plastik-ambalaj.com

Plastik enjeksiyon kalıplarında sıcak yolluk dağıtıcıları

Özet 

Plastiklerin enjeksiyon kalıplarında şekillendirilmesinde son yıllarda daha çok sıcak yolluk sistemleri kullanılmaya başlanmıştır. Önemli ölçüde enerji, malzeme ve işçilik kazançları gibi birçok avantajlar sağlayan bu sistemin giderek gereği ve önemi artmaktadır. Bununla beraber kullanımdan ve bilhassa tasarımdan kaynaklanan hatalar da sıkça karşımıza gelmektedir. Bu makale, Sıcak Yolluk sisteminin en önemli elemanlarından olan dağıtıcıların görevi, yapısı ve tasarımı hakkında daha çok literatür ve pratik uygulamalardan yararlanılarak derlenmiştir.     

1.Giriş 

Sıcak yolluk sistemlerinin plastik enjeksiyon kalıpçılığında kullanılma oranı son yıllarda artmaya başlamıştır. Bu artışın nedeni; yüksek kaliteli ürün alma isteği, daha kısa sürede daha çok ürün basabilme, yolluk malzemesi tasarrufu ve işçilik giderlerinin azaltılması olarak kısaca özetlenebilir. Normal (Standart) yolluk sisteminden farklılık gösteren bu sistem ısıtma donanımı ve kontrol ünitesi gibi bir takım ek düzenekleri barındırır.

Bir sıcak yolluk sistemi, enjeksiyon ünitesiyle bağlantılı olan bir yolluk burcu, eriyik malzemeyi kalıp içinde dağıtan bir dağıtıcı (Manifold) ve eriyiği istenilen bölgeden kalıp gözüne aktaran memelerden meydana gelir. Şekil 1’de iki gözlü sıcak yolluklu bir kalıbın elemanları gösterilmiştir.

Sıcak yolluk sistemi, Şekil 1’de görüldüğü gibi normal yolluklu bir kalıbın haricinde ek bir takım donanımlardan meydana gelmektedir. Genel hatlarıyla bunları aşağıdaki gibi beş ana grupta incelemek mümkündür.

1.Sıcak yolluk dağıtıcısı

2.Sıcak yolluk memesi

3.Isıtıcılar (dağıtıcı ve meme ısıtıcıları)

4.Sıcaklık kontrol elemanları (termokupullar) 

5.Sıcaklık kontrol cihazı 

Bu beş ana gruba ek olarak sıcak yolluk malzeme filtresi ve enerjinin verimli kullanılmasını sağlayan yalıtım malzemesi de ilave edilebilir. 

Şekil 2’de görüldüğü gibi sıcak yolluk sisteminde eriyik haldeki malzeme, makina silindirinden kalıp gözüne kadar olan mesafede sıcaklık ve basınç kaybı olmadan ve malzemede hasara uğramadan iletilmektedir. Bunun sağlanması için, dağıtıcı bloğun ısıtıcılar vasıtasıyla eriyik sıcaklığına kadar ısıtılması ve sürekli bu sıcaklıkta kalmasının temin edilmesi gerekmektedir. Bu da sıcaklık kontrol cihazıyla mümkündür.

Sıcak yolluk sisteminde, dağıtıcı ve gerektiğinde memelerde, ısıtıcı elemanlarla kontrollü bir şekilde ısıtılmaktadır. Sıcaklık kontrolünün sağlanmasında termoelemanlar (termokupullar) kullanılmakta ve sıcaklık kontrol cihazıyla ısıtıcılara müdahale edilebilmektedir. Dağıtıcı ve memelerdeki ısı kaybının önlenmesi amacıyla ayrıca kalıpta yalıtım yapılması da kalıplama verimini artırmakta ve enerji sarfiyatını düşürmektedir. Yalıtım plakası, dağıtıcının kalıba montajı esnasında dağıtıcının çevresinin sıkıca sarılmasıyla yalıtım işlevini yapmaktadır.

2. Sıcak Yolluk Dağıtıcıları

Sıcak yolluk dağıtıcısının görevi, eriyiği yolluk burcundan alarak mümkün olan en düşük basınç kaybıyla hasarsız olarak ve aynı sıcaklıkta memelere iletimini sağlamaktır. Burada hedef mümkün olduğunca eşit akış yolu kuralını sağlamaktır. Tek başına ısıtılmış bir meme ile tek bir kalıp gözü doldurulabildiği gibi sıralı yolluklarla da memenin sıcaklığı kullanılarak doldurma işlemi dengelenebilmektedir. 

Şekil 3’de dağıtıcı sistemlerin yapısı gösterilmektedir. Kanallar, genellikle sıcak iş çeliğinden imal edilmiş kare şeklindeki çelik bloklara delinerek açılmıştır. Sıcak iş çeliğinin ısı iletiminin zayıf olması, yüksek basınç mukavemeti ve ısıl işlem kabiliyeti tercih edilme nedenidir. Isıtma işlemi dış kısımdan fişek rezistans (Şekil 3 a,c) veya boru rezistanslarla (Şekil 3 d) yapılır, kısmen de olsa içten ısıtmada (Şekil 3 e) kullanılır [3,4,5]. İçten ısıtmalı dağıtıcılarda prensipte izole edilmiş yolluklar kullanılır. Özel hazırlanmış büyük kalıplarda (örneğin 52 gözlü) boru dağıtıcılar (Şekil 3 f) başarıyla kullanılmaktadır. İç basıncın yüksek olması dolayısıyla ve düzgün sıcaklık dağılımını temin edebilmek için dağıtıcı kanalları kalın cidarlı olarak tasarlanmalıdır.

2.1. Dağıtıcının Tasarımı ve İmalat Detayları

Sıcak yolluk çapını tayin etmede alt limit aşırı basınç kaybı yani aşırı sürtünmeden kaynaklanan kayma ısısı ve üst limit bekleme (ütüleme) zamanı ile sınırlıdır. Referanslardaki tavsiye edilen değerler Tablo 1’de verilmiştir.

Dağıtıcı kanalların yüzey kalitesi imalat sırasında dikkate alınmalıdır. Kanalların kenar ve köşelerinde çapaklar oluşmaktadır. Bunlar temizlenmelidir aksi takdirde renk değişiminde parçada hatalara neden olmaktadır. Bu nedenden dolayı eriyikle temas eden yüzeyler delindikten sonra raybalanmalı ve mümkünse parlatılmalıdır.

a) Dağıtıcı kanallarda dönüşler

Dağıtıcı kanallardaki dönüşler, uygun bir sızdırmazlık sağlaması ve tortuların bu kısımlarda birikmemesi bakımından kritik noktalardır. Şekil 4’de bazı tasarım örnekleri gösterilmiştir. Dağıtıcı kanallar imalat esnasında dağıtıcı bloğa boydan boya delinerek açılırlar. Dışarıya açık olan bu delikler uygun formda (vidalı, konik) imal edilen tapalarla kapatılırlar. Doğru şekillendirilmemiş olan dönüş ve tapalardan yüksek basıncın etkisi ile plastik eriyiğin dışarıya sızma tehlikesi vardır.

b) Dağıtıcı ile diğer elemanların birleştirilmesi

Termal genleşme sebebiyle, pratik olarak uzun dağıtıcılar parçalı yapılarak birbirine çeşitli bağlantı elemanlarıyla bağlanırlar (Şekil 5 b). Bu şekildeki tasarımla ısıl genleşme dengeli hale gelmektedir. Şayet sıcak yolluk ile kalıp arasındaki uzama farkı sönümlenemezse, kalıp içinde dağıtıcının uzaması enine (çapraz) kuvvet oluşturur. Bağlantı elemanı ve dağıtıcı segmanları arasında iyi bir akış olması önemlidir (Şekil 5 b). Şekil 5 a’da ise delik ve bağlantı elemanı alın yüzeyinden birleştirilmiştir. 

c) Dağıtıcının montaj ve konumlandırılması 

Sıcak yolluğu oluşturan parçaların bağlanması ve konumlandırılması daha önce Şekil 1’de gösterilmiştir. Dağıtıcı blok, merkezdeki silindirik saplamaya (numara:21) oturtularak bu sayede dağıtıcının dışardan olası bir harekete maruz kalması (burulması, merkezden kayması vb.) gibi durumların önüne geçilmiş olur. Temel montaj problemleri; dağıtıcı ve meme arasında sızdırmazlığın sağlanması, kalıp plakası ile dağıtıcı arasında minimum ısı iletme alanı oluşturmak ve lokal temaslarda yüksek basınçların oluşmasıdır. Dağıtıcı bloğa gelen kuvvetlerin karşılanması ve kalıp plakaları ile temasının en aza indirilmesi için parlatılmış destek halkaları (rondelaları) (numara:10,11) kullanılmaktadır.

2.2. Dağıtıcılara Ait Isıtma Elemanları

Sıcak yolluklardaki önemli ısıtma elemanları Şekil 6’da gösterilmiştir. Bunların kullanımı öncelikle ihtiyaç duyulan ısıtma gücüne ve dağıtıcının şekline bağlıdır. Dağıtıcıların ısıtılmasında genellikle yüksek ısıtma gücüne sahip fişek rezistanslar (kartuş) kullanılır. Genelde problem, artan enerji (watt) yoğunluğu ile karşımıza çıkmaktadır. Bu durumda sıcak yollukta aşırı lokal ısınmalar ortaya çıkmakta ve arıza yapma ihtimali artmaktadır. Enerji (watt) yoğunluğu 20 W/cm2 den daha yüksek olmamalıdır. Fişek rezistans ömrünün arttırılması, ısıtılan cisimle iyi bir ısı iletiminin sağlanmasıyla mümkündür. Diğer bir ısıtma elemanı da boru rezistanslardır. Bükülebilen esnek yapıya sahip bu rezistanslar memelerin dağıtıcı temasıyla doğrudan ısıtıldığı durumlarda tavsiye edilir (Şekil 6 b-c).

a) Dağıtıcının fişek rezistansla ısıtılması

Dolaylı olarak ısıtılan sıcak yolluklu dağıtıcıların ısıtılması fişek rezistanslarla yapılmaktadır. Bunlar her bir dağıtıcıdaki meme bölgesinin ayrı ayrı ısıtılmasına müsaade eder. Fişek rezistanslar karşılıklı her iki yandan dağıtıcıdaki akış yolu boyunca yerleştirilir. Yolluk ile aradaki mesafe yaklaşık fişek çapı kadardır. Boyuna istikametteki fişek sıralama pozisyonları, sıcaklık dağılımı ölçülerek optimize edilir. Özel olarak da üretilebilen fişek rezistanslar paslanmaz boru içinde MgO tozları ile yalıtılması sonrasında hadde makinelerinde dövülerek sıkıştırılması ile elde edilmektedir. Bu rezistanslar boşta test yapılamaz. Mutlaka ısı transferi sağlanacak şekilde monte edilerek çalıştırılmalıdır. Şekil 6 a’da fişek rezistanslar, Şekil 6 b,c’de ise boru ve esnek spiral rezistanslar gösterilmiştir.

b) Dağıtıcının boru rezistansla ısıtılması 

Boru rezistanslar, genellikle doğrudan ısıtılan memeli dağıtıcılarda kullanılmakla birlikte, birçok dağıtıcının da bu tip ısıtıcılarla düzgün şekilde ısıtılması mümkündür ve arıza yapma ihtimali de düşüktür. Isıtıcılar esnek yapıda olup bükülebilir ve dağıtıcının alt ve üst tarafına freze ile açılmış kanallara boydan boya yerleştirilirler (Şekil 8). Kanal çapı ısıtıcı çapından biraz büyük işlenir, örneğin 8,2 mm ısıtıcı çapı için 8,6 mm çapında kanal hazırlanır. Isıtıcı, kanal içerisine yerleştirilir ve ısı iletim çimentosuna gömülür. Yolluk ile ısıtıcı arasındaki mesafe ısıtıcı çapından biraz daha büyük olmalıdır. 

2.3. Dağıtıcının ısıtma gücünün hesaplanması

Dağıtıcı bloğun ısıtma gücü aşağıdaki formülle hesaplanır [1,14].

P =Isıtma gücü (kW)

m =    Sıcak yolluk dağıtıcısının ağırlığı (kg)

c =     Çeliğin özgül ısısı (0,48 kJ/kg.K)

ΔT =  İstenilen eriyik (proses) sıcaklığı ile dağıtıcının ısıtmaya başlama esnasındaki sıcaklık farkı

t =     Isıtma süresi (s)

ηgen = Genel verim (elektriksel-termik) (yaklaşık ~ 0,4-0,7 ekseri 0,6)

Kalıp tasarımcısının bilmesi gerekenler; dağıtıcı bloğun ağırlığı (örneğin 2 kg), basılacak plastiğin proses sıcaklığı (örneğin PP için 200°C) ve dağıtıcı bloğun ısıtmaya başlamadan önceki sıcaklığı (örneğin 15°C olursa T=200-15=185°C), ısıtma süresi ise 10 dakika alındığında saat cinsine çevrilir ( t= 10/60=0,166 saat), genel verim ise yaklaşık 0,6 alınarak dağıtıcı bloğun ısıtılması için gerekli güç (kW) cinsinden bulunmuş olur. 

Dağıtıcı blok yaklaşık olar toplam 1800 kW gücünde ısıtıcıya ihtiyaç duymaktadır. Isıtıcı eleman olarak tasarımcı, fişek rezistans kullanacak ise dağıtıcı bloğa kaç adet fişek rezistansın kullanılacağını belirler. Örneğin dört adet fişek rezistans kullanılması gerekiyorsa (1800 / 4 = 450 kW ) her bir rezistansın ortalama gücü 450 kW olması uygun bir seçim olacaktır. Her fişek rezistans minimum ve maksimum güçte çalışabilecek şekilde imal edilmiştir. Tasarımcı, rezistans alacağı firmadan fişek rezistans seçimi yapmak için tablodan rezistans boyuna, rezistans çapına ve ortalama gücüne bakarak rezistans seçimini yapar. Rezistans seçimi yaparken düşük güçte olanları tercih etmekten sakınmak gerekir, aksi takdirde dağıtıcının gerekli sıcaklığa ulaşması için aşırı güçte çalıştırılması gerekir. Bu durum rezistans ömrünün kısalmasına neden olur.

KAYNAKLAR

[1] MENGES, G., und MOHREN, P., “Anleitung zum Bau von Spritzgiesswerkzeugen”, Carl Hanser Verlag     München Wien, 1999.

[2] DEMİRER, A., “Enjeksiyon Kalıplarında Sıcak yolluk Sistemlerinin Kalıplama Prosesine Etkilerinin Kalıplama Prosesine Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi”, Sakarya Üniversitesi Fen Bil. Enst. Doktora Tezi, Sakarya, 2002.

[3] D-M-E, “Molding systems-Heisskanalsysteme”,  Firma Kataloğu Begium C.V.B.A., Industriepark Noord G1 B-2800 Menchelen, 2000. 

[4] D-M-E, “Heisskanalsystem, Broschüre der Fa.” Deutschland, Neustadt, 1990.

[5] EWİKON, “Das kalte “Ewikon” Heisskanalsystem, Broschüre der Fa.”, Frankenberg, 1992.

[6] GOLDBACH, H., “Heisskanal-Werkzeuge für die Verarbeitung “Technischer” Termoplaste (wie ABS,PA,PBT,PC)”, Plastverarbeiter 29-11,s.591-598 und 29 -12 ,s.677-682, 1978.

[7] HOECHST AG.,“Heisskanalsystem, Indirekt Beheizter Wärmeleittorpedo” C.2.1 Technische Kunststoffe. Berechnen-Gestallten-Anwenden, Broschüre der Farbwerke, Oktober 1979.

[8] HOTSET, "Heizpatronen und Zubehör International Katalog”, Lüdensched, Temsilciliği: Plas-set Teknik Gereçler San. ve Tic.,İstanbul, 2001.

[9] GÜNTER, “Heisskanaltechnik, International Katalog”, Frankenberg, 2022.

[10] HASCO, “Heisskanalsystem, International Katalog”, Lüdenscheid, 1998.

[11] ISIN REZİSTANS, “Ürün Kataloğu”, ISIN Rezistans Tic. San. Ltd., İst. 2010.

[12] WATLOW, “Heaters, Sensors and Controllers For Tke Plastics Industry“, Hot runner systes, USA, Missouri,1998. 

[13] SAFİ Rezistans, “Ürün Kataloğu”, Safi Rezistans İmalat San., İstanbul, 2022.

[14] MAST, F., “Das Spritzgiesswerkzeug”, Angusssysteme, s:43-50 VDI –Verlag GmbH, Düsseldorf, 1983.

[15] SCHAUF, D., “Spritzgiess-Werkzeuge”, VDI- Verlag Gmbh, Ges. Kunststofftechnik, s.99-127, Düsseldorf, 1980.

Doç.Dr. Ahmet DEMİRER

Sakarya Uygulamalı

Bilimler Üniv.,

Makina Müh. Bölümü

***Bu makale Plastik & Ambalaj Teknolojisi Dergisi 288.Kasım sayısında yayınlanmıştır. Makalenin şekillerinin ve tablolarının yer aldığı basılı düzenine https://pubhtml5.com/jbbh/sajo/ linkinden ulaşabilirsiniz.