plastik-ambalaj.com

Çok gözlü kalıplarda dengeli dolum için yolluk boyutlarının ayarlanması

Özet:

Günümüz otomotiv endüstrisinde plastik malzemeler gerek maliyet gerekse ağırlık azaltma avantajları ile vazgeçilmez hammadde haline gelmiştir. Günümüzde araçların toplam ağırlıklarının %16’sını plastik parçalar oluşturmaktadır. Bu rakamın 2020 itibariyle %18 seviyelerine ulaşması öngörülmektedir. [1] Otomotiv sektöründe kullanılmakta olan plastik parçaların büyük çoğunluğu plastik enjeksiyon yöntemi kullanılarak üretilmektedir. Tüm üretim proseslerinde olduğu gibi plastik enjeksiyon üretim yönteminde de maliyetlerin düşürülmesi için makinelerin verimli kullanımı büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle geliştirilen metotlardan biri de, “family” olarak ta bilinen aile kalıplarıdır. Aile kalıbı yöntemiyle, birbirinden farklı parçaları aynı anda tek kalıpta üretmek mümkündür.

Aile kalıplarında dikkate alınması gereken önemli noktalardan bir tanesi de, birbirinden farklı geometri ve ağırlıktaki plastik parçaların eş zamanlı dolumunun sağlanmasıdır. Bu da yolluk ve yolluk giriş tasarımlarının optimize edilmesiyle sağlanabilir. Bu çalışmada, aile kalıplarında Autodesk Moldflow analiz programı kullanılarak, dengeli bir dolum sağlayacak yolluk boyutları belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Otomotiv, Plastik, Yolluk, Aile Kalıbı, Çok Gözlü Kalıp, Moldflow, Plastik Enjeksiyon.

1. Giriş:

Otomotiv sektörü sürekli olarak farklı ihtiyaçlarla karşılaşan dinamik bir sektördür. Sürücülerin yüksek performans ve güvenlik, daha fazla konfor ve yakıt tasarrufu gibi istekleri sektörü malzeme açısından da yeni arayışlara itmektedir. Tüm bu talepler ele alındığında geleceğin otomobillerinde plastik malzeme kullanımının artarak devam edeceği öngörülmektedir. [2].

Global olarak plastik kullanımının artması bu konuda yapılan çalışmaları da daha önemli hale getirmiştir. Bu çalışmada plastik parça tasarımında rekabetin önemli bir unsuru olan analiz programları ile çok gözlü kalıplarda yapılan yolluk optimizasyon çalışmasına değinilecektir.

1.1 Plastik Enjeksiyon Prosesi

Enjeksiyon makinesi aracılığı ile plastik hammaddenin ergime sıcaklığına kadar ısıtılmasının ardından plastik enjeksiyon kalıbına enjekte edilerek şekillendirilmesi plastik enjeksiyon üretim yöntemidir. Plastik enjeksiyon makinesine ait alt parçalar Şekil 1.1’de gösterilmiştir.

1.1.1 Plastik Enjeksiyon Kalıpları

Enjeksiyon makinesi aracılığı ile ergitilmiş  plastiğin şekillendirilmesinde kullanılan kalıplardır. 

Plastik enjeksiyon kalıpları, üretilecek parçanın şekli, ebat, malzemesi, üretileceği enjeksiyon presi vb. değişkenlere bağlı olarak tasarlanmakta ve üzerinde kullanılan parçalar çeşitlilik göstermektedir. Genel olarak plastik enjeksiyon kalıplarının temel elemanları yandaki elemanlardan oluşmaktadır.

Sabit (dişi) ve Hareketli (erkek) Çekirdek: Bu parçalar kalıp kapalı halde iken üretilecek parçanın formunu oluşturan kalıp boşluğunu ve parçayı dolduracak yolluk formunun işlendiği parçalardır. Sabit çekirdek, plastiğin enjekte edildiği tarafta olan parçadır. Hareketli çekirdek enjeksiyon presinin hareketli mengenesinin olduğu taraftadır.

Sabit ve Hareketli Taraf Bağlantı Plakaları: Bu parçalar kalıbı enjeksiyon presine bağlamak için kullanılır.

Yolluk Burcu: Bu parça eriyik plastiği enjeksiyon makinesinden kalıp çekirdek yüzeyine ve yolluğa aktarılmasını sağlar. Eriyik plastiğin ısı kaybını önlemek için yolluk burcu yerine sıcak yolluk sistemleri de kullanılabilmektedir.

Yolluk: Yolluk, yolluk burcu veya sıcak yolluk sistemi tarafından kalıp çekirdek yüzeyine aktarılan eriyik plastiğin plastik parçayı oluşturacak olan kalıp boşluğuna aktarılmasına yarayan plastik akış kanallarıdır. Yollukların boy ve kesitleri üretilecek parçanın kalitesine doğrudan etki edebilmektedir.

İtici Tutucu Plaka, İtici Plaka ve İtici Pim: İtici tutucu plaka itici pimlerin takıldığı plakadır. İtici plaka ise hem itici pimlerin alt bölgelerinde kapak görevi yapan hem de kalıp açıldıktan sonra parçanın itici pimler tarafından itilerek kalıptan alınabilmesi için enjeksiyon presinden veya harici hidrolik piston sistemi tarafından hareket ettirilen plakadır.

Kalıp Merkezleme Kolonu ve Burcu: Bu parçalar kalıp açılması ve kapanması sırasında kalıp hareketli ve sabit tarafının ön referanslamasını yapan parçalardır. Genellikle plastik parçanın hareketli taraftan daha rahat alınabilmesi için merkezleme burcu hareketli tarafta yer almaktadır.[3]

1.1.2 Çok Gözlü Kalıplar ve Aile Kalıpları

Plastik enjeksiyon kalıpları üretilecek olan parçaların üretim adedi, ebatları ve üretilmesi planlanan enjeksiyon pres ölçülerine göre aynı kalıptan birden fazla parça üretilecek şekilde yapılabilmektedir. Bu şekilde birden fazla aynı parçayı üretebilen kalıplara çok gözlü kalıplar denir. Çok gözlü kalıplar ile üretilecek olan parça sayısı göz adedi ile belirtilir. Örneğin aynı parçadan 4 adet üretilebilen kalıba 4 gözlü kalıp denmektedir. Çok gözlü kalıpların en büyük avantajı üretim süresinin dolayısı ile parça birim maliyetinin azaltılmasıdır.

Birbirinden farklı parçaların tek bir kalıpla üretilebilmesi için kullanılan plastik enjeksiyon kalıplarına ise aile kalıpları denilmektedir. Otomotivde kullanılan aile kalıpları genellikle aynı komponenti oluşturan ve eşit sayıda üretilmesi gereken parçalar için yapılmaktadır. En sık üretilen aile kalıpları simetrik parçaların kalıplarıdır. Şekil 3’de aile kalıbı ile üretilen farklı hacimlerdeki parçalar görülmektedir. Aile kalıplarının da en büyük avantajı üretim süresinin dolayısı ile parça birim maliyetinin azaltılmasıdır. Aile kalıplarında çok gözlü kalıplardan farklı olarak birbirinden farklı hacimlerdeki parçaların aynı anda üretilebilmesi için her bir parça için tasarlanan yolluk geometrisinin farklılık göstermesi gerekmektedir.

1.1.3 Yolluk Çeşitleri

Plastik enjeksiyon kalıplarında ergimiş plastiğin kalıp boşluğuna aktarılması için kullanılan sistemlere yolluk sistemleri denilmektedir. Yolluk sistemlerinin tasarımları üretilecek olan parçanın şekli ve yapılacak olan plastik akış analizine göre belirlenmektedir. Yolluk sistemleri yolluk, yolluk kanalı ve yolluk girişi olmak üzere 3 bölümden oluşmaktadır.

Yolluk: Yolluk ergimiş plastiğin kalıba giriş noktası ile yolluk kanalı arasındaki bölgedir. Yolluklar soğuk ve sıcak olmak üzere iki faklı tipte yapılabilmektedir. Soğuk yolluklar daha çok küçük ebatlı ve estetik olmayan plastik parçalarda tercih edilmektedir. Sıcak yolluklar ise estetik ve/veya büyük ebatlı parçaların kalıplarında tercih edilmektedir. Sıcak yolluğun amacı ergimiş plastiğin kalıp boşluğuna ulaşması sırasında oluşan basınç ve sıcaklık kayıplarını engellemektir.

Yolluk Kanalları: Yolluk kanalları, yolluk ile yolluk girişi arasında ergimiş plastiği taşıma amaçlı kalıp çekirdeklerine açılan kanallardır. Yolluk kanallarının kesiti enjeksiyon sıcaklık ve basınç kayıplarını azaltmak için yukarıdaki şekillerde tercih edilmektedir.

Yolluk kanalları çok gözlü kalıplarda tüm parçalara mümkün olduğunca eşit şartlarda parça enjekte edilebilmesi için balanslı şekilde tasarlanmaktadır.

Çok gözlü veya büyük ebatlı kalıplarda yolluk kanallarındaki sıcaklık ve buna bağlı olarak basınç kayıplarını ortadan kaldırmak için kalıp içerisinde manifoldlu sıcak yolluk sistemleri de kullanılmaktadır. Manifoldlu sıcak yolluk sistemi ile enjeksiyon makinesinden kalıba aktarılan ergimiş plastiğin sıcaklık kaybına uğramadan kalıp boşluğuna aktarılması sağlanmaktadır. Yandaki şekilde manifoldlu bir sıcak yolluk sistemi görülmektedir.

Yolluk Girişleri: Yolluk girişleri ergimiş plastiğin kalıp boşluğuna aktarıldığı yolluk kanalı ile kalıp boşluğu arasındaki bölgedir. Yolluk girişleri üretilecek olan parçanın tasarımına göre değişik tiplerde kullanılabilmektedir. Enjeksiyon kalıplarında genel olarak kullanılan yolluk giriş tipleri aşağıdadır

1- Direk Yolluk Girişi

2- Kenar Yolluk Girişi

3- Fan Yolluk Girişi

4- Tünel Yolluk Girişi

5- Muz Yolluk Girişi

6- Halka(diyafram) Yolluk Girişi

7- İticiden Kırma Yolluk Girişi

2. Dengeli Dolumun Önemi

Eğer tasarlanan plastik parçalar son derece sade tasarımlara sahip olsalardı ve eriyik plastik malzeme, kalıp boşluğu içerisine su gibi rahat doldurulabilir olsaydı, dolumun dengesi konusunda herhangi bir endişeye gerek kalmazdı. Ancak gerçek dünyada plastik parça tasarımları son derece karmaşık yapıya sahiptir ve de plastik malzeme eriyikleri su kadar akışkan değillerdir. Kalıp boşluklarının nasıl doldurulduğu, kalıptan çıkacak parçaların boyutsal özelliklerine ve görsel kalitelerine etki eder. Dengeli bir dolum, her kalıp boşluğundan çıkacak plastik parçaların boyutsal ve görsel olarak eş değer kalitede olmalarını sağlar.

Özellikle çok gözlü plastik enjeksiyon kalıplarında, kalıp boşluklarının dengeli bir şekilde doldurulmaları, her bir kalıp boşlundaki basıncın, sıcaklığın, ütüleme kalitelerinin ve çekme oranlarının eşit olması açısından önemlidir. [6]

İki veya dört gözlü kalıplar için dolum dengesini sağlamak daha fazla göz sayılı kalıplara göre çok daha basittir. Neredeyse kendiliğinden dengesi kurulur. Şekil 2.1’de dört gözlü bir kalıp için dolumun sonucu görülmektedir.

Kalıp orta noktasından gelen eriyik, önce iki eşit parçaya ayrılıyor, daha sonra bu parçalar tekrar eşit olarak bölüyorlar ve dolum dengeli olarak tamamlanabiliyor. Şekil 2.2’de ise daha fazla göz sayısına sahip bir kalıptaki dolum şekli görülmektedir.

Dolum orta noktadan başlayarak yanlara doğru ilerler. İlerledikçe önüne gelen kalıp boşluğunu doldurmaya başlar. Dolayısıyla ilk dolan boşluk, eriyik malzeme giriş noktasına en yakın olandır. İlk dolan gözler ile son dolan gözler arasında farklar oluşmaktadır. İlk dolan kısımda çapaklanmalar görülebilirken, sonra dolan gözlerde ise eksik dolum kusurları görülebilir. İlk dolan ile son dolan gözler arasında basınç ve donma oranları da farklı olacağından kalitesel farklılıklar da gözlemlenir. Kalıp gözlerinde üretilecek parçanın aynı kalitede olmaları için dolumun dengeli olarak yapılabilmesi gerekir. Şekil 2.3’de dengeli hale getirilen bir yolluk tasarımı görülmektedir. Bu çalışmada Autodesk Moldflow analiz programı kullanılarak iki gözlü bir aile kalıbının yolluk tasarımı optimize edilmiştir.

2.1 Aile Kalıplarında Dolum Dengesinin Sağlanması

Aile kalıpları ile aynı anda bir kompleyi oluşturan tüm parçalar basılabilir. Ancak basılan parçaların eş değer kalitede olmaları için, her bir parçanın aynı anda dolması gerekir. Aksi halde, kalıplanan parçalar arasında farklı problemler görülebilir. Örneğin parçanın biri çapaklı olurken diğerinde düşük basınç nedeniyle yüzey problemleri görülebilir. Bu tür farklı hataların önlenmesi için kalıp içinde dolumun dengeli hale getirilmesi gerekir. Bu çalışmada bir aile kalıbında dolumu dengeli yapabilmek için Autodesk Moldflow analiz programı ile yolluk boyutları ayarlanmaya çalışılmıştır. Şekil 2.4.1’de bir aile kalıbı görülmektedir. Bu kalıp ile 85 gr kutu ile 23 gr kapağı aynı anda basılmak isteniyor. Dolumun dengeli olması gerektiğini daha iyi görmek için, önce her iki parça için de aynı boyuttaki yolluklar tasarlanarak analiz edilmiştir.

Şekil 2.4.2’de, eşit ölçülerdeki yolluk tasarımı ile farklı hacimli parçaların dolumlarının farklı zamanlarda olduğu görülmektedir. Küçük olan parça 0,7’nci saniyede dolmasına rağmen, büyük parçanın yarısı dolmuş durumdadır.

Şekil 2.4.3’de, bu dolum sonrası ütülemeye geçmeden önce kalıp gözlerinde oluşan basınç değerleri görülmektedir.

Dolum dengeli olmadığı için ve ilk dolan küçük parça olduğu için, küçük parçanın basıncının çok daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu basınç fa rkları, çapaklanmaya, parça yüzeylerinde çeşitli izlere ve kalıp gözlerinin aşınma oranlarının farklı olmasına neden olur. Benzer bir şekilde plastik eriyiğin, kalıp boşluğu içinde donma oranlarındaki farkta artar. Şekil 2.4.4’te donma oranlarındaki fark görülmektedir. 

Bu tür aile kalıplarında dolumun dengelenmesi için Autodesk Moldflow gibi akış simülasyon programlarından faydalanılabilir. Autodesk Moldflow ile iki yolla dolum dengesi sağlanabilir. Birincisi, deneme yanılma yolu ile en uygun yolluk ölçüsünün saptanması diğeri de “RunnerBalance” yolluk dengesi analizinin çalıştırılmasıdır. Bu çalışmada yolluk dengesi “RunnerBalance” analizi kullanılarak en uygun yolluk boyutunun belirlenmiştir.

Moldflow ile analize hazırlanmış modelin “runnerbalance” analizini yapmak için şekil 2.4.5’de görüldüğü gibi “Select Analysis Sequence” kısmından “RunnerBalance” seçilir. Sonrasında proses ayarları ve enjeksiyon için hedef basınç değeri plastik parçaya uygun olarak belirlenir. Analiz çalıştırılıp tamamlandığında, Şekil 2.4.6’daki gibi analiz başında eşit olarak tasarlanmış yollukların hangi oranlarda değiştirilmesi gerektiği görülür. Autodesk Moldflow bu oranlarda değiştirilmiş ve bir dolum analizi çalıştırılmış yeni bir çalışmayı otomatik olarak oluşturur. Yani RunnerBalance analizi tamamlandığında aslında iki adet sonuç çıkmış olur. İlki, yolluklarda yapılması gereken değişikliğin oranlarını verir diğeri ise bu oranlarla otomatik olarak yeni bir çalışma oluşturur ve oluşturduğu yeni çalışmada dolum analizi yapar ve sonuçlarını gösterir.

Otomatik olarak oluşturulan çalışmada, otomatik olarak koşturulmuş dolum analizi sonuçları incelendiğinde, Şekil 2.4.8’deki gibi basınç değerlerinin, dengelenmiş olduğu görülür.

Basınç dengelendiği için kalıp gözleri arasında aşınma farkı oluşmaz. Aynı şekilde basınç dengeli olduğu için, çapak sorunu oluşmaz. Plastik eriyik, kalıp gözlerine eş zamanlı dolduğu için donan plastik eriyik farkı oldukça azdır.

Özetle eğer enjeksiyon kalıbı içindeki gözler eş zamanlı dolmazlarsa, göz içi basınçlar, gözlerdeki aşınma oranları ve plastik eriyiğin göz içindeki donma oranları aynı kalıp içindeki her parça için farklı olur. Bu durumda da aynı kalıp ile üretilen parçaların kaliteleri arasında farklılık görülür.

Sonuç

Plastik enjeksiyon prosesi ve tek kalıpta çok sayıda plastik parça üretiliyorsa, kalıp içi gözlerin eş zamanlı doldurulmaları, kalıptan çıkacak parçaların kalitelerinin eş değer olmaları açısından çok önemlidir. Kalıp içindeki akışın dengelenmesi, kalıp tasarım aşamasında herhangi bir analiz yapmadan gidermek neredeyse mümkün değildir. Dolumu dengeli hale getirebilmek için akış analizlerinin kullanılması şarttır.

Kaynaklar

1. Factsheet Plastics Product for Vehicles in the European Union www.cbi.eu

2. PAGEV Türkiye Otomotiv Plastikleri Sektör Raporu 2016, 

https://www.pagev.org/up-load/files/Hammadde%20Yeni%20Tebli%C4%9F%2 0Bilg.%203/T%C3%BCrkiye%20Otomotiv%20Plastikleri%20Sekt%C3%B6r%20Raporu%202016.pdf

3. Ataşimşek Sadi (2002); Plastik ve Metal Kalıpçılık Teknikleri: Birsen, İstanbul.

4. G. Menges, W.Michaeli, P. Mohren (2001); How To Make Injection Molds: Hanser, Munich

5. John P. Beaumont (2007); Runner and Gating Design Handbook: Hanser,Munich.

6.http://www.beaumontinc.com/wpcontent/uploads/2015/03/balancedarticle_spring2014_highrest.pdf

Yazar Özgeçmişleri:

S. Vargelci: 30 Nisan 1980 Bandırma doğumludur. Orta Öğrenimini Bursa’da tamamlamış ve sonrasında Balıkesir Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi’nden Makine Mühendisi olarak 2002 yılında mezun olmuştur. 2007 yılından itibaren Tofaş ARGE’de Plastik Trim Tasarım ve Moldflow uzmanı olarak görev yapmaktadır. S. Vargelci evli ve iki çocuk babasıdır.

F.Akren: 18 Mart 1979 Ankara doğumludur. Orta öğrenimini Ankara’da tamamlamış ve Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Resim ve Konstrüksiyonu Öğretmenliği bölümünden 2001 yılında mezun olmuştur. 2012 yılından itibaren Tofaş ARGE’de Plastik Trim Tasarım Uzmanı olarak görev yapmaktadır. F. Akren evli ve bir çocuk babasıdır. 

H.C.Bayram: 1 Ocak 1990 Bursa doğumludur. Bursa Fen Lisesi’ndeki ortaöğretiminin ardından Boğaziçi Üniversitesi Makina Mühendisliğinden 2014 yılında mezun olmuştur. 2015 yılından itibaren Tofaş ARGE Merkezi’nde Plastik Trim Tasarım Uzmanı olarak görev yapmakta ve Bursa Teknik Üniversitesi’nde yüksek lisansına devam etmektedir.