* 자료 : LS엠트론(주) 사출시스템사업부 www.lsinjection.co.kr
1. 머리말
전 세계적으로 플라스틱 제품의 수요는 지속적으로 증가하는 추세에 있고, 관련 설비나 기술도 끊임없이 발전하고 있다.
또한 제품의 외관, 색상, 디자인에 대한 고객의 눈높이는 점점 높아지고 있기 때문에 플라스틱 제품에 원하는 색상을 부여하는 기술에 대한 니즈 역시 나날이 증가하고 있다. 동시에 생산성을 극대화하고, 제조 원가와 불량률을 최소화하는 것 역시 플라스틱 제품 제조업에 있어서 포기할 수 없는 과제라고 할 수 있다.
플라스틱 제품에 색상을 부여하는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫 번째 방법은 착색상태로 공급하는 컴파운드 원료를 사용하는 것이다. 이 방법은 색상이 명확하고 별도의 전용 스크류가 필요하지 않다는 장점이 있는 반면에, 원재료비가 높아져서 제조원가가 상승한다는 단점이 있다.
두 번째 방법은 일반 원재료 수지에 마스터배치를 혼합해 사용하는 것이다. 마스터배치는 플라스틱 착색제의 한 종류로, 여러 종류의 염·안료와 첨가제를 합성수지에 고농도로 분산해 최종제품의 목적에 맞게 생산되도록 하는 반제품 착색제다.
소량으로 전체 제품에 착색이 가능하기 때문에 원재료비 상승의 부담을 줄일 수가 있다는 장점이 있어서, 최근 많은 업체에서 마스터배치를 사용하는 추세이다. 하지만 가소화 실린더 내에서 짧은 시간 동안 마스터배치를 완벽히 혼련하는 것은 굉장히 어려운 일이며, 최적화된 믹싱 스크류를 장착해야만 가능한 일이다. 대부분의 업체에서는 일반 스크류나 형상만 그럴듯한 믹싱 스크류가 장착된 설비를 사용해, 색상 불량이나 생산성 저하를 감수해야 하는 경우가 생기곤 한다.
LS엠트론(주)에서는 지난 수 년 동안 사출성형기에 적용할 수 있는 마스터배치 믹싱 전용 스크류 개발을 진행해 왔다. 50년 이상 축적된 사출성형기의 설계 노하우와 독자적인 가소화 기술을 토대로, 유럽 선진사에서 사용하는 가소화 시뮬레이션 툴인 PSI 시뮬레이션 해석 기술을 도입해, 지난 2017년 초 LS 고유의 믹싱 전용 스크류인 ‘MX 스크류’를 개발해 론칭했다.
본문에서는 MX 스크류에 의한 마스터배치 혼련 매커니즘과 실제 적용 사례를 소개하고자 한다.
2. 본문
1) 믹싱 전용(MX) 스크류
<그림 1>에서 보는 것처럼 MX 스크류는 범용 스크류와 마찬가지로 공급부, 압축부, 계량부로 이루어져 있지만, 계량부 내에 믹서부를 포함하고 있는 점이 다르다고 볼 수 있다. 일반적으로 스크류의 공급부, 압축부, 계량부의 디자인에 따라 최상의 품질로 가소화(용융)할 수 있는 수지군이 달라지게 되는데, MX 스크류는 주로 마스터배치 사용 수요가 많은 패키징류 제품에 특화된 수지인 PP, PE, PS와 같은 수지군을 타깃으로 디자인됐다.
<그림 2>는 MX 스크류로 PP, PE, PS 수지를 계량 시 멜팅 프로파일을 PSI시뮬레이션한 결과로서, L/D=16~18 구간까지 전체 수지의 90% 이상이 완전 용융 상태에 접어듦을 알 수 있다.
<그림 3>은 계량 시 실린더 각 구간의 온도 프로파일을 나타낸 것으로 전 구간에 걸쳐 이상 발열이 발생되지 않고, 설정 온도가 유지됨을 알 수 있다.
수지 투입구를 통해 가소화 실린더 내로 들어간 수지와 마스터배치는 스크류의 공급부, 압축부, 계량부를 거쳐 용융된 상태가 되고, 이 상태로 MX 스크류의 믹서부에 도달하게 된다. <그림4>와 같이 믹서부는 분산부와 혼련부로 나뉘어 있고 각각의 부위에서 마스터배치는 수지 내에 분산, 혼련의 과정을 거치게 된다. 이 과정을 통해 최종적으로 계량이 완료된 수지는 색상이 100% 혼련된 상태가 되어 제품으로 성형할 수 있게 된다.
믹서부 각 부위에서의 분산 및 혼련 메커니즘은 다음과 같다. <그림 5>는 Maddock 믹서에서 마스터배치가 분산되는 메커니즘을 평면도에 도식화한 것이다. 채널은 수지 및 마스터배치의 이동 경로로서 골이 깊고, Barrier는 골이 얕지만 용융 상태의 수지가 지나갈 수 있을 만큼의 틈이 존재하며, Non-Barrier는 수지가 지나갈 수 없을 만큼 골이 얕게 구성되어 있다.
채널(IN) 내로 유입된 용융 상태의 마스터배치는 스크류가 회전함에 따라 Barrier를 타고 넘으면서 마치 삶은 감자가 으깨지듯 작은 입자로 분산된다. Barrier를 타고 채널(OUT)로 넘어간 마스터배치 입자들은 Non-Barrier의 회전으로 인해 채널 밖으로 유출된다.
<그림 6>은 Dot 믹서에서 수지와 마스터배치가 혼련되는 메커니즘을 평면도에 도식화한 것이다. Dot 믹서가 회전하면서 용융된 수지에 난류(Turbulent Flow)를 생성하고, Maddock 믹서를 지나면서 입자 상태로 분산된 마스터배치는 난류를 만나 고르게 혼련된다. 이렇게 혼련된 수지는 스크류 선단부에 모이게 되고, 이를 금형 내에 사출해 원하는 색상의 제품 성형이 가능해 진다.
기본적으로 스크류의 믹싱 기능이란 가소화 실린더 내에서 수지가 진행 방향으로 원활히 흐르지 못하도록, 일종의 장애물을 설치하는 것과 유사하다. 수지와 마스터배치의 입자가 진행 도중 장애물을 만나 생긴 난류(Turbulent Flow) 속에서 서로 부딪치고, 뒤엉키도록 강제하는 것이다. 때문에 수지 진행경로인 유로(流路)와 유체의 흐름을 고려하지 않은 스크류 설계는 자칫 계량 시간 지연 및 편차, 발열 등의 문제를 일으키기 십상이다.
시중에서 흔히 구할 수 있는 믹싱 스크류가 형상은 그럴 듯해도 장착했을 때 가소화 문제를 발생시키는 것은 이러한 이유 때문이다.
MX 스크류는 믹싱부의 주요 치수에 있어서 가소화 문제를 방지하고 믹싱 기능을 향상시키는 데에 최적화 되어 있다.
2) MX 스크류에서의 성형 사례
<표 1>은 MX 스크류를 적용한 업체의 실제 사례를 소개하고 있다. 이는 대표적인 사례만을 정리한 것으로 실제 필드에서는 사용수지, 마스터배치, 성형 조건, 성형 제품 등 너무나 다양한 조건의 케이스가 존재하기 때문에 일반화는 어렵지만 우수한 성능을 발휘하는 것은 틀림없다.
실제로 MX 스크류는 2017년 개발 완료 이후 국내 및 해외의 약 100여 개 업체에 적용되어 사용 중에 있는데, 아래와 같은 특장점을 가진 것으로 보고되고 있다.
1. 고사이클 계량(고RPM, 저배압)이나 소량의 마스터배치 함량 등의 악조건에도 우수한 믹싱 성능을 가진다.
2. 가소화 실린더의 이상 발열 없이 전구간 온도 안정성을 유지한다.
3. 일반 싱글 플라이트 스크류 대비 계량 시간 지연이나 편차가 발생하지 않는다.
최근까지 집계된 조사 결과에 따르면, MX 스크류를 적용 시 일반 범용 스크류가 장착된 설비에 비해 마스터배치 사용량을 약 50% 절감할 수 있고, 계량 시간을 30% 단축시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이는 사용자의 성형 조건이나 성형 제품, 설비 종류에 따라 편차를 보이지만, 마스터배치를 사용하는 제품을 성형하는 데에 있어서 MX 스크류가 우수한 성능을 낼 수 있음에는 틀림없다.
LS엠트론(주)에서는 형체력 110톤급부터 2,000톤 중대형 급까지 MX 스크류를 적용할 수 있도록 개발을 완료한 상태이며, 고객의 요구에 따라 대응하고 있다.
3. 맺음말
이상과 같이, MX 스크류에 의한 마스터배치 믹싱 성형 솔루션에 대해 소개했다. 사출성형기를 활용한 플라스틱 제품 제조 산업은 앞으로도 더욱 더 발전할 것이라고 생각된다. 또한 제조 산업에 있어서 생산성, 품질, 제조원가는 핵심적인 요소로서 변함이 없을 것이다.
MX 스크류는 마스터배치 사용 제품 성형에 있어서 생산성과 품질을 극대화하고, 제조원가를 최소화하는 솔루션이라고 할 수 있다.
LS엠트론(주) 측은 “향후에도 가소화·성형 솔루션에 대한 연구 개발에 집중해 고객의 기대에 부응하는 사출성형기 제품을 제공할 것”이라고 전했다.
