가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 2 

WITTMANN innovations (Volume 14 - 2/2020)

Filipp Pühringer/heads the WITTMANN BATTENFELD

Process Engineering Development Department.

8월호 Part 1시리즈에서는 가소화 장치의 기본 설계와 사출장치의 올바른 선택이 논의되었다. 사출량을 기준으로 필요한 스크류 직경을 결정하는 방법도 설명했다. 평균 체류시간에 대한 공식을 적용함으로써 활용률 및 열 재료 부하를 추정할 수 있다. 후자는 고급 제품 품질을 달성하기 위해 낮게 유지되어야 한다.

최대 사출 압력과 사용 가능한 스크류 토크는 성공적인 사출성형 생산을 위한 추가 주요 변수이다. 이러한 고려 사항은 배럴 및 스크류 조합 선택의 기초가 되며 추가 최적화를 위한 출발점이기도 하다. 이 기획 시리즈의 두 번째인 Part 2에서는 3-존 스크류의 예를 사용하여 주어진 스크류의 형상을 시뮬레이션 평가하는 기본 방법이 제시된다.

스크류 구조 개발(Developing a screw geometry)  

대답해야 할 첫 번째 질문은 스크류 구조를 개발할 때 어떤 목표를 추구해야 하는가? 이다. 유동률 증가, 용융 온도 감소, 혼합(blend) 품질 개선 등과 같은 목표를 명확하게 정의할 수 있다. 원하는 결과가 스크류 구조에 간접적으로만 연결되는 즉시 요구 사항이 더 복잡해지거나 예를 들어, 플라크(plaque)의 형성을 감소시키는 것이 바람직한 경우, 또는 마모 거동 및 전달 안정성이 개선될 필요가 있는 경우, 여러 원인에 기인할 수 있는 경우, 스크류 장치에 대한 이러한 여러 요구는 종종 서로 충돌한다.

여러 다른 목표 간의 이러한 충돌을 해결하려면 레이아웃의 신중한 균형 조정이 필요하다. 실제 실험 스크류로 첫 번째 테스트를 수행하기 전에 시뮬레이션을 통해 스크류의 형상을 최적화하는 것이 일반적인 관행이 되었다. WB(Wittmann Battenfeld)는 PSI/REX와 함께 스크류 설계 계산을 위한 특수 소프트웨어를 보유하고 있다. 이 소프트웨어는 매우 현대적이며, Paderborn University에서 수행된 표적 연구를 통해 지속적으로 업데이트된다.

스크류 구조를 계산하기 위해 컴퓨터를 사용하는 동안 구조를 매우 유연하게 변경할 수 있으며, 결과로 나타나는 변경 사항을 화면에 즉시 시각화할 수 있다. 사전 정의된 일련의 테스트를 통해 체계적으로 실행함으로써 새로운 트렌드를 분석할 수 있다.

마지막으로, 모든 계산 결과가 결합되고 비교된다. 이 정보의 합계에서 해당 스크류 형상이 개발되어 원하는 결과가 나올 때까지 마지막 세부 사항까지 더욱 최적화된다.

그래야만 실험용 스크류가 생산되고 실제 테스트에 사용된다. 작업의 복잡성에 따라 여러 가지 실험 스크류를 사용하여 다양한 각도에서 목표에 접근할 수 있다. 이러한 테스트에 성공하면 최적화 프로세스가 완료된 것이다. 여전히 개선의 여지가 있는 경우 개발 루프가 다시 실행된다.

스크류 구조의 변수(Screw geometry parameters)

다음으로 표준 3-존 구조의 파라미터에 관해 설명하고, 제조 공정에 미치는 영향을 예를 들어 설명한다. 공정기술 측면에서 이러한 형상에 대한 전체 설명을 제공하려면 다음 매개 변수를 알아야 한다.

• DSC = 외부 스크류 직경

• L/D 및 또는 스크류 길이

• lE = 공급 존 길이

• lK = 압축 존의 길이

• lM = 계량 존의 길이

• hE = 공급 존의 플라이트 깊이

• hM = 계량 존의 플라이트 깊이

• b = 플라이트 폭  

• i = 스크류 플라이트 수

• t = 플라이트 피치

• e = 스크류 산 넓이

• 측면 각도, 구동

• 측면 각도, 수동

• rtr = 구동 측면베이스의 반경

• rntr = 수동 측면베이스의 반경

비교적 단순한 표준 3-존 스크류의 구조 매개 변수의 수에서 이 유형의 스크류에 대해서도 기본적으로 여러 가지 변종이 있을 수 있다. 배리어 스크류, 전단 및 믹싱 섹션이 있는 스크류 또는 전단/믹싱 스크류에서 발견되는 것과 같은 보다 복잡한 구조의 경우에 형상 파라미터의 수는 몇 배 더 높다.

모범적인 계산(Exemplary calculations) 

관련 전문 문헌에 나와 있는 권장 사항을 기본으로 시작하여 한 예로 50㎜ 스크류의 형상 최적화를 아래에 계산한다.

공급 존의 길이는 스크류의 총 길이의 50%이고, 압축 존 및 계량 존의 길이는 각각 총 길이의 25%여야 한다고 가정한다. 공급 존 깊이를 0.1D, 즉 5㎜로 설정했다. 공급 존과 계량 존 사이의 플라이트 깊이 비율은 2여야 한다. L/D 비율은 ​​22로 가정한다.

이러한 사전 정의된 매개 변수를 사용하여 가소화 스크류에 대해 다양한 계산을 수행할 수 있다. 본 논의는 용융 처리량, 압력 곡선 또는 압력 상승 용량 및 용융 공정에 중점을 둔다.

추가 가정에는 계량 스트로크(85㎜)와 사이클 시간(35초)도 포함된다. 배압은 80bar로 설정된다. 적당하고 현실적인 계량 조건을 시뮬레이션하기 위해 원주 스크류 속도 300㎜/s가 가정된다.

배럴 온도 프로파일은 모든 계산에 대해 아래 예시된 패턴을 따른다. 프로파일(압력 곡선, 용융 공정)의 계산은 50㎜ 스크류 위치에 대해 수행된다.

처리량 동작(Throughput behavior) 

이전에 선택된 사이클 파라미터에 대해, 현재의 가소화 스크류 구조에 대한 평균 계량 성능은 약 12.49g/s로 계산된다. 총배출량은 44.92kg/h이다. 이는 사출성형기가 계량 단계에서 12.49g/s를 이송하므로 해당 재료 158g을 가소화하는데 약 12.7초가 소요됨을 의미한다.

12.7초 이상의 잔여 냉각 시간으로, 성형 기계는 새로운 계량 스트로크를 제때 시작할 수 있다. 그러나 가소화가 잔류 냉각 시간보다 오래 걸리면 계량 타이밍이 전체 사이클 시간에 영향을 미쳐서 생산성이 저하된다.

총생산량은 생산 과정에서 재료 소비량을 결정한다. 대부분의 사이클 시간 동안 스크류가 계량을 하지 않기 때문에 이 출력은 평균 계량 성능에서 제안한 수치보다 낮아진다. 총 출력은 보조 장비(건조기, 원료 로더 등)의 사양 선정에 결정적인 매개 변수이다.

압력 상승 용량(Pressure build-up capacity)

계량 단계 동안 스크류 채널 내부의 압력이 공급 부에서 대기실의 배압까지 증가한다. 스크류 형상에 따라 그들 사이에 하나 이상의 압력 피크가 있을 수 있다.

아래의 그래프는 가소화 스크류 길이에 따른 압력 곡선을 보여준다. 이 특정한 경우에, 압력 곡선은 약 L/D 2에서 상승하기 시작하고, 약 L/D 14.25에서 약 160bar의 피크 압력에 도달한다. 스크류의 마지막 존인 계량 존에서는 압력이 체크 밸브까지 지속적으로 떨어진다.

용융 공정 곡선(MP)(Melting process curves)

용융 공정(아래의 해당 그래프 참조)은 두 개의 곡선을 통해 시각화된다. 해당 스크류 채널 섹션에 대해 솔리드 베드 폭(빨간색)이 표시되고, 계량 공정 중 용융된 재료의 비율(파란색)이 표시된다. 또한 사이클이 끝날 때까지 이 두 매개 변수의 전개가 설명되어 있다(녹색 및 주황색). 결과로부터, 용융의 비율이 약 L/D 8에서 이미 100%에 도달했기 때문에(용융 MP의 비율 = 1), 이 용융 공정은 재료의 양호한 용융을 약속한다는 결론을 내릴 수 있다. 다시 말해, 솔리드 베드 폭이 0으로 감소되었다.

“Wittmann innovations” 매거진의 다음 호인 이 기획 시리즈의 마지막 Part 3에서는 계산 결과를 분석하고, 형상 최적화를 위한 첫 번째 단계의 개요를 설명한다.