기술과 솔루션
스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화기술3
작성자 : 편집부
2020-06-06 |
조회 : 4999
II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식
2. 플라스틱 재료 (Plastic Material)
사출성형에 사용하는 플라스틱(Plastics) 재료는 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다. Polymer는 그리스어로, ‘Poly’는 ‘많음’을, ‘Meros(mer)’는 ‘부분’을 뜻하며, 증류탑에서 생성된 단량체(Monomer)를 중합공정을 거쳐 고분자(Polymer)로 만든다.
• 플라스틱은 고분자(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.
• 플라스틱은 가공(Processing) 중에 사슬분해(Chain Degradation)가 일어날 수 있다.
고분자(Polymer)는 동일한 탄소 뼈대를 가질 수 있지만, 결합형태나 결합된 원소에 따라 상당히 다른 특성을 가질 수 있다. 아울러 산소(O), 질소(N), 염소(Cl), 브롬(Br), 그리고 불소(F)가 포함된 고분자는 건조에 조심해야 한다.
고분자는 단량체가 결합하여 만드는 사슬(Chain)의 길이(Length)에 따라서 분자량(Molecular Weight)이 결정되며, 분자량이 높을수록 유동에 저항하는 정도가 높아지고, 물성이 좋아진다.
이러한 유동에 저항하는 정도를 점도(Viscosity)라고 하며, 산업현장에서는 MFI 또는 MFR을 이용하여 유동성이 높고 낮음을 구분하기도 한다.
* MFI(Melt Flow Index)는 10분 동안 흘러내린 재료의 중량을 이야기함.
2.1 플라스틱(Plastics)의 분류
고분자는 재연화(Re-softened) 될 수 있는 유무에 따라서 열가소성(Thermoplastic)과 열경화성(Thermoset)수지로 분류할 수 있으며, 다음 분류표(그림 39)와 같이 사용하는 용도 또는 목적에 따라 분류하기도 한다.
열가소성(Thermoplastics)은 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지로 분류되기도 하며, 산업현장에서 사용되는 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Amorphous) 수지의 종류는 다음과 같다.
2.2 반결정성(Semi-crystalline)과 비결정성(Armophous) 수지의 특성 비교
2.2.1 용융과정(Melting Process)
비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 내부에 단단한 결정구조의 유무와 이에 따른 녹는 메커니즘의 차이로 구분되기도 한다. 비결정성 수지는 버터와 같이 녹는 점(Melting Point)을 정할 수 없는 매우 넓은 온도 범위에서 서서히 녹으며, 반결정성 수지는 녹는 점(Tm)에서 갑작스러운 상변화를 일으킨다.
Tg는 유리 전이온도(Glass Transition Temperature)이며, 가열 중에 이 온도를 지나면 폴리머(Polymer)가 급격하게 고체(Solid)상태에서 고무(Rubbery) 상태로 변화한다.
Tm은 녹는 온도(Melting Temperature)로써, 가열 중에 이 온도를 지나면 반결정성 폴리머(Polymer)만 급격하게 고무(Rubbery) 상태에서 결정이 없는 상태로 변화한다. 이때 투명하게 변화하고 유동성이 급격히 향상된다.
2.2.2 냉각/수축 과정(Cooling/Shrinkage Process)
비결정성(Amorphous)과 반결정성(Semi-crystalline) 수지는 냉각과정에서 결정 형성 유무에 의하여, 수축률의 차이를 보이며, [그림 41] 우측의 그림(P-V-T 선도)에서 보는 바와 같이 반결정성 수지는 비결정성에 비하여 큰 체적수축(△V)을 발생시킨다.
P-V-T 선도에서의 기울기는 냉각속도에 의하여 결정됨으로, 비결정성 및 반결정성 수지에 있어서 냉각속도에 영향을 주는 인자(냉각 회로설계, 냉각수 유속, 냉각수 온도, 수지 온도)들을 제어하는 것이 중요하다.
• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 냉각속도는 훨씬 더 중요한 인자이며, 초기 설계 단계에서부터 세심한 주의가 필요하다.(*결정화도는 냉각속도에 반비례한다.)
• 부품의 치수(Dimension)는 반결정성(Semi-crystalline) 수지인 경우에 냉각속도의 영향이 크다.
• 부품의 치수(Dimension)는 비결정성(Amorphous) 수지인 경우에 냉각속도에 영향을 받지만, 압력의 변화에 더욱 민감하다.
2.3 플라스틱에 사용되는 첨가제(Additives)
아래는 일반적으로 플라스틱에 사용되는 첨가제를 사용 목적에 따라 분류한 것이다.
• 플라스틱은 중합체(Polymer)와 첨가제(Additives)의 혼합이다.
• 첨가제는 재료의 변동성(Variability)을 증가시킨다.
• 재료의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 함께 나타난다.
2.4 플라스틱의 점도(Viscosity)
유체의 흐름에서 저항의 크기를 나타내는 양을 점도(Viscosity)라고 한다. 즉 끈적거림의 정도를 표시하는 것으로서 유체가 유동하고 있을 때, 인접하는 유체 층간에 작용하는 단위 넓이 당의 전단력(shear Stress)은 그 위치의 속도 구배(Gradient)에 비례하며, 이 비례 정수를 점도(Viscosity)라고 한다.
점도가 일정하지 않고 위의 [그림 42]에서와같이 전단율(Shear-Rate)이 변화할 때에 점도도 변화하는 유체를 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)이라 말한다. 이는 사출 공정 중에 점도가 유로(Flow Path)와 관계된 사출기와 금형의 기하학적 구조에 따라 변화된다는 것을 의미한다.
사출기나 유압 센서에서 충진(Filling) 공정의 압력 곡선의 아래 면적(Area)은 재료의 점도와 밀접한 관계가 있으며, 이를 유효 점도(Effective Viscosity)라고 한다. 이를 모니터링(Monitoring)하여 실시간으로 재료의 변화를 감시하고 생산관리를 수행하는 데에 사용 가능하다.
• 플라스틱은 비뉴턴 유동(Non-Newtonian Flow)을 한다.
• 점도(Viscosity)의 변화가 사출성형 공정에서 발생하는 문제점들의 근원(Root)이다.
• 공정의 변동성(Variability)은 점도(Viscosity)의 변화와 직접적으로 관계한다.
2.5 플라스틱의 압축성(Compressibility)
플라스틱은 유체상태에서 압력이 증가함에 따라 체적(Volume)이 감소하며, 이를 압축성(Compressibility)이라고 한다.
• 비결정성(Amorphous) 수지의 경우, 100bar당 최대 1/2%
• 반결정성(Semi-crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 3/4%
• 결정성(Crystalline) 수지의 경우, 100bar당 최대 1%
이것은 전체 치수가 재료 특성에 따라서 100bar당 1/2%에서 1%까지 변화할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 아래와 같이 치수에 영향을 미치는 다른 요인이 있으므로 유의하여야 한다.
• 수지 배향성(유동과 유동 직각 방향의 서로 다른 수축률)
• 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)
• 유리섬유와 같은 긴 충진물(Filler)
• 금형 캐비티(Cavity) 내의 압력을 제어하는 것이 성형품의 치수 변화와 변형을 최소화하는 열쇠이다.
2.6 결정성(Crystalline) 수지의 결정화도(Crystallinity)
결정성 또는 반결정성 수지의 결정화도(Degree of Crystallinity)는 냉각속도에 크게 영향을 받는다. 그러므로 성형조건이나 금형 냉각조건에 대한 최적화와 관리가 절대적으로 필요하다.
냉각속도가 빠르면, 결정화도가 적어지며, 반대로 냉각속도가 느리면 결정화도가 커지게 된다. 다음은 결정화도에 다른 물성의 변화를 보여준다. (표 4)
2.7 플라스틱의 분해(Degradation)
2.7.1 고분자 사슬 분해(Polymer Chain Degradation)
고분자 사슬은 강하지만, 부적절한 성형(processing)에 의해서 고분자의 사슬(Chain)이 끊어질 수 있다. 이는 성형품의 성능 저하로 이어지고, 점도(Viscosity)가 낮아져 흐름성(flowability)이 좋아지게 된다.
부적절한 성형에는 다음과 같은 경우가 있다.
• 과도한 열(Heat)
• 건조나 용융과정 중 고온 상태에서의 과도한 체류 시간(Time)
• 계량이나 사출 중에 받는 과도한 전단력(Shear Force)
• 화학물질(예: 물)에 의한 사슬 분해(끊김)
• 흡습성(Hygroscopic) 수지의 경우에 적절한 건조는 분해를 방지하기 위하여 필수적이다.
2.7.2 첨가제의 분해(Additives Degradation)
첨가제는 고분자에 비하여 사슬(Chain)의 크기가 매우 작으므로, 성형 중에 쉽게 분해되거나 휘발하여, 다음과 같은 결과를 유발할 수 있다.
• 금형의 벤트(Vent)나 캐비티 표면에 휘발성 물질이 잔류 → 표면 문제 발생
• 기계적 물성의 변화
• 유동성 저하(점도가 높아짐)
• 첨가제의 함량(% Content) 변화가 신재(Virgin)와 분쇄재(Regrind) 간의 가장 주요한 차이점이다.
2.8 수분(Moisture)과 플라스틱
수분은 비정상적인 성형조건(과도한 열, 체류 시간, 전단력 …) 하에서 플라스틱이 분해되기 쉽게 만들며, 특히 수분흡수가 쉬운 재료(Hygroscopic)일 때 매우 주의하여 건조 공정을 모니터링 해야 한다.
수분을 함유하는 방식에 따라 플라스틱을 분류할 수 있으며, 수분이 폴리머의 외부에서 응축하는 소수성(Hydrophobic), 수분을 흡수하는 흡습성(Hygroscopic)으로 분류하며, 흡습성은 수분이 단순히 내부에 침투하는 친수성(Hydrophillic)과 열과 함께 수분이 폴리머의 체인을 분해하는 가수분해성(Hydrolyzable)로 나눌 수 있다.
가수분해성(Hydrolyzable) 플라스틱을 재료로 성형하는 경우에는 건조기의 조건과 유지관리(Maintenance)에 보다 중점을 두어야 한다. 외관상으로는 문제가 없어 납품 처리된 제품이 물성 저하로 인하여 사용/작동 중에 문제가 발생할 가능성이 있기 때문이다.
건조기의 관리/모니터링 인자(Factors)는 유속(CFM), 온도, 체류 시간, 그리고 이슬점(Dew Point)이 있으며, 기타 요인으로는 펠릿의 크기와 관리상태 등이 있다.
★ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 – 재료관리 측면
사출성형에서 재료의 관리는 공정 최적화의 기본이 된다. 균일한 재료가 공급되지 못하면, 공정상의 모든 변수가 변하게 되며, 결국 균일한 제품을 생산할 수 없게 된다.
(그림 47)은 사출기에서 용융된 재료가 동일한 점도를 가지고 있는 지를 관리하는 방법으로 유효 점도(Effective Viscosity)를 모니터링(Monitoring) 하는 예제이다. 동일한 Grade의 재료일지라도 생산 로드(Lot)가 변화하면 내압이 변화하는 모습을 보여준다.
재료의 수분 관리를 위하여, 수동으로 일정 시간 간격을 두고 수분 측정기나 이슬점 측정기를 이용하여 수행할 수 있다. 수동적(Manual)인 관리는 사람에 의하여 데이터의 누락, 관리 포인트의 상이, 측정 조건의 불일치 등이 발생하여 효율성과 정확성이 떨어짐으로 습도 센서를 이용하여 자동적(Automatic)인 관리와 감시 체계를 확립하는 것이 필요하다.
