[논문]고분자 압출기에 있어서 계량부 용융수지의 유동해석

최만성; 김광선

고분자 압출기에 있어서 계량부 용융수지의 유동해석
An Analysis of a Thermo-plastic Melt Flow in the Metering Zone of a Polymer Extruder 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.11 no.4, 2012년, pp.7 - 12

최만성 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 김광선 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Extrusion is one of the most important operations in the polymer-processing industry. Development of models for extrusion and computer tools offer a route to developing reliable and optimized process designs. The models are based on the analysis of physical phenomena encountered during the process. Balance equations for mass, momentum and energy are fundamental to the problem. A predictive computer model has been developed for the single screw extruders with conventional screws of different geometry. The model takes into account melting zones of the extruder and describes an operation of the extruder system, making it possible to predict mass flow rate of the polymer, pressure and velocity profiles along the extruder screw channel. The simulation parameters are the material and rheological properties of the polymer; the screw pitch, and screw speed.

주제어

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문제 정의

따라서 적합한 스크루의 설계는 압출 성능, 압출물의 질을 결정하는 기본 요소로 판단되며, 압축비(compression ratio), 공급부, 압축부, 계량부의 홈 깊이 및 길이, 스크루 피치(screw pitch) 등이 사용 수지에 적합하도록 설계하는 것이 매우 중요하다[5]. 고분자압출에서 용융수지의 수치해석에 관련된 연구는 주로 유체의 유변학(rheology)에 관련된 내용이 많으나[6-9], 본 연구에서는 계량부의 스크루의 피치가 스크루를 통과하는 용융수지의 압력분포, 속도분포, 유량에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 알아보고, 압출기의 스크루 설계와 다이 설계의 기초자료로 활용하고자 하였다.

가설 설정

그리고 스크루와 고분자 용융체 사이는 단열 경계조건이 적용되었으며, 해석은 스크루 압출기 시스템 중 계량부에 국한하였다. 또한 스크루 채널 내의 유체는 정상상태, 비압축성, 비뉴턴 유체로 가정하였다. 완전 3차원 연속방정식과 운동량 방정식은 다음과 같이 텐서(tensor) 기호로 각각 표현될 수 있다.
다음 경계 조건으로는 입구와 출구 사이의 거리[mm]를 설정 하고 상대 압력 차이를 0 pa으로 주었다. 이러한 상대 압력의 차이는 공정 조건이 변함에 따라 다소 변할 수 있으나, 이러한 영향은 상대적으로 미약하다고 가정하고 입구와 출구의 압력 차이를 알기 위해 0 pa으로 설정하였다. 스크루의 회전속도에 의한 압출기 내의 속도와 압력변화를 알아보기 위하여 Table 1의 조건과 같이 6가지 경우에 대 하여 해석을 진행하였다.

제안 방법

모델링은 Solidworks 2010과 STAR- CCM+을 사용하였고, 배럴에서 스크루를 제외한 유동부분을 모델링하여 해석을 진행하였다. STAR-CCM+는 하나의 통합된 패키지 내에서, 세계에서 가장 포괄적인 엔지니어링 Physics 시뮬레이션이 가능 하고 유동(유체와 고체), 열전달 및 응력을 포함 하는 문제를 풀기 위한 공학 프로세스를 제공한다.
이러한 상대 압력의 차이는 공정 조건이 변함에 따라 다소 변할 수 있으나, 이러한 영향은 상대적으로 미약하다고 가정하고 입구와 출구의 압력 차이를 알기 위해 0 pa으로 설정하였다. 스크루의 회전속도에 의한 압출기 내의 속도와 압력변화를 알아보기 위하여 Table 1의 조건과 같이 6가지 경우에 대 하여 해석을 진행하였다.
이 변수들은 전단속도 만큼 큰 영향을 미치지는 않지만 점성에 미치는 영향을 무시할 수는 없다. 압출기 스크루의 계량 부에 있어서 용융체의 유동속도와 압혁분포 및 노즐에서의 유동해석을 살펴본다.

대상 데이터

이것은 전체 그리드의 수가 늘어가게 되어 해석 시간이 증가되는 결과를 초래하게 된다. 본 시뮬레이션 에서는 복잡한 형상에 적합한 메시(mesh)인 다면 체 메시를 사용하여 해석을 진행하였다. Fig.

이론/모형

Solid Works 2010을 사용하여 고분자 압출기의 스크루를 3차원으로 모델링하고, STAR- CCM+을 사용하여 계량부의 용융수지에 대한 유동해석을 3차원 유한요소법으로 해석하였다. 스크루의 회전 속도를 달리 했을 경우의 노즐에서의 속도는 선형적으로 증가하였다.

성능/효과

또한 스크루 피치와 스크루의 회전속도는 용융수지의 전체 유량과 깊은 관계가 있는 것으로 나타났는데. 스크루 속도와 전체 유량은 선형적인 관계를 가지는데 반해, 스크루 피치가 클수록 전체 유량은 급격한 변화를 보였다. 따라서 압출의 생산성과 압출필름의 강도만을 고려하면 스크루 피치의 설계가 매우 중요하다.
또한 스크루 피치가 클수록 계량부 출구에서의 유동속도도 함께 증가하였다. 스크루의 계량부에서 다이 헤드 방향으로 갈수록 유동압력은 일정한 위치에서 특성값을 가지며, 스크루 피치와 스크루의 회전속도는 유동압력의 함수로 나타났다. 또한 스크루 피치와 스크루의 회전속도는 용융수지의 전체 유량과 깊은 관계가 있는 것으로 나타났는데.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자, 플라스틱 사출공정에서 압출기의 스크루 설계나 다이 설계에는 무엇이 중요한가?	고분자압출이나 플라스틱 사출공정에서 압출기의 스크루 설계나 다이 설계를 할 때, 고분자 수지 (polymer melt)의 유동해석은 매우 중요하다. 이러한 유동해석은 재료의 에너지법칙, 비선형성 (non-linearity), 운동량의 커플링(coupling of momentum) 등을 적용해야 하므로 구성방정식을 구하는 것이 어렵고, 그 해석도 매우 까다롭다[1].
	유동해석은 구하는 것은 무엇이 까다로운가?	고분자압출이나 플라스틱 사출공정에서 압출기의 스크루 설계나 다이 설계를 할 때, 고분자 수지 (polymer melt)의 유동해석은 매우 중요하다. 이러한 유동해석은 재료의 에너지법칙, 비선형성 (non-linearity), 운동량의 커플링(coupling of momentum) 등을 적용해야 하므로 구성방정식을 구하는 것이 어렵고, 그 해석도 매우 까다롭다[1]. 고분자 압출 스크루의 계량부(metering zone)에서 용융수지는 다이에 공급할 수 있는 필요한 만큼의 압력을 발생시켜야 하고, 다이에 균일한 온도와 압력을 유지하도록 해야 한다[2].
	효과적인 압출 공정을 위해서는 무엇이 요구되는가?	그러나 압출 공정은 재료의 유변학적인 특성으로 인하여 균일한 유동수지를 공급하는 것은 매우 어렵고, 유동성의 변동이 심한 공정이다[3]. 고품질의 압출은 압출기 출구에서의 체적 유동을 잘 제어 해야 하는데 이것은 다이 내에서의 온도분포와 압력분포와 관계된다[4]. 효과적인 압출을 위해 서는 사용 수지가 압출기 내에서의 용융이 완료 되어야 하며, 그 온도 및 가공 조건도 수지의 열 적, 기계적 열화를 가져오지 않아야 한다. 아울러 발생 압력도 용융 수지를 다이를 통해 밀어낼 수 있도록 충분해야 한다. 따라서 적합한 스크루의 설계는 압출 성능, 압출물의 질을 결정하는 기본 요소로 판단되며, 압축비(compression ratio), 공급부, 압축부, 계량부의 홈 깊이 및 길이, 스크루 피치(screw pitch) 등이 사용 수지에 적합하도록 설계하는 것이 매우 중요하다[5]. 고분자압출에서 용융수지의 수치해석에 관련된 연구는 주로 유체의 유변학(rheology)에 관련된 내용이 많으나[6-9], 본 연구에서는 계량부의 스크루의 피치가 스크루를 통과하는 용융수지의 압력분포, 속도분포, 유량에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 알아보고, 압출기의 스크루 설계와 다이 설계의 기초자료로 활용하고자 하 였다.

참고문헌 (7)

Zdanski. P.S.B.., and Vaz Jr, M., "Non-Isothermal Polymer Melt Flow in Sudden Expansions", J. Non-Newtonian Fluid Mech. Vol. 161, pp. 42-.47, 2009

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Rauwendaal, C., "Polymer Extrusion", 4th Edition, Hanser Publishers, 2001
Liang.J.-Z., "Pressure Effect of Viscosity for Polymer Fluids in Die Flow," Polymer Vol. 42 pp. 3709-3712, 2001

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Nijmeijer, H., and Savaresi, S. M.," On Approximate Model Reference Control of SISO Discrete-Time Nonlinear Systems. Automatica, Vol. 34, No. 10, pp. 1261 -1266, 1998

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주용락, "고분자 압출가공이론," 고분자 과학과 기술, 제 7 권 제 3 호, pp. 271-279, 1996.

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Bao. W,, "An Economical Finite Element Approximation of Generalized Newtonian Flow ," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering Vol.191, pp, 3637-3648, 2003.
Missirlis. K. A, Assimacopoulos. D, and Mitsoulis. E.,"A Finite Volume Approach in the Simulation of Viscoelastic Expansion Flows," J. of Non-Newtonian Fluid Mechanics Vol. 78, pp. 91-118, 1998.

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