플라스틱 제조: 핵심 공정 및 차세대 기술

원유는 플라스틱 제조에 사용되는 원료의 주요 공급원입니다. 하지만 일부는 석탄과 천연가스 등 다른 탄화수소에서 추출하기도 합니다. 환경에 대한 플라스틱 오염 부담과 탄화수소 공급원 감소에 대한 압박이 커지면서 전분과 셀룰로오스 같은 재생 가능한 플라스틱 공급원이 실행 가능한 대안으로 점점 더 주목받고 있습니다. 재생 가능한 원료로 만든 일부 플라스틱은 생분해가 가능하여 환경 친화적입니다.

재생 가능한 자원으로 만든 플라스틱을 일반적으로 바이오 플라스틱이라고 하고, 탄화수소로 만든 플라스틱을 합성 플라스틱이라고 합니다. 플라스틱은 원시 형태로는 거의 쓸모가 없습니다. 그러나 다양한 플라스틱 제조 공정을 통해 원료는 플라스틱 제조 산업에 유용한 형태인 수지나 펠릿으로 변형됩니다.

기본 플라스틱 제조 공정에 대한 간략한 개요

합성 플라스틱 제조의 원료가 되는 원유는 시추 장비를 사용하여 지하 저류층에서 채굴합니다. 이 거대한 드릴은 암반을 뚫는 드릴 비트를 사용하여 땅속 수천 미터에 구멍을 뚫습니다. 원유가 추출되면 다음과 같은 과정을 거쳐 플라스틱을 얻습니다:

• 정제는 열과 증류를 사용하여 원유를 여러 성분으로 분리합니다.
• 나프타는 분별 과정에서 회수되는 성분 중 하나로 플라스틱 생산의 기초를 형성합니다.
• 나프타는 추가 공정을 거쳐 단량체(예: 프로필렌 및 에틸렌)라고 하는 작은 분자로 분해됩니다.
• 단량체 사슬이 결합되어 고분자량 탄화수소인 폴리머를 형성합니다. 이는 부가 중합 또는 축합 중합을 통해 이루어집니다.
• 중합의 생성물은 원하는 특성을 얻기 위해 첨가제 또는 기타 화합물과 혼합됩니다.
• 이제 가공된 폴리머는 플라스틱 제품이나 제품 부품으로 성형할 준비가 되었습니다.

플라스틱 제조에 사용되는 일반적인 첨가제와 그 기능

플라스틱을 제조할 때 첨가제를 사용하면 유통기한, 강도, 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 다음은 플라스틱 제조에 사용되는 일반적인 첨가제와 그 기능입니다.

• 가소제: 부드러움과 유연성을 높여 플라스틱을 프탈레이트와 같은 다양한 모양으로 쉽게 성형할 수 있습니다.
• 열 안정제: 유기 주석 화합물 및 금속 비누와 같이 고온에서 분해되거나 변색되지 않는 플라스틱을 만드세요.
• 난연제: 인계 화합물과 같은 할로겐 프리 난연제는 인화성을 줄이면서 RoHS 규정을 준수합니다.
• 항산화제: 페놀과 같은 자외선 및 열 노출로 인한 플라스틱의 변질을 방지하여 보관 수명을 연장하기 위해 추가되었습니다.
• 윤활유: 성형 시 흐름을 개선하고 실리콘 및 광물성 오일과 같은 마찰을 줄입니다.
• 색상: 플라스틱을 더욱 매력적으로 만들 뿐만 아니라 이산화티타늄(TiO2)과 같이 자외선 차단 기능을 강화할 수도 있습니다.
• 정전기 방지제: 화재 위험을 유발하거나 먼지를 끌어당길 수 있는 정전기가 쌓이는 것을 방지하세요. 일반적인 예로는 4급 암모늄염과 글리세롤 에스테르가 있습니다.

가공된 플라스틱 펠릿이나 블록을 일상적인 제품으로 전환하는 데 사용되는 가장 일반적인 방법은 사출 성형(복잡한 모양의 경우), 블로우 성형(플라스틱 병과 같은 속이 빈 모양의 경우), 압출(섬유 또는 필름의 경우)입니다. 제조업체는 플라스틱을 유용한 제품으로 전환할 때 다양한 문제에 직면합니다. 이러한 문제 중 일부는 플라스틱의 품질이나 제조 공정에서 비롯될 수 있습니다. 이러한 과제의 대부분은 기술을 통해 극복되고 있습니다.

전통적인 플라스틱 제조를 파괴하는 세 가지 주요 기술 엔진

플라스틱 제조에 사용되는 전통적인 방법은 대부분 사용하지 않은 재료가 많이 남는다는 점에서 낭비가 심합니다. 또한 일반적으로 노동 집약적이며 사이클 시간이 길어집니다. 장기적으로 제조업체에 미치는 영향으로는 에너지 비용 증가, 인건비 상승, 수요를 충족하지 못하는 경우가 있습니다. 이러한 부족분은 제조업체를 더 유능한 경쟁업체로 대체될 위험에 노출시킵니다.

다행히도 지난 수십 년 동안 플라스틱 제조 업계에는 많은 변화가 있었습니다. 제조업체가 지금까지 업계를 괴롭혔던 몇 가지 과제를 극복하는 데 도움이 되는 새로운 기술이 등장하고 있습니다. 이러한 신기술은 업계의 시급한 문제에 대한 해결책을 제시하지만, 동시에 새로운 도전과제를 안겨주기도 합니다. 소규모 기업의 경우 이러한 신기술 도입을 방해할 만큼 큰 장애물이 있을 수 있습니다.

예를 들어, 플라스틱 제조 산업은 이미 툴링과 원자재 구매에 자본 집약적인 산업입니다. 또한 대부분의 신기술은 가격이 저렴하지 않기 때문에 예산이 부족한 기업에서는 도입하기 어려울 수 있습니다. 설령 기술을 도입할 수 있다고 하더라도 직원들에게 신기술 사용법을 교육해야 합니다. 경우에 따라 신기술은 공장 전체를 개조하는 것을 의미하기도 합니다.

플라스틱 제조에 최신 기술과 프로세스를 도입하는 데 따른 재정적 영향에도 불구하고, 시간이 지남에 따라 생산량 증가와 사이클 타임 단축이라는 형태로 비용을 회수할 수 있습니다. 플라스틱 생산 산업의 효율성을 향상시키는 최신 기술을 소개합니다.

엔진 1: 스마트 사출 성형 - AI가 수율을 99.5%로 끌어올린 방법

1872년 존과 아이사야 하얏트가 사출성형을 발명하면서 플라스틱 부품을 대량으로 제조하는 시대가 열렸습니다. 이 기계는 개발 이후 더 나은 기계로 거듭나기 위해 여러 차례의 반복을 거쳤습니다. 최근 AI를 통합하여 스마트 사출 성형기를 만들면서 플라스틱 제조 산업은 사후 대응적인 인간 의존형 시스템에서 사전 예방적인 데이터 기반 시스템으로 변모했습니다.

스마트 사출 성형기에는 AI를 활용하여 수율을 최대 99.5%까지 최적화하는 센서가 장착되어 있습니다. 스마트 사출 성형 시스템은 온도, 압력, 냉각 시간, 재료 흐름과 같은 생산 파라미터를 최적화합니다. 즉, AI 시스템은 최적의 파라미터로 작동하여 전반적인 기계 효율성을 높이고 생산 손실을 줄입니다.

스마트 사출 성형기는 수율을 개선하는 것 외에도 예측 기능을 위해 AI를 활용합니다. 플라스틱 제조 기계에 장착된 센서는 문제가 확대되어 생산 공정이 중단되기 전에 잠재적인 문제를 감지할 수 있습니다. 잠재적 문제를 조기에 감지하면 기계 운영자가 예측 유지보수를 수행할 수 있어 가동 중단 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

제품 규모에 관계없이 모든 제조업체는 고객에게 일관된 고품질의 부품 또는 제품을 제공하는 것이 중요하다는 것을 잘 알고 있습니다. AI 지원 시스템은 실시간 센서 데이터를 분석하여 결함을 유발할 수 있는 공정 매개변수의 편차를 예측하고, 종종 머신 비전과 통합하여 물리적 결함을 감지합니다.

스마트 시스템은 데이터 분석을 활용하여 성형 부품이나 제품에서 발생할 수 있는 문제를 예측합니다. 제조업체는 이 데이터를 바탕으로 공정을 사전에 조정하여 결함 발생을 방지할 수 있습니다. 나아가 재료와 에너지 낭비도 줄일 수 있습니다. 아래 표는 사출 성형에서 AI의 개입이 수율 최적화에 도움이 된 주요 영역을 보여줍니다.

사출 성형에서 AI로 최적화한 파라미터와 그 실현 방법

AI 기반 시스템의 장점은 학습을 위해 더 많은 데이터를 생성함에 따라 시간이 지날수록 더 좋아진다는 것입니다. 따라서 초기 혜택은 시간이 지날수록 더욱 개선되어 지속 가능한 플라스틱 제조 관행과 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

엔진 2: 지속 가능한 소재

플라스틱 제조의 가장 큰 난제 중 하나는 소재와 관련된 것입니다. 플라스틱의 탄화수소 원료는 재생할 수 없습니다. 탄화수소의 형성은 유기물에 대한 지질학적 압력의 작용으로 인해 수백만 년이 걸립니다. 연료용 탄화수소에 대한 수요가 증가함에 따라 전 세계적으로 매장량이 고갈될 위험이 있습니다. 따라서 식물 기반 제품과 같이 보다 지속 가능한 소재에서 플라스틱을 조달해야 합니다.

바이오 플라스틱 제조: 원료 및 공정

바이오 플라스틱 제조에는 옥수수 전분, 카사바, 사탕수수, 해조류 또는 식물성 오일이 원료로 사용됩니다. 이러한 식품의 공통점은 풍부한 당분과 전분을 함유하고 있으며, 이를 가공하여 플라스틱의 빌딩 블록을 형성하는 단량체를 얻습니다. 예를 들어, 제조업체는 먼저 옥수수 전분을 젖산으로 전환한 다음 중합하여 폴리락트산(PLA) 또는 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 만듭니다.

중합 공정은 플라스틱의 특성을 결정하기 때문에 바이오 플라스틱 제조에서 가장 중요한 단계라고 할 수 있습니다. 최종 제품이 생분해성일 경우 이를 염두에 두고 중합을 진행합니다. 결과물인 바이오 플라스틱의 특성은 블렌딩이라는 과정을 통해 더욱 세분화됩니다. 여기에는 바이오 기반 폴리머에 첨가제를 혼합하는 과정이 포함됩니다.

또한 플라스틱 제조를 위한 보다 지속 가능한 재료 공급원으로서 소비 후 수지(PCR)와 플라스틱 재분쇄에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이러한 전환은 천연 자원에서 플라스틱을 얻는 데 드는 부담을 낮추고 환경에 대한 플라스틱 부담을 줄이는 데도 도움이 될 것입니다.

PCR은 소비자 포장재 및 병과 같은 소비자 제품에 사용되며, 재분쇄는 플라스틱 제조 과정에서 발생하는 폐기물 또는 스크랩을 수거하여 재사용을 위해 펠릿으로 분쇄하는 것입니다. 새 제품에 오염 물질이 유입되지 않도록 PCR을 분류하고 분류해야 합니다. 오염 물질은 완제품의 성능, 효율성 또는 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

엔진 3: 하이브리드 제조 - 3D 프린팅

현재까지 3D 프린팅은 플라스틱 제조 분야에서 가장 진보된 기술입니다. 이 새로운 기술을 통해 제조업체는 설계 소프트웨어에서 바로 복잡한 부품이나 제품을 만들 수 있습니다. 이 기술은 프로토타입 제작이나 디자인이 지속적으로 진화하는 상황에 특히 효율적입니다.

현재 3D 프린팅 기술에는 여러 가지 유형이 있습니다. 하지만 가장 일반적인 방식은 융합 필라멘트 제조(FFF)로, 높은 정밀도와 저렴한 비용으로 선호되고 있습니다. 내열성, 내구성, 강도로 유명한 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 열가소성 필라멘트를 사용합니다.

재료는 3D 프린터의 헤드를 통해 가열되고 압출됩니다. 프린팅 과정은 압출된 재료를 한 층씩 쌓아 올려 연결된 컴퓨터 소프트웨어에서 설계한 제품을 만드는 것입니다. 3D 프린팅을 통해 플라스틱을 제조하는 단계는 다음과 같습니다:

모델링

3D 프린팅을 통해 플라스틱 제품을 제조하는 첫 번째 단계는 CAD와 같은 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 제품 또는 부품의 모델을 만드는 것입니다. 또는 전용 온라인 라이브러리에서 원하는 모델을 찾아 다운로드할 수도 있습니다.

슬라이싱

아이디어메이커와 같은 전용 슬라이싱 소프트웨어는 모델을 슬라이싱하는 데 사용됩니다. 이 프로세스는 모델을 제작하는 데 가장 적합한 동작 경로를 프린터에 알려주는 G코드(지침 목록)를 생성합니다. 항상 소프트웨어가 프린터와 호환되는지 확인하세요.

인쇄

슬라이스 파일이 프린터에 업로드됩니다. 그런 다음 정확도를 높이기 위해 프린터를 보정합니다. 일부 프린터에는 투명 패널이 있거나 인쇄 진행 상황을 모니터링할 수 있는 앱이 있습니다.

후처리

인쇄가 완료되면 프린터에서 제품 또는 부품을 꺼냅니다. 모델에 지지대가 있는 경우 지지대를 제거합니다. 기타 후처리 요구 사항에는 광택, 샌딩, 조립 또는 색상을 지정하여 제품을 광택 있게 마감하고 시장에 출시할 준비를 하는 것이 포함될 수 있습니다.

기술이 실제 문제점을 해결하는 방법

플라스틱 제조에 대한 기술적 개입은 소재와 공정 최적화를 넘어 마감과 브랜딩에 이르기까지 다양합니다. 예를 들어, 플라스틱 부품을 제조한 후 제조업체는 조립 과정에서 특히 부품을 서로 접착해야 할 때 어려움을 겪을 수 있습니다. 기존 방식은 부품이 결합된 부분에 흉터가 남는 경우가 많아 제품의 매력을 떨어뜨릴 수 있습니다.

엔지니어가 최적화된 에너지 디렉터를 사용하면 초음파 주파수가 접합 인터페이스에서 국부적인 열을 발생시켜 눈에 보이는 자국을 최소화하면서 재료를 효율적으로 접착할 수 있습니다.

레이저 각인 도구는 플라스틱 제품의 브랜딩 방식에도 변화를 가져왔습니다. 이전에는 제조업체가 플라스틱 본체에 붙이는 스티커에 라벨을 제작했습니다. 또는 제품에 직접 로고를 페인팅하기도 했습니다. 그러나 이러한 스티커나 페인트는 쉽게 벗겨지기 때문에 제조업체의 가시성 목표를 달성할 수 없습니다. 또한 위조범들은 의도적으로 라벨을 떼어내고 자신의 라벨로 교체하기도 합니다.

레이저 각인 도구를 사용하여 제조업체는 제품 본체에 로고나 라벨을 정밀하게 각인하여 제품 수명이 다할 때까지 그대로 유지되도록 보장합니다. 플라스틱 제조 기술은 계속 발전할 것이며, 이를 채택하는 제조업체는 생산 효율성과 소비자 만족도 면에서 다른 업체를 압도할 것입니다.