조선대학교 대학원

(1)

년도 월 2010 2 석사학위논문

고분자 튜브용 단축압출기의 형상에 따른 Breaker Plate

성능평가 및 CFD 해석

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과

최 진 호

(2)

고분자 튜브용 단축압출기의 형상에 따른 Breaker Plate

성능평가 및 CFD 해석

Efficiency Test Rating and CFD Analysis according to the Breaker Plate shape of

Polymer Tube Single-Axis Extrude

r

2010 年 2 月 25 日

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과

최 진 호

(3)

고분자 튜브용 단축압출기의 형상에 따른 Breaker Plate

성능평가 및 CFD 해석

지도교수 김 재 열

이 논문을 공학석사학위신청 논문으로 제출함

2009 年 10 月

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과

최 진 호

(4)

최진호의 석사학위논문을 인준함.

위원장 조선대학교 교수 심 재 기 印 위 원 조선대학교 교수 오 율 권 印 위 원 조선대학교 교수 김 재 열 印

2009 年 11 月

조선대학교 대학원

(5)

- i -

··· ⅲ

··· ⅴ

··· ⅵ

··· ⅷ

제 1 장 서 론··· 1

제 1 절 연구배경 ··· 1

제 2 절 연구목적 및 동향··· 3

제 3 절 연구방법··· 5

제 2 장 CFD의 이론적 고찰··· 8

제 1 절 CFD의 정의 및 소개··· 8

전산유체역학의 수치해석기법 1. ··· 8

제 2 절 CFD 해석 프로그램··· 10

의 구성 1. CFdesign ··· 10

의 수치해석기법 2. CFdesign ··· 11

가 지배방정식. ··· 11

나 경계조건. ··· 14

다 점성모델. ··· 15

제 3 장 해석대상 및 설계형상··· 16

제 1 절 해석대상··· 16

제 2 절 압출 시스템 설계형상··· 17

단축 스크류 설계형상 1. ··· 17

(6)

- ii - 다이스 설계형상

2. ··· 19

설계형상 3. Breaker Plate ··· 20

제 4 장 압출기 시뮬레이션 및 성능실험··· 21

제 1 절 시제작 모델링 및 변형모델링 시뮬레이션 구성··· 21

단축 스크류 모델링 설계 1. ··· 21

다이스 모델링 설계 2. ··· 22

모델링 설계 3. Breaker Plate ··· 23

고분자 모델 4. ··· 25

시뮬레이션 수행방법 및 결과검출 5. ··· 26

제 2 절 압출기의 성능실험 구성 및 방법··· 34

압출기 시스템 구성 1. ··· 34

성능실험 방법 2. ··· 35

성능실험 결과 3. ··· 36

제 3 절 데이터 비교분석 및 고찰··· 37

제 5 장 결론··· 40

References ··· 42

(7)

- iii -

Fig.2-1 Types of grid ··· 8

Fig.3-1 The polymer single screw extruder thing photograph ··· 16

Fig.3-2 Each zones section shape of single screw extruder ··· 17

Fig.3-3 Variable connected with shape of single screw ··· 18

Fig.3-4 Shape of spreading screw channel ··· 18

Fig.3-5 Design cross section of dice ··· 19

Fig.3-6 Shape of Breaker plate ··· 20

Fig.4-1 Metering zone modelling of screw ··· 20

Fig.4-2 Built-in type modelling of barrel and dies ··· 21

a) Basis modelling perspective drawing ··· 21

b) Basis modelling drawing in section ··· 21

Fig.4-3 Drawing of breaker plate ··· 22

Fig.4-4 CFdesign achievement ··· 25

Fig.4-5 Dies modelling with prototype screw and Plate (Plate Length 7mm) ··· 27

a) CFdesign simulation ··· 27

b) Extrusion amount of a minute working fluid ··· 27

Fig.4-6 Length 4mm breaker plate modelling ··· 28

(8)

- iv -

Fig.4-11 Extrusion system ··· 33

Fig.4-12 Experiment extrusion amount data ··· 35

Fig.4-13 Temporary manufacture modelling data value and survey experimental value comparison ··· 36

Fig.4-14 Whole modelling data value and survey experimental value comparison ··· 37

(9)

- v -

Table 1-1 Verification examples and accuracy of CFdesign ··· 6

Table 4-1 Each part size of modelling ··· 23

Table 4-2 PEEK's properties of matter data table ··· 24

Table 4-3 Simulation achievement condition ··· 26

Table 4-4 Whole modelling data and survey experiment data measuring efficiency comparison ··· 38

(10)

- vi -

 : Screw pitch[mm]

_ : Constant pressure specific heat [

_ : Barrel diameter[mm]

_ : Dies output diameter[mm]

_ : Dies hole diameter[mm]

_ : Hydraulic diameter[mm]

 : Screw channel height[mm]

_ : Feeding zone screw length[mm]

_ : Metering zone screw length[mm]

 : Factor term can operate on a single momentum equation

_ : Metering zone screw length[mm]

_ : Dies upper hole length[mm]

_ : Dies under hole length[mm]

 : In-put pressure [

_{ } : Out-put pressure [

 : Screw channel front round

 : Screw channel back round

 : Screw channel length[mm]

 : Temperature melt(Static) [

_ : Initial Temperature [

_ : Breaker plate thickness [mm]

 : Velocity

 : Flight width

 : Friction factor

 ^{: Enthalpy}

 : Global coordinate direction & The other terms are described in the previous section

(11)

- vii -

 : Thermal conductivity [

 : Consistency index

 : Power law index

_ : Volumetric heat source

 : Distance from the axis of rotation [mm]

 : Time [min]

 : Velocity component in x-direction

 : Velocity component in y-direction

 : Velocity component in z-direction

 : Consistency

_ : Screw helix angle [

_ : Dies cone hole angle [

 : Viscosity [

 : Density [

 : Shear stress

 : Rotational speed [

(12)

- viii -

(13)

- ix -

(14)

- 1 -

(15)

- 2 -

(16)

- 3 -

➔

➔ ➔

(17)

- 4 -

(18)

- 5 -

(19)

- 6 -

(20)

- 7 -

(21)

- 8 -

(22)

- 9 -

(23)

- 10 -

(24)

- 11 -



 

 

 

 

   

      

  





 

  

 



_ 

 

 

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

^_

^

 _ _

(25)

- 12 -





 

  

 



_ 

 

 

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

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 

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

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

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 





^



_ _





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  

 



_ 

 

 



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

^^_ ^{ }^_

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^_

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^

^{ }

 

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

_ _

_  _ _

 

_^

 _

  _  



_  _×_ _× _× _

 

(26)

- 13 -

_

 _

 _ 

 _



 

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  

 



 

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_



 





_{ }



(27)

- 14 -



 

         _ _

(28)

- 15 -

_ 

   



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^

_      

(29)

- 16 - Dies upper

Dies under

Heating zone & Barrel Dies upper

Dies under

Heating zone & Barrel

(30)

- 17 -

 

_  _

 

  _  _

  

^   _^ × 

 _  _

_  _



_

_



Feeding zone : H_f Transition zone Metering zone : H_m Feeding zone : H_f Transition zone Metering zone : H_m

(31)

- 18 -

H W

X Y

Z

Side wall Melt polymer

_

(32)

- 19 -

(33)

- 20 -

_

(34)

- 21 -

(35)

- 22 -

(36)

- 23 -

(37)

- 24 -

_

_





_

_

_

_

_ ∅

_ ∅



_

(38)

- 25 -











(39)

- 26 -

(40)

- 27 -













_



(41)

- 28 -

(42)

- 29 -

(43)

- 30 -

(44)

- 31 -

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- 32 -

(46)

- 33 -

(47)

- 34 - Dies

Controller Hopper

Heating zone & Barrel

(48)

- 35 -

절경의 평균값 × 두께의 평균값 × 두겹  × 원재료의비중 

× 분당생산미터수  분당압출량

(49)

- 36 -

(50)

- 37 -

(51)

- 38 -

(52)

- 39 -

1-10min error 6-10min error Note

Prototype model

(thickness 7mm) 1.422% 1.876%

Experiment model data

thickness 4mm

model 8.141% 8.284%

thickness 5mm

model 3.315% 1.678%

thickness 6mm

model -10.014% -8.917%

thickness 8mm

model -6.148% -4.998%

thickness 9mm

model 3.642% 4.841%

(53)

- 40 -

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- 41 -

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- 42 -

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- 43 -

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- 44 -

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감 사 의 글

먼 저 학 위 과 정 동 안 부 족 한 저 를 언 제 나 세 심 한 배 려 로 지 도 해 주 시 고 본 논 문 이 완 성 되 기 까 지 열 과 성 의 를 다 하 여 지 도 해 주 신 김 재 열 교 수 님 께 감 사 의 말 씀 을 드 리 며 좋 은 논, 문 이 될 수 있 도 록 심 사 하 여 주 신 심 재 기 교 수 님 과 오 율 권 교 수 님 께 감 사 드 립 니 다 또 한. 학 위 과 정 중 많 은 지 도 와 가 르 침 을 주 신 김 영 석 교 수 님 이 동 기 교 수 님 유 영 태 교 수 님 황, , , 석 승 교 수 님 께 감 사 드 립 니 다 .

년 동 안 실 험 실 에 서 생 활 하 며 항 상 도 움 주 신 송 경 석 선 배 님 최 승 현 선 배 님 정 효 희 선

2 , ,

배 님 고 명 석 선 배 님 들 께 도 그 동 안 실 험 실 에 서 미 흡 했 던 점 에 대 해 죄 송 스 러 움 과 함 께 감, 사 의 말 씀 을 드 립 니 다 또 한 옆 에 서 힘 이 되 어 준 대 광 이 형 양 용 하 후 배 에 게 도 감 사 드 리 며. , , 새 로 이 대 학 원 생 활 을 하 게 될 후 배 나 선 영 이 건 에 게 도 고 맙 다 는 말 을 전 합 니 다, .

이 쁘 지 도 않 은 손 자 에 게 항 상 아 낌 없 는 사 랑 을 베 풀 어 주 시 는 외 할 머 니 그 리 고 지 금 은 하, 늘 에 계 신 그 리 운 할 머 니 께 도 감 사 의 말 씀 을 드 립 니 다 .

항 상 힘 들 때 마 다 용 기 잃 지 않 도 록 보 살 펴 주 시 고 따 스 히 감 싸 주 셨 던 아 버 님 어 머 님 께, 말 할 수 없 는 사 랑 과 감 사 들 드 리 며 항 상 건 강 하 시 길 기 원 합 니 다, .

먼 곳 에 서 장 교 로 복 무 하 면 서 도 항 상 가 족 을 챙 기 고 동 생 이 지 만 언 제 나 듬 직 한 모 습 을 보 여 준 하 나 뿐 인 동 생 윤 호 에 게 고 맙 다 는 말 을 전 하 며 언 제 나 옆 에 서 힘 이 되 어 준 가 희 에, 게 도 고 맙 다 는 말 을 전 합 니 다 .

마 지 막 으 로 못 난 후 배 를 사 랑 과 질 책 으 로 이 끌 어 준 석 기 형 삼 주 형 승 은 이 형 철 준 이 형, , , , 효 성 이 형 인 배 형 진 철 이 형 께 도 감 사 의 말 씀 을 드 리 며 오 늘 이 있 기 까 지 항 상 보 살 펴 주 신, , , 모 든 분 들 께 진 심 으 로 머 리 숙 여 감 사 드 립 니 다 .

년 월 최 진 호 올 림 2009 12

(59)

학 과 ^{첨단부품소재}

공학과 학 번 20087156 과 정 석사

성 명 한글: 최 진 호 한문 : 崔珍浩 영문 : Choi Jin Ho 주 소 전라북도 정읍시 상동 현대 2차 아파트 101동 602호 연락처 E-MAIL : poem-cjh@hanmail.net

논문제목

한글 : 고분자 튜브용 단축압출기의 Breaker Plate 형상에

따른 성능평가 및 CFD 해석

영어 : Efficiency Test Rating and CFD Analysis according to the Breaker Plate shape of polymer Tube

Single-Axis Extruder