Enjeksiyonda kalıplanmış PP ve PP kompozitin birleşme izi özelliklerinin incelenmesi
- JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
- JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY
Özet
Yapılan deneysel çalışmada katkılı ve katkısız PP malzemelerin enjeksiyon işleminde oluşan birleşme izlerinin mekanik davranışlara etkileri incelenmiştir. Deneylerde PP ve PP+%30 cam elyaf (CE) malzemeler kullanılmıştır. Çalışmada aynı enjeksiyon kalıbı ile tek girişli-birleşme izsiz daha sonra simetrik çift giriş açılarak birleşme izli çekme ve eğme numuneleri basılmıştır. Malzemeler üç farklı proses sıcaklığında basılmıştır. Kalıpta soğutma işlemi homojen olarak tasarlanmış ve Moldflow programıyla akış analizi yapılmıştır. Birleşme izli ve izsiz numuneler çekme ve eğme deneylerine tabi tutulmuşlardır.
Çalışma sonucunda birleşme izsiz numunelere oranla birleşme izli numunelerde çekme ve eğme mukavemetlerinde sırasıyla PP ve PP %30 CE için %11.04 ve 52.81 azalma, eğme dayanımında ise sırasıyla %23.88 ve 41.14 azalma görülmüştür. Proses sıcaklığının birleşme izinde önemli bir faktör olduğu, düşük sıcaklığın tercih edilmemesinin uygun olacağı görülmektedir. Ayrıca katkılı PP %30 CE malzemelerin birleşme izi mukavemetlerini katkısız olana göre ciddi oranda arttırdığı tespit edilmiştir. Artış çekme mukavemetinde %40.65, eğilme mukavemetinde %102.65 olarak belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: PP, PP Cam Elyaf, Birleşme İzi, Akış Analizi, Mekanik Özellikler
1. Giriş
Plastik enjeksiyon yöntemiyle üretilen parçalarda standart sınırlar içerisinde herhangi bir darbe yada kuvvete maruz kalmaları durumunda maksimum dayanıklılık aranmaktadır. Bu dayanıklılığın gerçekleşmesi proses şartlarının uygunluğuna ve aynı zamanda kalıp tasarımının doğru yapılmasına bağlıdır [1]. Parça kalitesine etki eden en önemli unsurlardan bir tanesi de plastik malzemenin kalıp içersinde birleşme izleri oluşturmasıdır. İki veya daha fazla akış hattının birleştiği ve kaynaştığı yerlerde oluşan çizgilere birleşme izleri denir. Kalıpta birden fazla giriş, delik çıkaran pimler ya da maçalar, insertler, bozlar vb. erkek parçalar var ise birleşme izi meydana gelmektedir (Şekil1). Önlem alınmaz ve etkilerinin azaltılmasına çalışılmazsa birleşme izleri büyük sorunlar çıkarabilmektedir [2,3]. Birleşme izi görüntünün önemli olduğu bir üründe göze en çarpan yerde derin ve uzun bir çizgi halinde belirebilir, ya da daha kötüsü en ufak bir yükte çatlayabilen çok zayıf bir kesit oluşturabilir. Kullanım esnasında plastik parçanın tamamı veya belli bölgeleri farklı mekanik etkilere maruz kalmaktadır. Şayet bu mekanik etkiler birleşme izlerinin bulunduğu noktalarda oluşursa parçanın hızlı deforme olmasına ve ömrünün azalmasına neden olmaktadır [3].
Seow ve ark. plastik enjeksiyon kalıplarında akışın optimizasyonu üzerinde çalışmışlardır. Bu çalışma cidar kalınlığını otomatik olarak ayarlayarak kalıp boşluğunun dengeli dolmasını amaçlayan bir yöntemdir. Bu yöntem, Moldflow© ticari yazılımını fortran arabirim kodu kullanarak bilgisayar üzerinde uygulanmaktadır. Bu yöntem kullanarak, birkaç temel geometrik model için kalınlık dağılımının optimizasyonu ile iyi sonuçlar elde edilmişlerdir [4].
INCOE firması yapmış olduğu çalışmalarda iki girişle doldurulan malzemenin birleşme yerinde katlanmalar ve görüntü bozuklukları olduğunu ifade etmekte ve bunu valfli meme sistemiyle giderme yöntemini tavsiye etmektedir [5].
Ersoy ve ark., polipropilen (PP), poliamid-6 (PA6) ve talktan oluşan bir üçlü karışıma sahip kompozitin birleşme izi özellikleri ve morfolojisini incelemişlerdir. Çekmeye maruz kalan numunelerin birleşme izi dayanımı açısından dolgu düzeylerinin uygunluğunu ve etkilerini araştırmışlardır. Talk dolgusu, PP ve PA malzemelerde birleşme izi dayanımlarında düşüş eğilimine rağmen PPPA kompozit malzemelerdeki birleşme izlerinin dayanımı üzerinde olumlu bir etkisi olduğunu görmüşlerdir [6].
Solymossy ve ark. enjeksiyonda kalıplanmış PP kompozitin birleşme izi özelliklerini incelemişlerdir. Bu makalede farklı fiber oranlarının birleşme izli ve izsiz numunelerin mekanik özelliklerine etkisini üç farklı proses sıcaklığı ve tutma basıncında incelemişlerdir. Çekme dayanımlarının darbeye nispeten fiber oranıyla arttığını belirtmişlerdir. Birleşme izsiz numunelere göre izli numunelerin darbe ve çekme dayanımlarını düşürdüğünü bunun da fiber oryantasyonundan kaynaklandığını ifade etmektedirler. Lif uzunluğunun mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkisinin olduğunu, darbe dayanımının ve çekme dayanımının artan lif içeriği ile arttığını tespit etmişlerdir [7].
Mikro-enjeksiyon, mikro-mekanik polimer bileşenlerinin seri üretimini sağlayan bir süreçtir. Tosello makalesinin sonuç raporunda birleşme hatlarının derinliğini etkileyen ana etmenlerin, kalıp sıcaklığı ve enjeksiyon hızı olduğunu belirtmiştir. Onlar bu parametrelerin birleşme izlerinin derinliğini %50 ye kadar azaltabildiğini iddia etmektedirler. Ancak birleşme izi genişliğinin, özellikle kalıp sıcaklığından etkilendiğini, daha yüksek kalıp sıcaklıklarında %50 ya kadar birleşme izi genişliğinin azaltıldığını tespit etmişlerdir [3].
2. Çalışmanın Önemi
Yapılan bu çalışmada iki farklı termoplastik malzeme kullanılmıştır. PP ve PP %30 CE malzemeler üç farklı proses sıcaklığında çekme ve eğme numuneleri üretildi. Birleşme izi oluşumunu sağlamak için aynı kalıpta giriş yerleri değiştirilerek aynı proses sıcaklıklarında ve basınçta yeni numuneler basılmıştır. Çalışmada kalıp sıcaklıkları, enjeksiyon basınçları ve enjeksiyon süreleri sabit tutulmuştur. Birleşme izi olmayan tek girişli ve birleşme izli (çift girişli) numunelerin çekme ve eğme dayanımları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Akış analizi için Moldflow yazılımından yararlanılarak birleşme izi konumu ve soğutma kanallarının yerleri belirlenmiştir.
Endüstride enjeksiyon işlemlerinde daha çok karşılaşılan problemlerden birisi de birleşme izidir. Birleşme izi sorununun çözümlerinden bir tanesi de proses sıcaklığıdır. Bu çalışmada proses sıcaklığının etkisi üzerine durulmuştur.
3. Deneysel Çalışma
3.1. Materyal
Deneylerde kullanılan polimer malzemelerin bazı teknik özellikleri Tablo1’de verilmektedir. Tabloda verilen proses sıcaklıkları üretici firmanın tavsiye ettiği alt ve üst limitlerdir. Deneylerde kullanılan donanım bilgileri ve genel özellikler Tablo 2’de gösterilmiştir.
3.2. Metot
Polimer akışkanın kalıp boşluğunu homojen olarak aynı zaman diliminde doldurabilmesini sağlamak için yolluk dağıtıcılarının, giriş çaplarının ve uzunluklarının aynı ölçü toleranslarında olmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca soğutma kanallarının tasarımı da parçayı homojen bir soğutma sağlayabilecek şekilde Moldflow analiz programından yararlanılarak tasarlanmıştır (Şekil 2). Numunelerin çift girişli olması durumunda meydana gelen birleşme izi ve sıcaklık dağılımı Şekil 3’de gösterilmektedir. Bu analizler ışığında enjeksiyon kalıbı, iki plakalı ve su soğutmalı olarak imal edilmiştir (Şekil 4).
Termoplastik numuneler tavsiye edilen proses sıcaklıklarını aşmadan Tablo 3’de verilen deney şartlarında basılmıştır. Bütün malzemelerde kalıp sıcaklıkları ve enjeksiyon basınçları sabit tutulmuştur. Kalıpta numuneler iki aşamada basılmıştır. İlk aşamada numuneler önce tek girişli olarak her malzeme için üç farklı sıcaklıkta basılmıştır. İkinci aşamada, kalıpta simetrik olarak belirlenmiş diğer girişler CNC freze ile açılmış ve böylece her bir numuneye çift taraflı eşit ölçülü giriş sağlanarak birleşme izlerinin akış esnasında numunenin tam ortasında oluşması temin edilmiştir. Çalışmada kullanılan enjeksiyon kalıbı ve basılan numune örnekleri Şekil 4’de gösterilmektedir.
Elde edilen numuneler çekme ve eğme dayanımı testlerine tabi tutulmuştur. Birleşme izli ve izsiz numuneler proses sıcaklığına göre karşılaştırılmış ve birleşme mukavemetine etkileri incelenmiştir. Birleşme izinin kaçınılamadığı tasarımlarda katkılı malzeme kullanılmasının mekanik değerlere ne oranda etki edebileceği ortaya konmaya çalışılmıştır.
4. Bulgular ve Tartışmalar
Deney sonuçları incelendiğinde birleşme izli numunelerin çekme mukavemetleri birleşme izsiz (tek girişli) numunelerden daha düşük değerdedirler. Numunelerin ortalama proses sıcaklık değerleri dikkate alındığında PP ve PP cam elyaf takviyeli malzemeler için sırasıyla çekme mukavemet değerlerinde %11.04 ve %52.81 oranında azalma görülmektedir (Şekil 5-6 ve Tablo 4). PP cam elyaf takviyeli malzeme için 240oC malzeme bozunma sıcaklığına yakın değerler olduğu için çekme mukavemet değerlerinde bir miktar düşme olduğu düşünülmektedir.
Birleşme izsiz PP (katkısız) malzeme için 220oC yüksek proses sıcaklığı iken, birleşme izli parça için birleşme bölgesindeki sıcaklık değerleri daha düşük olmaktadır bu nedenle çekme mukavemeti daha iyi değer verdiği düşünülmektedir.
Birleşme izli numunelerin yolluk boyutları uzun olması nedeniyle ısı kayıpları fazla olmaktadır. Bu sebeple birleşme noktasına ulaşan polimer eriyik proses sıcaklığının bir miktar altında kaynamaktadır.
Eğme mukavemetleri incelendiğinde birleşme izli numunelerin birleşme izsiz numunelerden daha düşük değerdedirler. Numunelerin ortalama proses sıcaklık değerleri dikkate alındığında, PP ve PP cam elyaf takviyeli malzemeler için sırasıyla eğme mukavemet değerlerinde %23.88 ve %41.14 azalma görülmektedir (Şekil 7-8 ve Tablo 4). PP ve PP %30 GF malzemenin orta sıcaklıkta çekme ve eğilme mukavemetleri Şekil 9’da karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
5. Sonuç ve Öneriler
Yapılan çalışma sonunda, birleşme izsiz basılan numunelerin birleşme izli basılan numunelere oranla çekme ve eğme dayanımlarının yüksek olduğu tespit edilmiştir. Proses sıcaklığının birleşme izinde önemli bir faktör olduğu düşük sıcaklığın tercih edilmemesinin uygun olacağı düşünülmektedir. Sıcaklığın üst sınırı ise bozunma sıcaklığının altında seçilmelidir. Ayrıca katkılı PP %30 CE malzemelerin birleşme izi mukavemetlerini katkısız olana göre ciddi oranda arttırdığı tespit edilmiştir. Artış çekme mukavemetinde %40.65, eğilme mukavemetinde %102.65 olarak belirlenmiştir. Şayet bir plastik enjeksiyon kalıbında ihtiyaç yoksa birden fazla yolluk girişinin tercih edilecek olmasının malzemenin mekanik davranışlarına olumsuz yönde etki ettiği görülmektedir. Birleşme izinin kaçınılmaz olduğu durumlarda katkılı malzeme kullanılması uygun bir tercihtir. Diğer bir yol ise tasarımsal olarak birleşme izlerinin, parçanın mekanik dayanımını pek etki etmeyecek bölgelere kaydırılmasıdır.
Not: Bu çalışma e-Journal of New World Sciences Academy, ISSN:1306-3111, 2011, Vol: 6, Number: 4’de yayınlanmıştır.
Kaynaklar
1. Savascı, Ö.T., Uyanık, N. ve Akovalı, G., (1998). Plastikler ve Plastik Teknolojisi, Cantay kitapevi, Istanbul/Türkiye. (Plastics and Plastic Technology).
2. Burçoglu, M. ve Ünsalan, B., (1989). Plastik işleme Teknikleri ve Kalite Kontrol, TMMOB, Kimya Müh. Odası, pp:65-85,(Plastic Processing Techniques and Quality Control, Chemical Engineer's Union)
3. Tosello, G., Gava, A., Hansen, H.N., Lucchetta, G., and Marinello, F., (2009),Characterization and Analysis of Weld Lines on Micro-Injection Moulded Parts Using Atomic Force Microscopy (AFM), WEAR 266 pp.534–538.
4. Seow, L.W. and Lam, Y.C., (1997). Optimizing Flow in Plastic
Injection Molding”,Journal of Materials Processing Technology72 pp.333–341.
5. Karl, H.V., (2001). Incoe, Kunststoffe catalog, München, August 2001.
6. Ersoy, O.G. and Nugay, N., (2004). A new approach to increase weld line strength of incompatible polymer blend composites: selective filler addition, Polymer 45 pp.1243–1252.
7. Solymossy, B. and Kovács, J.G., (2008), The Examination of Weld Line Properties in Injection Molded PP Composites, Materials Science Forum, Vol. 589 pp. 263-267
8. Petkim, (2010). Petrochemicals Holding Inc. Product catalog, www.petkim.com.tr
9. Deniz, S., (2006). Plastik Enjeksiyon Kalıplarında Birleşme İzlerinin Mekanik Davranışları Üzerine Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi, SAÜ, Fen Bilimleri Enst. Eyl. 2006.
(Investigation of Effects of Weld Lines in the Mechanical Characteristics of Polymer Injektion Molding, Sakarya Uni. Science Ins., Sept. 2006).
Doç.Dr. Ahmet Demirer / Serkan Deniz
Sakarya Uygulamalı Bil. Ünv. Teknoloji Fak. Makina Müh. Böl. Sakarya
ademirer@sakarya.edu.tr
