1. 사출 성형기의 구조와 기능
- 공급부(Feeding Zone) : 다른 부위보다 스크류 내경이 작아서 호퍼로 부터 투입된 많은 양의 수지를 앞쪽으로
이동시키면서 히터에 의해 예열하여 압축영역으로 보냄
- 압축부(Compression Zone) : 스크류 홈 단면적이 서서히 감소하면서 예열된 수지가 전단 마찰열(Shear Heating)에
의해 용융,압축되면서 계량영역으로 보냄
- 계량부(Metering Zone) : Compression Zone에서 용융,혼련된 수지를 노즐측으로 이송
- 길이/직경 비 (Ls / Ds)
나사산의 유효 길이와 Screw 외경의 비를 L/D Ratio라고 하며, 나사산의 유효 길이는 Screw가 최대 전진한 상태에서
수지 공급부 중심에서 Screw끝부분까지의 거리를 말한다. 사출기에서 채용하는 범용Screw의 L/D Ratio는 20:1정도가 일반적이나, 사용 목적에 따라 16:1~26:1범위까지도 사용된다. 다음의 목적으로 L/D Ratio를 크게 하는 경우가 있다.
1) 많은 전단열을 균일하게 수지에 전달한다
2) 혼련 효과를 높이고 균일 가소화를 달성한다.
3) 수지의 체류 시간을 길게 하여 많은 양의 성형시 시간 (Cycle) 단축 효과를 낸다
- 압축비 (Compression ratio)
Feeding zone과 Metering zone의 수지 흐름의 단면적 비를 압축비라고 하며 열가소성 스크류의 경우 일반적으로 2.0~3.0범위의 값을 취한다. 스크류의 압축비는 용융 수지 중의 Air Vent역할을 하며 너무 높을 경우에는 이송 불량,
마모 및 열 발생 등의 원인이 되고 낮을 경우에는 탈기 불량이 된다. 압축비가 높을 경우의 영향은 다음과 같다.
1) 전단열 (shear heat)의 전달이 높아진다
2) 용융 수지 열(heat)의 균일화를 만든다
3) 일부 수지에서는 잠재 내부 응력이 생성된다.
4) 에너지의 소비가 커진다
*압축비가 필요한 이유는 무엇일까?
Solid Pellet이 용융되면 체적 변화에 의해 되면서 빈공간이 생기고 공기가 유입됨
따라서 공기유입을 SCREW 뒷단으로 배출하기 위해 압축비가 필요함
- Full Flight Screw 용융 Process
1) Screw 회전에 의해 Solid Pellet을 이송(스크류와는 적은 마찰,BARREL과는 높은 마찰발생)
2) 수지는 HEATER에 의한 열과 BARREL과의 전단력에 의해 BARREL 내벽에 Melt Film 형성됨
3) 압축 ZONE으로 진행되면서 용융은 계속 진행되고 압축은 증가함
보통 대부분의 Melting은 압축Zone에서 발생하고 Polymer는 3part로 나눠짐
(Compacted Solid,바렐 내벽의 Melt Film,Melt Pool)
대부분의 용융은 Solid Bed와 가열된 바렐 내벽의 마찰에 의해 이루어짐
4) Channel 깊이는 압축Zone으로 진행될수록 줄어들므로 전단력은 증가하여 Solid Bed폭은 줄고 Melt Pool폭은 증가함
5) Solid Bed는 분해되어 덜 녹은 Pellet과 용융 수지가 뒤섞임(전단에 의한 용융의 영향은 약해짐)
6) Metering Zone으로 이송된 수지는 용융수지의 온도나 점도의 높고 낮음에 의해 덜 녹은 Pellet이 혼재할 수 있음
*DBG SCREW는 긴 SUB FLIGHT를 갖는 비교적 깊은 골 TYPE의 SCREW이다
용융 PROCESS
1) 외부 가열에 의해 Solid Channel내의 Pellet표면을 용융시켜 Melt Film을 발생시킨다.
2) 발생된 Melt Film을 SCREW회전에 의해 주 Flight가 긁어 모은다.
3) 긁어 모아진 용융수지는 Sub Flight로 칸막이된 Melt Channel에 쌓인다.
4) Solid Channel내의 Pellet은 항상 용융수지로 부터 분리되어 외부가열에 의해 높은 효율로 용융이 촉진된다.
따라서 FULL Flight Screw에 비해 뛰어난 용융 성능을 가지고 있다
*Barrier Flight에 의해 Solid Channel과 Melt Channel을 분리하여
용융 및 혼련 향상과 수지밀도 균일화 효과
스크류 선단으로 갈수록 Solid Channel 감소하고 Melt Channnel증가
스크류 재질
- 스크류는 회전할 때의 비틀림 응력(twist stress)과 사출할 때의 압축응력을 충분히 견딜 수 있는 피로 강도를
유지해야 하며, 동시에 내마모성과 내식성이 우수해야 함
1) 표준사양 : PP,PE,PS,ABS등과 같이 마모성과 부식성이 없는 일반 범용 프라스틱
2) 내마모 사양 : PC, PMMA등과 같이 경질류,Glass Wool 포함율 30% 미만(PC-GF,POM-GF,PA-GF,PBT-GF)또는
이에 상당하는 마모성 수지를 사용하는 경우 GF및 미네랄 등의 함유가 있는 제품 ⇒업체 요구시 내식,내마모 적용
3) 내식/내마모 사양 : GF함유량이 30%이상(PC-GF,POM-GF,PA-GF,PBT-GF) 또는 이에 상당하는 마모성 수지나 부식성
수지(난연 ABS, 난연 PC, 난연 PBT 등)를 사용하는 경우,미네랄,마그네틱함유, 테프론 같은
부식성이 강한 제품에 적용
* PC, PMMA등의 수지 중 흑점 및 황변 등의 우려가 있는 제품 – TiN, CrN
스크류/실린더(배럴) 사양
1) SCREW
- 표준 :SCM440,Cr도금
- 내마모 : SKD11+담금질(HRC58)+고광택 버핑
- 내식/내마모 : KPS6(YXM1)+담금질(HRC58)+고광택 버핑
2) BARREL
- 표준 : SCM440+조질(Hs28)+HB100코팅
- 내마모 : SCM440+조질(Hs28)+HB100코팅
- 내식/내마모 : SCM440+조질(Hs28)+HB500코팅
스크류 헤드(Screw head)
- 스크류식은 스크류를 사출 플런저로 이용하기 때문에 스크류 헤드부위에 역류방지 장치가 없으면 사출할 때 스크류의 나사 홈을 통해 용융수지가 역류하게 되어 사출량과 캐비티의 충진압력이 감소함 – 이 현상은 경질 PVC와 같은 용융
온도가 높은 수지일 경우는 적으나 나일론과 같이 용융온도가 낮은 수지 또는 사출 후의 압력을 장시간 유지해야 하는 수지일 때 문제가 되 므로 역류 방지 밸브가 있는 스크류 헤드를 사용하는 것이 바람직함
1) 스트레이트 스크류 헤드(Straight screw head)
- 용융수지의 정체 현상을 피해야 하는 수지의 성형에 사용되며 보통 PVC용 스크류 헤드라고 함
- 사출을 완료하였을 때 남는 수지량을 최소화하기 위해 실린더 헤드와의 틈새가 극히 적게 되도록 설계
2) 역류 방지 스크류 헤드(Non return flow screw head)
- 결질 PVC 등 열안정성이 나쁜 수지를 제외하고 이 형식이 많이 사용되며 역류 방지 링(Non return ring)식으로
하는 것과 볼로 하는 볼 체크(Ball check)식이 많이 사용되고, 일부 핀(pin) 방식의 역류방지 장치도 적용되고 있음
- 구조적으로 용융수지가 정체하는 위치가 있음
실린더(배럴)
– 배럴의 중요한 역할 중 하나는 수지를 예열하고, 용융된 수지의 점도를 유지하 는 것임
– 온도조절을 위해 배럴의 여러 곳에 온도감지기(Thermocouple)와 전열선(Heater band)이 설치되어 있음
– 사출기 내 배럴 내에는 큰 압력이 걸리므로 튼튼하게 제작되어야 하며 일반적으 로 배럴이 견딜 수 있는 최대 압력은
4200k/㎠정도로 설계됨
전열선(Heater band)
– 니크롬선으로 된 전열선에 열을 가해 배럴의 온도를 높임
계량원리
– 작용/반작용의 법칙에 의해 스크류가 회전하면서 배럴 내 미용융 수지가 앞으로 밀려나가고, 전 진량 만큼 스크류가 후퇴하는데, 배압이 스크류 후퇴를 방해함
– 따라서 스크류 후퇴량 만큼의 수지부피가 배압량 만큼의 저항(압력)으로 인해 압축되어, 예열되 어 표면이 녹아가는 극소수 수지가 스크류 칼날 끝과 배럴 표면과의 미세한 틈(5/100mm 정도) 에 끼이게 되고 회전에 의한 전단에 의해 마찰열을 받음
– 고온의 마찰열이 혼련 효과에 의해 미용융 수지와 섞이고, 표면이 예열된 수지가 다시 전단마찰 열을 받고 혼련되는 과정을 반복하여 계량영역을 통과시 수지는 완전용융상태가 됨
– 스크류 회전속도가 낮거나 배압이 작으면 전단마찰효과가 작으므로 용융이 충분하지 못함
– 수지를 녹이는 열원 분석하면 아래와 같음