압출성형, 그 가공법과 공정기술에 대하여

압출성형 공정은 사출성형 공정과 더불어 고분자 성형 산업의 한 축을 담당하고 있다. 그러나 압출공정 자체가 워낙 다양하다 보니 사출공정에 비해 체계적 연구가 부족한 반면 제조 현장에서의 노하우 위주로 관련 기술들이 축적되어 온 것이 사실이다. 본 내용에서는 다양한 압출가공법과 소재별(파이프 & Sheet) 공정기술에 대해 살펴보도록 하겠다.

압출압력과 압출가공법

1. 압출압력

압출압력은 소재가 소성 변형하는데 필요한 일과 공구와 마찰일 등에 이용되며 압축력이 부족하면 가공 진행이 안 되므로 압출가공 해석은 압출력 예측으로부터 시작된다. 둥근 빌렛을 각종 단면형상 및 1개 혹은 복수의 홀을 갖는 직각다이스로 압출하여 평균압출압력을 실험한 결과 제품 단면이 단순한 경우 압출압력은 대략 단면 감소율로 결정된다.

압출압력의 수치해석은 유한요소법으로 계산된 예가 많으며 수치해석 결과 압출종료 근방에서는 빌렛 길이가 짧아져 마찰일이 압출초기보다도 적게 되어 압출압력은 감소하지만 다이스 전면에 형성되는 데드메탈을 부스러뜨려 밀어내는 상태로 되면 압출압력은 다시 증가한다.

2. 압출가공법

압출가공법은 일반적으로 압출기에 다양한 제품의 단면형상을 갖는 공구인 다이스를 설치, 다이스에 소재를 삽입시키고 후방으로부터 높은 압력으로 피가공재를 밀어내어 제품을 길게 뽑는 것이다. 다이스의 구조는 대략 경사진 홀로 형성되며 피가공재의 삽입구가 크고 최종 출구는 제품형상과 동일한 경사면 구조로 이루어진다.

고정밀도, 고품질 제품의 생산에는 정확한 다이스 설계가 필수다. 단면형상이 단순한 L, H, I 형상일 경우는 다이스 설계가 간단하지만, 벌집모양(Honey Comb)이나, 파이프 형상일 경우는 다이스 내부의 컨테이너부에 브리지를 설치해야 하고, 브리지가 있는 경우에는 피가공재가 브리지를 통과한 후 출구 전에서 재료접합이 이루어져야 하는데 이때에 접합부에 불순물이 존재하거나 접합력이 부족하면 접합 불량에 의한 제품불량으로 이어진다.

이들 문제를 해소하기 위하여 과거는 실험적 방법을 많이 사용하였으나 실험적 방법은 신뢰성은 높지만 많은 시간과 인력을 필요로 할 뿐만 아니라 시행착오가 많아 비경제적이다. 따라서 최근에는 이론해석법이 많이 활용되고 있다.

이론해석에는 유한요소법과 경계요소법이 있다. 유한요소법은 해석결과의 신뢰도는 높지만 소요시간이 많이 들고 대형 컴퓨터 사용이 필수이며, 높은 전문성을 요하므로 활용도가 떨어진다. 따라서 복잡형상을 갖는 해석에는 경계요소법이 유효하다.

경계요소법을 통해, 특히 UBET(Upper-Bound Element Technique)법은 소성변형 이론을 숙지한 사람이면 활용할 수 있을 뿐 아니라 해석소요 시간도 짧고, 변형이 심한 부분만 요소분할수를 많게 하여 이 부분만 해석 정밀도를 높이는 방법이 가능하며, 개인용 컴퓨터로도 해석할 수 있어 중소기업에서도 접근이 가능하다.

다양한 압출가공기술

1. 직접압출, 간접압출과 등온압출

압출가공의 피 가공재는 압출이 용이한 알루미늄이 양적으로 많지만 동, 철강에도 적용된다. 압출은 대부분 소재를 뒤에서 밀어내는 직접압출과 프로세스 중 금속유동의 변화를 억제하기 위한 간접압출로 나눌 수 있다.

직접압출은 전방압출, 간접압출은 후방압출이라 부르며 실제로는 직접압출, 간접압출 모두 복동 프레스에 의해 생산된다. 복잡한 구조의 압출프레스는 고력 알루미늄(Al-Zn-Mg-Cu) 압출을 위하여 개발되었으며 직접압출은 소재와 컨테이너 벽 사이에 마찰저항이 작용, 압출이 진행됨에 따라 소재길이가 감소하기 때문에 마찰저항도 감소하여 압출하중이 감소한다. 동시에 다이 근방에서 금속재료 유동도 변화하고 특히 압출종료에 근접하여 소재길이가 짧아 지게 되면 말려들기 등의 결함이 발생한다.

간접압출에서는 통상 표면재료가 말려 들어가기 때문에 소재의 껍질을 벗기는 작업을 해야 하고 설비가 복잡하기 때문에 생산성이 떨어져 고력 알루미늄과 같이 부가가치가 높은 작업에 주로 적용된다.

등온압출은 길이방향 품질을 균일화하기 위한 압출공법으로 자동차 경량화를 위한 알루미늄 사용량이 증가함에 따라 엄격한 품질관리에 대응하기 위해 최근 많이 사용되는 기술이다. 길이방향 품질관리를 위해서는 압출출구온도를 일정하게 유지하는 등온압출이 유효하다. 압출온도제어 및 실제의 조건설정은 어렵지만 시스템은 블랙박스에 가까운 기술보호 하에 이미 상품화 되어있다. 또 등온등속 압출법이 개발되어 압출재 고정밀화가 가능하여 자동차 구조용 소형재로 고력 알루미늄 적용의 증가가 기대된다.

2. 정수압 압출

정수압 압출은 높은 정수압을 이용하여 재료를 소성변형 시키기 때문에 인장응력이 전혀 작용하지 않아 취성재료 압출도 가능한 것이 큰 장점이다. 컨테이너와 소재 사이에 작용하는 마찰이 압출진행과 함께 변동하는 것이 문제이며 압출하중, 온도변화를 초래하기 때문에 제품 길이방향의 품질 균일성이 손상되지만 낮은 마찰, 윤활압출로 재료 유동은 이상적으로 균일하다. 고력 알루미늄을 포함하여 실용화된 제품은 주로 복합재로 만들어진 초전도선을 들 수 있다.

정수압 압출은 압매로 해바라기 기름을 사용해왔지만 냉간 압출에서는 정수압이기는 하나 변형저항이 높으므로 내열 그리스 등 점소성 압매에 의한 열간 압출법이 개발 사용되었다. 점소성 압매는 괴상으로 공급하며 가공공정은 소재 삽입 후 압매를 공급하는 부가적 작업 외에는 일반 압출공정과 같다. 냉간 압출압력은 1500Mpa, 열간은 1000Mpa의 압출압력이 표준이다.

정수압 압출은 금속 유동이 이상적이기 때문에 복잡미세한 단면형상의 형성에 가장 적합하다. 정수압 압출적용의 예로서 초전도선 압출을 들수 있으며 초전도선은 자기부상 철도용 초전도 전자석 코일로 사용된다. 또 복합재 가공으로 티탄관 가공이 있고 복합재는 동피복 알루미늄재(경량화 전선), 피복동재(가성소다 제조용 전극봉) 등 특수용도용로 사용되고 있다.

3. 연속압출

연속압출(Continuous Forming)은 긴 재료의 연속가공성과 가공발열로 풀림처리 재가 얻어질 수 있는 점에 착안하여 전선가공에 적용이 시도되었다. 그러나 신선가공에 비하여 열간가공이기 때문에 생선성이 떨어져 부가가치가 낮은 선재제품에는 적합하지 않으므로 OPGW(광파이버가 들어있는 가공지선)와 자동차 에어컨용 콘덴서튜브를 제작하는 기술에 적용되고 있다.

복합선재 압출법으로 OPGW용 알루미늄 피복동선이나 알루미늄 안정화 초전도선이 제조되고 있다. 소재는 연속 주조재로 알루미늄인 경우 직경 9.5~12.5mm, 동은 직경 8~12.5mm가 사용되고 있다.

동피복 압출도 실용화 단계이며 예로 고장력화를 목표로 하는 동심, 동피복의 신간선용 급전 트롤리선이나 알루미늄심, 동피복의 경량전선 등이 있다.

알루미늄 소단면 다공관의 생산은 자동차 에어컨용 냉매 변경으로 열교환 성능 저하를 막기 위해 콘덴서관의 소단면 다공화를 위한 연속성형 재가 생산되게 되었다. 연속성형 압출은 고속에서 담금질 효과를 유발하는 마찰열 때문에 압출속도를 낮추게 되었지만 다수 개 압출이 어려워 생산성이 떨어진다. 발열로 알루미늄의 국부연화가 단면 내에서 금속 유동을 불균일하게 하여 재료 공급부족으로 격벽소실이 발생한다. 따라서 액체질소 냉각에 의한 발열 제어는 중요하다.

동 압출에서 동은 압출압이 높으므로 복잡형상의 압출에는 다이 등 공구재질에 내열재료 사용의 연구가 필요하다. 현행 열교환기용 동관의 제조공정은 극히 생산성이 높다.

엑스트롤링 압출은 연속성형의 불가결인 코이닝롤로 현존하며 슈와 휠의 마찰력에 의한 후방 압입 역 부가의 인발가공으로, 저연성 동선제작용으로 개발되었다. 감면율은 70%정도로 신선에 비하여 높지만 고속선재 연속압연기에 비해 생산성이 낮다.

4. 가변 단면압출

가변 단면압출로는 고력알루미늄이 있으며 양산 예로는 트럭프레임이 있다. 그러나 토털 생산성, 코스트에 충분한 대응이 못되었고 가변단면 형상 압출은 치수 정밀도의 대응과 유지에 있어 현상의 설비로는 대단히 난도가 높다.

5. 만곡압출

자동차 경량화에서 철강의 스페이스 프레임이라 부르는 골재구조의 차체가 화제이지만 알루미늄 프레임이라면 더욱 가볍게 될 것이라는 기대로 알루미늄 압출재에의 주목이 높아졌다. 압출 후에 인라인에서의 굽힘 가공이나 혹은 만곡압출이라는 압출 다이 부에서의 굽힘 가공까지 부여하는 방법도 고안되었다.

연구단계에서는 많은 만곡압출법이 제안되고 있으나 요구사양, 코스트가 대상제품에 맞는다면 매력적인 가공법이 될 수는 있다.

파이프와 Sheet의 압출성형 공정기술

1. 파이프 압출 성형

파이프 제조는 압출 성형 가운데 가장 생산성이 높은 것으로, 자동화가 계속 진행되고 있어 생산량이 많고, 역사가 길며, 사용대수가 많다는 점 등에서 다른 압출성형과 비교된다.

파이프는 종류가 매우 많으며, 사이즈 별로도 10mmΦ에서 500mmΦ 또는 그 이상의 사이즈까지, 원료 별로도 연질염화비닐, 경질염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 아크릴 그리고 폴리아세탈 등 다양하며, 각각 다이의 형식과 냉각성형법은 다르지만 원리적으로는 동일하다.

파이프 성형 다이의 형식은 다음과 같다.

① 스트레이트 다이

② 크로스헤드 다이

③ 오프세트 다이

또한 냉각 성형법(사이징 방법)에서 보면 다음과 같이 크게 나눌 수 있다.

① 조임 다이 또는 사이징 플레이트법으로 성형

② 아웃사이드 맨드렐법으로 성형

③ 인사이드 맨드렐법으로 성형

이들은 어느 쪽이나 압출기→ 다이→ 냉각 성형→ 인취(引取)→ 절단 혹은 권취(卷取) 공정으로 되어 있으며, 성형상 최대의 기술을 요하는 문제가 냉각 성형법이라고 생각해도 무 방하다.

? 파이프용 압출기

파이프 제조용 압출기는 일축형과 이축형이 사용되고 있다. 경질염화비닐에는 주로 이축 압출기가 사용되고 있으며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS수지, 나일론, 연질염화비닐 등에는 일축 압출기가 가장 많이 사용되고 있다.

? 파이프용 금형

파이프용 금형으로는 일반적으로 스트레이트 다이, 크로스헤드 다이 및 오프세트 다이 등 세 종류가 이용되고 있다. 이들 금형은 모든 것에 만족하는 것은 아니고, 각각 장점과 단점이 있으며, 수지, 용도 등에 따라 특징을 살릴 수 있도록 해야 한다.

최근 일반화된 경질염화비닐용 금형으로 스파이더와 아우터 다이의 접촉부는 다이몸체 스파이더 아웃터 다이 스크류 구면으로 되어 있으며, 이 부분이 활동하는 것에 의해 센터링을 할 수가 있다.

크로스헤드 파이프 다이 및 오프세트 다이는 주로 올레핀계 수지의 파이프용 금형으로 사용되는 것으로 금형 내부에 수냉 장치를 설치할 수 있는 등 장점이 있다.

? 인취, 절단, 권취

사이징 다이에서 정규 치수로 냉각 고화된 파이프는 인취기로 받아 절단 또는 권취한다. 냉각 수조는 일반적으로 수냉식이 많으며, 수온이 변화하기 쉽도록 2~3 또는 4로 구분된 것이 많다.

파이프 인취 방식은 다음과 같다.

① 몇 세트의 고무 롤로 파이프를 집어서 인취

② 상하 또는 좌우 2세트의 캐터필러식 컨베이어로 집어서 인취

③ 3~6세트의 V벨트식 컨베이어로 집어서 인취

위의 어느 방식이나 등속도로 파이프를 변형시키는 일이 없이 균일하게 인장하지 않으면 안 된다. 일반적으로 비교적 가는 연질폴리에틸렌 파이프와 연질염화비닐 파이프 등에서는 50~100m 정도의 길이로 코일을 감는 경우가 많으며, 가로형 또는 세로형의 코일 감는 장치가 사용된다.

이들 가운데는 인취기의 추력만으로 자연히 감아내는 것과, 직접 마루 위에 바퀴 모양으로 떨어뜨려 일정하게 절단한 후 출하상태로 보빈(Bobbin)에 감는 것도 많다.

경질염화비닐 파이프나 폴리프로필렌 파이프는 보통 4m로 일정하게 절단한다. 이 절단 작업은 연속 절단과 꺼내는 일을 동시에 하는 것이 보통이다. 파이프의 인취 속도와 동조해 커터가 수평 이동하고, 그 사이에 파이프를 절단해 다시 원래의 위치로 복귀시키는 장치가 사용된다.

절단 도구는 일반적으로 회전환거인이 사용되는데, 10in 이상의 굵은 파이프에서는 회전바이트(Bite)로 절단하는 것도 많다.

2. Sheet 성형

PP는 고유한 열안정성, 우수한 Stiffness, 화학적 불활성과 우수한 수분 Barrier성을 가지 고 있어 이상적인 포장재로 생산되며, 공업적으로 폭넓은 분야에 사용된다. 또한 PP는 여러 종류의 필터를 첨가함으로 공업적인 성형분야에서 광범위하게 사용되고 있다.

PP는 포장분야와 공업적인 성형·분야에서 중요하여 급속한 증가 추세이며, PVC나 PS 같은 기존 물질들을 대체함으로서 코스트 절감효과를 가져다준다.

이것은 식음료를 위해 단층 또는 다층압출 구조를 통해 포장공업에서 폭넓게 사용된다. 왜냐하면 PP는 가공이 쉬우면서 제품이 미려하고 위생적이며, 열과 기계적으로 우수한 특성을 갖고 있기 때문이다.

또한 기계적 특성은 여러 종류의 필터를 첨가함으로 더욱 향상되어 충격완화 및 공업적인 성형에도 사용되고 있다.

? 공정 정의

Sheet 압출공정은 Powder 또는 Pellet 상의 PP를 두꺼운 Sheet로 변형시키며, 직접 용기나 이형물의 형태로도 성형할 수 있다.

? 장치 선택

압출기의 압출량은 실린더의 직경에 의하여 결정된다. 대부분의 상업적인 기계는 직경이 40∼150mm 사이의 범위를 갖고 있다.

압출기 Screw의 조합은 Polymer가 Sheet Die에 도달하기 전에 용융, 혼련, 그리고 이송능력을 결정하며, 이로 인해 Line의 효율과 Sheet의 품질도 결정된다.

<표1> PP압출기의 적정 전력과 압출량

Filler가 첨가되지 않은 PP는 기존의 구성(공급, 이송, 계량)을 기본으로 Single Stage Screw가 일반적인 공정에서 사용된다.

Single Stage Screw의 일반적인 사양은 다음과 같다.

① 압축비 = 2.5∼3.5

② 길이와 직경비 (L/D) = 28∼32 : 1

압출량은 Screw의 L/D비와 관계가 있고, 긴 압출기는 높은 생산성, 우수한 혼련도, 용융 안정성을 개선시켜 준다. 다른 Screw의 구성도 PP공정에서 사용할 수 있지만, 운전 조건이나 효율면에서 최적의 상태는 안 된다.

일반적으로 L/D비가 24:1보다 적으면 PP의 낮은 열전도성과 높은 용융점에 의하여 충분한 용융과 혼련을 기대할 수 없다. 또한 L/D가 36:1보다 길게 되면 압출기 내에서의 수지 체류 시간이 증가하여 Polymer 열화의 원인이 될 수 있다. 고점도 PP Grade(낮은 MFR)는 Sheet 압출 및 열성형 운전에 폭넓게 사용되고, 압출기 실린더 온도의 상승과 높은 토크의 운전을 요구한다.

기존의 Single-Flighted, Square Pitched Screw는 PP공정에서 일반적으로 사용된다. 한 편, 고체층으로부터 용융 Pool로 구분되어 있는 Barrier Screw(미용융 재료를 혼입하는 나 사홈과 용융재료를 내보내는 홈과의 사이에 장애물을 설치한 Screw)는 혼련 효율을 개선할 수 있다. Barrier Screw는 일반적으로 압출기를 따라서 흐르는 물질에 의해 Solid 주위로 형성되는 Melt Film(용융막)을 제거함으로서 실린더 내벽과의 전단작용으로 Solid 물질의 혼련 효과를 최대로 할 수 있다.

압출계통의 혼련 용량을 개선시킨 균질화 장치는 폭넓게 사용되고 있다. 이 장치들은 분배(Polymer는 계속해서 분리되어 최대로 균일하게 혼련되고, Pins 또는 Pine-apple 종류의 Screw 조합에 의해 일반적으로 가능하다) 또는 분산(안료 또는 응집물질을 첨가할 때 Maddock Mixer와 같은 것은 용융 흐름성과 함께 친화력을 향상시켜 준다)에 의해 분류된다.

부가적인 혼련은 Downstream에서 이루어진다. 이 장치는 용융 흐름상에서 기계적으로 분리시키고 재결합을 가능하게 하는 날개의 구조로 되어 있다. Static Mixers는 낮은 전단속도에서 운전되지만, 용융온도 증가의 결과로서 높은 압력강하의 원인이 된다.

용융펌프(Melting Pump)는 일정한 압출량과 동일한 Gauge를 유지하기 위해 Sheet 압출 에서 폭넓게 사용된다. 그러나 용융펌프는 Screw 설계상의 잘못으로 일어나는 용융 불균일 성과 효율 부족에 대한 보상은 할 수 없다. 또한 용융상태의 온도 변화와 심한 줄무늬 발생의 원인이 될 수 있다. 일단 Polymer가 용융되어 균질화가 완결되면, 용융물은 Die Head를 통하여 Sheet 형태로 성형된다.

Coat Hanger Die구성은 PP의 공정에서 일반적으로 사용된다. 이는 Die의 폭을 가로지르 는 흐름으로 형성되는 Cross-Sectional 영역의 감소로 Sheet 성형 시 균일한 분배를 준다.

다층압출성형 분야의 Die System에서 Feedblock과 Vane 양자 모두 사용할 수 있다. 이 장치들의 사용은 Monolithic Sheet를 위해서는 동일하며, Channel Geometries는 흐름이 결합될 때 최소의 불안정성을 갖게 설계되었다. 기존의 Sheet Die는 일반적으로 Choker Bar를 포함한다. Choker Bar는 Die Head의 중심부분이나 가장자리를 통하여 흐르는 폴리머를 조절하기 위하여 볼록하거나 오목한 형태의 활처럼 되어있고, Polymer의 점도에 의존하며, Die에 서 조절할 수 있는 어떠한 두께로도 변화시킬 수 있다. Sheet의 두께 정밀 조정은 Die Slot에 있는 Flex Lip에 의하여 일반적으로 조정한다. 만일 Die Head가 위의 특성을 갖지 않는다면, 미세한 두께 조정은 Die부의 온도 분포를 조절함으로 가능할 수 있다.

용융 압출된 Sheet는 3개의 Roll에 의해 냉각되고 광택이 발생된다. 우수한 Sheet 표면을 얻을 수 있는 Chrome Roll들의 온도는 각각 조절할 수 있다. Chrome Roll들은 Roll의 표면에 완전하게 밀착되어 있는 압출 Sheet를 냉각시키고, Sheet의 양끝 부분이 우수한 제품을 얻을 수 있다.

? 공정 조건

압출기의 온도 분포는 기하학적인 Screw 사용과 Polymer 점도에 의존하여 설정된다.

일반적으로 온도는 압출기 크기, Screw 형태, 그리고 주변 기계 장치의 일반적인 조건에 의존하며, 210∼245℃의 범위에서 설정된다.

Adaptor와 Die온도는 210∼245℃ 사이의 용융온도를 요구하며, 260℃와 같은 높은 온도는 고점도 Grade를 위해 설정한다. 수지용융온도는 실제 용융온도를 측정하기 위하여 Adaptor 부근의 용융흐름이 있는 곳에서 Thermocouple을 사용하여 측정한다. 정확한 온도조절은 재생품을 사용하여 Sheet 생산하는 곳 등에서 Polymer 열화의 가능성을 최소화할 수 있다. 결국 Sheet의 품질은 재생품(Scrap)의 사용에 의해 영향을 받고, 만일 신제품 수지에 적절하게 혼합하면 30∼40% 수준의 재생품을 일반적으로 별 어려움 없이 사용할 수 있다. 대부분의 압출성형용 수지들은 용융 열안정성이 우수하게 생산, 공급된다.

한편 압출기에는 가혹한 압출성형에 의한 수지의 열산화 분해를 막기 위해 압출기 호퍼 속의 밑 부분으로 질소가스를 공급하는 장치가 적은 비용으로 설치되어 있다. 이는 대기 중에서 수지의 용융 흐름속도를 최소화하고 산화현상을 감소시킴으로서 수지의 열산화 분해를 늦추게 된다.

과도한 압력 생성과 용융 온도의 상승을 막기 위하여 미세 Filter를 Coarse Screen Pack에 사용하고, 일반적으로 Sheet상에 오염물이 나타나지 않도록 20∼100mesh의 Screen을 사용한다.

압출기는 압출압력 100∼200Bar의 범위에서 운전되고, 또한 더 높은 압력에서도 가능하다.

Die Lip 간격은 원하는 Sheet 두께보다 대략 5∼10% 크게 조정한다. First와 Second Chill Roll사이의 Nip Gap은 Sheet두께와 동일한 간격으로 조정한다. 1.25mm보다 얇은 Sheet는 접촉하는 길이의 ㎝당 25kg의 최소 Nip 압력을 요구하며 두꺼운 Sheet의 경우에는 17kg이 면 생산 가능하다.

접촉 Roll의 온도설정은 60∼80℃, Polishing Roll의 온도 설정은 80∼100℃로 각각 조정 한다. 공기의 혼입, 수지의 열화, Sheet에 가해지는 응력은 피해야 하며 Rolling Bank는 최소 로 한다. PP와 같은 결정성 Polymer는 성형 중에 직접 기계 상에서 연신, 냉각, 인취 운전을 할 수 있다.

Sheet의 연신은 용융온도를 허용하는 범위 내에서 유지함으로 최소화 할 수 있으며, Die Gap은 최종 Sheet 간격의 15%보다 크지 않아야 되고, Sheet는 최소의 장력으로 급냉되어야 한다.