CAM ELYAF TAKVĠYELĠ POLĠPROPĠLEN KOMPOZĠT MALZEMELERĠN ÜRETĠM VE BĠLGĠSAYAR ORTAMINDA KALIPLAMA VE TAKVĠYE MALZEMESĠNE BAĞLI PARAMETRELERĠNĠN KARġILAġTIRILMASI ArĢ. Gör. Ümit HÜNER 1, Yrd. Doç.Dr. E. Selçuk ERDOĞAN 2 1 Trakya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Edirne, E-posta: umithuner@trakya.edu.tr 2 Trakya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Edirne, E-posta: eselcuk@trakya.edu.tr ABSTRACT Plastik ve plastik esaslı kompozit malzeme üretimi endüstriyel gelişim içinde önemli yer tutmaktadır. Üretim öncesi hazırlık ve denemelerin üretim için önemi bilinmekte olup uygulamanın doğru yapılması malzeme özellikleri kadar işlem sırasında harcanan enerji ve zaman gibi parametreleri de etkilemektedir. Mühendislik uygulamalarında son yıllarda gelişen modelleme ve analiz yazılımlarının kullanımı artmakta olduğu görülmektedir. Bu bağlamda gerçek üretime geçmeden önce yapılacak olan doğru tasarım ve analiz uygulamaları ile optimum parametrelerin tespit edilebilmesi için yeterli öngörü sahibi olunabilmektedir. Bu çalışmada %40 kısa cam elyaf takviyeli PP malzemenin akış analiz programı yardımıyla yapılan enjeksiyon yöntemi analizindeki sonuçlar ile gerçek üretim yöntemi arasındaki benzerlik ve farklılıklar karşılaştırılmıştır. Enjeksiyon yöntemiyle gerçekleştirilen üretimde oluşabilecek hatalara veya eksikliklere öngörü sağlayacak parametreler incelenmiştir. Tüp basınçlı plastik enjeksiyon yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen gerçek üretimden elde edilen numuneler için kalıp dolma süresi, elyaf dağılımı, sıcaklık dağılımı, numunede oluşan kalıplama kusurları gibi kalıp ve takviye malzemesine bağlı parametreler incelenmiştir. Numuneler için bir CAD programı yardımıyla tasarım yapıldığında ve bir akış programında plastik enjeksiyon kalıplama yöntemi kullanılarak üretim yapılırsa ne tür parametrelere dikkat edilmesi gerektiği konusunda bir ön bilgi elde edilmeye çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Plastik, kompozit, plastik enjeksiyon, modelleme, kalıp 1. GĠRĠġ Plastik ve plastik esaslı kompozit malzeme üretiminde enjeksiyon yöntemi önemli yer tutmaktadır. Bu ve benzeri bütün üretim yöntemlerinde göz önüne alınması gereken birçok parametre ortaya çıkmaktadır. Enjeksiyon yöntemi dikkate alındığında dikkat edilecek parametreleri kısaca şu şekilde sınıflandırabiliriz; 1- Elde edilmek istenen parçanın uygun şekilde tasarlanması, 2- Parçaya uygun kalıbın tasarlanması, 3- Üretim yönteminin parametrelerinin doğru belirlenmesi. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. Elde edilmek istenen parçanın uygun Ģekilde tasarlanması: Elde edilmek istenen ürün belirli bir standarta sahip olsa bile üretim sırasında şeklinden dolayı bazı zorluklarla karşılaşılabilir. Bu zorlukları tasarım sırasında şekil olarak veya boyutsal olarak sağlayacağımız küçük töleranslı değişiklikler ile aşabiliriz. Esas şekile bağlı kalarak yapılacak bazı ilave parça tasarımları enjeksiyon üretimini kolaylaştıracak avantajlar sağlayabilir. İşlemden sonra istenmeyen fazlalıklar ikinci bir
işlemle ana parçadan ayrılabilir. Bu tür işlemler karmaşık şekilli, üretimi zor parçalarda üretim kolaylığını sağlamaktadır. 2.2. Parçaya uygun kalıbın tasarlanması: Parçanın tasarımı tamamlandıktan sonra üretimde önemli bir yere sahip olan kalıbın tasarımı dikkate alınmalıdır. Kalıp, plastik parça üretimi için gerekli töleranslara sahip olmalıdır. Plastiğin kalıpta soğuduktan sonra çekme yapabileceği, üretilen parçanın kalıptan kolaylıkla ayrılabilmesi için yeterli kalıp açısının olması, yüzey pürüzlülüğünün iyi olması, yolluk tasarımının doğru olması gibi parametreler göz önünde bulundurulmalıdır. 2.3. Üretim yönteminin parametrelerinin doğru belirlenmesi: Enjeksiyon üretim yöntemine bakıldığında öncelikle sıcaklık parametresi ve ergimiş plastiğe uygulanan basınç öne çıkmaktadır. Hammaddenin cinsine göre uygulanacak sıcaklık değişmektedir. Eğer kompozit üretimi yapılıyorsa takviye elemanının cinsi de göz önüne alınarak ısı verilmesi işlemi dikkatlice yapılmalıdır. Enjeksiyon üretim yöntemi incelendiğinde kovan boyunca farklı ısı bölgeleri uygulaması görülür. Uygulanacak basınca bakıldığında yükesk basıncın kalıpta hasar yaratabileceği düşük basıncın ise kalıpta yetersiz hammadde dolumuna sebep olacağı bilinmelidir. Yukarda bahsedilen esaslar günümüzde bilgisayar ortamında bazı modelleme ve analiz programları aracılığıyla gerçek üretime geçmeden bir öngörü elde amacıyla gerçekleştirilebilmektedir. Bilgisayar ortamında elde edilen veriler gerçek verilerle karşılaştırılarak gerçeğe yakınlığı incelenebilmektedir. Elde edilmek istenen parçalar bir Bilgisayar Destekli Tasarım programında tasarlanıp başka bir mühendislik programında istenilen analizi yapılabilir. Enjeksiyon üretim yöntemine bir öngörü kazandırmak amacıyla geliştirilmiş olan Moldflow programı bir mühendislik analiz programıdır. Üretilmek istenen parçalar tasarlanıp bu programda analiz edildiğinde gerçek enjeksiyon üretimine geçmeden gerekli parametrelerin değerleri analiz sonucuna göre değerlendirilebilir. Böylelikle üretilmek istenen parça gerçek üretim yönteminde elde edilmeden önce fazla sayıda gerçek üretim denemesi yapmadan programdan yararlanılarak gerekli ayarlamalar yapılabilir. Bu çalışmada enjeksiyon yöntemiyle üretilen % 40 cam elyaf takviyeli PP malzemenin Moldflow programı yardımıyla analizi incelenmiştir. Analiz sonuçlarına göre parçanın gerçek üretiminde görülen değişikliklere göz atılmıştır. İncelenmek üzere standartlara uygun ölçülere sahip Sürünme, Çekme ve Darbe numunelerini içeren bir kalıptan ve bir tüp enjeksiyon ünitesinden yararlanılmıştır. Aynı numune ölçüleri dikkate alınarak bir CAD programında tasarımı yapılıp daha sonra Moldflow da analizi yapılmıştır. 2.4. Gerçek üretim yönteminde kullanılan malzemeler: Bu çalışma için pistonlu bir tüp enjeksiyon ünitesi kullanılmıştır. Kapasitesi 300 bar olan ve 300 0 C ye kadar ısıtma gücüne sahip rezistanlı bir sistemdir. ġekil 1. a) ve b) de sistem görülmektedir. Sıcaklık değeri manuel olarak ayarlanmakta olup pistonun harekete geçmesi de el ile yapılmaktdaır. Kalıba dolum işlemi tamamlandıktan sonra piston geri çekilerek numuneler kalıptan alınmaktadır. ġekil 1. a) Tüp enjeksiyon ünitesi b) Numune kalıbı
Standart ölçüler kullanılırak yapılmış olan kalıp ġekil 1. b) de görülmektedir. Erimiş plastik tek noktadan enjekte edilip üç yollukla kalıbı doldurmaktadır. İşlemden sonra numuneler manuel olarak kalıptan alınmaktadır. Numune elde etmek için kırpılmış kısa cam elyaf kullanılmış olup ağırlıkça % 40 oranında PP termoplastik hammaddeye takviye edilmiştir. Kullanılan takviye ve hammaddeler ġekil 2. de gösterilmektedir. ġekil 2. PP ve kırpılmış cam elyaf Sistem sıcaklığı 190 o C ye ayarlanarak stabil duruma geçmesi için 20 dak. süreyle beklenildi. Daha sonra hazırlanan karışım enjeksiyon ünitesine ilave edilerek kalıp bağlantıları yapıldı. Enjeksiyon işlemi tamamlandıktan sonra kalıp sökülerek numuneler çıkartıldı. Şekil 3. te kalıp içindeki numunelerin durumları görülmektedir. ġekil 3. Takviyeli numunelerin kalıp içindeki durumları 2.5. Bilgisayar ortamında modelleme ve analiz Elde edilmek istenen numuneler tam ölçüleriyle bir CAD programında modellendi. Daha sonra doğru formatta kaydedilerek Moldflow programında analizi yapıldı. Program enjeksiyon yöntemindeki parametreleri içermektedir. Gerekli değişiklikler yapılarak ve gerçekte düşünülen üretim parametreleri programda ayarlanarak analiz yapılır. Malzeme seçimi programın kütüphanesinden yapılır. Bu çalışmada %40 cam elyaf takviyeli PP termoplastik malzemesi seçildi gerçekte yapılan üretimde elde edilen sonuçlar analiz programıyla elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldı. Enjeksiyon yöntemi için programdan elde edilen parametrelerin ne kadar öngörü sağlayacağı araştırıldı. 2.5.1. ĠĢlem adımları a) Analizi yapılacak parçanın modellenmesi (ġekil 4.) b) Parçanın doğru formatta analiz programına aktarılması (ġekil 5.) c) Analiz parametrelerinin girilmesi ( ġekil 6. ve ġekil 7.) d) Analizin gerçekleştirilmesi
ġekil 4. Gerçek ölçülerde bir CAD programı yardımıyla modellenmiş parçalar ġekil 5..stl formatında analiz programına atılmış ve mesh edilmiş parçalar ġekil 6. Gerçek üretimde uygulanan parametrelerin programa tanıtılması ġekil 7. Programın kütüphanesinden malzeme seçimi %40 cam elyaf takviyeli PP
Yukardaki proses süreci sırayla izlendiğinde analiz için gerekli parametreler yerine getirilmiş oluyor. Kullanılacak malzemelerde ya da sıcaklık basınç gibi parametreler bir değişiklik gerekiyorsa programın gerekli bölümlerinden bunları gerçekleştirebiliyoruz. Bu aynı zamanda gerçek üretime geçmeden bu program aracılığıyla olabilecek değişikleri gözlemlememize olanak sağlıyor. 3. SONUÇLAR VE TARTIġMA 3.1. Gerçek üretimdeki parametrelerin analiz sonuçlarıyla karģılaģtırılması a) Kalıp dolum zamanı Test no Dolum zamanı 1. 11.71 s 2. 13.40 s 3. 12.40 s Analiz programındaki sonuçlarla karşılaştırmak amacıyla 3 adet gerçek üretim sonucu alınmıştır. Tüp enjeksiyon makinesinde piston harekete geçirilip kalıp dolup basınç kesilene kadar zaman ölçümü yapılmıştır. b) Enjeksiyon kapanma kuvveti Test no Max. Kapanma kuvveti 1. 1.90 ton 2. 2.4 ton 3. 2.3 ton Maximum Clamp force - during filling = 2.5927 tonne (programdaki max. Kapanma kuvveti sonucu) Enjeksiyon işlemi yapılırken basınç saatindeki max. değer göz önüne alınarak hesaplama yapılmıştır.
c) Ortalama elyaf dağılımı Ortalama elyaf dağılımı analiz programı tarafından teorik hesaplamalara göre gösterilmektedir. Olabilecek olası elyaf dağılımı şematik olarak zamana bağlı olarak ifade edilmiştir. Gerçek üretimde ise elyaf dağılımı resimde görülmektedir. Parçanın tamamına dağılmış olan elyafların ulaşmadığı nokta bulunmamaktadır. d) Soğuma (katılaģma ) zamanı Test no Soğuma (katılaşma) zamanı 1. 191 s 2. 208 s 3. 222 s Enjeksiyon işlemi tamamlandıktan sonra numuneler soğuyana kadar lazerli termometre yardımıyla sıcaklıklarına bakılmıştır. Tam soğuma sağlanıncaya kadar geçen süre kaydedilmiştir. Yapılan bu çalışmada %40 cam elyaf takviyeli PP termoplastiğinin enjeksiyon yönteminin bilgisayar ortamında bir analiz programı yardımıyla elde edilen sonuçlarının karşılaştırılması yapılmıştır. Mevcut enjeksiyon ünitesi tam kapasiteli bir sistem olmamasına rağmen elde edilen sonuçlar yakın olup karşılaştırma yapmak için uygun görülebilir. Kalıp dolum zamanı analiz sonucu 12.69 s çıkmış olup yapılan enjeksiyon işlemi ölçümlerinde 11.71 s,13.40 s ve 12.40 s çıkmıştır. Burada strok mesafesi ve pistonun hareket hızının ve yoğun vizkositeye sahip takviyeli PP malzemenin dolma zamanına etkisinin fazla olduğu görülmektedir. Kapanma işlemindeki max. kuvvet analiz sonuçlarından düşük bir sonuç vermiştir. Bunun sebebi ergimenin tam gerçekleştirilip karışımın en uygun viskozitede olmasıyla yorumlanabilir.elyaf dağılımına bakılırsa analiz sonucu elyaf dağılımının eksiklikler içerdiği görülüyor. Fakat gerçek üretimde elyafların her noktaya ulaştığı tespit edilmiştir. Soğuma
(katılaşma) zamanı incelenirse gerçek üretimde bu sürenin analiz sonucunda fazla olduğu görülür. Bundada ortam sıcaklığı kalıp sıcaklığı gibi parametrelerin etkisi olduğu tespiti yapılabilir. 4. REFERANSLAR Makale ; [1] Britton A., Lam, Y. C., Specification Model: A First Step Towards Automatic Interpretation of Injection Moulding CAE Results, Advanced Manufacturing Technology, Springer, 833-843, 2002 [2] Kech A., Vincent M., Comparison between computed and measured fibre orientation in injection moulded parts, Int JMaterForm (2008) Suppl 1:747 750, Springer/ESAFORM 2008 [3] Kröner C., Altenbach H., COUPLING OF A STRUCTURAL ANALYSIS AND FLOW SIMULA TION FOR SHORT-FIBER-REINFORCED POLYMERS: PROPERTY PREDICTION AND TRANSFER OF RE SULTS, 2009, Mechanics of Composite Materials, Vol. 45, No. 3, Springer [4] Michaeli W., Kratz M., 3D-FE SIMULATION OF INJECTION MOLDING -CALCULATION OF FIBER ORIENTATION AND CRYSTALLIZATION, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Pontstraße 49, D- 52062 Aachen, Germany Kitap ; [1] Baker M., Lead J., Thermoplastics Chapter 1, Plastics Engineering Department University of Massachusetts, Lowell BĠYOGRAFĠLER Ümit HÜNER 17/09/1981 yılında İstanbul da doğdu ilk öğrenimini İstanbul ortaöğrenimini Lüleburgaz da tamamlayan yazar 1999 yılında Trakya Üniversitesi makne mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. 2008 yılında aynı üniversitede yüksek lisasn eğitimini tamamlayan yazar halen aynı üniversitede doktora eğitimine devam etmektedir. 2005 yılında aynı bölümde öğretim elmanı olarak işe başlamış olup iş hayatı halen devam etmektedir. Yüksek lisans eğitimi sırasında Plastik esaslı kompozit malzemelerin ısı ile birleştirme yöntemleri üzerine çalıştı. Halen sürmekte olan doktora eğitiminde termoplastik esaslı kompozit levhaların ekstrüzyonunun ve özelliklerinin incelenmesi üzerine çalışmalarına devam etmektedir. E. Selçuk ERDOĞAN