ERGİMİŞ PLASTİĞİN KALIP BOŞLUĞUNDAKİ GERÇEK AKIŞ DAVRANIŞININ GÖZLENMESİ İÇİN KALIP TASARIMI VE İMALATI

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı 2, TEKNOLOJİ ERGİMİŞ PLASTİĞİN KALIP BOŞLUĞUNDAKİ GERÇEK AKIŞ DAVRANIŞININ GÖZLENMESİ İÇİN KALIP TASARIMI VE İMALATI ABSTRACT Onuralp ULUER Abdülmecit GÜLDAŞ Ahmet ÖZDEMİR Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Kalıpçılık Eğitimi Anabilim Dalı, Ankara, Türkiye In injection molding for producing the good quality plastic parts, the flow behaviour of the molten plastic in mold cavity must be known. Because of this reason, in this study, for determining and viewing the real behaviour of molten plastic in mold cavity an experimental mold was designed and produced. For obtaining the photographs from the camera records, a photo capture program was coded in Delphi 6.0. Key Words: Injection Molding, Melt Flow, Recording The Flow Behaviour. THE DESIGNING AND MANUFACTURIN OF INJECTION MOLD FOR MONITORING THE REAL FLOW BEHAVIOUR OF MOLTEN PLASTIC IN MOLD CAVITY ÖZET Plastik parçaların enjeksiyon yöntemi ile üretilmeleri sırasında, kaliteli bir üretimin sağlanabilmesi için ergimiş plastiğin kalıp boşluğundaki gerçek akış davranışı çok iyi bilinmelidir. Enjeksiyon yönteminde, enjeksiyon parametrelerinin ergimiş plastiğin kalıp boşluğundaki akış biçimine etkisi araştırılmalıdır. Bu nedenle; bu çalışmada, ergimiş plastiğin kalıp boşluğundaki gerçek akış davranışının görüntülenebilmesi için bir kalıp tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneğine yerleştirilen kameradan elde edilen görüntülerinin fotoğraf formatına dönüştürülebilmesi için bir ara yüz Delphi 6.0 kullanılarak geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Enjeksiyonla Kalıplama, Ergiyik Akışı, Akış Davranışının Görüntülenmesi. 1. GİRİŞ Plastik ürünler, ürünün şekline ve plastik malzemenin türüne göre seçilen, ısıtma, şekillendirme ve soğutma aşamalarından meydana gelen kalıplama metotları ile üretilmektedir [1-6]. Termoplastik ürünlerin üretiminde en çok enjeksiyonla kalıplama yöntemi kullanılmaktadır [3, 7-10]. Ürünün tek bir işlemle, istenilen boyutlarda ve geometride, ikinci bir işlem gerektirmeden üretilebilmesini sağlayan enjeksiyon yöntemi, prensip olarak, metallerin basınçlı döküm tekniğine benzemektedir [1-3,7-9]. Toz ya da küçük taneler halindeki plastik hammaddenin ısıtılarak ergitilmesinden sonra, basınç altında, kalıp boşluğuna enjekte edilmesi ve kalıp boşluğunun şeklini alarak katılaşan plastik ürünün kalıptan çıkarılması işlemi, birbirine bağlı ardışık ve karmaşık süreçlerden oluşmaktadır [2,5,12-13]. İdeal olmayan akış özelliği gösteren ergimiş plastikler enjeksiyonla kalıplama yöntemiyle kalıplanırken, ergimiş plastiğin zamana bağlı olarak sıcaklığı, basıncı, hızı, viskozitesi, kayma gerilmesi ve yoğunluğu değişmektedir [2, 14-16]. Bu kadar fazla parametrenin değiştiği bir akışa sahip plastiklerin enjeksiyonla kalıplanmasında ve akış analizinde bir çok problemle karşılaşılmaktadır. Üretilen plastik parçaların ölçü tamlığı, kalitesi, estetik görünümü ve mekanik özellikleri basınç, sıcaklık, hız ve soğutma süresi gibi enjeksiyon parametrelerinin en uygun değerlerinin seçimi ile kontrol altına alınabilmektedir [6,14,15-18]. Ergimiş plastiğin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki akış karakteristiği ürünün mekanik, estetik gibi bir

2 182 Ergimiş Plastiğin Kalıp Boşluğundaki Gerçek Akış Davranışının Gözlenmesi için Kalıp... çok özelliğini doğrudan etkilediğinden enjeksiyon parametrelerinin akışa etkilerinin önceden bilinmesi gerekmektedir. Enjeksiyonla kalıplama sırasında plastiğin akışı, yapılan akış analizi programları ve ticari paket programlarla teorik olarak hesaplanırken, akış davranışının belirlemek için kullanılan temel denklem takımlarının (süreklilik, momentum ve enerji denklemleri) çözümünde kullanılan bir çok parametre, ancak kabuller yapılarak hesaplanmaktadır [2,6,8,14,19-24]. Ergimiş plastik, kalıp boşluğunda ilerlerken aynı zamanda ergiyikten kalıp malzemesine doğru ısı transferi olduğundan ergiyik plastiğin sıcaklığı zamana bağlı olarak değişmektedir [2,6,10-14,20-24]. Sıcaklık değişimi ile viskozite, yoğunluk, basınç, hız vb. parametrelerin de birbirlerine bağlı olarak değişmesi denklemlerin çözümünü zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, çözümü oldukça zor olan plastik akışının analizinde yoğunluk, özgül ısınma ısısı, ergimiş plastiğin ısı iletim katsayısı ve viskozitesi gibi denklem takımlarında sıcaklık, hız ve basıncın fonksiyonu olan bu parametreler bazen tamamen sabit kabul edilmekte veya ihmal edilmektedir [6,14,19,24]. Bu nedenle gerçek akış ile simülasyon veya teorik olarak yapılan analizlerle elde edilen bilgiler arasında yapılan kabuller kadar hata payı olmaktadır. Teorik çalışmalarla kalıbın tasarım aşamasında değişik enjeksiyon şartlarına göre analiz yapılıp, imalat öncesi kalıp yapımı için gerekli kalıp ve unsurlarının boyutları ve konumları tespit edilebilmektedir. Fakat, teorik olarak yapılan analizlerde denklem takımlarının çözülebilmesi için bir çok kabuller yapılmaktadır. Bu nedenle, gerçek akış ve gerçek dolum analizi her zaman belirlenememektedir. Ergimiş plastiğin kalıp içerisindeki akışı, dolum şekli, kaynak hattı oluşumu, akış izleri ve akış dalgası oluşumu gibi ürünün mekanik ve estetik özelliklerini etkileyen parametreler deney düzeneğine yerleştirilen bir kamera vasıtası ile gözlemlenebilmiştir [25,26]. Bu çalışmada, ergiyik plastiğin kalıp boşluğundaki akışının nasıl gerçekleştiği ve enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızı gibi enjeksiyon parametrelerinin akış davranışı üzerindeki etkilerinin incelenebilmesi için, kalıp boşluğu içerisindeki gerçek akışın görüntülenebilmesini sağlayan bir deney seti tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Deney setinde, Yüksek Yoğunluklu Polietilen (YYPE) ve Polipropilen (PP) malzemeleri ile farklı enjeksiyon parametreleri altında iki grup deney yapılmıştır. 2. DENEY DÜZENEĞİNİN KURULMASI 2.1. Parça Geometrisi Enjeksiyon tezgahı konrol ünitesinde bulunan, enjeksiyon hızı ve enjeksiyon basıncı ayar parametreleri değerlerinin ergiyik plastiğin akış davranışına etkilerinin tespit edilebilmesi için Şekil 1 de görülen ve boyutları verilen parça geometrisi seçilmiştir. Bu parça geometrisinde plastik parça, tek girişli olup akış iki kez yön değiştirmektedir. Şekil 1. Parça Geometrisi Ve Boyutları.

3 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı Kalıp Tasarımı ve Üretimi Şekil 1 de görülen plastik parçanın enjeksiyon yöntemi ile üretilebilmesi için, Şekil 2 de görülen plastik enjeksiyon kalıbı tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Kalıp alt ve üst plakaları ve destekler Ç1050 malzemesinden imal edilmiştir. Dişi kalıp, 4 mm kalınlığında ve 240x240 mm ölçülerinde, Ç1020 malzemeden imal edilmiş olup kalıp boşluğunu oluşturan profil, tel erozyon tezgahında işlenmiştir. Kalıp alt plakasının kalıp boşluğuna temas eden yüzeyi 195 mm çapında ve 11,5 mm derinliğinde dairesel bir cep olarak işlenmiş ve boşluğa, 10 mm kalınlığında ve 195 mm çapında işlenmiş olan temperlenmiş cam plaka yerleştirilmiştir. Şekil 2. İmal Edilen Plastik Enjeksiyon Kalıbı. Cam plakanın enjeksiyon basıncı ve mengene kapanma kuvveti ile iki metal plaka arasında sıkışarak kırılmasını önlemek amacıyla, cam plaka ile kalıp alt plakası arasına 2 mm kalınlığında 0,5 mm esneme payı olan conta yerleştirilmiştir. Kalıp boşluğu içerisindeki akış davranışının görüntülenebilmesi için, Şekil 3 te şematik olarak görülen deney düzeneği kurulmuştur. Akış davranışının görüntülenebilmesi için deney düzeneğinde cam plakanın yer aldığı tarafa 45 o açıyla bir adet düzlem ayna yerleştirilmiştir. Hareketli blok Sabit blok Silindir Şekil 3. Deney Düzeneğinin Şematik Görünüşü.

4 184 Ergimiş Plastiğin Kalıp Boşluğundaki Gerçek Akış Davranışının Gözlenmesi için Kalıp Deney Şartları ve Akış Davranışının Görüntülenmesi PP (NOBLEN BY011F) ve YYPE (ELTEX A4020) plastik malzemelerinin enjeksiyonla kalıplama sırasında sergiledikleri akış davranışının elde edilmesi için, Hyundai SPE 150 markalı 260 g plastik enjeksiyon kapasiteli plastik enjeksiyon tezgahı ve akış davranışlarının görüntülenmesi için bir saniyede 25 kare görüntü alabilme kapasitesine sahip, Canon V 400 markalı 8 mm video kamera kullanılmıştır. Akış davranışları için aşağıda Çizelge 1 ve Çizelge 2 de verilen enjeksiyon parametreleri kullanılmıştır. Çizelge 1. YYPE Malzemesi İle Yapılan Deneylerde Kullanılan Enjeksiyon Basıncı Ve Enjeksiyon Hızı Değerleri I. GRUP BASINÇ, kg/cm 2 DENEYLER ENJ. HIZI, cm 3 /s II. GRUP ENJEKSİYON HIZI, cm 3 /s (Hacimsel debi) DENEYLER BASINÇ kg/cm Çizelge 2. Polipropilen Malzemesi İle Yapılan Deneylerde Kullanılan Enjeksiyon Basıncı Ve Enjeksiyon Hızı Değerleri I. GRUP BASINÇ, kg/cm 2 DENEYLER ENJ. HIZI, cm 3 /s II. GRUP ENJEKSİYON HIZI, cm 3 /s (Hacimsel debi) DENEYLER BASINÇ kg/cm Çizelge 1 de verilen YYPE malzemesi için Şekil 3 de görülen enjeksiyon tezgahının ocak rezistansları ve nozul sıcaklıkları, H1: 220 C,H2: 220 C, H3: 209 C, H4: 199 C, Çizelge 2 de verilen PP malzemesi için NH: 213 C, H1:205 C, H2: 210 C, H3: 210 C, H4: 200 C, NH: 208 C olarak ayarlanmıştır. Çizelge 1 ve Çizelge 2 den de anlaşılacağı gibi, deneyler iki farklı malzeme için, önce basınç sabit tutularak enjeksiyon hızları değiştirilmiştir. Her basınç için altı enjeksiyon hızı kullanılmıştır. Sonra enjeksiyon hızı sabit tutularak enjeksiyon basınçları değiştirilmiştir. Her enjeksiyon hız değeri için altı farklı enjeksiyon basıncı kullanılmıştır. Böylelikle basınç ve enjeksiyon hızı parametrelerinin ergimiş plastiğin akış karakteristiğini nasıl etkilediği incelenmiştir Video Görüntülerinin Fotoğraf Formatına Dönüştürülmesi Video kamera ile çekilen görüntülerin değerlendirilebilmesi için hareketli video görüntü kaydını fotoğraf formatına dönüştürebilmek için Delphi 6.0 ile bir yazılım gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 de görüldüğü gibi, geliştirilen yazılım ile.mpeg veya.avi uzantılı hareketli görüntüler, kullanılan video kameranın saniyedeki kare yakalama sayısı kadar,.pdf ve.jpeg olmak üzere iki ayrı formatta fotoğraf görüntüsüne dönüştürülebilmektedir.

5 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı Şekil 4. Fotoğraf Yakalama Programının Kullanıcı Ara Yüzünün Görüntüsü. EK-1 de, YYPE ELTEX A4020 malzemesinin kalıp boşluğundaki akış davranışı görülmektedir. 215 o C sıcaklığındaki ergiyik YYPE ELTEX A4020, 34 o C sıcaklıktaki kalıp boşluğunu 40 MPa enjeksiyon basıncı ve 40 cm 3 /s enjeksiyon hızı şartlarında toplam 1,44 saniyede doldurmuştur. Geliştirilen yazılım ile 1,44 saniyelik akış davranışından 36 karelik görüntü elde edilmiştir. Her bir kare görüntü, kalıp boşluğu içerisindeki 0,04 saniyelik zaman dilimi sonundaki durumu göstermektedir. Enjeksiyon yöntemi ile plastik parça üretiminde ürün kalitesi ve maliyeti her ne kadar ticari yazılımlar kullanılarak belirlenebilmekte ise de, bu yazılımların pahalı olması kullanıcı sayısının az olmasına sebebiyet vermektedir. Bu nedenle kalıp tasarımları tecrübeye dayalı olarak deneme yanılma yolu ile yapılmaktadır. Hatta enjeksiyon yöntemi ile parça imalatındaki ilk enjeksiyon parametreleri de, deneme yanılma yolu ile ayarlanmakta ve çok miktarda malzeme ve zaman kaybına yol açmaktadır. Yapılan çalışmada, ergimiş plastiğin akış karakteristiği görüntülenebildiği için kalıp tasarım ve imalatçıları ile enjeksiyon parametrelerinin ayarını yapanlara gerçek bir fikir vermektedir. Literatürden, ergimiş plastiğin akış analizinin deneysel olarak kısa basış (short-shot) tekniği ile de yapıldığı bilinmektedir. Ancak, kısa basış tekniği ile anlık akış burnu değişimlerinin elde edilmesi mümkün olmamaktadır. Yapılan çalışmada EK-1 den de görüleceği gibi 0,04 saniyelik değişimler tespit edilebilmektedir. 3. SONUÇ Enjeksiyonla kalıplama yöntemi ile üretilen plastik parçaların mekanik mukavemet estetiklik vb. gibi özelliklerini belirleyen en önemli etken enjeksiyon parametreleridir. Genellikle uygulamada deneme yanılma yolu ile tespit edilen basınç, sıcaklık ve hız gibi enjeksiyon parametreleri, üretilen plastik parçanın özelliklerini ve maliyetini belirleyen en önemli faktörlerdir. Yapılan bu çalışmada, ergimiş plastiğin kalıp boşluğu içerisindeki akış davranışının enjeksiyon parametrelerine göre değişimini deneysel olarak gözlemlemek için, bir deney düzeneği tasarlanmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmaya göre; 1. Plastik enjeksiyon kalıbında ergimiş plastiğin kalıp boşluğundaki akışının deneysel olarak gözlemlenebilmesi için bir kalıp seti tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. 2. Ergimiş plastiğin kalıp boşluğuna akışını görüntülenmesi için, kalıp boşluğunun bir tarafına cam plaka yerleştirilmiştir. Deney setine 45 derece açı ile yerleştirilen ayna vasıtasıyla kalıp boşluğundaki ergiyik plastiğin akışı ve kalıp boşluğunu doldurma tipi görüntülenmiştir. 3. Tasarımı ve imalatı gerçekleştirilen kalıp seti ile, ergimiş plastiğin değişik enjeksiyon parametrelerine göre kalıp boşluğundaki akış davranışı ve dolum süresi tespit edilebilmiştir. 4. Yapılan bu çalışmada, farklı enjeksiyon basınçları ve farklı enjeksiyon hızları şartlarında, endüstride yaygın olarak kullanılan Yüksek Yoğunluklu Polietilen ve Polipropilen malzemeler kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. 5. Kamera vasıtası ile görüntülenen akış görüntüleri.mpeg formatında kaydedilmiş ve Delphi 6.0 dili ile hazırlanan fotoğraf yakalama programı ile.jpg formatında fotoğraflara dönüştürülmüştür. 1 saniyelik video görüntüsünden 25 kare fotoğraf elde edilerek kalıp boşluğunun zamana bağlı olarak gerçek davranış biçimi ve ergimiş plastiğin kalıp boşluğunu doldurma süreleri elde edilmiştir.

6 186 Ergimiş Plastiğin Kalıp Boşluğundaki Gerçek Akış Davranışının Gözlenmesi için Kalıp Video görüntülerinden elde edilen fotoğraflar incelenerek, ergimiş plastiğin değişik enjeksiyon şartlarında nasıl bir akış davranışına sahip olduğu, ergiyik akış burnunun adım adım kalıp boşluğunu nasıl doldurduğu incelenmiştir. 7. Kalıp setinde, ürünün mekanik ve estetik özelliklerinde belirleyici unsur olan kaynak hattı oluşumu ve tipi, hava boşluğu oluşumu ve yerleri tespit edilebilmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışmanın yapılmasında, proje kapsamında maddi desteğinden dolayı Devlet Planlama Teşkilatı na (Proje no: 2002K120250) ve Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Merkezi ne (Proje no: 07/01-22) teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. Crawford, R.J.,1990, Plastics Engineering, 2 nd Edition, Pergamon Press 2. Rosato, D. V., Rosato, D. V., 1999, Injection Molding Handbook, 2 nd Edition, Kluwer Academic Publishers, London. 3. Buckleitner, E. V., 1995, Plastics Mold Engineering Handbook, 5 th Edition, Chapman & Hall, An International Thomson Publishing Company, USA. 4. Pye, R. G. W., 1998, Injection Mold Design, 4 th Edition, Longman Scientific & Technical, John Wily & Sons Inc., New York. 5. Menges, G., Mohren, P., 1983, How To Make Injection Molding, Hanser Publication, New York. 6. Uluer, O., 2002, Plastik Enjeksiyonla Kalıplamada Polimer Ergiyiğin Kalıp Boşluğuna Akışında Akış Burnu Oluşumunun Deneysel İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 7. Herbert, R., 1995, Mold Engineering, Hanser Publication, Münich Vienna New York. 8. Osswald, A. T., 1998, Polymer Processing Fundamentals, Hanser/Gardner Publications, Inc., Cincinnati. 9. Michaeli, G., Kaufmann, V., 1995, Training in Plastic Technology, Hanser/ Gardner Publications, Inc., Cincinnati. 10. Mark, F., Bikales, M., Overberger, G., Menges, G., 1989, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Wiley Interscience, New York. 11. Cappelletti, R. M., 1995, International Plastics Handbook, 3 rd Edition, Hanser/ Gardner Publications, Inc., Cincinnati. 12. Akyüz, Ö. F., 1999, Plastikler Ve Plastik Enjeksiyon Teknolojisine Giriş, PAGEV Yayınları, İstanbul. 13. Turaçlı, H., 2000, Enjeksiyon Kalıpları İmalatı, PAGEV Yayınları, İstanbul. 14. Kennedy, P., 1995, Flow Analysis of Injection Molding, Hanser/Gardner Publications, Inc. Cincinati, USA. 15. Subbiah, S., Trafford, D. L., Güçeri, S. I., 1989, Non- Isothermal Flow Of Polymers Into Two - Dimensional, Thin Cavity Molds: A Numerical Grid Generation Approach, International Journal Heat Mass Transfer, Vol. 32, No:3, Pp , Published By Elsevier Science Inc., Great Britain. 16. Bickerton, S., Advani, S. G., 1997, Experimental Investigation and Flow Visulation of The Resin- Transfer Mold-Filling Process In a Non-Planar Geometry, Composites Science And Technology, Vol. 57, Pp 23-33, Published By Elsevier Science Lim., North Ireland. 17. Sheth, H., Nunn, R.E., 1997, Temperature Based Adaptive Holding Control Using Injeciton Molding Machine Generated PVT Data, ANTEC 97, Conference Proceedings, Society of Plastics Engineers, Volume 1, Pp Seow, L. W., Lam, Y. C., 1997, Optimising Flow In Plastic Injection Molding, Journal Of Materials Processing Technology, No 72, Pp , Published By Elsevier Science Inc., New York. 19. Moldflow yardımı dosyaları, Smith, D. E., Tortorelli, D. A., Tucker III, C. L., 1998, Analysis And Sensivity Analysis For Polymer Injection And Compression Molding, Computer Methods Applied Mechanics Engineering, No: 167, Pp , Published By Elsevier Science Inc., New York. 21. Hill, D., 1996, Further Studies Of The Injection Moulding Process, Applied Mathematics Modelling, Vol. 20, Published By Elsevier Science Inc., New York. 22. Shen, Y. K., 1998, Study On Moving Boundary Problems Of Injection Molding, International Communicate Heat Mass Transfer, Vol. 25, Pp , Published By Elsevier Science Ltd.,

7 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı USA. 23. Lee, S. C., Yang, D. Y., Ko, J., Youn, J. R., 1997, Effect Of Compressibility On Flow Field and Fiber Orientation During The Filling Stage Of Injection Molding, Journal Of Materials Processing Technology, No: 70, Pp 83-92, Published By Elsevier Science Inc. 24. Lee, H. S., 1999, In-Plane Deformation Analysis Of Plastics Parts In The Injection Molding Process, Journal Of Injection Molding Technology, Vol. 3, No 1, Pp Tredoux, L., Satoh, I., 1999, Investigation of Walve-Like Flow Marks In Injection Molding Flow Visulation And Micro-Geometry, Polymer Engineering And Science, November, Vol. 39, No:11, Pp Yokoi, H., Masuda, N., Mitsuhata, H., 2002, Visualization Analysis Of Flow Front Behavior During Filling Processor Injection Mold Cavity by Two-axis Tracking System, Journal of Materials Processing Technology, No , Pp

8 188 Ergimiş Plastiğin Kalıp Boşluğundaki Gerçek Akış Davranışının Gözlenmesi için Kalıp... EK-I

9 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı Şekil 5. YYPE malzemesinin P enj = 40 Mpa, V enj = 40 cm 3 /s, T enj = 215 o C, T kalıp = 34 o C şartlarında enjeksiyonla kalıplama sırasında kalıp boşluğundaki akış davranışının fotoğraf formatına dönüştürülmüş şekli (Devam).