 가치를 인정받아 촉매과학분야의 국제 학술지인 ChemCatChem 전면 표지 논문으로 게재되었다.본 연구성과는 전 세계적으로 개발 초기 단계에 있는 미래원천기술인 ‘인공광합성’**을 지속적으로 연구하여, 기존 연구에서 진일보한 결과다.

이용우 2018-07-05

스마트 생산을 위한 주변 설비 통합제어 기술, LS엠트론의 CSI-C

설계, 조달, 생산, 서비스 등 전 제조 프로세스의 효율성과 최적화를 목표로 하는 4차 산업혁명은 궁극적으로 ‘스마트 공장(Smart Factory)’으로 귀결된다.널리 알려져 있듯이 스마트 공장 관련기술은 생산, 기계, 서비스 영역으로 나뉜다. 이러한 프레임 하에 유럽의 플라스틱/고무 제조자 협회(이하 Euromap)에서는 스마트 사출공장과 관계된 기술을 구분하였고, Euromap의 회원사인 유럽 사출성형기 제조사들은 각각 inject 4.0, Plastics 4.0 등의 캐치프레이즈를 내걸고 관련기술을 개발하고 있으며, 이러한 세계적 흐름에 발맞추어 LS엠트론 역시 “Connection”과 “Smart”의 관점에서 스마트 사출공장 대응 솔루션을 개발하고 있다. 본 고에서 소개하고자 하는 주변 설비 통합제어 시스템 CSI-C도 스마트 생산과 관련된 기술 중 하나이다.

박애영 2018-07-03

삼보계량시스템(주), 플라스틱 펠릿 이물질 선별기 ‘PLATON’

- 플라스틱 펠릿에 혼입된 이물질 및 이색 불량 펠릿 선별 자동화로 수익증대 및 품질향상- 투명에서부터 불투명, 유색까지 선별 가능펠릿 이물질 선별기가 왜 필요한가?삼보계량시스템(주)의 플라스틱 펠릿 이물질 선별기는 컴파운드나 마스터배치 생산업체에서 주로 사용된다.작업자가 일일이 수작업으로 불량품을 검수하던 방식을 기계자동화로 변환함으로써 작업자의 부담을 줄여주고, 장시간에 걸친 검수 시간을 단시간 내에 가능하게 만들어준다.또한 사람의 눈으로 자칫 놓칠 수 있는 불량 제품들을 선별기준이 명확한 이물질 선별기를 사용해 불량 검수율을 높이고, 출하 후 발생할 수 있는 소비자 클레임을 미연에 방지해준다는 장점이 있다.

박애영 2018-07-03

최신 복합소재 기술 동향 (Ⅱ)

Ⅰ. 서론다기능 복합소재는 부품의 수와 재료 사용량을 줄여 최종 제품의 성능 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있기 때문에 최근 쇼와덴코, 미쓰비시화학, 다우, 바이엘, 하니웰 등 글로벌 기업들과 LG, 한화 등 국내 대기업들이 탄소 기반의 다기능 복합소재 개발에 박차를 가하고 있다. 복합소재는 나노 복합소재, 하이브리드 복합소재, alloy 복합소재 등으로 나눌 수 있으며, 환경 및 에너지 문제 해결의 솔루션으로 기대되고 있다. 경량화 및 에너지 절감으로 에너지 효율화, 철강 생산의 부산물서의 탄소 폐기물 재활용 등 자원 절감 측면에서도 주목받고 있다.

이용우 2018-06-05

ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션 (5화)

1. 해석 모델그림 1은 칼텍(Caltech)에서 개발한 두 개의 대형 수냉식 동판에 유도가열을 이용한 금형 기기이다. 그림 1-(a)는 Semi-solidly 처리된 판을 만드는데 필요한 절차로, 처음에 수냉되어진 동판 위에 합금 물질을 놓고, Induction Coil에 AC 전류를 인가시켜 동판에 유도되는 전류로 가열시킨다. 그다음 2개의 가열된 동판을 부착시켜 합금 물질의 모양을 형성하고, 마지막으로 상부의 동판을 원래 자리에 위치시키면 합금 물질이 변형된 것을 확인할 수 있다.그림 1. 유도가열 금형 기기(출처: TMS/Journals/JOM)2. ANSYS Maxwell 해석 프로그램 소개ANSYS Maxwell은 전자기 시뮬레이션 소프트웨어로서 전동기, 액추에이터, 센서, 변압기 및 기타 전자기/전기기계 장치의 설계 및 분석에 사용된다. Maxwell을 이용하면 비선형, 전기기계 부품의 과도 상태 동작, 그리고 구동 회로와 제어 시스템이 설계에 미치는 영향을 정확하게 특성화할 수 있다.Maxwell은 6가지의 솔루션 유형을 제공한다. 앞서 설명한 그림1의 유도가열 금형 기기의 경우에는 Eddy Current Solver를 이용하여 전류와 주파수를 입력하고 이에 따른 유도가열 해석을 한 것이다. 그림 2는 Maxwell을 이용한 변압기, 솔레노이드, 모터의 Fields 분포 해석 사례이다.그림 2. 다양한 ANSYS Maxwell 해석 사례ANSYS Maxwell은 ANSYS Twin Builder와 연동하여 시스템해석이 가능하고, Mechanical 또는 Fluent와 연동하면 구조, 진동, 소음, 열, 유동해석 등이 가능하다. FEM 해석을 할 때는 2D(Triangular), 3D(Tetrahedra) Adaptive Mesh 기능이 있어서 초기에 Initial Mesh를 나누고 Energy Error가 수렴할 때까지 Refine Mesh를 진행한다. 그리고 Maxwell 2D, 3D의 재질 정보에 BH curve 및 BP curve, Hysteresis Curve 등을 입력하여 비선형 재질이 고려된 전자장 특성과 Copper Loss, Core Loss 등을 출력할 수 있다.3. ANSYS Maxwell을 이용한 유도가열 금형 기기의 전자장 해석A. 유도가열 원리Induction Coil에 AC 전류를 인가하였을 때 2개의 동판에 열이 발생하는 이유는 도체 물질에 수직 방향으로 시간에 따른 자속의 변화량이 있으면 도체 표면에 유도전류(Eddy Current)가 흐르면서 저항손실이 발생하고 열로 방출되기 때문이다. 여기에서 도체에 흐르는 유도전류의 깊이가 중요한 요소인데, 이 깊이를 침투 깊이(Skin Depth)라고 부르며, 계산되는 수식은 그림 3과 같다. 침투 깊이는 높은 투자율과 도전율을 갖는 물질에 높은 주파수로 자속이 변화하게 되면 얇은 두께를 가지게 된다. 침투 깊이가 얇을수록 전류가 흐르는 면적이 좁아지므로 큰 저항을 갖게 된다. 또한, 전류가 흐르는 루트 범위가 넓을수록 저항이 커지므로 높은 유도 가열을 발생시키기 위해서는 높은 주파수의 입력 전류가 인가되어야 한다.그림 3. 침투 깊이의 원리(출처 : Wikipedia)B. ANSYS Maxwell의 Pre-processingMaxwell에서는 자체적으로 Geo-metry Modeling이 가능하다. 내부적으로 User Defined Primitives 기능이 있어서 Motor, Generator, Trans-former, Inductor, Coil과 같은 형상을 간단하게 모델링할 수 있다. 그림 4의 해석 모델은 Draw > User Defined Primitive > SegmentedHelix > PolygonHelix를 이용하여 만든 것으로, 6턴의 코일과 2개의 동판으로 이루어져 있다. 형상 및 재질 설정이 완료되면 전류의 입력과 출력을 설정하고, 해석 범위를 가상의 공간으로 만들어서 경계 조건으로 설정한다.Eddy Current Solver는 Adaptive meshing을 통해서 자동으로 Energy error가 수렴할 때까지 일정 mesh 증가율로 mesh량이 증가 된다. Initial mesh 조건은 침투 깊이를 고려해서 2개의 도체 판의 표면에 설정하였다.그림 4. Maxwell의 Pre-processingC. ANSYS Maxwell의 Post-processingMaxwell 자계해석을 통한 유도 가열의 Fields 분포 출력은 전류밀도, 자속밀도, 손실분포 등을 주로 확인하며 Coil의 턴수, 직경, 분포에 따라서 유도 전류의 크기 및 범위가 결정된다. 그림 5는 전자장 Solving 후의 결과를 출력한 것으로, 그림 5-(a)는 Initial mesh를 설정하고 해석을 진행하면서 Refined Mesh를 통한 수렴 후의 Mesh 분포를 출력한 것이다. 유도 가열 관련 해석을 하는 경우에는 유도 가열되는 2개의 동판에 Initial mesh의 침투 깊이를 고려해서 설정해야 오차율을 감소시킬 수 있다. 그림 5-(b)는 2개의 동판에 유도 전류 밀도를 출력한 것이다. AC전류가 인가되기 때문에 전류밀도의 분포는 전류 위상각에 따라서 변화하게 된다. 그림 5-(c)는 저항손실 분포를 출력한 것으로, 기본 단위는 [W/m^3]로 단위 체적당 발생하는 손실을 뜻한다.그림 5. Maxwell의 Post-processing그림 6은 동판에서 발생하는 저항손실을 Fields Calculator의 기능을 이용하여 출력한 것이다. Fields Calculator는 특정 형상에 대해서 힘, 손실, 자속밀도, 전류밀도 등을 값으로 출력할 수 있다. 그림 7은 특정 grid point에서의 Fields data를 외부 *.fld 파일로 저장시켜주는 Export Solution 화면이다. Calculate grid points에서 직교, 원통, 구 좌표계 중에서 선택하여 Minimum, Maximum, Spacing으로 범위를 지정하고 OK를 누르면 설정한 범위 내에서 Fields data가 출력된다. Ohmic_Loss를 *.fld 파일로 저장한 것을 Heat Generation 값으로 Mechanical, Fluent, Icepak 등의 열 해석 프로그램에 소스로 입력하여 열 분포를 확인할 수 있다.그림 6. Calculator를 이용한 동판의 저항손실 값그림 7. Calculator를 이용한 grid points에서의 loss 데이터 추출맺음말지난 5회에 걸쳐 ANSYS를 통한 플라스틱 및 금형 시뮬레이션에 대해 알아보았으며, 이번 화에서는 합금 물질의 금형으로 사용되는 유도 가열기의 전자장 해석 방법과 해석 프로그램인 ANSYS Maxwell 소개로 마무리하였다.다양한 산업군에서 사용되고 있는 ANSYS가 앞으로도 금형 산업에서 많이 사용되어 다양한 해석적 접근 방법과 사례가 늘어나길 바란다.* 원고에 사용한 이미지는 TMS의 JOM Journals과 Wikipedia에서 인용하였음

이용우 2018-06-05

LS 프리미엄 사출성형기 the ONE* 시리즈(500~3,300톤)

사출성형기는 전방산업 분류상 의료, 패키징, 자동차, 텔레트로닉스, 가전 등에서 사용되고 있는 플라스틱 부품 생산을 위한 핵심 제조설비이며, LS 프리미엄 사출성형기 the ONE* 시리즈는 형체력 기준으로 500톤~3,300톤으로 구성되어 있다. 중량 기준으로 1kg~40kg의 부품을 생산하고 있으며, 주력 시장은 중대형 자동차, 패키징 및 가전 분야이다.

이용우 2018-06-05

LS엠트론의 가소화 부품 솔루션 후육 투명 화장품 용기 사출에 최적화된 ‘WIZ-E CPM 전용기’ (Cosmetic P

기계특징주요특징· Multi-Cavity, 고생산성에 유리· 다품종 소량생산에도 적합· 고품질 생산, 균일한 두께, 일정한 중량편차· 장시간 보압유지 가능적용제품· 화장품 용기· 후육 성형품적용수지· PETG, SAN

이용우 2018-05-11

마스터 배치 믹싱 성능 최적화를 위한 ‘MX 스크류’

자료제공: LS엠트론 사출시스템사업부현재 전 세계적으로 플라스틱 제품의 수요가 지속적으로 증가하는 추세에 있고, 관련 설비나 기술도 끊임없이 발전하고 있다. 또한 제품의 외관, 색상, 디자인에 대한 고객의 눈높이도 점점 높아지고 있기 때문에 플라스틱 제품에 원하는 색상을 부여하는 기술에 대한 니즈 역시 나날이 증가하고 있다. 동시에 생산성을 극대화하고, 제조원가와 불량률을 최소화하는 것 역시 플라스틱 제품 제조업에 있어서 포기할 수 없는 과제라고 할 수 있다. 플라스틱 제품에 색상을 부여하는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫 번째 방법은 착색상태로 공급하는 컴파운드 원료를 사용하는 것이다. 이 방법은 색상이 명확하고 별도의 전용 스크류가 필요하지 않다는 장점이 있는 반면에, 원재료비가 높아져서 제조원가가 상승한다는 단점이 있다. 두 번째 방법은 일반 원재료 수지에 마스터 배치를 혼합하여 사용하는 것이다. 마스터 배치는 플라스틱 착색제의 한 종류로, 여러 종류의 염·안료와 첨가제를 합성수지에 고농도로 분산해 최종제품의 목적에 맞게 생산되는 반제품 착색제다. 소량으로 전체 제품에 착색할 수 있기 때문에 원재료비 상승의 부담을 줄일 수 있다는 장점이 있어서, 최근 많은 업체에서 마스터 배치를 사용하고 있다. 하지만 가소화 실린더 내에서 짧은 시간 동안 마스터 배치를 완벽히 혼련하는 것은 굉장히 어려운 일이며, 최적화된 믹싱 스크류를 장착해야만 가능한 일이다. 대부분의 업체에서는 일반 스크류나 형상만 그럴듯한 믹싱 스크류가 장착된 설비를 사용하여 색상 불량이나 생산성 저하를 감수해야 하는 경우가 생기곤 한다.LS엠트론에서는 지난 수년 동안 사출성형기에 적용할 수 있는 마스터 배치 믹싱 전용 스크류 개발을 진행해왔다. 50년 이상 축적된 사출성형기의 설계 노하우와 독자적인 가소화 기술을 토대로, 유럽 선진사에서 사용하는 가소화 시뮬레이션 툴인 PSI 시뮬레이션 해석기술을 도입해 지난 2017년 초 LS 고유의 믹싱 전용 스크류인 MX 스크류를 개발하여 론칭하였다. 이에 본문에서는 LS엠트론의 ‘MX 스크류에 의한 마스터 배치 혼련 메커니즘과 실제 적용 사례’를 소개하고자 한다.1. 믹싱 전용(MX) 스크류<그림 1>에서 보는 것처럼 MX 스크류는 범용 스크류와 마찬가지로 공급부, 압축부, 계량부로 이루어져 있지만, 계량부 내에 믹서부를 포함하고 있는 점이 다르다고 볼 수 있다. 일반적으로 스크류의 공급부, 압축부, 계량부의 디자인에 따라 최상의 품질로 가소화(용융)할 수 있는 수지군이 달라지게 되는데, MX 스크류는 주로 마스터 배치 사용수요가 많은 패키징류 제품에 특화된 PP, PE, PS와 같은 수지군을 타깃으로 디자인되었다. <그림 2>는 MX 스크류로 PP, PE, PS 수지를 계량 시 멜팅 프로파일을 PSI 시뮬레이션한 결과로, L/D=16~18구간까지 전체 수지의 90% 이상이 완전 용융 상태에 접어듦을 알 수 있다. 또한 <그림 3>은 계량 시의 바렐 각 구간의 온도 프로파일을 나타낸 것으로, 전 구간에 걸쳐 이상 발열이 발생하지 않고, 설정 온도가 유지됨을 알 수 있다.< 그림 1 > MX 스크류< 그림 2 > PSI 시뮬레이션 - 멜팅 프로파일< 그림 3 > 바렐 온도 시뮬레이션 - 온도 프로파일수지 투입구를 통해 가소화 실린더 내로 들어간 수지와 마스터 배치는 스크류의 공급부, 압축부, 계량부를 거쳐 용융되고, 이 상태로 MX 스크류의 믹서부에 도달하게 된다. <그림 4>와 같이 믹서부는 분산부와 혼련부로 나뉘어 있고, 각각의 부위에서 마스터 배치는 수지 내에 분산, 혼련의 과정을 거치게 된다. 이 과정을 통해 최종적으로 계량이 완료된 수지는 색상이 100% 혼련된 상태가 되어 제품으로 성형할 수 있게 된다.믹서부 각 부위에서의 분산 및 혼련 메커니즘은 <그림 5, 6>과 같다. <그림 5>는 Maddock 믹서에서 마스터 배치가 분산되는 메커니즘을 평면도에 도식화한 것이다. 채널은 수지 및 마스터 배치의 이동 경로로써 골이 깊고, Barrier는 골이 얕지만 용융 상태의 수지가 지나갈 수 있을 만큼의 틈이 존재하며, Non-Barrier는 수지가 지나갈 수 없을 만큼 골이 얕게 구성되어 있다. 채널(IN) 내로 유입된 용융 상태의 마스터 배치는 스크류가 회전함에 따라 Barrier를 타고 넘으면서 마치 삶은 감자가 으깨지듯 작은 입자로 분산된다. 배리어를 타고 채널(OUT)으로 넘어간 마스터 배치 입자들은 Non-Barrier의 회전으로 인해 채널 밖으로 유출된다. <그림 6>은 Dot 믹서에서 수지와 마스터 배치가 혼련되는 메커니즘을 평면도에 도식화한 것이다. Dot 믹서가 회전하면서 용융된 수지에 난류(Tubulant Flow)를 생성하고, Maddock 믹서를 지나면서 입자 상태로 분산된 마스터 배치는 난류를 만나 고르게 혼련된다. 이렇게 혼련된 수지는 스크류 선단부에 모이게 되고, 이를 금형 내에 사출하여 원하는 색상의 제품 성형이 가능해지는 것이다.< 그림 4 > MX 스크류 믹서부 구성기본적으로 스크류의 믹싱 기능이란 가소화 실린더 내에서 수지가 진행 방향으로 원활히 흐르지 못하도록 일종의 장애물을 설치하는 것과 유사하다. 수지와 마스터 배치의 입자가 진행 도중 장애물을 만나 생긴 난류(Tubulant Flow) 속에서 서로 부딪치고, 뒤엉키도록 강제하는 것이다. 때문에 수지 진행경로인 유로(流路)와 유체의 흐름을 고려하지 않은 스크류 설계는 자칫 계량시간 지연 및 편차, 발열 등의 문제를 일으키기 십상이다. 시중에서 흔히 구할 수 있는 믹싱 스크류가 형상은 그럴듯해도 장착했을 때 가소화 문제를 발생시키는 것은 이러한 이유 때문이다. MX 스크류는 믹싱부의 주요 치수에 있어서 가소화 문제를 방지하고 믹싱 기능을 향상시키는 데에 최적화되어 있다. 2. MX 스크류에서의 성형 사례<표 1>은 MX 스크류를 적용한 업체의 실제 사례를 소개하고 있다.<표 1> MX 스크류 적용 사례이는 대표적인 사례만을 정리한 것으로 실제 필드에서는 사용 수지, 마스터 배치, 성형조건, 성형제품 등 너무나 다양한 조건의 케이스가 존재하기 때문에 일반화는 어렵겠지만, MK 스크류가 우수한 성능을 발휘하는 것만은 틀림없는 사실이다. 실제로 MX 스크류는 2017년 개발 완료 이후 국내외 약 100여 개 업체에 적용되어 사용되고 있는데, 아래와 같은 특장점을 가진 것으로 보고되고 있다.△ 고 사이클 계량(고 RPM, 저 배압)이나 소량의 마스터 배치 함량 등의 악조건에서도 우수한 믹싱 성능을 가진다.△ 가소화 실린더의 이상 발열 없이 전 구간 온도 안정성을 유지한다.△ 일반 싱글 플라이트 스크류 대비 계량시간 지연이나 편차가 발생하지 않는다.최근까지 집계된 조사 결과에 따르면, MX 스크류를 적용 시, 일반 범용 스크류가 장착된 설비와 비교하여 마스터 배치 사용량을 약 50% 절감할 수 있고, 계량시간을 30% 단축시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이는 사용자의 성형조건이나 성형제품, 설비 종류에 따라 편차를 보이지만, 마스터 배치를 사용하는 제품을 성형하는데 있어서의 MX 스크류의 우수성은 확실하다는 것이 확인된 결과이다. 현재 LS엠트론에서는 형체력 110톤급부터 2,000톤 중대형 급까지 MX 스크류를 적용할 수 있도록 개발을 완료한 상태이며, 고객의 요구에 따라 대응하고 있다.이상, MX 스크류에 의한 마스터 배치 믹싱 성형 솔루션에 대해 소개하였다. 사출성형기를 활용한 플라스틱 제품 제조 산업은 앞으로도 더욱더 발전할 것이라 생각된다. 또한 제조 산업에 있어서 생산성, 품질, 제조원가의 핵심요소 또한 변함이 없을 것이다. MX 스크류는 마스터 배치 사용제품 성형에 있어서 생산성과 품질을 극대화하고, 제조원가를 최소화시키는 솔루션이다. 앞으로도 LS엠트론에서는 가소화·성형 솔루션에 대한 연구개발에 집중하여 사용자의 기대에 부응하는 사출성형기 제품을 공급해나갈 것이다.

이용우 2018-05-09