Article
  • Flow Characteristics of Polymer Melt for Die Shapes for the Extrusion of Catheter Tubing

  • Han Su Cho and Min-Young Lyu†

  • Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea

  • 카테터 튜빙 압출에서 다이의 형상에 따른 고분자 용융체의 흐름특성

  • 조한수 · 류민영†

  • 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과

Abstract

The plastic tubing in catheter is manufactured by extrusion. In this study, computer simulation was performed and results were compared for two types of dies, specifically, straight die and crosshead die for the extrusion of catheter tubing. A spider leg supports the mandrel in the straight die and this die is attached to the extruder in the same line. For the crosshead die, mandrel contains helical grooves and the die is attached to the extruder at an angle of 90o. The pressure, velocity, streamline, wall shear stress, and residence time in the two types of dies were analyzed and compared through computer simulation. The velocity difference in the die land region where the size of catheter tubing is determined between the two types of dies was large whereas the pressure drops in the two dies were similar. A complex flow pattern was observed in the crosshead die and subsequently, the residence time in the crosshead die was three times longer that of the straight die. Wall shear stress in the crosshead die was much smaller than that of the straight die. Thus, more stable extrusion of catheter tubing is expected for the crosshead die.


카테터의 플라스틱 튜빙은 압출 공정을 통해 제작된다. 본 연구에서는 카테터 튜빙 압출을 위한 두 가지 다이 즉 스트레이트 다이와 크로스헤드 다이를 해석적으로 비교하고 분석하였다. 스트레이트 다이는 스파이더 레그를 통해 맨드럴이 지지되는 형태이며 압출기와 동일한 방향으로 다이가 장착된다. 크로스헤드 다이의 경우 나선 홈을 가진 맨드럴을 포함하고 있으며 압출기와 수직으로 장착된다. 컴퓨터 해석을 통하여 두 종류의 다이에서 압력, 속도, 유선, 전단응력, 그리고 체류시간 등을 비교 분석하였다. 해석결과 스트레이트 다이와 크로스헤드 다이에서 압력 강하는 유사하지만 튜빙의 크기를 결정짓는 다이 랜드 구간에서 속도차이가 컸다. 내부의 흐름이 복잡한 크로스헤드 다이에서 스트레이트 다이에 비해 체류시간이 세배 정도 길었다. 다이 랜드 벽면의 전단응력은 크로스헤드 다이에서 스트레이트 다이보다 낮게 분포되어 보다 안정된 압출이 예측되었다.


Keywords: catheter tubing, 2-lumen, computer simulation, straight die, crosshead die

서 론

최소 침습 시술이란 몸 속에 관이 삽입될 수 있는 최소한의 부위만 절개하여 시술하는 방법으로 기존의 절개 수술 방법에 비해 환자에 미치는 고통과 부작용을 최소화하는 시술방법이다.1,2 최소 침습 시술의 이러한 장점 때문에 그 쓰임이 다양한 부분의 시술에 적용되고 있다. 최소 침습 시술에 사용되는 도구를 카테터(catheter)라고 부르며 카테터에 사용되는 플라스틱 관을 튜빙(tubing)이라 부른다. 튜빙 내부에는 루멘(lumen)이라 불리는 여러 형상의 다중 홀(multi lumen)을 갖고 있는 것이 일반적이다.3-5 이러한 일정한 단면을 가진 카테터 튜빙은 압출공정을 통해 제작되고 있다.5-7
카테터 튜빙의 제조를 위한 압출공정은 압출, 냉각 및 사이징, 인출, 그리고 절단의 순으로 이루어진다.5-7 압출공정 중 카테터 튜빙의 형상에 영향을 주는 인자로는 압출속도, 다이설계, 진공 사이징 탱크의 운전조건, 인출 속도 등이 있다.5,8,9 압출 다이는 스크류 압출기와 압출 다이의 연결방향에 따라 두 종류로 구분된다. 스크류 압출기의 끝에 압출 다이의 입구부와 출구부가 직선상으로 연결된 형태가 스트레이트 다이(straight die)이다. 스크류 압출기 끝에 연결된 압출 다이의 입구부와 출구부의 방향이 직교하는 형태가 크로스헤드 다이(crosshead die)이다.10,11 압출 다이의 형상에 따라 압출품의 형상이 일차적으로 결정되기 때문에 압출 다이 디자인은 매우 중요하다. 다이 제작의 비용은 매우 고가이고 제작기간이 길어서 다이설계에서 시행착오를 줄이고 합리적인 설계를 위하여 컴퓨터해석이 활용되고 있다.12-15
다이설계를 위한 컴퓨터해석은 크게 다이 내의 흐름해석과 압출품의 형상을 예측하는 해석이다. 다이 내부의 흐름해석은 스크류 압출기로부터 다이에 들어온 수지가 다이 내부에서 균일하고 안정된 흐름을 보이는지 분석하는 목적으로 수행된다. 이러한 연구는 다이 내 수지의 유동 통로의 형상 최적화를 통해 수지 흐름의 균형 및 안정화를 시키는 연구가 주를 이룬다.16-22 고분자 재료의 압출현상은 재료의 점탄성 특성에 의해 압출물이 다이 출구 면의 프로파일보다 크게 형성된다. 따라서 이에 관한 연구는 다이스웰을 포함한 점탄성 유동 연구가 많다.12,23-25 최소 침습 시술이 널리 이용되면서 시술부위에 따라 카테터 튜빙의 지름크기는 다양하며 루멘 수도 증가하고 있다. 이렇게 요구조건이 다양화되고 벽 두께 및 외형치수의 정밀도가 요구됨에 따라 논리적이고 합리적인 다이 설계가 중요시 되고 있다.26-28
본 연구에서는 튜빙의 초기 형상을 결정짓는 압출다이의 내부 구조 즉, 스트레이트 다이와 크로스헤드 다이에서 수지흐름을 해석적으로 연구하였다. 해석을 통해 다이 내부의 압력분포, 속도분포, 그리고 유선분포을 분석하였다. 그리고 다이 벽면의 전단속도(shear rate)와 전단응력(shear stress)을 예측하여 흐름의 안정성을 평가하고자 하였다. 이러한 연구결과는 카테터 튜빙 압출을 위한 압출다이 설계의 기초가 될 것으로 판단된다.

References
  • 1. C. H. Park, Korean J. Gastroenterol., 3, 154 (2007).
  •  
  • 2. J. K. Moon, S.-S. Park, E. G. Kim, and J.-W. Kim, J. Korea Robot. Soc., 3, 58 (2008).
  •  
  • 3. J. H. Jeong, J. Trauma Inj., 27, 33 (2014).
  •  
  • 4. H. Y. Yi, W. J. Jeong, W. S. Lee, I. S. You, S. H. Kim, S. Ryu, and J. Y. Lee, J. Korean Soc. Emerg. Med., 19, 192 (2008).
  •  
  • 5. G. B. Jin, M. J. Wang, D. Y. Zhao, H. Q. Tian, and Y. F. Jin, J. Mater. Process. Technol., 214, 50 (2014).
  •  
  • 6. J. H. Kim, J. S. Hong, S. H. Choi, H. J. Kim, and M.-Y. Lyu, Elast. Compos., 46, 54 (2011).
  •  
  • 7. H. Y. Kim and M.-Y. Lyu, Polym. Sci. Technol., 20, 157 (2009).
  •  
  • 8. K. G. Kovalenko, V. I. Sivetskii, and A. L. Sokoskii, Chem. Pet. Eng., 49, 675 (2008).
  •  
  • 9. J. H. Kim and M.-Y. Lyu, Polym. Eng. Sci., 54, 2441 (2014).
  •  
  • 10. R. Sikora, Przetwórstwo tworzyw polimerowych: podstawy logiczne, formalne i terminologiczne : praca zbiorowa, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin, 2006.
  •  
  • 11. W. Michaeli, Extrusion Dies for Plastics and Rubber, Hanser, Munich, 1992.
  •  
  • 12. M. A. Lee and M.-Y. Lyu, Polym. Korea, 41, 227 (2017).
  •  
  • 13. R. Chris, Polymer Extrusion, 4th revised edition, Hanser, New York, pp 14-15 (2001).
  •  
  • 14. E. S. Douglas and Q. Wang, J. Manuf. Sci. Eng., 128, 11 (2006).
  •  
  • 15. W. S. Lee and H.-Y. Ho, Polym. Eng. Sci., 40, 1085 (2000).
  •  
  • 16. T. G. Choi, H. J. Lee, and M.-Y. Lyu, Elast. Compos., 49, 275 (2014).
  •  
  • 17. L. Nadhir, S. fabrice, and P. Stephan, J. Finite Elem. Anal. Des., 45, 333 (2009).
  •  
  • 18. J. M. Nobrega, O. S. Carneiro, P. J. Oliveira, and F. T. Pinho, Conference Proceedings: ANTEC, 61, 310 (2003).
  •  
  • 19. E. C. Brown, A. L. Kelly, and P. D. Coates, Conference Proceedings: ANTEC, 61, 1464 (2003).
  •  
  • 20. M. K. Alam, C. Tzoganakis, and J. Perdikoulias, Conference Proceedings: ANTEC, 1, 76 (2005).
  •  
  • 21. S. P. Lee and D. Y. Yang, Int. J. Numer. Methods Eng., 66, 1691 (2006).
  •  
  • 22. M. A. Lee, M.-Y. Lyu, D. J. Shin, and T. K. Kim, Trans. Mater. Process., 10, 26 (2014).
  •  
  • 23. E. Mitsoulis and S. G. Hatzikiriakos, Rheol. Acta, 42, 309 (2003).
  •  
  • 24. E. Mitsoulis, I. B. Kazatchkov, and S. G. Hatzikiriakos, Rheol. Acta, 44, 418 (2005).
  •  
  • 25. M. Ansari, A. Alabbas, E. Mitsoulis, and S. G. Hatzikiriakos, Int. Polym. Proc., 25, 287 (2010).
  •  
  • 26. R. A. Worth, Polym. Eng. Sci., 20, 551 (1980).
  •  
  • 27. M. M. Kostic and L. G. Reifschneider, Encycl. Chem. Process., 10, 633 (2006).
  •  
  • 28. K. G. Kovalenko, V. I. Sivetskii, and A. L. Sokol’skii., Chem. Pet. Eng., 49, 675 (2014).
  •  
  • 29. J. L. White, Principles of Polymer Engineering Rheology, Wiley, New York, 1990.
  •  
  • 30. M.-Y. Lyu and J. L. White, Int. Polym. Proc., 10, 305 (1995).
  •  
  • 31. C. W. Macosko, Rheology: Principles, Measurement, and Applications, Wiley, New York, 1994.
  •  
  • 32. E. Miller and J. P. Rothstein, Rheol. Acta, 44, 160 (2004).
  •  
  • 33. N. Zhang and M. D. Gilchrist, Polym. Test., 31, 748 (2012).
  •  
  • Polymer(Korea) 폴리머
  • Frequency : Bimonthly(odd)
    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
    Abbr. Polym. Korea
  • 2023 Impact Factor : 0.4
  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(2): 197-205

    Published online Mar 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.2.197
  • Received on Jun 5, 2017
  • Revised on Jul 5, 2017
  • Accepted on Jul 20, 2017

Correspondence to

  • Min-Young Lyu

  • Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea

  • E-mail: mylyu@seoultech.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0001-7554-2072