이 글의 목적은 트윈스크류 압출 공정에서 혼련 블록(니딩 블록) 배치를 체계적으로 최적화하여 분산·분포 혼합 품질을 확보하고 토크·온도·체류시간 변동을 줄여 생산성과 품질을 동시에 안정화하는 실무 기준을 제공하는 것이다.
1. 니딩 블록 배치 최적화의 핵심 개념이다
1) 니딩 블록이 공정 성능을 좌우하는 이유이다
니딩 블록은 트윈스크류에서 고전단을 만드는 대표 요소이다.
니딩 블록의 디스크 각도와 폭, 디스크 수, 배치 위치는 분산 혼합과 분포 혼합, 충만율, 압력 상승, 체류시간 분포, 발열을 동시에 바꾸는 변수이다.
따라서 니딩 블록 배치 최적화는 단순히 “잘 섞이게” 하는 문제가 아니라 공정 안정성, 스케일업 재현성, 결함률을 통합적으로 관리하는 문제이다.
2) 분산 혼합과 분포 혼합을 구분해야 한다
분산 혼합은 응집체를 깨고 입자 크기를 줄이는 혼합이다.
분포 혼합은 서로 다른 성분이 공간적으로 균일하게 퍼지도록 하는 혼합이다.
니딩 블록은 분산 혼합에 강점이 있지만 과도하게 쓰면 발열과 토크 상승, 열열화 위험이 커지는 구조이다.
따라서 목표 품질 지표를 분산 중심으로 둘지, 분포 중심으로 둘지 먼저 결정해야 하는 공정 설계 순서이다.
3) 최적화 대상 지표를 수치로 정의해야 한다
“혼련이 잘 된다”는 표현은 공정 개선에 바로 쓰기 어렵다.
현장에서는 최소한 아래 지표를 수치화하여 목표와 허용범위를 정하는 방식이 필요하다.
| 구분 | 대표 지표 | 권장 측정 방식 | 설계에 미치는 영향 |
|---|---|---|---|
| 혼합 품질 | 분산도, 응집체 잔존율, 색상편차, 필터압(ΔP) | 현미경, 분산도 지수, 필터 테스트, 색차계 | 니딩 각도·연속 길이·배치 위치 결정에 직접 영향이다 |
| 에너지 | SME, 모터부하, 토크 변동 | 설비 로그, 토크/회전수/유량 기반 계산 | 과혼련 여부 판단과 스케일업 기준이 된다 |
| 열 관리 | 용융온도, 구간별 배럴온도, 핫스팟 | 용융온도 프로브, 배럴 센서, IR 보조 | 열열화·가스 발생·겔 결함과 직결이다 |
| 유동 안정 | 압력, 서징, 체류시간 분포(RTD) | 압력센서, 로깅, 추적자 시험 | 니딩 블록의 역송 성향과 충만율이 원인이다 |
| 생산성 | 처리량, 스크랩률, 세정·전환 시간 | MES/현장 기록 | 최적 혼련이 생산성 저하 없이 달성되어야 한다 |
주의 : 니딩 블록을 늘리면 혼합 품질이 항상 좋아진다고 가정하면 실패하기 쉽다.
주의 : 분산 요구가 낮은 처방에 과도한 니딩을 적용하면 열열화와 토크 제한으로 오히려 품질이 나빠질 수 있다.
2. 니딩 블록의 구조 변수와 “성격”을 이해해야 한다
1) 디스크 각도는 전단과 역송 성향을 바꾸는 변수이다
니딩 디스크 각도는 대표적으로 30°, 45°, 60°, 90° 계열로 구분해 운용하는 경우가 많다.
각도가 커질수록 블록 내부 체류와 충만이 증가하고 혼련 강도도 증가하는 경향이 있다.
각도가 커질수록 압력 상승과 발열 위험도 함께 커지는 구조이다.
2) 블록 길이와 연속 배치는 “혼련 체류 구간”을 만든다
니딩 블록 하나의 길이뿐 아니라 연속 배치 길이가 혼합 결과를 좌우하는 변수이다.
연속 길이가 길수록 분산 성능은 증가하지만 토크 한계와 열 관리 한계에 빨리 도달하기 쉽다.
따라서 동일 목표를 달성할 때 “짧은 블록을 분산 배치”할지 “긴 블록을 집중 배치”할지 비교해야 한다.
3) 배치 위치는 용융 상태와 반응/탈기 창을 결정하는 변수이다
같은 니딩 블록이라도 용융 이전에 배치하면 고형-고형 마찰이 커져 토크 급상승을 유발하기 쉽다.
용융 직후에 배치하면 분산 혼합 효율이 높아지고 예측이 쉬운 편이다.
탈기 구간 앞에 배치하면 휘발분 방출과 거품 안정성이 바뀌는 변수로 작동하다.
3. 최적화는 “목표 설정 → 제약 확인 → 후보 레이아웃 설계 → 검증” 순서이다
1) 목표 품질을 공정 창으로 바꾸는 단계이다
목표 품질은 단일 숫자 하나가 아니라 공정 창으로 정의해야 한다.
예를 들어 분산도를 목표로 할 때도 최소 분산도, 최대 용융온도, 최대 모터부하, 최대 압력이라는 동시 제약이 존재하다.
이 제약을 표로 선언하면 실험 설계와 생산 적용이 빨라지는 구조이다.
| 항목 | 목표 | 상한/하한 | 측정 포인트 | 판정 기준 |
|---|---|---|---|---|
| 분산 품질 | 응집체 잔존 최소화 | 예: 잔존율 ≤ 기준값 | 필름/사출 시편, 현미경 | 기준 절차에 적합이다 |
| SME | 필요 최소 에너지 | 과혼련 상한 설정 | 토크·rpm·유량 로그 | 목표 범위 내이다 |
| 용융온도 | 열열화 방지 | Tmelt ≤ 한계 | 다이 전 용융 프로브 | 상한 이하이다 |
| 압력 | 안정 압출 | P ≤ 설비 한계 | 다이 압력, 구간 압력 | 서징 없음이다 |
| 모터부하 | 토크 여유 확보 | 부하 ≤ 제한 | 인버터/PLC 로그 | 여유 ≥ 기준이다 |
2) 설비 제약을 먼저 고정해야 한다
스크류 외경, L/D, 배럴 냉각 성능, 구동부 토크 한계, 벤트 위치, 사이드피더 위치는 설계 변경이 어려운 제약이다.
따라서 니딩 블록 최적화는 “주어진 제약 안에서 최적”이어야 한다.
주의 : 벤트 앞뒤 압력 구배가 불리한 상태에서 니딩을 추가하면 벤트 블로우백과 분진 비산이 발생할 수 있다.
3) 후보 레이아웃은 최소 3종 이상 비교해야 한다
현장에서는 보통 “강혼련형, 균형형, 저발열형”의 3종 레이아웃을 동시에 설계하는 방식이 효율적이다.
그 다음 같은 원료, 같은 유량, 같은 rpm 조건에서 토크·온도·압력·품질을 비교하여 방향을 결정하다.
4. 실무에서 통하는 니딩 블록 배치 패턴이다
1) 용융 직후 단일 강혼련 블록 배치 패턴이다
용융 구간 뒤에 45° 또는 60° 계열 니딩 블록을 짧게 배치하여 1차 분산을 만드는 방식이다.
이 패턴은 마스터배치 희석, 필러 초기 분산에 유리하다.
다만 초기 분산 후에는 이송 요소로 회복 구간을 둬서 발열 누적을 줄이는 것이 일반적으로 유리하다.
2) 다단 분산 패턴은 “짧게, 여러 번”이 핵심이다
한 구간에 긴 니딩을 몰아넣기보다 짧은 니딩을 여러 구간에 분산 배치하는 방식이다.
이 방식은 토크 피크를 낮추고 체류시간 분포를 완만하게 만들어 공정 안정성이 좋아지기 쉽다.
특히 열에 민감한 수지나 첨가제 처방에서 재현성이 좋아지는 경향이 있다.
3) 탈기 효율을 노리는 패턴은 “니딩-회복-벤트” 순서이다
휘발분이나 용매를 제거해야 하는 경우 벤트 직전 구간에 과도한 역송 성향을 만들면 벤트가 불안정해지기 쉽다.
따라서 벤트 전에는 필요한 만큼의 표면 갱신과 기포 파쇄가 되도록 짧은 니딩을 두고, 바로 뒤에 이송 구간을 배치하여 압력과 충만을 정리하는 구성이 실무적이다.
4) 반응·가교·점도 상승 처방은 “발열 한계”가 1순위 제약이다
반응성 처방은 점도 상승이 빠르고 발열 여유가 작아 니딩 블록의 효과가 증폭되는 조건이다.
따라서 니딩 배치는 혼합보다 열 관리가 1순위가 되기 쉽다.
이 경우 강혼련을 줄이고 분포 혼합 중심의 구성으로 전환하는 것이 안정화에 유리하다.
주의 : 반응성 처방에서 토크 상승이 발생하면 “니딩을 추가”가 아니라 “니딩을 줄이고 혼합 창을 이동”시키는 방향이 더 안전한 경우가 많다.
5. 배치 최적화를 위한 계산과 기록 체계이다
1) SME는 최적화의 공통 언어이다
SME는 특정 혼련 상태를 설비가 달라도 비교하기 쉬운 지표로 쓰기 좋다.
일반적으로 SME는 토크, 회전수, 처리량을 이용해 계산하다.
SME (kJ/kg) = (2 * π * N * T) / m_dot
N : screw speed (rev/s)
T : torque (N·m)
m_dot : mass flow rate (kg/s)SME는 품질과 1:1로 대응하지는 않지만 레이아웃 변경 효과를 빠르게 분류하는 데 유용하다.
동일 품질을 더 낮은 SME로 달성하면 공정 여유와 열 안정성이 커지는 방향이다.
2) “피크 토크”와 “토크 변동”을 분리해서 봐야 한다
피크 토크는 설비 한계와 직결이다.
토크 변동은 혼합의 불균일, 공급 불안정, 충만율 변동, 슬립 발생을 시사하는 신호이다.
니딩 블록 배치 변경은 피크 토크를 올릴 수도 내릴 수도 있으므로 평균값만 보면 결론이 왜곡되기 쉽다.
3) 구간별 용융온도 프로파일을 남겨야 한다
배럴 설정온도만으로는 실제 용융온도 변화를 설명하기 어렵다.
니딩 블록은 전단 발열을 만들기 때문에 다이 전 용융온도 측정과 함께, 가능하면 구간별 열 프로파일을 기록해야 한다.
동일 설정온도에서도 레이아웃에 따라 용융온도는 크게 달라질 수 있는 구조이다.
6. 현장 적용을 위한 단계별 절차이다
1) 기준 레이아웃의 “문제 정의”부터 하는 단계이다
먼저 불량 형태를 분류해야 한다.
예를 들어 필러 스팟, 색상 뭉침, 겔, 기포, 다이 드롤, 서징은 원인이 다르다.
불량이 분산 문제인지, 분포 문제인지, 열열화인지, 탈기 문제인지 분류하는 것이 1단계이다.
2) 니딩 블록 변경은 한 번에 한 변수만 바꾸는 방식이 유리하다
디스크 각도, 블록 길이, 배치 위치를 동시에 바꾸면 원인과 결과가 섞여 재현성이 떨어지기 쉽다.
따라서 1차 실험은 각도만 변경하거나, 같은 각도에서 위치만 이동시키는 방식이 유리하다.
3) rpm과 처리량을 “함께” 설계해야 한다
니딩 블록 최적화는 레이아웃만 바꾸는 작업이 아니다.
동일 레이아웃에서도 rpm과 처리량 조합에 따라 충만율과 전단률이 달라 혼합 결과가 달라지다.
따라서 레이아웃 후보별로 최소 2수준 이상의 rpm, 2수준 이상의 처리량 조합을 테스트하는 방식이 실무적이다.
4) 사이드피더 투입은 니딩 블록의 역할을 바꾼다
사이드피더로 필러나 열민감 성분을 투입하면 그 이후 구간에서 혼련이 시작되는 구조이다.
따라서 메인 피드 구간의 강혼련을 줄이고, 사이드 투입 직후에 필요한 만큼의 분산 블록을 배치하는 구성이 합리적이다.
사이드 투입 직후 과도한 니딩은 피더 역압 상승과 브리징을 유발할 수 있어 주의가 필요하다.
주의 : 사이드피더 직후의 니딩이 강하면 피더 토출이 불안정해지고 순간 농도 변동이 커질 수 있다.
7. 대표 목표별 추천 전략이다
1) 필러 분산이 최우선인 경우이다
용융 직후 1차 강혼련으로 응집체를 깨고, 이후 중간 구간에 2차 보정 니딩을 분산 배치하는 전략이 유리하다.
필터압과 외관 결함을 함께 보며 과혼련 상한을 설정하는 방식이 필요하다.
2) 색상 균일이 최우선인 경우이다
분포 혼합이 핵심이므로 강혼련을 길게 두기보다 분산 배치된 완만한 혼합 구간을 확보하는 구성이 유리하다.
토크와 온도 상승 없이도 색차 개선이 가능하도록 이송·혼합 밸런스를 맞추는 것이 포인트이다.
3) 열에 민감한 첨가제가 있는 경우이다
니딩 블록을 줄이고 필요 혼합을 “짧은 다단”으로 분해하는 방식이 유리하다.
또한 배럴 냉각 여유를 확보하고 용융온도 상한을 먼저 고정하는 것이 안전하다.
4) 휘발분 제거가 중요한 경우이다
벤트 전의 과도한 역송을 피하고, 기포 파쇄와 표면 갱신이 가능한 수준으로만 니딩을 적용하는 전략이 유리하다.
벤트 직후에는 충만 회복 구간을 확보하여 압력 안정성을 확보해야 한다.
8. 레이아웃 문서화 템플릿이다
최적화 결과는 개인 경험으로 남기면 재현이 어렵다.
아래 항목을 표준 템플릿으로 남기면 스케일업과 설비 변경에도 적용성이 높아지다.
| 문서 항목 | 기록 내용 | 실무 포인트 |
|---|---|---|
| 레이아웃 도면 | 요소 순서, 각도, 길이, 위치 | 구간 번호로 고정하면 변경 이력이 명확하다 |
| 운전 조건 | rpm, 처리량, 배럴 설정온도, 진공/벤트 조건 | 조건이 바뀌면 결과 비교가 무의미해지다 |
| 원료 조건 | 수분, 벌크밀도, 입도, 투입 방식 | 수분과 벌크밀도는 토크 변동의 핵심 원인이다 |
| 결과 지표 | 품질 시험값, SME, 압력, 용융온도, 스크랩률 | 평균과 피크, 변동을 함께 남겨야 한다 |
| 판정 | 합격/보류/불합격과 근거 | 근거가 있어야 다음 개선이 빨라지다 |
FAQ
니딩 블록을 늘렸는데 분산이 좋아지지 않는 이유는 무엇이다?
니딩 블록 길이 증가가 전단 증가로만 이어지지 않고 충만율과 압력 상승, 발열 누적을 함께 유발하기 때문이다.
특히 고점도 조건에서는 미끄럼과 국부 과열이 발생해 응집체 파쇄 효율이 떨어질 수 있다.
이 경우는 니딩을 늘리기보다 용융 위치를 조정하고 다단 분산으로 전환하는 접근이 유리하다.
토크 한계에 자주 걸리는 경우 어떤 방향이 우선이다?
니딩 블록의 연속 길이를 줄이고 혼련 구간을 분산 배치하는 방향이 우선이다.
또한 용융 이전 구간의 혼련 요소를 최소화하고 용융 직후에 필요한 혼련을 배치하는 것이 일반적으로 안정적이다.
처리량과 rpm 조합을 함께 조정하여 충만율 피크를 낮추는 것도 필수 단계이다.
벤트 불안정과 기포 결함이 같이 발생하면 니딩 배치를 어떻게 봐야 한다?
벤트 직전의 니딩이 압력을 과도하게 올리거나 역송 성향을 만들어 벤트 블로우백을 유발하는지 확인해야 한다.
벤트 전에는 짧은 혼련으로 표면 갱신만 확보하고, 벤트 직전과 직후에 이송 회복 구간을 두는 구성이 유리하다.
진공도와 응축 트랩 상태도 함께 점검해야 하는 조건이다.
스케일업 시 니딩 블록 배치를 그대로 가져가면 되는가?
동일 형상이라도 스크류 직경과 냉각 능력, 허용 토크가 달라 동일 결과가 보장되지 않다.
따라서 SME, 용융온도, 압력 프로파일을 기준으로 등가 조건을 맞추는 방식이 필요하다.
실무에서는 “품질 동등 조건의 SME 범위”를 먼저 정의하고 그 범위를 만족하도록 rpm과 처리량을 재설계하는 접근이 유리하다.