plastik-ambalaj.com

Friday, Sep 20th

Last updateWed, 18 Sep 2024 7am

Headlines:
You are here: Home Products Teknoloji Plastik parça üretim giderlerinin sayısal metodlar ile düşürülmesi

FU CHUN SHIN (FCS) - PLASTİK ENJEKSİYON MAKİNELERİ

FU CHUN SHIN (FCS) MACHINERY

Plastik parça üretim giderlerinin sayısal metodlar ile düşürülmesi

  • Print
JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY

 

Plastik enjeksiyon ile üretilen parça-ların maliyetleri gerek parça, gerek kalıp tasarımında alınan kararlar ile şekillenmektedir. Yapılan araştırmalar tasarımın ilk evrelerinde verilen mühendislik kararlarının parça maliyetini 70%-80% arasında etkilediğini göstermektedir.

Simülasyon, tasarımın ilk evrelerinde, henüz ortada bir fiziksel prototip bulunmadan karar vericilere sağladığı bilgiler ile, ileride oluşacak maliyetlerin minimum düzeye indirilmesine yardımcı bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır.

Bu çalışmada, işletmelerin plastik enjeksiyon maliyetlerini azaltmaya yönelik bir çalışma “Design of Experiment (DOE) Analysis” metodundan faydalanılarak gerçekleştirilmiştir. Örnek bir üretim için 2 farklı proses parametresinin optimum (en iyi) değerleri sayısal modelleme kullanılarak tespit edilmiştir. Analiz sonuç-ları ile, mevcut olan üretim şartlarında önemli iyileştirmeler sağlanabileceği görülmüştür. 

Plastik Enjeksiyon ile Üretim

Plastik enjeksiyon, basınç ve sıcaklık yardımı ile eritilmiş plastik malzemenin bir kalıp içine enjekte edilerek şekillen-dirilmesi ve soğutularak kalıptan çıkarıl-masını içeren bir üretim yöntemidir. 

Polimer adı verilen çoklu molekül yapısına sahip plastik malzemeler “Termoplastik” ve “Termoset” olarak iki grupta incelenir. 

Şekil 2 (a) Termoplastik malzemeyle üretilen ürünler (b) Termoset malzemeyle üretilen ürünler

Kullanım alanlarına göre seçilen bu plastik türlerinin özelliklerinden bahsetmek gerekirse, 

Termoplastik malzemeler;

• Yüksek sıcaklıklara dayanım gösteremezler, sertlik, mukavemet gibi özelliklerini kaybederler,

• Isıtıldığında yumuşar, soğutul-duğunda sertleşirler,

• Yaklaşlık %70 oranında geri dönüşüm özelliğine sahiplerdir.

Termoset malzemeler;

• Yüksek sıcaklıklara dayanım gösterirler, sertlik, mukavemet gibi özelliklerini korurlar,

• Isıtıldığında yumuşama olmaz, ancak yüksek sıcaklıklara ulaşıldığında yanmaya başlarlar,

• Geri dönüşüm özelliğine sahip değillerdir.

Günümüzde hemen hemen her alanda plastik malzeme kullandığımız gibi, plastik ürünlerin birçoğu da enjeksiyon yöntemi kullanılarak üretilmektedir. Otomotiv, denizcilik, savunma sanayi, elektronik eşya gibi birçok sektörde çok çeşitli ebat ve kategorilerde plastik parçalar bu yöntemle üretilmektedir. Üretimin gerçekleştirildiği makineye “Plastik Enjeksiyon Makinesi” ismi verilir ve ilk plastik enjeksiyon makinesi 'lu yıllarda yapılmıştır. 

Bir enjeksiyon makinesi temel olarak üç ana bölümden oluşur, bunlar:  Kapama Ünitesi (mengene), Enjeksiyon Ünitesi ve Kalıp Ünitesi'dir. Basit olarak incelendiğinde bir plastik enjeksiyon parçasının imalat süreci şu aşamalardan oluşur:

Malzemenin makineye koyulması

Granül halindeki malzeme, makineye enjeksiyon ünitesi üzerindeki hazneden eklenir.

Enjeksiyon

Malzeme rezistanslı ısıtıcılar ile ısıtılan silindir içine, elektrik motoru ile kumanda edilen bir vida vasıtası ile alınır. Vida dönerken sıkıştırma işlemi yaparak sıcaklık ve basınç altında eriyik hale gelen malzemeyi silindirin sonuna kadar ilerletir. Vidanın önüne kalıbı doldurmak için yeterince malzeme alındığında enjeksiyon işlemi başlar. Erimiş plastik, maki-nenin ucundaki bir meme vasıtası ile kalıbın içine gönderilir. Bu işlem esnasındaki basınç ve hız hidrolik vida ile kontrol edilir.

Ütüleme

Parçanın istenen ölçülerde olması ve görünümünde çeşitli hatalar (çökün-tü, yamulma, eğilme, vs.) olmaması için ütüleme işlemi uygulanır. Bu aşamada kalıp içine enjekte edilmiş olan plastik eriyiğin, basınç uygula-narak kalıp boşluğunu iyice doldurması sağlanır. Plastik malzeme, kalıptaki soğutucular yardımıyla katı hale gelinceye kadar işlem devam eder. Kullanılan hammaddenin özelliğine, parça ebatlarına ve malzeme miktarına bağlı olarak işlemin süresi değişkenlik gösterir.

Soğutma

Enjekte edilen eriyik hammaddenin soğuyarak kalıbın içinde sertleşmesi süreci soğutma adımını oluşturur. Kalıbın soğutulması, kalıp içindeki soğutma kanalları vasıtasıyla yapılır. Soğutma için su veya yağ kullanıl-maktadır.

Kalıp açma

Kapama ünitesi kalıbın iki tarafı ayrılacak şekilde açılır.

Çıkarma

Kalıp tipine göre maçalar veya iticiler vasıtası ile bitmiş parça kalıptan çıkarılır.

“Üretim Şartları”nın belirlenmesi

Çalışmamızda, mevcut olan üretim şartlarındaki değerlerin üretimi nasıl etkilediği ve optimum değerlerin üretime sağlayacağı katkılar hakkında öncelikle bilgi edineceğiz. Bu çalışma için örnek parçamız bir otomobil kapı kulpu yuvası olup, Şekil 4'te gösterilmiştir.

İlk adımda tasarımı CAD modeli olarak elde edilen parça, belirli ön işlemler (preprocessing) ile analize hazırlanmalıdır. Bu ön işlemler, geo-metrinin örülmesi (mesh atılması), malzeme değerlerinin girilmesi ve proses koşullarının tanımlanmasını içermektedir. Uygun üretim şartlarını belirlemek için ilk adım enjeksiyon giriş(ler)inin belirlenmesidir. Bilindiği üzere kaliteli bir üretim için enjek-siyon girişlerinin en iyi şekilde konum-landırılması ve boyutlandırılması gerekmektedir. “Autodesk Simulation Moldflow Insight” yazılımı ile en iyi enjeksiyon giriş bölgeleri otomatik olarak belirlenebilmektedir. Örnek parça için yapılan “Enjeksiyon Giriş Konumu Uygunluğu” (Gating Suita-bility) sonucu Şekil 5’te gösterilmiştir.

Analiz sonucu elde edilen en iyi giriş noktası mavi renk ve civarı olarak görülmüştür. Yine örnek parça üzerinde, kulp yuvasının orta bölgesi giriş için en uygun konumdur. Bu ilk analiz sonrasında enjeksiyon girişi Şekil 6’da işaretlendiği gibi parçanın arka tarafı/orta kısmına yerleş-tirilmiştir. 
 
Parçanın basılmasında kullanılacak malzemesinin cinsine göre kalıp sıcaklığı, eriyik sıcaklığı ve enjeksiyon süresi gibi proses değerleri “Molding Window” analizi ile tanımlanabilir. Parçanın üretimi için optimum değerler bu analiz tipi ile hesap-lanabilir. Söz konusu örnek çalışma için elde edilen değerler Tablo 1’de belirtilmiştir.
Kalite kriterleri dahilinde, uygun proses değerleri elde edildikten sonra “Optimizasyon Analizi” kurulabilir. Proses ayarları için: kalıp yüzeyi sıcaklığı 62oC, eriyik sıcaklığı 255 oC ve enjeksiyon süresini 0.55s olarak belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmasından kullanılacak DOE tablosu “Variable Responses (Face Centered Cubic)” yöntemi seçilerek oluşturulmuştur. Belirlenen değişken girdi değerlerinin sonuçlara olan etkisinin tanımlanması için değerler birbirinden bağımsız kalacak şekilde dağıtılmıştır.
 
Şekil 7 Soğutma Kanalları ile Birlikte Modellenmiş Kalıp Boşluğu ve Soğutma Sıvısı Sıcaklık Dağılımı 
 
“Input” ve “Output” parametreleri, belirlenen optimizasyon çalışmasının tanımını oluşturmaktadır. Hangi girdi değerlerinin, hangi sonuçları etkiliyeceği bu adımda belirlenerek optimizasyon problemi tanımlanır. Enjeksiyon ile üretimde minimize edilmek istenen üretim maliyeti, çevrim süresi(cycle time) ve mengene kuvveti(clamp force) etkileri ile tanımlanmıştır. Belirli sürede daha fazla parçayı düşük tonajlı bir makine ile basmak, gerek ilk yatırımın, gerekse sürekli yatırımların en aza indirilmesi olarak tanımlanabilir.
Optimizasyon algoritmaları tekil amaç(single objective) ve çoklu amaç(multi objective) olarak ayrıl-maktadır. Analizi gerçekleştirdikten sonra elde ettiğimiz sonuçlarda “Mengene Kuvveti” ile “Çevrim Süresi” değerlerinin minimize edilmesi iki ayrı kriter olarak belir-lenmiştir. Bu şekli ile yapılan çalışma çoklu amaç (multi objective) optimizasyona bir örnektir. 
 
Şekil 8 ve 9’de görüldüğü üzere, minimize edilmek istenen iki çıktı değeri birbiri ile çelişen şekilde değişmektedir. Bu gibi durumlarda tek bir optimum noktadan ziyade, optimum yüzeylerden bahsedilebilir. Literatürde “Pareto Frontier” olarak adlandırılan bu yüzey tüm optimum noktaların toplamından oluş-maktadır.
 
Tablo 3’de görüldüğü gibi, enjeksiyon süresi ile eriyik sıcaklığı, mengene kuvveti ile çevrim süresini farklı şekillerde etkilemektedir. Enjeksiyon süresi 0.25-0.5 s aralığındayken, mengene kuvveti azalmakta, 0.5-0.85 s aralığındayken ise mengene kuvveti artmaktadır. Aynı zamanda, eriyik sıcaklığı ar-tarken mengene kuvveti azalmakta, bu sefer de çevrim süresi artmaktadır. Üretimin en verimli şekilde gerçek-leşmesi için, bu değerlerin ortak noktalarının bulunup optimum şart-ların sağlanması gerekir.
 
Şekil 11 Soğutma Sıvısı Giriş Sıcaklıkları’nın Çevrim Süresi’ne olan etkisi
 
Şekil 10’da verilen soğutma sıvılarının sıcaklığına bağlı mengene kuvveti grafiği, mengene kapama kuvvetinin soğutmadan etkilenmediğini göster-mektedir. Şekil 11 ise soğutma sıvıları giriş sıcaklıkları ve çevrim süresi arasındaki doğru orantıyı belirt-mektedir.
 
Çıktı değerlerinin aynı grafikte gös-terilmesi ile en optimum noktanın bulunması sağlanabilir. Şekil 12 ve 13’te DOE analizi ile hesaplanmış tasarım noktalarının çıktı değerleri görülmektedir. Bu grafiklerde en düşük çevrim süresi ve en düşük mengene kuvvetini veren nokta, en iyileştirilmiş nokta olarak öne çıkmaktadır.
 
Sonuç
 
Şekil 14’te verilen kırmızı noktalar mengene kuvveti ile çevrim süresi değerlerinin birbirini nasıl etkilediğini göstermektedir. Verilen bazı noktalar düşük mengene kuvvetleri ile çalışıldığında çevrim süresinin uzadığını göstermektedir. Birbiri ile çelişen amaçların olduğu bu durumda optimum seçim diğer kriterler göz önünde bulundurularak, pareto frontier üzerinde yapılmalıdır. 
 
Grafik bilgileri doğrultusunda  A, B, C, D noktaları incelenecek olursa,
• B noktası mengene kuvvetinin en düşük, ancak çevrim süresinin en uzun olduğu noktadır.
• C noktası çevrim süresinin en düşük, ancak mengene kuvvetinin en yüksek olduğu noktadır.
• D noktası mengene kuvvetinin de çevrim süresinin de fazla olduğu, verimsiz noktalardan biridir. Aynı zamanda bu nokta optimizasyon yapılmadan belirlenen durumu göstermektedir.
• A noktası ise hem en düşük mengene kuvvetini hem de en kısa çevrim süresini belirten optimum noktadır.
 
Sayısal modelleme ile elde edilen bilgi, doğru karar verebilmede büyük yarar sağlamaktadır. İşletmelerin üretim kapasitesine göre, üretim makinelerinin mengene kuvvetinin mi yoksa çevrim zamanının mı daha önemli olduğu da ayrıca göz önünde bulundurulabilir ve farklı işletmeler için grafikte farklı noktalar optimum nokta olarak seçilebilir.
 
Akro Mühendislik
 
Makalenin dergide yayınlanmış halini e-dergi bölümünden okuyabilirsiniz. 

Bu sitede yer alan içerikler, Yağmur Fuarcılık Yayıncılık Tanıtım Hizmetleri Ltd. Şti'nin izni olmadan
basılı veya elektronik bir ortamda izinsiz olarak kullanılamaz ve çoğaltılamaz.