KR20110099957A - 단축스크류 고분자압출기 - Google Patents

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김재열
정효희
최진호
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Abstract

본 발명은 단축스크류 고분자압출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단축 스크류의 Pitch 변형을 준 스크류를 CFdesign을 이용하여 해석하고 시제품의 실 측정값과 비교, 분석함으로써 단축압출기의 성능을 향상시킬 수 있는 단축스크류 고분자압출기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단축스크류 고분자압출기는 스크류 날의 높이는 1.6㎜, 배럴의 내부 지름은 40㎜, 스크류 날의 폭은 6㎜, 스크루 날개의 나선 각은 30°, 계량화부의 축 방향 길이는 240㎜, 스크류의 피치는 42㎜인 것을 특징으로 한다.

Description

단축스크류 고분자압출기{SINGLE SCREW POLYMER EXTRUDER}
본 발명은 단축스크류 고분자압출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단축 스크류의 Pitch 변형을 준 스크류를 CFdesign을 이용하여 해석하고 시제품의 실 측정값과 비교, 분석함으로써 단축압출기의 성능을 향상시킬 수 있는 단축스크류 고분자압출기에 관한 것이다.
압출기를 원리적으로 크게 구분하면 비스크류 압출기와 스크류 압출기로 나눌 수 있다. 물과 기름을 운반하는 펌프에 이용하는 것은 플라스틱 압출용으로서 이용의 간이성은 있으나 요즘 가장 많이 사용되고 있는 것은 스크류 압출기이다. 스크류의 사용은 많은 압출공정에서 사용되어 지고 있다. 압출공정은 플라스틱재료, 의약품재료, 식품재료, 고분자복합재료, 철 및 세라믹 분말재료 등과 같이 다양한 재료의 복합적인 가공과 형성 공정으로 많은 사용이 되어지고 있다. 이러한 압출기의 공정에서 널리 사용되고 있는 단축 스크류 압출기는 다축 스크류에 비해 재료의 혼합률은 떨어지나 시설 투자비와 운영비가 많이 들지 않으며 일반적으로 스크류는 구조가 고체상태의 물질은 투입하는 부분인 원료공급부(Feed zone), 고체상태의 물질이 용융되는 부분인 용융부(Transition zone), 고체의 물질이 완전 용융된 상태로 이송되는 계량화부(Metering zone)의 세부분으로 이루어져 있다.
이 중 계량화부는 단축 스크류 압출기 제어의 핵심적인 부분으로서 압출공정의 설계와 공정 생산성을 높이기 위한 곳이기에 스크류의 동적특정에 관한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단축 스크류의 Pitch 변형을 준 스크류를 CFdesign을 이용하여 해석하고 시제품의 실 측정값과 비교, 분석함으로써 단축압출기 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 단축스크류 고분자압출기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단축스크류 고분자압출기는, 스크류 날의 높이는 1.6㎜, 배럴의 내부 지름은 40㎜, 스크류 날의 폭은 6㎜, 스크루 날개의 나선 각은 30°, 계량화부의 축 방향 길이는 240㎜, 스크류의 피치는 42㎜인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 단축스크류 고분자압출기는 단축 스크류의 Pitch 변형을 준 스크류를 CFdesign을 이용하여 해석하고 시제품의 실 측정값과 비교, 분석함으로써 단축압출기 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 계량화부를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 단축 스크류를 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 스크류 날 부분을 도시한 단면사시도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 다이스를 도시한 단면상태도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 해석대상의 3D모델링을 도시한 사시도
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 해석 수행 결과를 도시한 그래프
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단축스크류 고분자압출기의 전체 해석 결과값과 실측 결과값을 비교하여 도시한 그래프
본 발명에 있어서 압출스크류의 설계 대상은 압출기의 핵심 부품인 스크류와 제품생산에 영향을 주는 다이스이다.
해석 수행에 필요한 기본적인 모델링은 CAD프로그램인 CATIA V5를 사용하였고, 해석수행을 하는 프로그램으로서는 전산유체프로그램인 CFdesign을 사용하여 스크류 및 다이스의 동적해석을 동시에 수행하도록 할 것이며, 시뮬레이션 뿐만 아니라 본 발명에 사용된 압출기의 실험 데이터를 시뮬레이션과 비교 분석 수행하는 것을 기본으로 본 발명에서는 세 가지의 패턴으로 해석을 수행할 것이다.
고분자압출기의 계량화부를 도시한 단면형상은 도 1에 나타내었으며, 도 2는 단축스크류 고분자압출기의 단축 스크류를 도시한 단면형상에 관련된 변수를 나타내고 있다. A는 스크류의 피치, H는 스크류 날의 높이, D는 배럴의 내부 지름, e는 스크류 날의 폭, 그리고 θ는 스크류 날개의 나선(helix) 각이다.
도 3은 단축스크류 고분자압출기의 스크류 날 부분을 도시한 단면상태도를 나타내었다. 여기서 W는 스크류 나선의 폭이다. 그러므로 스크류 날의 길이 S는 S=L/sinθ의 관계로부터 구할 수 있다. 여기서 L은 계량화부의 축 방향 길이이다.
또한, 일반적으로 단축 스크류 압출기의 압출에 있어서 압출성능의 기반이 되는 기본적인 요소로 스크류의 압축비(C/R)와 유효길이(L/D)가 중요하다. 압축비(Compression ratio)는 스크류의 공급부(Feed zone)와 계량화부(Metering zone)의 나선 깊이의 1피치당 처적비에 따라 나타내며 계산식은 다음 식과 같다.
Figure pat00001
C/R : 압축비
Hf : 공급부 스크류 길이
Hm : 계량화부 스크류 길이
D : 스크류 지름
압출스크류의 계량화부와 연결되어 있는 다이스의 형상은 고분자 압출 튜브의 가공에 맞게 설계 제작된 다이스이다. 다이스의 형상에는 관로유동의 수식이 적용이 되고 고점도의 용융된 고분자기 Plate를 거쳐 원형 관으로 흘러들어 점차축소관의 손실을 최소화하는 모양으로 설계가 되었고, 축소각이 작을 경우 일반적인 마찰손실 이외의 손일은 일어나지 않는다고 하며 보통의 유동학적 경우 원추각이 30°이하이면 벽면 마찰이외의 손실을 무시된다.
도 4는 단축스크류 고분자압출기의 다이스 단면상태를 나타내었다.
본 발명에서 설계한 스크류와 다이스를 열가소성고분자 원재료의 Melt 상태에서 적정성을 평가하기 위해 유체전문 해석프로그램인 CFdesign을 사용하여 해석수행을 하였다.
CFdesign을 사용하기 위하여 해석 대상의 간소화를 위하여 모델링을 재 수행하였다.
도 5a 및 도 5b는 단축스크류 고분자압출기의 해석대상의 3D모델링을 도시한 사시도를 나타내었다.
Table 1은 해석대상인 스크류의 모델링 치수 및 해석기준요건을 나타내었고, Table 2는 열기고성 고분자 원재료의 물성을 나타내었다.
Table 1. Each part size of modelling
Model geometry Value
Barrel diameter, D 40㎜
Metering zone screw length, L 240㎜
Screw channel height, H 1.6㎜
Flight width, e 6㎜
Screw channel front round, R1 1㎜
Screw channel front round, R2 2.5㎜
Helix angle, θ 30°
Dies output diameter Ø12.5㎜
Dies hole diameter Ø18㎜


Screw pitch, A		 Used screw 42㎜
Ex. screw 1 24㎜
Ex. screw 2 28㎜
Ex. screw 3 32㎜
Ex. screw 4 36㎜
Ex. screw 5 40㎜
Table 2. Material properties of matter and processing condition
Properties of simulation value
Density 1.30g/㎤
Viscosity 10,000㎩ s
Thermal conductivity 0.25W/m℃
Specific heat 2160J/㎏℃
Temperature melt 360℃
In-put pressure 30 Bar
Out-put pressure 1.0135 Bar
Screw velocity 60 rpm
CFdesign 해석에서 Table 2를 기준으로 스크류와 다이스의 해석 수행을 하였다. 그 외임의 변형치수 스크류와 다이스 또한 해석 수행을 하였다.
도 6a 내지 도 6f는 단축스크류 고분자압출기의 해석 수행 결과를 그래프로 나타내었다. 도 7은 단축스크류 고분자압출기의 전체 해석 결과값과 실측 결과값을 비교하여 그래프로 나타내었다.
Table 3은 각각 해석 값과 실측 값과의 오차율을 나타냈다.
Table 3. Whole modelling data and survey experiment data measuring efficiency comparison
1~10 min error 6~10 min error
Simulation model 1.52% 1.74%
Pitch 24 model 3.07% 1.76%
Pitch 28 model 8.00% 9.01%
Pitch 32 model 5.31% 4.28%
Pitch 36 model 11.13% 9.68%
Pitch 40 model 6.09% 4.97%
앞에서 설명된 단축스크류 고분자압출기는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
A 스크류의 피치
H 스크류 날의 높이
D 배럴의 내부 지름
e 스크류 날의 폭
θ 스크류 날개의 나선각

Claims (1)

  1. 스크류 날의 높이는 1.6㎜, 배럴의 내부 지름은 40㎜, 스크류 날의 폭은 6㎜, 스크루 날개의 나선 각은 30°, 계량화부의 축 방향 길이는 240㎜, 스크류의 피치는 42㎜인 것을 특징으로 하는 단축스크류 고분자압출기.
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KR20190046927A (ko) * 2016-10-07 2019-05-07 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 스크루식 압출기

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