사출성형기 사출기구의 핵심부분인 스크류(screw)와 실린더는 기계적 동작과 열적 조작으로 고체 상태의 수지(펠릿, pellet)를 균일한 유동상태로 만든다. 스크류 형상은 재료의 혼련품질에 영향을 미치고 가소화 능력과도 밀접한 관계가 있다. 스크류 직경이 작으면 사출압이 커지고 사출용적과 사출중량, 사출율이 작아진다. 스크류 직경이 크면 사출압이 줄어들고 사출용적과 사출중량, 사출율이 커진다.
계량 스트로크
스크류 직경 대비 계량스트로크가 너무 작거나 크면 불안정한 열적 요인으로 불량이 발생할 수 있다. 실린더 내부에서 용융수지가 체류하는 시간은 4분 이내가 되어야 안정적이라 할 수 있다. 계량스트로크는 적정 사출량을 확보하는 기능을 수행해야 하며, 스크류 직경의 1배~3배 정도가 적합하다.
스크류 구조
스크류 구조는 공급부(feeding zone), 압축부(transition zone), 계량부(metering zone) 영역으로 구성되어 있다. 공급부는 호퍼로부터 많은 양의 수지를 진입시켜야 하므로 스크류 길이 중에서 몸통 직경이 가장 작다. 실린더를 감싸고 있는 히터로부터 열을 흡수하면서 재료를 압축부로 전진시킨다. 압축부의 스크류 몸통 직경은 공급부 직경에서 서서히 증가하는데 예열된 수지가 전단마찰열(shear heating)에 의해 용융과 압축이 일어나면서 앞쪽의 계량부를 향해 이동한다. 계량부는 사출기 노즐에 인접한 스크류 선단 부위이며 사출을 개시하기 위해 용융수지를 노즐로 운반한다. 스크류 길이에서 공급부는 50%, 압축부는 25%, 계량부는 25%를 차지한다. 공급부, 압축부, 계량부의 구성비는 수지종류에 따라 달라진다.
스크류 길이/직경비
스크류 나사산의 유효길이와 스크류직경(나사산 포함)과의 비율을 길이/직경비(L/D ratio)라고 하는데 범융스크류는 16~24 정도의 비율을 보인다. 길이/직경비를 크게 해야 하는 경우는 다음과 같다. 이 값이 크면 가열(가소화)이 쉽고 혼련이 잘 된다. 열가소성 수지는 12~30, 열경화성 수지는 12~18이다.
- 많은 전단마찰열을 수지에 전달하고자 할 때
- 균일한 가소화품질이 요구될 때
- 큰 사출량이 필요해서 용융수지 체류시간을 길게 가져가야 할 때
스크류 압축비
압축비(compression ratio)는 공급부와 계량부의 수지흐름 단면적 비(Hf/Hm)를 말하는데 일반적으로 2~3의 범위를 취한다. 스크류 몸통과 나사산 사이의 빈 공간에 위치한 수지는 단순 혼련상태이기 때문에 스크류 압축비를 높혀야 한다. 고체상태의 수지가 용융수지로 변하면서 빈 공간이 발생하는데 이곳에 공기가 침투한다. 이 과정에서 압축비는 공기를 뒷부분으로 배출하는 기능을 수행한다. 압축비에 의해 원재료 수지는 공간이 줄어드는 방향으로 전진하면서 서로 마찰을 하게 되고 가소화가 진행된다. 압축비가 크면 용융수지로 이동하는 전단열이 커져서 가소화가 균일해진다. 열가소성 수지의 압축비는 2~2.5이고 열경화성 수지는 1이다. 적절한 압축비는 마찰을 억제하고 조기 경화를 방지한다.
스크류와 실린더
스크류는 회전할 때의 비틀림응력과 사출할 때의 압축응력을 충분히 견딜 수 있도록 피로강도를 갖추고 있어야 하며 내마모성과 내식성이 필요하다. 실린더 역할은 수지를 예열하고 용융된 수지의 점도를 일정하게 유지하는 것이다. 온도감지와 조절, 유지를 위해 실린더 여러 부위에 온도센서와 밴드히터가 설치되어 있다. 스크류 회전에 따라 공급부에 위치한 수지는 앞으로 전진하면서 압축에 의해 스크류를 뒤로 밀어내는데 배압이 작용하면서 스크류 후퇴를 저지시킨다. 이 효과로 수지의 압축이 강화되고 스크류 나사산과 실린더 틈새에 끼인 수지는 스크류 회전에 의해 전달마찰열을 흡수하고 용융되는 과정을 반복하면서 계량부까지 도달하게 된다. 이 과정에서 스크류 회전속도와 배압이 작으면 전달마찰 효과가 줄어들게 되어 가소화품질이 떨어진다.