plastik-ambalaj.com

Plastik parça üretimi sonrasında görülen et kalınlık problemlerinin soğutma prosesine etkisi

Özet

Sektör genelinde firmalar arasında rekabetin önemi günümüzde gün geçtikçe artmaktadır. Her sektörde olduğu gibi plastik sektöründe de hedef kısa sürede, düşük maliyetle üretim gerçekleştirmek, neticesinde kalite seviyesi en üst düzeyde üretim yapmaktır. Plastik enjeksiyon proses sürecinde çevrim zamanı çok önemlidir. Soğutma prosesi de bu çevrimin en önemli ayaklarından birini oluşturmaktadır. Bu süreyi en uygun seviyelere çekmekle çevrim süresinin kısalacağı unutulmamalıdır. Bu durum tamamen üniform bir ürün dizaynı ve iyi soğutmalı kalıp dizaynı yapmakla mümkün olabilir. Bu etkenleri kolaylaştırmak maksadıyla bilindiği gibi simülasyon programlarının piyasadaki konumu önemli bir yer edinmiş durumdadırlar. Bu çalışmada da moldflow insight analiz programı yardımı ile kalıp dizayn öncesi önce ürün tasarımında yapılan müdaheleler, daha sonra ürün dizaynında sınırlandığımız durumlarda iyi kalıp soğutma sistemi dizaynı ve kalıpta ısı alış-verişini artırmak amacıyla, kalıp çeliklerinde normal çelik yerine kullanılan bakır-berilyum alaşımlı malzemeler ile çevrim zamanında en optimum seviyeler yakalanmıştır.

Giriş

Son zamanlarda plastik hammadde ve işleme tekniklerinde önemli atılımlar meydana gelişmiştir. Bu durum neticesinde plastiğe yönelim her geçen gün artmaya başlamıştır. Çünkü plastik malzemelerin araç üzerinde kullanılması, ağırlık azaltma, yakıt tasarrufu, stil gibi bazı konuları önemli derecede etkilemiştir. Binek araçlar üzerinde plastik bazlı ürün miktar oranının artmasıyla, granül yapıdaki plastiği işleyen firmalar ve granül plastiği imal eden firmalar, plastik üretim proses teknikleri üzerine yönelmişlerdir. Bu yönelimin etkisiyle plastik sektöründe AR-GE çalışmaları hız kazanmıştır.

Plastiklerin üretilmesinde değişik yöntem ve teknikler kullanılmasına rağmen, bu metotlar arasında en yaygın olarak plastik enjeksiyon yöntemi tercih edilir. Plastik enjeksiyon, termoplastik malzemenin belirli bir ısı ve basınç altında, kalıp içinde sürtünmeye maruz kalarak, akışkan hale gelen malzemenin kalıp içinde dağılması durumudur. Bu prosesin en önemli avantajlarından biri de kalıp boşluğuna dağılan hammaddenin tek prosesle istenilen şekilde kalıplanması ve bu kalıplama neticesinde imal edilen üründe, ikinci bir işleme gerek duyulmaması(çapak alma gibi), bu yöntemi imalatta cazip hale gelmektedir ve çoklu miktarda parçanın aynı anda üretilmesine izin vermektedir.

Bu proses tekniğinde ürün 8 farklı fazda imal edilmektedir. Bunlar;

1. Plastikleştirme,

2. Kalıbın Kapatılması ,

3. Kalıbın Doldurulması,

4. Ütüleme,

5. Tutma,

6. Soğutma,

7. Kalıbın Açılması,                    

8. Kalıptan Çıkarma

Enjeksiyon prosesi çevrimini oluşturan bu fazların ürün kalitesine olan etkisini daha kolay anlayabilmek adına bu tanımlamaları açıklayacak olursak. Bunlardan;

Plastikasyonun başlaması: Vida dönerek bir yandan malzeme hunisinden kovanın içine plastik hammaddeyi alırken bir yandan da erimeye başlayan malzemeyi kovana aldığı malzeme sayesinde ileri, meme boşluğuna doğru iter. Vida bu işlemi yaparken dönerek eksenel olarak geriye doğru hareket eder. [1] Bu aşamada vida boşluğunda biriken plastik vidayı geriye zorlar. Vidanın geri gitmesine Geri Basınç (Back Pressure) karşı koyar. Ayrıca hammaddenin erimesi bu aşamada vida sürtünmesi ve ısıtıcılar vasıtası ile sağlanır.

Plastikasyonun bitmesi: Bu aşamada yeteri hammadde alındığında vidanın dönmesi durur. Memede artık enjeksiyon yapmaya yetecek kadar eriyik hammadde vardır. [1]

Kalıbın kapanması: Mengene, kalıp yarımlarını tam olarak üst üste gelecek şekilde sıkıca kapatır. [1] Makinenin mengene ünitesi kalıp yarımları üzerine yüksek basınç uygular.

Enjeksiyon grubunun ileri gitmesi: Enjeksiyon memesi ile kalıbın yolluk elemanının yüzeyleri oturuncaya kadar enjeksiyon grubu ileri doğru hareket eder.[1] Vida hidrolik piston tarafından ileri itilir. 

Enjeksiyonun başlaması: Vida dönmeden, eksenel olarak ileri hareketiyle eriyik hammaddeyi kalıp boşluğuna doğru iter yani enjekte eder.[1] Burada eriyik plastik kalıp boşluğuna dolar. Bu sırada kalıp gözünü doldurmak için gerekli olan basınçlar, yani enjeksiyon basıncı ve kalıp göz içi basıncı artmaya başlar. Dolum sırasında malzeme sıcaklığı düşmeye, viskozite artmaya başlar. 

Enjeksiyonun bitmesi: Eriyik hammadde hızdan basınca geçiş noktasında(V/P), yani eriyik plastik kalıp boşluğunu tamamen doldurduğu anda dolum aşaması sona erer. Kalıba enjekte edilen eriyik hammadde daha düşük sıcaklıktaki kalıba temas eder etmez soğumaya başlar ve çekme yapar yani büzülür. Çekmeyi engellemek için biraz daha eriyik hammadde kalıba gönderilir.(ütüleme veya tutma basıncı safhası) [1]

Enjeksiyon işlemi iki safhadan meydana gelir. Toplam enjeksiyon = Normal enjeksiyon + Ütüleme

Normal enjeksiyon: Hammaddenin kalıba belli bir basınçla ve değişik hızlarla enjekte edildiği safhadır. [1]

- Ütüleme işlemi: Kalıba basılan malzemenin çekmesini ve çapaklanmasını engellemek için belirlenen bir konumdan itibaren değişik basınçlar ve belli bir hızla enjeksiyon işleminin devam etmesidir. Pratikte ütüleme safhası da denilen bu bölüme tutma basınçları safhası da denir. [1] Çekmeyi azaltmak için parça kalıp içinde basınç (Tutma Basıncı) altında bekletilir. Parça çektikçe içeriye yeni eriyik dolması sağlanır. Tutma aşaması yolluk girişinin donmasına kadar devam eder. Yolluk girişi kesitinin, parçaya patladığı noktadaki hammadde kalıptan çıkma sıcaklığına ulaştığı anda yolluk donmuş demektir. Ütüleme basınçları literatürde yazılan enjeksiyon basıncının %80lik dilimini geçmemelidir. Bu aşamada kalıbın tam olarak dolmasının yanı sıra, ince detayların da oluşması sağlanır.

Soğuma: Kalıba dolan eriyik hammaddenin soğuması, kendisinden daha soğuk olan kalıp duvarına değer değmez yani enjeksiyon işlemi başlar başlamaz meydana gelir. Kalıp içinde ürün haline gelen malzemenin, kalıptan deformasyona uğramadan çıkarılabilmesi için tutma basınçları safhasından sonra da bir müddet daha soğumaya devam etmesi gerekmektedir. Soğuma süreci başladığında aynı anda ikinci çevrim için plastikasyon safhası da başlar. Üretime uygun bir makine ile plastikasyon safhası daha ürünün soğuması işlemi bitmeden sona erer. Pratikte hangi safhanın daha önce biteceği, parçanın et kalınlığına ve plastikasyona uğrayan malzemenin miktarına bağlıdır. Eğer makinenin plastikasyon performansı yeterli değil ise çevrim süresi uzar, bu da maliyeti arttırır.[1] Soğutma prosesi parça vicat yumuşama sıcaklığı ’na ulaşıncaya kadar devam eder. 

Ürünün kalıptan dışarı atılması: Kalıplanan malzeme yeterince soğuduktan sonra(vicat yumuşama sıcaklığı’na ulaşmış parça) kalıp açılır ve ürün, itici denen sistem yardımıyla kalıptan dışarı atılır. Bu işlem basamaklarından sonra bir enjeksiyon çevrimi bitmiştir ve diğer bir çevrimin başlaması için sistem hazır haldedir. Bu işlem basamakları sürekli tekrarlanarak yeni enjeksiyon çevrimlerini meydana getirir. [1] 

Çevrim süreci (enjeksiyon işlemini meydana getiren tüm safhaların toplam gerçekleşme zamanı) işlem maliyeti bakımından son derece önemlidir. Bunun için tüm safhaların minimum zamanda gerçekleşmesi sağlanmalıdır.[1]

Genele olarak bakıldığında ise plastik enjeksiyon prosesi ile ilgili olarak karşılaşılan en önemli problemlerden biri, yeni ürün devreye alma sürecinin uzun olmasıdır.  Bu sürece, işgücü, makina ve malzeme maliyetlerinin yanı sıra ürün tasarım ve kalıp tasarım hataları da eklendiğinde ciddi bir maliyet zafiyeti olarak üretim maliyetlerini etkilemektedir.

Plastik enjeksiyon yöntemi ile üretim yapan bir çok işletme, bu süreci en kısa hale getirmek ve karşılaşılan maliyetleri en düşük seviyeye çekmek amacıyla, ürünün makinedeki ilk üretimlerini tecrübeli operatörler kullanarak gerçekleştirmek istemektedirler. Operatörün makineye girdiği ilgili parametre değerleri, uygun parça üretimi için gerekli değerlere ne kadar yakın olursa bu süreç de o kadar kısalacaktır. Optimum değerlere, makineden ürün alınmaya başlandıktan sonra deneme yanılma yolu kullanılarak ulaşılmaktadır.[2]

Bazı durumlarda enjeksiyon prosesinde ne yapılırsa yapılsın, hedeflenen çevrim sürelerinde ve hedeflenen kalitede parçalar elde edemeyebiliriz. Bunun nedeni müşteri gerekliliklerinden dolayı, ürün tasarımında parça et kalınlıklarının her yerde üniform yapılamadığından veya parça tasarım yapısından dolayı su kanalları her yere eşit uzaklıkta dönemediğinden kaynaklanabilir. Bununla birlikte parçanın kalıptan çıkma süresi hedeflenenden yüksek değerlerde çıkacaktır. Kısacası ürün ve kalıp tasarımını birlikte değerlendirerek sonuca ulaşmalıyız.

Plastik parçaların üretiminde çevrim zamanı önemli bir konudur. Burada çevrim zamanı hedeflenenden yüksek değerlerde çıkması, parça maliyetinin artmasına neden olacaktır. Çevrim zamanının en büyük dilimini soğutma süresi oluşturmaktadır. Bu çalışmada soğutma zamanının çevrim zamanına etkisine vurgu yapılacaktır.  

Soğutma sistemi, enjeksiyon prosesinin en önemli parametrelerinden biridir. Parça kalitesine, çevrim süresine ve boyut değişimine (kalıpta çekme ve çarpılma) etkisi çok büyüktür. Kalıp tasarımında kalıp gözünün işlenmesinden sonra dikkate alınacak ikinci husus soğutmanın nasıl gerçekleştirileceğidir.[3]

İlk aşamada önce ısınan sonra da doğal soğuyan bir üründe, ürün yüzeyi ile ürün ağırlığı arasındaki oran ne kadar büyük olursa, ürünün soğuması da bir o kadar hızlı olur. Tam tersi durumda ise bir o kadarda ürün geç soğur. Enjeksiyon işleminde soğumanın çabuk olması için su ile soğutma yapılır. Kalıp içine su kanalları açılır, ısı transfer edilerek hammadde soğutulur.(Şekil 1)

Kalıp içine açılan su kanal hatları ‘’türbülanslı akış’’ elde etmek için kaba işlenir. Çünkü türbülanslı akış ile laminar akıştan 3-4 misli daha iyi kalitede soğutma elde edebiliriz. Kalıp içine açılacak soğutma kanallarının, merkezler arası mesafelere eşit, fakat kalıp boşluğuna yakın yerlere açılması gerekir. Şekil 2’de basit bir su kanal formulasyonu mevcuttur. Yetersiz soğutma problemi bazı görsel problemlere sebebiyet verebilir. Bunlar beyazlama, çöküntü, çekme, hava sıkışması, yanık izi, çarpılma gibi. Hatta bu sorunların neticesinde bazı dayanım problemleri de ortaya çıkabilir.

İkinci bölümde çalışmanın ana hatları ele alınmıştır. Üçüncü bölümde yapılacak değişikliklerle çevrim zamanın düşmesi konusu işlenmiştir, son olarak sonuçlar ve tartışma kısmında önemli sonuçlar belirtilmiş, ayrıca konu ile ilgili muhtemel araştırma kaynakları gösterilmiştir.

2. ÇALIŞMANIN ANA HATLARI

2.1 Gereçler ve metotlar

Yapılacak olan moldflow çalışmaların da enjeksiyon kalıplarında kullanılan çelikler ve soğutma sistemlerinin basılan parça üzerindeki etkileri simülasyon ortamında incelenmiştir. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiş olup ilk aşamada enjeksiyon kalıbı üzerindeki klasik çelik ve soğutma kanalları kullanılarak numuneler basılmıştır. Devamında basılan parçalar detaylı olarak incelenerek, proses ve parça dizaynı kapsamında kusurlar belirlenmiştir.

İkinci aşamada moldflow akış analiz programından da faydalanılarak, ürün tasarımı, soğutma kanalları ve parçanın soğuma problemi yaratan bazı bölgelerinde özel insert malzemeler kullanımıyla komple bir revizyon çalışması yapılmış ve son durumda yapılan değişikliklerle birlikte soğutma zamanı miktarlarındaki değişim karşılaştırılmalı olarak ortaya konulmuştur. Ayrıca çevrim süresindeki bu kısalmanın paralelinde, ürün üzerindeki değişimler de dikkate alınmıştır.

Yapılan çalışmada aşağıdaki destek ekipmanlarından faydalanılmıştır. Bunlar;

A. 450 ton plastik enjeksiyon makinası

B. Soğutma suyu genleşme deposu kalıbı

C. Moldflow simülasyon programı

Prototip kalıpta çelik malzemesi olarak W302 Sertleştirilmiş (DIN 1.2344), Bohler marka çelikler (Bknz. Şekil 3) kullanılmış ve seri kalıp öncesi soğutma problemi yaratan bölgeler tespit edilmiştir. Soğutma problemli bölgeler de Moldmax HH 40HRC sertliğinde Be-Cu alaşımlı,  Brush Wellman marka çelikler (Bknz. Şekil 4) kullanılmıştır. Bu iki farklı çelik yapısının parça ve dış ortam arasındaki ısı alış-verişi birbirinden farklıdır. Bunun nedeni ısı iletim katsayılarının birbirinden farklı olmasından kaynaklanmaktadır.

Çalışma da kullanılacak olan Moldmax alaşım çelikleri ısı iletkenliği ve korozyon direnci yüksek, çok iyi parlatılabilen kalıplık Bakır-Berilyum alaşımıdır. Enjeksiyon kalıplarında kalıp çeliği ve sıcak yolluklarda ve manifold olarak kullanılır.[4]

Parça geometrisi de çalışmaya çok yatkındır. Aşağıdaki Şekil 5’de prototip kalıp öncesi depo parçasının genel görüntüleri verilmiştir.

Çalışmada kullanılan plastik hammadde polipropilen, yarı şeffaf beyaz plastik bir maddedir. 121ºC ye kadar sıcaklıklarda uzun süre kullanılabilir. Mantarlara ve bakterilere karşı dayanıklıdır. 60ºC ye kadar kuvvetli asitlere ve bazlara karşı etkilidir. Yakılabilir fakat yavaş yanar, zehirsizdir. Uygun şekilde modifiye edildiğinde iyi bir ısı dayanımına sahiptir.[1]

2.2 Prototip kalıpta mevcut soğutma sistemi

Prototip depo kalıbında su kanal sistemi Şekil 6’de görüldüğü gibidir. Kalıpta su dolaşımı chiller ile sağlanmaktadır.

Prototip kalıp su kanallarının 9 adet giriş ve çıkışı mevcuttur. Chiller’den gelen su belirli bir sıcaklık ile gelir ve kalıba girişinden, çıkışına kadar olan süre zarfında parçaların bazı bölgelerinde sıcaklık artmıştır. Böylece parça üzerinde belirli bölgelerde istenmeyen bazı kusurlar (çökme, çekme, beyazlama...vb) belirmiştir. Bu beyazlamalar nedeni parçanın yeterli derecede parçanın soğutulamamasından kaynaklanmaktadır.

Parçaların Şekil 7’de dolum süresi, Şekil 8’de kalıplama anındaki sıcaklık dağılımı, Şekil 9’de kalıptan çıkma süresi sonucu incelenmiştir. Şekil 9’den soğutma süresi, toplam çevrim zamanın(127sn) en uzun dilimini oluşturacağı görülmektedir. Hedef bir çevrim zamanı(75sn) olduğunu düşünürsek. Bu hedef çevrim zamanı içerisinde parçayı bastığımızda soğutma süresi yeterli olmamıştır.

3.   YAPILACAK DEĞİŞİKLİKLERLE ÇEVRİM ZAMANIN DÜŞMESİ

3.1 Değişen çelik yapısı, soğutma sistemi ve parça revizyonu

Bir önceki bölümden, sonuçlardan görüldüğü üzere parçada da et kalınlığı fazla olan bölgeler tespit edilmiştir. Parçanın hedeflenen çevrim süresinde çıkması için, bu sonuçlardan faydalanılarak;

Ürün tasarımında değişiklik,

Soğutma kanallarında değişiklik,

Son olarak parçanın soğuma problemi yaratan bölgelerinde özel insert bakır-berilyum alaşımlı çelik malzemeler kullanımıyla, daha üniform bir soğutma sağlanacağı en etkili çözüm olarak görülmüştür. Bu açıdan ürün ve kalıp dizaynı birlikte değerlendirilerek komple bir revizyon çalışması yapılmıştır.

Çalışma da ürün dizayn değişikliği ve soğutma kanalları revizyonları bizi hedef çevrim zamanına yaklaştırmış fakat yine de altına düşülemeyeceği Moldflow analizi programında görülmüştür. (Bknz. Şekil 10 ve Şekil 13)  

Parçaların soğutma probleminin yaşandığı iç kısımlar da bazı noktalar, derin ve dar yapılar olduğu için(Bknz. Şekil 11) su kanalları parçaya yakın geçirilememekteydi. Bu gibi kısımları oluşturan çelik yapılar (Şekil 9’da görülen turuncu ve mavi kısımlar) prototip kalıpta 1.2344 çelik malzemeden seçilmişti. Fakat derin ve dar kısımlarda bu çeliklerden soğutma çevriminde yeterli verim alınamadığı moldflow da görülmüştür. Son durumda bu çeliklerin yeri bakır-berilyum alaşımlı çelikler ile değiştirildi. Seri kalıp tasarım öncesi yaptığımız bu değişiklik ile birlikte ısı iletiminin artacağı önce Moldflow simülasyonlarında görüldü. Şekil 10’de görüldüğü gibi parçanın kalıptan çıkma süresi önceden 65sn’lerde idi. Şekil 12’de ise yaptığımız değişiklik neticesinde bu süre 45sn’lere kadar düşmüştür.

Parçaların diğer et kalınlığı fazla olan bölgelerin, kalıptan çıkma süresi çalışmalarına devam edecek olursak,

Şekil 13’de parçanın diğer et kalınlığı fazla olan bölgelerin kalıptan çıkma süresi görüntülerine baktığımızda, önceki durumda parça üzerinde 121sn’lerde olan kısımlar görülmüştür. Prototip kalıptan elde edilen numune parçalarda, parça geneline göre en çok beyazlama yine kırmızı ok ile belirtilen o bölgede belirmiştir. Şekil 13’de yani sonraki durumda ise bakır-berilyum alaşımlı çelik kullanımıyla gösterilen ilgili bölgede parça kalıptan çıkma süresi 30sn’lere düşmüştür. Parça geneline bakıldığında ise ısı transferi arttığından, parça kalıptan çıkma süresi 55sn’lere kadar düşülmüştür.

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Projenin amacı, sektör genelinde firmalar arasında artan rekabet ile birlikte hedefin kısa sürede, düşük maliyetle üretim yapmak olduğu, neticesinde kalite seviyesi en üst düzeyde üretimler gerçekleştirebilmektir. Bu amaç doğrultusunda, plastik enjeksiyon prosesinin yeni ürün devreye alma sürecinde çevrim zamanın en önemli ayaklarından olan soğutma prosesi öneminin büyük olduğuna vurgu yapılmıştır. Ayrıca ürün ve kalıp tasarımının birlikte değerlendirilmesi gerektiğine değinilmiştir.

Her ürünün proje planına göre değişen, yeni ürün devreye alma süreleri(yaklaşık 22-36 ay) ve bu süreler yaşanan tecrübelerle her geçen yıl daha da düşmeye başlamıştır. Parça tasarımlarında hatalara yer olmadığından dolayı simülasyon programları etkili bir şekilde kullanılması önemlidir.

Bu çalışmada, Moldflow programı ışığında yapılan deneylerde, ürün tasarımında ve soğutma kanallarında küçük oynamalar yapılmış. Çevrim zamanında düşüşler meydana gelmiştir. Asıl ciddi düşüş kalıp çeliklerinde yapılan değişiklik sonrası yaşanmış, devamında hedef çevrim zamanı altına düşülmüştür. 

KAYNAKLAR

1. MEB, Plastik teknolojisi, Enjeksiyon makinelerinde üretim-2, Meb Basımevi, Ankara, 2006.

2. Öztürk N., Keçe A., Akyürek A., 2009, Otomotiv yan sanayi plastik enjeksiyon süreci optimizasyonunda yapay zeka tekniklerinin kullanımı, 11. Otomotiv sempozyumu, (8 - 9 Mayıs 2009)., Bursa, s1.

3. Demirer A., Çoban A., Durat M., 2009, PP ve YYPE Malz. Enj. Kal. Ür. Soğ. Sis. Par. Kal. Etkisi, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, s(1-2).

4.   MEB, Plastik teknolojisi, Makine enjeksiyon kalıpçılığı-2, Meb Basımevi, Ankara, 2013.

Fahri İbişoğlu                  

İrfan Kamaş                  

Taner Karslıoğlu

FEKA Otomotiv Mamülleri