압출기 경제적 이점 최적화: 생산 효율에 영향을 미치는 요인에 대한 간략한 분석

함께 반죽하기 트윈 스크류 압출기 (이하 압출기라 함)은 탁월한 혼합 성능, 맞춤형 스크류 조합 및 우수한 자가 세척 성능으로 인해 변성 플라스틱 가공의 핵심 장비가 되었습니다.

압출기의 생산 효율은 개조 업체들이 장비를 선택할 때 매우 중요하게 여기는 요소입니다. 일반적으로 압출기의 직경이 클수록 생산 효율이 높다고 여겨지지만, 실제로는 직경이 크다는 것만이 압출기 생산 효율을 향상시키는 유일한 요인은 아닙니다. 압출기 생산 효율에 영향을 미치는 요소로는 압출 속도, 용적비, 비토크, 스크류 조합 설계, 배합 재료 상태, 가소화 조건, 장비 마모 등이 있습니다.

이하에서는 압출기 내 다양한 ​​공정에서의 재료 상태와 스크류 조합 설계에 따라 영향을 미치는 요인들을 하나씩 분석할 것입니다. 본 글에서는 압출 이송 메커니즘의 관점에서 자세히 살펴보겠습니다.

압출 컨베이어 메커니즘

단일 스크류 압출기의 이송 메커니즘 연구는 이중 스크류 압출기 개발의 기초가 됩니다. 단일 스크류 이송에 대한 최초의 이론은 Darnel과 Mol에 의해 제안되었습니다. 이 이론의 핵심은 단일 스크류 압출기에서 재료의 전방 이송력이 마찰 저항에 의한 고체 이송에 기반한다는 것입니다. 압출기 스크류 요소의 리드가 점차 감소하거나 반죽 저항 요소의 압출력이 가해지면, 초기에는 부드럽고 분산된 재료가 상대적인 변위 없이 고체 덩어리로 변합니다. 이 고체 덩어리와 스크류 표면 사이의 마찰력, 그리고 스크류 배럴 내면 사이의 마찰력이 합쳐져 고체 덩어리는 스크류 홈을 따라 전방으로 이송됩니다.

고전적인 이송 이론은 제시될 때 한계를 지닙니다. 이 이론은 고체 플러그 내부의 상대 변위가 없고 마찰력이 일정하다고 가정합니다. 그러나 실제 상황은 이와 상당히 다르기 때문에 이론적인 계산 공식은 실제와 큰 차이를 보이는 경우가 많습니다. 그럼에도 불구하고 이 이론은 압출 스크류 이송의 본질, 즉 스크류 배럴이 스크류 홈의 스크류 가장자리를 따라 재료에 가하는 마찰력 성분이 재료 이송의 원동력이며, 회전하는 스크류 표면과 재료 사이의 마찰이 재료의 진행 저항을 제한하는 요소라는 점을 제시합니다. 다시 말해, 이송되는 재료와 스크류의 금속 표면 사이의 마찰 계수 fi와 스크류 배럴 내부의 재료와 금속 표면 사이의 마찰 계수 fb의 차이가 마찰 끌림의 구동력의 원천입니다. 재료의 전방 이송에 대한 운동 및 힘 분석은 그림 1에 나타나 있습니다.

고체 마찰정역학에 기반한 고체 수송에 대한 최초이자 가장 상세한 이론은 Darnel과 Mol에 의해 제안되었지만, 몇 가지 기본적인 가정이 있습니다.
1. 압출기의 스크류 채널 내에서 수지 재료는 고체 플러그 상태로 존재하며, 일정한 공급 속도를 가지며, 고체 플러그에 가해지는 압력의 방향은 재료의 이동 방향과만 일치합니다.
2. 단단한 플러그와 나사 홈의 모든 표면은 서로 상호 작용하며, 그 마찰 계수는 압력 변동에 따라 변하지 않고 온도 변화에 따라서만 변합니다.
3. 고체 플러그의 부피 밀도 변화 및 지구 중력의 영향을 무시하고, 압출기의 배럴과 스크류 사이에 틈이 없다고 가정합니다.
4. 나사는 나사축에 대해 고정되어 있으며, 나사축이 움직이는 것처럼 보인다.
Potente 등은 나사축의 나사 홈 영역에서 재료의 부피 밀도가 영역마다 다르다고 주장합니다. 어떤 영역에서는 재료가 느슨한 상태이고, 어떤 영역에서는 재료가 압축되어 고체 플러그를 형성합니다. 이 고체 플러그 부분의 이송 메커니즘은 Darnell-Mol 이송 이론과 관련이 있으며, 고체 플러그의 운동 상태와 힘을 분석하여 다음과 같은 공식을 얻습니다.

식 (1)에서 알 수 있듯이, 전달량 G는 회전 속도 n, 부피 비율 H, 스크류 직경 Db와 양의 상관관계를 갖는다. Darnel과 Mol의 단일 스크류 이송 이론의 가정이 현실과 맞지 않기 때문에 후대 연구자들이 계산한 데이터와 실제 생산 데이터 사이에 큰 차이가 발생한다. 그 이후로 많은 학자들이 이 이론에 대해 보다 상세한 연구를 수행해 왔다. 많은 연구에서 많은 학자들이 인정한 두 가지 이론은 Chung 등이 제안한 점성 견인 이론과 Tedder가 제안한 점성 견인 이론, 그리고 에너지 균형 이론이다.

이론들 사이에 논쟁이 있기는 하지만, 다넬-몰 이론과 테더 이론의 핵심 출발점은 본질적으로 동일하다. 즉, 물질 사이의 동적 마찰력이라는 점이다. 단축 압출기 스크류 배럴의 내벽은 고체 재료 이송에 있어 가장 중요한 요소이며, 그 본질의 근원입니다. 차이점은 Chung은 재료가 먼저 배럴 내부의 금속 벽에 마찰하여 얇은 용융층을 생성하고, 이 얇은 용융층이 생성하는 점성 견인력이 고체 이송 성능에 영향을 미친다고 믿는다는 점입니다. 위 세 가지 이론의 공통점은 압출기 내부의 고체 재료를 고체 덩어리로 가정하고, 고체 이송부의 재료를 밀도가 높은 것으로 간주하며, 고체 입자 간에 상대적인 변위가 없다고 가정한다는 것입니다.

주푸화 연구팀은 시각적 압출기 작동 과정 전반에서 재료가 용융부에 들어가기 전에는 고체 입자들이 서로 교환되고 미끄러지는 과정에 있으며 스크류 홈이 완전히 채워지지 않는다는 사실을 발견했습니다. 이러한 현상은 용융부에 들어갈 때까지 점차 사라지지 않았습니다. 또한, 수지 입자의 전진 이송 과정에서 수지 입자들 사이에 반짝이는 용융물이 존재하는 것이 명확하게 관찰되었습니다. 후반부에 용융물이 차지하는 공간이 점점 커짐에 따라 입자와 용융물 사이의 경계가 점점 불분명해졌습니다. 이는 고체 플러그의 불연속성과 고체 플러그의 변위 변화가 불가피하다는 것을 시각적으로 증명합니다. 주푸화 연구팀은 수많은 관찰과 실험을 바탕으로 비플러그 흐름 고체 이송 이론을 최초로 제안했습니다.

유감스럽게도, 비플러그 흐름 고체 이송 이론이 제안된 이후 오랫동안 이론의 복잡성 때문에 국내외 실제 문제에 적용하기 어려웠습니다. 비플러그 흐름 고체 이송 이론의 계산 정확도는 크게 향상되었지만, 생산량과 압력 계산에 대한 명확한 공식이 없고, 그 자체가 비선형 접촉 문제이며, 복잡하고 많은 공식이 존재하여 유한 요소법을 사용해야 하므로 실제 적용에 큰 어려움을 초래합니다. 캐럿 씨는 맞물린 동방향 회전 트윈 스크류의 기하학적 구조를 연구하고, 이를 바탕으로 트윈 스크류 압출기 내 재료 이송 과정 모델을 개발했습니다. 그들은 압출기 내 재료 이송 과정이 복잡하고 다양하며, 주로 상부 맞물림 영역에서 스크류 축을 따라 발생하는 정변위 이송과 스크류 홈 영역에서 발생하는 마찰 저항 이송, 이렇게 두 가지 이송 메커니즘이 존재한다고 공통적으로 지적했습니다. 류팅화 외 연구진은... 완전 삼방향 시각 압출기를 사용하여 많은 실험을 수행했으며, 고체 이송 부분을 메싱 영역에서의 정변위 이송과 측면 스크류 홈 영역에서의 과립 입자의 마찰 이송으로 나누었습니다. 메싱 영역에서의 정변위 이송량은 공식 (2)로 계산됩니다.

압출기의 경제적 이점을 극대화하는 방법은 압출기의 생산 효율과 불가분의 관계에 있습니다. 생산 효율은 압출기의 물리적 매개변수 및 공정 조건뿐만 아니라 재료의 상태에 의해서도 결정됩니다. 재료의 부피 밀도가 낮을수록 재료 내 공기 함량이 높아집니다. 스크류를 통해 재료를 이송하는 과정에서 실제로 재료의 부피는 동일하게 유지되지만, 부피 밀도가 낮을수록 이송 용량이 줄어듭니다.

압출기 용융 혼합 과정에서 다량의 입자와 분말이 압축되어 용융물로 변환됩니다. 압출기 내부를 빠져나가는 유일한 방법은 역류하여 배출하는 것인데, 이는 분말의 연속적인 공급을 방해합니다. 역류의 압력과 속도가 특정 임계값을 초과하면 역류가 발생합니다. 스크류의 단면적이 작아질수록 역류하는 공기의 압력과 속도가 높아집니다. 이때 공급 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있는데, 속도가 증가함에 따라 유량 초과 지점이 감소하기 때문입니다. 즉, 속도가 높을수록 공급물이 더 유동화됩니다. 앞서 언급했듯이 마찰은 재료 이송의 핵심 요소입니다. 이송 효율은 "동적" 마찰 계수에 비례합니다. 스크류 배럴의 마찰 계수가 높을수록 이송 효율이 높아집니다. 마찰력의 변화 또한 이송 효율에 영향을 미칩니다. 또한, 스크류의 조합과 구조 또한 "동적" 마찰 계수에 영향을 미칩니다.