필름 생산시 굴곡현상

압출성형 와인딩(권취) 필름의 기하학적 변형   SHS plus사는 독일 소재 기업으로 플라스틱 분야에서 관련 기술 컨설팅을 제공하는 전문 회사이다. 본 기고문은 유럽내에서 진행한 컨설팅의 일부 항목으로 chillWARE 소프트웨어를 이용하여 수행했다는것을 밝혀둔다. 필름은 농업용 비닐 하우스, 식품 포장용 등 전통적인 사용처로부터 핸드폰 액정, 전기자동차 배터리 등으로 그 사용처가 다변화 되고 있다. 또한 새로운 개발이 추진되는 제품들의 경우 그 기능 및 특수성 때문에 생산 과정 중 제품 안정화에 많은 어려움을 겪고 있다. 본 기술 투고에서는 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 필름생산 시 발생하는 필름의 굴곡현상 및 게이지 밴드(gauge band)의 원인과 문제해결 방법을 알아 본다.     필름 생산 시 게이지 밴드의 발생 필름 생산현장에서는 게이지 밴드 외에도 주름, 권취 중의 슬립, 필름 좌우 끝 부분이 불룩해지는 등 수많은 문제들이 발생하는데 이번에 예를 든 프로젝트에서는 그림 1a와 같이 필름 권취 후에 발생한 게이지 밴드를 해소하는 데 집중한다. 해당 필름은 그림 1b와 같이 권취전에 이미 굴곡이 발생한 상태이다. 이러한 원인들 때문에 외관 불량으로 판매에 어려움이 발생하고, 심한 경우 제품을 폐기장으로 보내야 하는 상황이었다. 본 기고에서 볼수있는 사진들과 시뮬레이션 데이터는 독자들의 이해를 돕기 위해 게재된 것이며. 실제 제품 및 공정은 고객 정보 보호를 위하여 제공해 드리지 못함을 아쉽게 생각한다.   원인 분석과 잔류응력 고객 컨설팅을 통해 축적된 노하우를 바탕으로 해당원인에 대한 분석을 진행했다. 장비 등의 기계적인 원인에 의한 경우를 제외하면 필름의 굴곡형성은 냉각공정에서 불균일한 열수축, 각 층별 결정화도 차이, 재료 자체의 문제가 원인이 될 수 있으며, 냉각 후 수지의 유동이 완료되어 확정된 잔류응력 분포 또한 원인이 될 수도 있다. 또한 권취 과정 중에 필름 단면을 따라 분포한 초기 웹 두께(web thickness)는 생산이 완료된 필름 코일에 작용하는 대다수 물리적 결과에 필수적으로 영향을 끼친다. 일반적으로는 이러한 여러가지 요인들이 결합되어 문제발생의 원인으로 작용될 수 있으며 이 중 잔류응력이 가장 큰 영향을 끼친다. 필름에 형성되는 잔류응력은 냉각온도, 온도변화의 폭, 냉각장치, 뜨임 처리와 같은 냉각관련 공정 등에서 영향을 받는데 그 이유는 필름의 단면과 제품 폭에 따라 불균일한 냉각 때문이며 이는 종종 열전도율이 나쁘거나 제품 한쪽면으로 과다 냉각, 또는 비균질 냉각이 원인이 되고 있다. 수지에서 발생하는 약 20~30%의 열수축(pvT 반응)은 잔류응력 형성의 다른 원인이 된다. 주요한 잔류응력은 고탄성율 재료 나 밀도가 온도에 밀접하게 종속된 (취성)재료에서 발생한다.(예를 들면 반결정성 열가소성 수지뿐만 아니라 층마다 다양한 열기계적 특성들을 가진 다층필름). 잔류응력은 web run과 같은 비틀림, 가장자리에서 위쪽 또는 아래쪽으로의 굴곡, 압출방향등 필름의 흔들림, 물결 형성, 길이 차이 등 필름의 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 제품의 라이프 사이클에서 잔류응력은 점차 완화되지만 그 값은 시간과 온도에 의해 결정된다. 고유응력은 인위적으로 뜨임공정(보통 90℃이상에서 축열)을 거쳐 감소시킬 수 있으며 그 과정은 주로 생산공정중 챔버 내에서 뜨거운 공기를 불어넣게 되는데 세라믹 히터, IR 히터 또는 다른 장치를 이용하여 공정을 더할 수도 있다.   시뮬레이션 진행 이 가정을 증명하기 위해 첫번째로 생산라인과 공정을 기하학적, 열적으로 매우 정밀하게 계측해봤다. 본 케이스에서는 생산공정이 두 단계로 이루어졌다. 첫 단계는 알루미늄 시트 위에 코폴리머를 코팅하고 박막 LDPE를 합지 후 냉각한다. 그리고 두번째 단계로는 반대편도 동일하게 코폴리머를 코팅하고 약간 두꺼운 HDPE를 합지한다. 시뮬레이션은 좀 더 정확한 결과값을 얻기 위해 시뮬레이션 기법상 일괄 공정을 상하 두 개의 단계로 나누어 진행했다. 그림 2a는 chillWARE 냉각공정 입력창으로 각각의 장비 구성요소들과 롤러의 위치, 온도 설정값, 주변 온도 등을 생산 현장과 동일하게 입력했다. 이를 위해 공정 설계상 장비의 배치도와 각각의 롤러 위치 등을 참고하여 필름이 생산공정과 정확한 궤도를 유지하며 진행할 수 있도록 하였고 장비와 근접한 부분의 온도와 같은 외부 조건들도 가급적 정확히 측정했다. 다음 단계로 그림 2b와 같이 필름의 열적, 기계적 데이터를 재료별(층별)로 입력하였고 여기에 압출량, 필름의 두께와 폭, 생산속도 등을 입력했다.   시뮬레이션 결과 분석 그림 3a와 3b는 시뮬레이션 결과 중 일부를 보여주고 있다. 각각의 결과 그래프에서 맨 위의 그래프는 압출 시간 경과(X-축)에 따른 온도(Y-축) 그래프를, 가운데 그래프는 임의지점(맨 위의 적색선이 위치한 지점 - 다른 지점으로 이동 가능)에서 필름 내부의 층별 온도, 마지막 아래는 냉각설비에서 칠 롤러 등 각각 다른 공정 유닛들의 기하학적 위치를 보여주고 있다. 아래 그림4는 그림 3b의 우측 첫 번째 칠 롤러의 온도분포를 보여준다. 위에서 언급한 바와 같이 3b는 두꺼운 HDPE를 합지하는 공정으로 칠 롤러에 접촉 전 필름 온도는 매우 높은 상태를 유지하나 칠 롤러를 통과(이탈) 하면서 매우 빠르게 냉각이 이루어 졌음을 알 수 있다. 냉각에 따라 결정화가 이루어지고 웹 장력은 증가하게 되는데 이는 게이지 밴드를 증폭시키는 원인이 된다. 게다가 불균일한 열이 합지된 필름에 인가될 때 수축 또한 불균일하게 발생하여 굴곡형성을 촉진한다. 굴곡 형성 억제가 가능한 해결책으로 세라믹 히터, 히팅 롤러, 인덕션 히터 등을 이용하여 알루미늄 시트를 사전에 가열해 시트 층간의 온도차이를 줄여주는 방안이 제시되었다. 알루미늄 층을 사전에 가열하여 신장시킨 후 향후 냉각공정 중에 발생 가능한 요인을 사전에 보상해 놓는 것이다. 사전예열을 시행하면 부수적으로 발생이 명백히 예상되는 게이지 밴드 또한 감소하게 된다. 이를 좀 더 완화시키기 위해 게이지 밴드 발달에 관한 압출 다이의 트래버스(traverse) 효과를 살펴보았다. 필름의 단면을 따라 두께를 실측하고 이를 시뮬레이션 프로그램에 입력, 필름의 권취 과정을 모사했다. 그림 5a는 필름 권취 후에 예측되는 온도 분포를 포함하여 레퍼런스 공정의 최종적인 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. X-축은 필름 코일의 폭을, Y-축은 폭 방향을 따라 코일의 높이를 나타낸것이다. 그래프를 자세히 관찰해보면 필름이 감긴 후 최종적으로 굴곡이 발생해 있음을 알 수 있다.  그리고 아래 그림 5b와 같이 입력 파라미터의 하나인 트래버스 폭(traverse width)을 1.5배 2배로 변경 입력하고 각각의 모사를 진행했다. 게이지 밴드의 크기는 트래버스 폭을 조정하여 급격히 감소시킬 수 있지만 슬리팅 등 생산 중에 폐기량이 증가할 수도 있다.   결론 관련 프로젝트를 통해 chillWARE 프로그램은 생산공정을 따라 온도차가 어떻게 작용하는지를 시각적으로 표현하고 있다. 또한 다양한 요인에 의하여 상호 영향을 주는 이론적 과정을 시뮬레이션을 통해 모사해 볼 수 있다. 이러한 시뮬레이션 결과에 기초하여 현존하는 문제들을 해결하는데 이러한 모사 방법을 이용하시길 제안한다. 관련 시뮬레이션 demo program 및 컨설팅은 info@shs-plus.de 또는 cho_magnapp@outlook.com 으로 연락 하면 좀더 자세한 내용을 알수있다.   ----------------   본 기술기고는 독일 SHS puls GmbH(www.shs-plus.de)사의 지원으로 작성이 되었으며 파이프, 필름, 시트, 윈도우 프로파일, 전선 등의 압출 후 냉각공정 중에 발생할 수 있는 품질 문제점을 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 진단하고 예측, 예방 할 수 있는 방법들을 설명하고자 한다. 다음과 같은 예제를 이용하여 총 6회에 걸쳐 관련 문제점 해결 방법을 살펴볼 예정이다.   1. 플라스틱 파이프 끝단면의 변형-3월 2. 파이프 늘어짐(처짐) 3. 와인딩  필름의 기하학적 변화 4. 후판의 열적 변형 5. 환봉의 품질 문제 6. 공정비용의 절감