[논문]열가소성 엘라스토머 패킹의 열융착 해석

김민호; 이용태; 정재동

doi:10.6110/kjacr.2016.28.12.477

열가소성 엘라스토머 패킹의 열융착 해석
Analysis on Hot Plate Welding of Thermoplastic Elastomer Packing 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.28 no.12, 2016년, pp.477 - 482

김민호 (세종대학교 대학원 기계공학과) , 이용태 (세종대학교 대학원 기계공학과) , 정재동 (세종대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Airtight containers have been widely used in many industries and household. They need a packing for sealing between the inside and outside. Previous packing materials have some drawbacks like stench, stickiness, and difficulty of applying to automated manufacturing systems. So, a new packing material which is harmless and suitable for automation is needed. This study performed a hot plate welding process of thermoplastic elastomer (TPE) as the packing material. The hot plate welding process included a phase change process of solidification and melting. The porosity-enthalpy method was adopted in order to simulate phase change problems. The TPE showed non-Newtonian fluid characteristics during the melting process. Since properties of SEBS are not well-defined, we established TPE properties by observing the melting behavior of TPE. In order to find an optimized condition, a parametric study including packing thickness, shapes, hot plate temperature, and thermal resistance, was conducted.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 자동화를 위한 최적조건을 찾고 이를 다양한 제품의 패킹 제작에 적용하기 위함이다. 다양한 모양에 대해서도 열융착이 미치는 영향을 알아보았다. 고려된 패킹의 모양은 Fig.
SEBS의 열물성치에 대한 정보는 잘 알려져 있지 않다. 따라서 실제 패킹의 용융과정을 관찰 한 후에 나타나는 특징을 통해 물성치를 설정하고자 한다. 용융상태에서의 특징을 나열하면 다음과 같다.
본 연구는 자동화를 위한 최적조건을 찾고 이를 다양한 제품의 패킹 제작에 적용하기 위함이다. 다양한 모양에 대해서도 열융착이 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서 TPE 패킹의 열융착에 대한 연구를 수행하였다. TPE 패킹의 자동화 양산을 위한 최적조건을 찾기 위한 선행연구이다.
열융착에는 열과 압력을 이용하는 방법과 고온이 열풍을 이용한 방법 등이 이용된다. 본 연구에서는 인체에 무해한 열가소성 엘라스토머(Thermoplastic Elastomer; TPE)를 이용하여 용융 시 발생하는 TPE의 열적 특성을 이해하고 열융착과정을 수치해석 하였다. 수치해석 통해 얻은 결과를 이용하여 자동화양산을 위한 최적조건을 찾았다.
이는 불량으로 처리되기 때문에 패킹의 변형을 최대한 작게 해야 된다. 수치해석을 통해 용융과 응고 과정 중에 일어나는 burr의 생성가능성을 알아보았다. 해석은 간단하게 2차원 형상을 이용했으며 액상, 고상 그리고 공기로 다상으로 해석이 이뤄졌다.
자동화를 위한 최적 조건을 찾는 것은 경험에 의존적이기 때문에 생산기술에 대한 불신을 초래할 수 있다. 패킹의 두께, 모양, 열판온도, 접촉저항 등의 영향을 고려하여 최적조건을 찾아 경쟁력이 있는 시스템을 구축하는 것이 본 연구의 목적이다. 최적화조건을 통해 단순 밀폐용기의 패킹뿐만 아니라 냉장고와 같은 전자제품 혹은, 다양한 제품의 밀폐 패킹의 자동화에도 적용할 수 있을 것이다.

가설 설정

TPE 패킹의 열융착을 해석할 때, TPE 가열부의 경계 조건은 등온으로 해석하였다. 등온 경계조건은 열판과 TPE 사이의 열저항은 없는 것으로 이상적으로 가정하여 열판의 온도가 바로 TPE로 전도된다. 하지만, 실제 공정에서는 burr 발생을 억제하기 위해서 TPE가 녹을 때 압력을 가해서 눌러주는 것이 아니라 열판에 갖다대는 수준으로 붙여주기 때문에 열판과 패킹 사이의 공기층으로 열저항이 존재한다.

제안 방법

점성계수를 수치해석에 적용하기 위한 처리 방법은 여러 가지가 존재하지만 주로 점성계수가 shear rate의 함수인 동시에 온도의 함수로서 반영하는 형태가 일반적이다.^(7-10) 본 연구에서는 점성에 대한 처리를 Fig. 4와 같이 실험 결과^{(11, 12)}와의 곡선접합을 통해 shear rate의 함수인 상관식을 도출하여 적용하였다. 점성계수는 온도의 함수이기도 하지만 상온과 열판 온도의 평균인 약 200℃로 고정하여 오직 shear rate의 함수로만 정의하였다.
TPE 패킹의 자동화 양산을 위한 최적조건을 찾기 위한 선행연구이다. SEBS의 열적 물성치가 잘 알려지지 않아 실제 TPE의 녹는 현상을 관찰한 후 물성치를 확립하고 자동화를 위한 최적 조건을 찾는 연구를 진행했다. TPE의 열융착을 용융과 응고과정이 포함된 상변화문제로 상변화문제를 해석하기 위해 엔탈피 방법이 사용되었다.
TPE 패킹의 열융착을 해석할 때, TPE 가열부의 경계 조건은 등온으로 해석하였다. 등온 경계조건은 열판과 TPE 사이의 열저항은 없는 것으로 이상적으로 가정하여 열판의 온도가 바로 TPE로 전도된다.
TPE의 자동화양산을 위한 최적화된 열판 온도를 찾기 위해 열판온도를 다양하게 바꾸어 TPE의 용융 및 응고 시간을 관찰함으로서 공정시간의 최적화 조건을 살펴보았다. 용융은 열판과 패킹이 맞닿는 곳에서부터 0.
좌측의 벽면으로부터 280℃로 1초간 가열되어 고상의 TPE가 녹는다. 그 후 대칭조건으로 바꾸어 액상이 된 TPE를 응고시킨 후 TPE 와 공기와의 상경계면을 검토하였다. Fig.
3에 나타냈다. 기본적으로는 2공 형태의 모양과 두께는 1 mm로 밀폐용기의 용도에 따라 달라지는 사이즈에 대응하기 위해 Small, Middle, Big 사이즈로 나누었다. 또한 두께의 영향을 알아보기 위해 작은 사이즈(Small)의 두께를 0.
그리고 가열된 만큼 현열이 계속 일정하게 증가한다. 다른 물성치의 경우, SEBS와 화학적으로 가장 결합성이 비슷한 Amorphous 계열의 Polystyrene로서 SEBS를 대체하여 수치해석을 진행하였다. 본 연구에 사용된 TPE의 물성치는 Table 1에 나타냈다
기본적으로는 2공 형태의 모양과 두께는 1 mm로 밀폐용기의 용도에 따라 달라지는 사이즈에 대응하기 위해 Small, Middle, Big 사이즈로 나누었다. 또한 두께의 영향을 알아보기 위해 작은 사이즈(Small)의 두께를 0.7 mm로 제작된 패킹에 대해서도 해석을 실시했다. 열판의 온도의 경우는 1s 동안 0.
본 연구에서는 인체에 무해한 열가소성 엘라스토머(Thermoplastic Elastomer; TPE)를 이용하여 용융 시 발생하는 TPE의 열적 특성을 이해하고 열융착과정을 수치해석 하였다. 수치해석 통해 얻은 결과를 이용하여 자동화양산을 위한 최적조건을 찾았다. 자동화를 위한 최적 조건을 찾는 것은 경험에 의존적이기 때문에 생산기술에 대한 불신을 초래할 수 있다.
접촉저항에 대한 값은 연구 자료가 부족하여 통상적인 값(10-3~10-5 m2·K/W)(13)으로 설정하여 그 영향을 비교하였다.
초기조건은 상온 25℃로 녹는점보다 낮기 때문에 패킹은 고상의 상태로 존재한다. 해석의 경계조건은 열 융착과정이 용융과 응고, 두 과정이 포함되기 때문에 이를 고려하여 용융과정과 응고과정으로 나누어 설정하였다. 용융과정일 경우, 열판이 패킹의 끝이 맞닿아 끝으로부터 0.

대상 데이터

본 연구에 사용된 TPE는 복합 폴리머 SEBS(Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene)이다. SEBS의 열물성치에 대한 정보는 잘 알려져 있지 않다.
다른 물성치의 경우, SEBS와 화학적으로 가장 결합성이 비슷한 Amorphous 계열의 Polystyrene로서 SEBS를 대체하여 수치해석을 진행하였다. 본 연구에 사용된 TPE의 물성치는 Table 1에 나타냈다
수치해석을 통해 용융과 응고 과정 중에 일어나는 burr의 생성가능성을 알아보았다. 해석은 간단하게 2차원 형상을 이용했으며 액상, 고상 그리고 공기로 다상으로 해석이 이뤄졌다. 좌측의 벽면으로부터 280℃로 1초간 가열되어 고상의 TPE가 녹는다.

이론/모형

SEBS의 열적 물성치가 잘 알려지지 않아 실제 TPE의 녹는 현상을 관찰한 후 물성치를 확립하고 자동화를 위한 최적 조건을 찾는 연구를 진행했다. TPE의 열융착을 용융과 응고과정이 포함된 상변화문제로 상변화문제를 해석하기 위해 엔탈피 방법이 사용되었다. 패킹의 모양, 두께, 열판 온도 접촉저항의 영향을 고려하여, 가장 큰 요인은 열판온도이며 자동화를 위한 조건인 1s 동안 0.
자동화 시스템을 위한 TPE의 열 융착은 용융이 일어난 후 다시 액상에서 고상으로의 응고가 일어나는 상변화현상을 포함하고 있다. TPE의 용융 및 응고 현상을 해석하기 위해 엔탈피방법을 도입했다. 엔탈피방법⁽⁵⁾의 지배방정식은 아래와 같으며 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+v9.
식(2)의 우변 세 번째 항은 부력을 나타내는 항으로 녹은 액상의 밀도차이에 의한 자연대류를 온도차이로 근사하기 위해 Boussinesq 모델을 적용하였다. 식(2)의 생성항으로 추가된 S는 고상 영역의 속도를 0으로 만들기 위한 항으로 아래와 같이 Kozeny-Carman 식(6)으로 표현된다.
TPE의 용융 및 응고 현상을 해석하기 위해 엔탈피방법을 도입했다. 엔탈피방법⁽⁵⁾의 지배방정식은 아래와 같으며 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+v9.04를 이용했다.

성능/효과

또한, 비뉴톤유체의 특성상 점성계수가 커서 자연대류의 강도는 약하게 된다. 따라서 수치해석 결과에서와 같이 극히 작은 고상의 변형만이 발견되며, 이후 해석에서 burr의 발생은 고려하지 않아도 될 것으로 판단된다.
다른 고상에서 액상으로 변하는 상변화문제의 경우 액상에서 존재하는 자연대류에 의해 융해가 촉진된다. 본 연구에 사용된 패킹의 경우 비뉴톤유체의 성질을 갖고 0.2 mm라는 매우 짧은 길이이기 때문에 자연대류가 형성되지 못해 마치 1차원 전도처럼 패킹이 녹기 때문에 모양과 두께의 영향은 작은 것으로 판단된다.
하지만, TPE의 모양과 두께는 결과에 크게 영향을 끼치지 못하였다. 용융시간에 미치는 영향과는 달리, 선정된 4가지 인자 모두 응고 시간에는 크게 영향을 미치지 못한 것을 확인하였다.
TPE의 열융착을 용융과 응고과정이 포함된 상변화문제로 상변화문제를 해석하기 위해 엔탈피 방법이 사용되었다. 패킹의 모양, 두께, 열판 온도 접촉저항의 영향을 고려하여, 가장 큰 요인은 열판온도이며 자동화를 위한 조건인 1s 동안 0.2 mm가 녹는 열판온도가 약 280℃인 것을 발견했다. 뜨거운 열판과 TPE사이에 존재 하는 열저항은 생산성에 크게 영향을 미치는 인자로 반드시 고려되어야 할 것이다.

후속연구

패킹의 두께, 모양, 열판온도, 접촉저항 등의 영향을 고려하여 최적조건을 찾아 경쟁력이 있는 시스템을 구축하는 것이 본 연구의 목적이다. 최적화조건을 통해 단순 밀폐용기의 패킹뿐만 아니라 냉장고와 같은 전자제품 혹은, 다양한 제품의 밀폐 패킹의 자동화에도 적용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	융착기술의 종류에는 어떠한 것들이 있는가?	융착기술로는 열융착, 진동융착, 초음파융착 등이 적용된다. 열융착은 일반적인 접착공정보다 접착제 및 부수적인 유연제와 같은 부수적인 부 원료들이 필요 없기 때문에 생산비용이 적다.
	열융착의 장점은 무엇인가?	융착기술로는 열융착, 진동융착, 초음파융착 등이 적용된다. 열융착은 일반적인 접착공정보다 접착제 및 부수적인 유연제와 같은 부수적인 부 원료들이 필요 없기 때문에 생산비용이 적다. 또한 기계 장치가 비교적 저렴하며 공정과정 중에서 폐수처리가 불필요한 친환경적인 장점이 있다.
	SEBS의 열물성치를 알아보기 위해 실제 패킹의 용융과정을 관찰하여 확인한 특징은?	(1) 뚜렷한 녹는점을 보이지 않는다. (2) 용융 시, 비뉴톤(non-newtonian) 유체의 특성을 보인다 (3) 변형이 적다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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