플라스틱 압출 및 압출 부품을 위한 DFM 설계 가이드

공정소개

압출성형열가소성 재료가 회전 나사에 의해 가열된 배럴 내부에서 녹은 다음 성형 다이를 통과하여 일정한 단면을 갖는 프로파일을 생성하는 연속 제조 공정입니다.{0}} 개별 부품을 만들기 위해 폐쇄된 금형 캐비티를 채우는 사출 성형과 달리, 압출 성형은 크기 조정, 냉각 및 절단 다운스트림이 가능한 제품-파이프, 튜브, 채널, 스트립, 시트-를 중단 없이 제공합니다. 이 공정은 높은 처리량, 낮은-미터당 비용, 범용 PVC부터 엔지니어링-등급 폴리카보네이트까지 광범위한 폴리머를 처리할 수 있는 능력으로 평가됩니다.

압출 성형은 플라스틱 재료 가공 분야에서 많은 변화, 높은 생산성, 강력한 적응성, 광범위한 적용 및 가장 큰 비율을 갖는 성형 가공 방법입니다.

압출 성형은 압출기의 스크류 또는 플런저의 압출 작용에 따라 특정 모양의 다이를 통해 폴리머 용융물 또는 점성 유체를 연속적으로 성형하는 것입니다. 결과 부품은 단면 모양이 일정한 연속 프로파일입니다.

폴리머 압출 공정은 엄격하게 제어되는 일련의 단계로 나눌 수 있으며 각 단계는 최종 부품 품질에 영향을 미칩니다. 원료 수지-펠릿, 과립 또는 분말-은 압출기 배럴 위에 장착된 중력-공급 호퍼에 로드됩니다. 거기에서 재료는 피드 스로트에 들어가고 회전하는 스크류에 의해 앞으로 운반됩니다. 수지가 배럴을 따라 이동함에 따라 외부 밴드 히터와 내부 전단 마찰로 인해 재료가 완전히 용융된 상태에 도달할 때까지 온도가 점진적으로 상승합니다. 스크류 설계-비행 깊이, 압축비 및 L/D 비율-은 용융물이 얼마나 균일하게 가소화되는지 직접적인 영향을 미치며, 이것이 바로 플라스틱 압출기 설계가 압출 프로젝트에 대한 DFM 검토의 출발점으로 간주되는 이유입니다.

용융물이 배럴에서 나오면 오염 물질을 걸러내고 더 나은 혼합을 위해 배압을 형성하는 스크린 팩이 장착된 차단기 플레이트를 통해 밀어 넣어집니다.{0}} 여과된 용융물은 다음으로 유입됩니다.압출 다이 설계 원리, 여기서 흐름 채널 형상은 이를 대상 단면으로 형성합니다.- 다이에서 나온 후, 여전히-부드러운 압출물은 다운스트림 풀러가 제어된 속도로 끌어오기 전에 사이징 및 냉각 스테이션-일반적으로 중공 프로파일용 진공 보정 탱크 또는 플랫 시트용 냉각 롤러-를 통과합니다. 마지막으로, 플라잉-톱 또는 회전식 커터가 연속 프로파일을 길이에 맞게 절단하여 원자재부터 완제품까지 압출 공정 단계를 완료합니다.

플라스틱 압출기는 모든 압출 라인의 핵심 기계입니다. 이는 재료 공급을 위한 호퍼, 가열 배럴, 수지를 운반, 압축 및 가소화하는 하나 이상의 스크류로 구성됩니다. 단일-스크류 압출기는 프로파일 및 파이프 생산에 가장 일반적인 구성입니다. 대부분의 열가소성 수지에 대해 간단한 작동, 낮은 유지 관리 및 일관된 출력을 제공합니다. 이축-스크류 압출기는 우수한 혼합 기능을 제공하며 컴파운딩, 색상 마스터배치 분산 및 경질 PVC와 같은 열에 민감한-재료 가공에 선호됩니다. 나사 직경은-실험실 규모 단위의 경우 20mm-대형 파이프라인의 경우 200mm 이상{11}}최대 처리량을 결정합니다. 새 프로젝트를 위해 플라스틱 압출기를 평가할 때 비교할 주요 사양에는 스크류 L/D 비율, 모터 토크, 배럴 구역 수 및 최대 작동 압력이 포함됩니다.

모든 열가소성 수지가 압출 가공이 가능한 것은 아닙니다.

일반적인 기본 재료에는 단단한 재료와 탄성 재료가 포함됩니다.

단단한 재료: PVC, PC, PETG, ABS, PP, 엉덩이, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, EVA, PC + ABS 등

탄성 재료: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE 등

올바른 수지를 선택하는 것은 재료 약어를 제품 카테고리에 일치시키는 것 이상입니다. 각 폴리머는 고유한 용융 거동, 수축률 및 -압출 후 치수 안정성을 제공하며, 이 모든 것이 압출된 플라스틱 부품에 대한 DFM 분석에 반영됩니다. 예를 들어 경질 PVC는 열 분해에 매우 민감하기 때문에 정밀한 온도 제어와 완전히 유선형인 다이가 필요합니다. 잘못 설계된 흐름 채널은 재료 정체와 프로파일 표면에 검은 반점을 초래할 수 있습니다. 그만큼완전한 PVC 압출 공정 가이드또한 수지 과열을 방지하기 위해 특정 나사 형상-일반적으로 낮은-압축비-비, 배리어-플라이트 나사-를 요구합니다.

이와 대조적으로 HDPE 및 PP와 같은 폴리올레핀은 가공 창 측면에서 훨씬 더 관대하지만 다이 팽창이 더 높고 결정화 수축이 더 크기 때문에 벽-두께 균일성과 냉각 속도가 주요 설계 문제가 됩니다. PC 및 PMMA와 같은 엔지니어링 수지는 조명 디퓨저 및 디스플레이 커버에 광학적 선명도와 충격 강도를 제공하지만 용융 점도가 높을수록 더 강력한 압출기 구동 시스템과 경화된 다이 강철이 필요합니다. 단일 프로파일에서 강성과 부드러운 밀봉이 모두 필요한 응용 분야의 경우,공압출 PVC 프로파일구조적 기판(종종 경질 PVC 또는 ABS)과 탄성 오버몰드(TPE 또는 TPV)를 결합하여 한 번에 이중-경도 압출 플라스틱 부품을 생성합니다.

다이 및 툴링 설계

압출 다이는 2-D 프로필 도면을 전체 단면에 걸쳐 균일한 속도로 용융 폴리머를 전달해야 하는 물리적 흐름 채널로 변환합니다.- 이러한 균형을 달성하는 것이 플라스틱 압출 다이 설계의 핵심 과제입니다. 가장 중요한 두 가지 매개변수는 랜드 길이와 흐름-수로 깊이입니다. 랜드는 다이 개구부의 마지막 평행 섹션입니다. 이는 용융물에 "메모리"를 부여하여 압출물이 빠져나갈 때 모양을 안정화시킵니다. 일반적인 시작 규칙은 랜드{8}}길이-대-벽 두께 비율이 최소 10:1입니다. 즉, 2mm 벽에는 대략 20mm의 랜드가 필요하다는 의미입니다. 랜드 길이가 짧을수록 공정은 온도와 속도 변동에 더 민감해지고, 랜드 길이가 지나치게 길면 냉각이 고르지 않고 잔류 응력이 발생할 수 있습니다.

흐름 균형 조정이 그 다음입니다. 프로파일에 두꺼운 부분과 얇은 부분이 모두 있는 경우 두꺼운 부분이 자연스럽게 다이를 통해 더 빠르게 이동합니다. 툴링 엔지니어는 빠른- 흐름 영역에서 랜드를 늘리거나 흐름 제한 장치를 업스트림에 삽입하여 보상합니다. 플라스틱 파이프 압출 공구에서 볼 수 있는 것과 같은 원형 또는 환형 형상-의 경우-맨드릴 핀이 다이 내부에 배치되어 중공 보어를 형성하고 스파이더 레그 또는 나선형 분배기 채널이 용융물을 핀 주위에 고르게 분산시킵니다. 다이, 어댑터 및 전환 플레이트 전체에서 완전한 압축을 유지하는 것이 중요합니다. 재료가 정체될 수 있는 불감대(dead zone)는 결국 압출물을 분해하고 오염시킵니다. 이는 경질 PVC 또는 폴리카보네이트를 사용할 때 특히 심각한 문제입니다.

사출 성형 부품 및 알루미늄 압출 부품의 설계와 마찬가지로 균일한 벽 두께가 매우 중요합니다.

플라스틱 압출 부품의 벽 두께가 고르지 않으면 일부 부품은 두껍고 일부 부품은 얇아 다이에서 압출되는 플라스틱의 유속이 고르지 않아 냉각 속도가 달라지고 결국 부품이 변형됩니다.

변형을 제어해야 하는 경우 추가 냉각 공정을 추가하여 생산 라인의 효율성을 낮추고 생산 비용을 증가시켜야 합니다.

플라스틱 압출은 연속 공정이기 때문에 방금 압출했을 때 압출 부분의 강도가 낮고 모양을 유지하고 변형을 방지하기 위해 공기압과 맨드릴에 의해 지지되어야 하는 반면 중공 부분은 지지를 제공할 수 없으며 복잡한 중공 구조는 단면을 열어야 실현할 수 있습니다.

파이프, 튜브 및 골판지 튜브 툴링

플라스틱 파이프 압출 툴링튜빙은 -압출 분야에서 가장 큰 규모의 응용 분야 중 하나이며, 툴링 요구 사항은 솔리드 프로파일이나 개방형 프로파일과 크게 다릅니다. 플라스틱 파이프 압출 툴링 설계 지침은 일반적으로 환형 다이 및 맨드릴 어셈블리로 시작됩니다. 맨드릴은 내부 구멍을 생성하고 동심 외부 링은 외부 직경을 정의합니다. 그들 사이의 간격은 벽 두께를 설정합니다. 용융물이 다이를 떠난 후, 여전히-부드러운 튜브는 외부 직경을 사양에 맞게 유지하는 진공 사이징 슬리브로 들어가고 약간의 내부 공기압으로 인해 튜브가 붕괴되는 것을 방지합니다.

매끄러운-벽 튜빙-의료 라인, 공압 호스, 케이블 도관-벽 동심도가 주요 품질 지표이므로 맨드릴은 미크론 내 중심에 있어야 하며 웰드라인을 방지하려면 용융 분포가 나선형 또는 코트행거 유형이어야 합니다.{3}} 골판지 플라스틱 튜빙은 또 다른 복잡성을 추가합니다. 다이 하류의 이동 성형 블록(또는 골판지) 세트가 압출물 주변을 순차적으로 열고 닫아 튜빙에 축 방향 유연성과 파쇄 저항성을 부여하는 교대 봉우리와 골을 형성합니다. 주름진 압출 툴링의 설계 지침은 금형-블록 피치, 각 주름의 진공 타이밍, 과도하게 얇아지지 않고 금형 캐비티 안으로 늘어나는 수지의 능력을 고려해야 합니다. 단일-벽 주름형 도관과 이중-벽 주름형 배수관 모두 이 도구 개념을 사용하지만 벽-구조 설계와 수지 선택(일반적으로 HDPE 또는 PP)은 서로 다릅니다.

작은-직경의 플라스틱 튜브 압출-예: 10mm OD 미만-은 다이 갭에 대한 더 엄격한 공차와 더 빠른 냉각 반응을 요구합니다. 온도나 압력 변동이 벽 단면에서 더 큰 비율을 나타내기 때문입니다.{4}} 이러한 응용 분야에 대한 툴링을 지정할 때 생산에 착수하기 전에 압출 공급업체의 설계 지침 핸드북을 참조하여 벽 편심, 타원형 및 절단 길이 정확도에 대한 표준 기능을 확인하는 것이 좋습니다.{6}}

여러 개의 벽이 교차하는 부분에는 벽 두께가 두꺼운 부분이 주로 생성되므로 압출 외부 표면에 수축 및 외관 불량이 발생하기 쉬우며 이는 사출 성형과 매우 유사합니다.

압출이 외관 부품인 경우 아래 그림에 표시된 최적화 설계를 통해 수축을 피하거나 덮을 수 있습니다.

압출 비용 절감을 위한 DFM 전략

설계 주기 초기에 DFM 원리를 적용하는 것은 성능 저하 없이 압출 플라스틱 프로파일의 비용을 절감하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 몇 가지 실용적인 전략이 일반적으로 간과됩니다.

먼저 부품을 통합합니다. 현재 어셈블리가 함께 고정된 2개 또는 3개의 별도 프로파일을 사용하는 경우 단일 공압출 섹션이 이를 대체할 수 있는지 평가하세요.- 부품 수가 적다는 것은 다이 수가 적고, 2차 작업이 적고, 조립 노동력이 줄어든다는 것을 의미합니다.-DFM 플라스틱 엔지니어링 관점에서 직접적인 승리입니다.

둘째, 중공부분의 밀폐영역을 최소화한다. 모든 밀폐된 공간에는 맨드릴이 필요하며 다이 밸런싱이 복잡해집니다. 완전히 밀폐된 채널이 구조적으로 필요하지 않은 경우 스냅인 캡이 있는 C-채널로 변환하는 것을 고려하세요.- 이는 툴링을 단순화하고 다이 리드 타임을 단축시킵니다.

셋째, 표준 다운스트림 장비를 위한 설계입니다. 정밀 서보 절단기가 아닌 표준 플라잉 톱을 사용하여 의도한 절단 길이를 달성할 수 있으면 단위당 비용이-떨어집니다. 마찬가지로, CNC-오프라인 가공-이 아닌{3}}인라인으로 펀칭할 수 있는 스냅 기능과 장착 구멍을 설계하면 공정이 지속되고 노동력이 적게 듭니다.

마지막으로 설계를 동결하기 전에 압출 공급업체와 초안을 공유하세요. 숙련된 툴링 엔지니어는 종종 다이 밸런싱과 첫 번째{3}}통과 수율을 극적으로 향상시키는 작은 형상 조정을 제안할 수 있습니다.-여기에 구배 각도를 추가하고 반경을 이동하여- 플라스틱 부품에 대한 이러한 종류의 초기-단계 DFM 검토는 원활하게 실행되는 프로파일과 지속적인 작업자 개입이 필요한 프로파일을 분리하는 것입니다.

가능한 한 길이 방향의 엄격한 공차는 피해야 합니다. 열가소성 플라스틱은 온도에 따라 수축 및 팽창하므로 플라스틱 압출물을 임계 길이로 절단하면 비용이 불필요하게 증가할 수 있습니다.

일반적으로 공차는 1000mm 길이의 돌출에서 + / - 5mm입니다. 물론 공차 정확도는 길이와 관련이 있습니다. 길이가 짧을수록 정확도가 높아집니다.

가능한 한 길이 방향의 엄격한 공차는 피해야 합니다. 열가소성 플라스틱은 온도에 따라 수축 및 팽창하므로 플라스틱 압출물을 임계 길이로 절단하면 비용이 불필요하게 증가할 수 있습니다.

일반적으로 공차는 1000mm 길이의 돌출에서 + / - 5mm입니다. 물론 공차 정확도는 길이와 관련이 있습니다. 길이가 짧을수록 정확도가 높아집니다.

압출 플라스틱 부품의 일반적인 결함

잘 설계된-금형과 최적화된 압출 성형 공정을 사용하더라도 공정 매개변수가 드리프트하면 결함이 표면화될 수 있습니다. 근본 원인을 이해하면 가동 중지 시간과 스크랩이 줄어듭니다.

용융파괴프로필 표면에 상어가죽과 같은 거친-질감이 나타납니다. 이는 다이 립의 과도한 전단 응력으로 인해 발생하며 HDPE 및 선형 LLDPE와 같은 고{2}}점도 수지에서 가장 일반적입니다. 라인 속도를 줄이거나, 다이 온도를 높이거나, 다이 간격을 넓히면 전단력이 임계 임계값 아래로 떨어질 수 있습니다. 다이 라인-압출 방향으로 이어지는 얇고 연속적인 줄무늬-는 일반적으로 다이 랜드의 긁힘이나 축적으로 거슬러 올라갑니다. 다이 립을 정기적으로 연마하는 것이 표준 수정입니다.

절단 후 뒤틀림은 종종 비대칭 냉각의 결과입니다. 프로파일의 한 쪽이 다른 쪽보다 공기 흐름이나 물 접촉이 더 많으면 잔류 응력이 고르지 않게 쌓이고 이완된 후 부품이 구부러집니다. 냉각 스프레이 노즐과 교정기 진공 포트의 정렬을 확인하는 것이 첫 번째 단계입니다. 벽이 두꺼운 벽과 얇은 벽이 모두 있는 복잡한 프로파일의 경우 두꺼운 쪽에 국부적인 냉각 제트를 추가하면 수축률을 동일하게 만들 수 있습니다.

벽 부분 내부의 공극과 기포는 일반적으로 수지에 습기가 있거나 압출기 배럴의 환기가 부적절하다는 것을 나타냅니다. 흡습성 재료(PA, PC, PETG)를 권장 수분 함량-보통 0.02% 미만-으로 사전 건조한 후 먹이를 주는 것이 필수적입니다. 기포가 지속되면 배럴 배기 포트가 막혔거나 배럴의 감압 구역에서 가스를 효과적으로 제거하기에는 스크류 속도가 너무 높을 수 있습니다.

포스트-압출 작업 및 마감

압출 라인은 연속적인 길이의 일정한 단면을 생성하지만 대부분의 최종 용도에서는 프로파일을 조립할 준비가 되기 전에 추가 처리가 필요합니다. 일반적인 2차 작업에는 길이에 따른 정밀 절단, 노치 및 슬롯의 CNC 라우팅, 장착 구멍 드릴링 또는 펀칭, 브랜딩을 위한 핫 스탬핑 또는 패드 인쇄가 포함됩니다. 일부 플라스틱 압출 부품은 굽힘-완만한 곡선을 위한 냉간 굽힘 또는 좁은 반경을 위한 열 굽힘-을 거쳐 최종 제품의 형상을 따릅니다.

표면 마감 옵션은 폴리머에 따라 다릅니다. ABS 및 경질 PVC는 페인트와 접착제 결합이 잘 되는 반면, 폴리올레핀은 일반적으로 인쇄 또는 접착 전에 표면 에너지를 향상시키기 위해 화염 또는 코로나 처리가 필요합니다. 조명 및 디스플레이 애플리케이션의 경우,PC 및 PMMA 광 확산기 커버후처리 샌드블래스팅이 아닌 인라인 엠보싱 롤을 통해 무광택 질감을 얻을 수 있습니다. 이는 압출 라인 내에서 작업을 유지하고 손상 처리를 방지합니다. 초기 프로파일 설계 중에 이러한 다운스트림 단계를 계획하는 것은-클램프 고정구를 위한 공간 확보, CNC 작업을 위한 위치 기준점 추가-는 나중에 비용이 많이 드는 재작업을 방지하는 간단한 DFM 방식입니다.

플라스틱 압출 공정은 5{0}단계 작업입니다. (1) 원수지는 중력에 의해{2}호퍼에서 압출기 배럴로 공급됩니다. (2) 회전하는 스크류는 점점 더 뜨거워지는 배럴 구역을 통해 재료를 운반하고 녹입니다. (3) 용융된 폴리머를 여과하고 프로파일 모양을 정의하는 정밀 다이를 통해 강제로 통과시킵니다. (4) 압출물은 진공 교정 탱크 또는 냉각 롤에서 냉각되고 치수가 안정화됩니다. (5) 풀러는 응고된 프로파일을 필요한 길이로 절단하기 전에 제어된 속도로 끌어 당깁니다. 배럴 온도 프로필, 스크류 RPM, 용융 압력, 운반 속도 등의 공정 변수를 조정하여 최종 압출이 치수 공차 및 표면 품질 표준을 충족하도록 해야 합니다. 이 폴리머 압출 공정은 단순한 원형 튜브, 복잡한 다중{10}공동 창틀 및 얇은{11}벽 조명 디퓨저 커버에 동일하게 적용됩니다.