Önden yüklemeli bir çamaşır makinesinin dinamik olarak modellenmesi
Dynamic model of a fronty loading washing machine
Yazar: MEHMET ÖZER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli benzetim = Computer aided simulation ; Bilgisayar destekli mühendislik = Computer aided engineering ; Dinamik benzetim = Dynamic simulation ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Sayısal benzetim = Digital simulation ; Sistem benzetimi = System simulation ; Üç boyutlu simulasyon = Three dimensional simulation

Özet:
Son yıllarda teknolojide yaşanan gelişmeler ile beyaz eşya sektörü eskisine nazaran daha rekabetçi bir hal almıştır. Yeni imalat yöntemleri ve yeni malzemeler ile üretim maliyetleri azalmakta; böylece üreticiler daha iyi ürünleri daha ucuza tüketiciye sunabilmektedir. Tüketiciye ulaşan son mamulün giderek ucuzlaması, üreticilerin karlarını düşürmekte; bu da  firmaların bu rekabet içerisinde etkinliklerini sürdürebilmeleri için üretim maliyetlerini düşürmeye itmektedir. Maliyetlerin düşürülebilmesi için söz konusu sistem incelenmeli; verimsiz bulunan kısımlar değiştirilmelidir.
Bu çalışmada, önden yüklemeli bir çamaşır makinesi sistemi incelenerek yapılabilecek iyileştirmelerin öngörülmesi amaçlanmıştır. Bahsedilen bu öngörünün yapılabilmesi için, çamaşır makinesinin çalışma aşamasının Sonlu Elemanlar Yöntemiyle modellenmesi fikri doğmuştur.
Çalışma kapsamında ilk olarak literatür araştırması yapılmış ve literatürde birçok çamaşır makinesi sayısal modeline rastlanmıştır. Ancak bu modellerin bir çoğu çoklu kütle dinamiği (multibody dynamics) ile modellenmiş sistemler olup, bütünü oluşturan parçaların ilişkisi tekil noktalar üzerinden verilmiştir. Bu model sistemin salınım karakteristiğini tayin ederken başarılı olsa da parçalar arası temas ilişkisi için yeterli değildir. Parçalar arası temasın tanımlandığı modeller ise zamandan bağımsız olarak çözülmüştür. Bu durum çamaşır makinesindeki sönüm elemanlarının etkisinin yok sayılması demektir. Ayrıca araştırma kapsamında rulman modellemesi için kullanılan yöntemler incelenmiş, çamaşır makinesi modelinde kullanılabilecek basit sistemler üzerine durulmuştur. Son olarak fiber katkılı malzemeler ve fiber yönelimine göre değişen malzeme özellikleri incelenerek olası malzeme ve tasarım değişiklikleri için fikir vermesi sağlanmıştır.
Yapılan araştırma sonunda oluşturulan modelde, çamaşır makinesinin sıkma aşaması zamana bağlı olarak modellenmiştir. Modelde: mil, rulmanlar, kazan, tambur gibi yapısal elemanlar ağ örgüsü oluşturularak modellenirken, beton blok ve motor gibi taşıyıcı özelliği olmayan elemanlar noktasal kütle olarak sisteme dahil edilmiştir. Çamaşır makinesi dış gövdesi modellenmemiş ve kazanı taşıyan yay ve damperlerin ucunda yer değiştirme sıfır olarak tanımlanmıştır. Sıkma sırasında çamaşırın tambur yüzeyinde birikmesinden kaynaklanan merkezkaç kuvveti, tambur yüzeyine zamana bağlı olarak etkitilmiştir. Son olarak, motor kayışından kaynaklanan kuvvetler mil yüzeyine etkitilerek sistem çözüm için hazır hale getirilmiştir. Elde edilen yer değiştirme sonuçları, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve tutarlı olduğu görülmüştür. Modelin kullanılabilir olduğu kabulü ile sistem üzerinde değişimi öngörülen bölgeler için zamana bağlı gerilme değişimleri incelenmiştir.
Sonraki aşamada, tasarım değişikliği öngörülen burç ve temasta olduğu parçalar için imalat analizleri yapılmıştır. Öncelikle burç ile sıkı geçme temas durumundaki rulmanlar için yüzey basınçları incelenmiştir. Daha sonrasında burç ile temasta olan diğer parça, kazan için, plastik enjeksiyonla imalatı modellenmiştir. Kazanın burç ile temas durumu incelendiği için, modeli sadeleştirmek adına, gerekli sınır koşulları verilerek kazanın yalnızca merkez kısmı için imalat modellemesi yapılmıştır. Bu aşamada, çevrimi oluşturan fazlar ve süreleri, giriş parametreleri, malzeme özellikleri ve çözüm yöntemi hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan analiz sonucunda kalıp dolma süresi, zamana bağlı soğuma davranışı, kalıptan çıktıktan sonra çarpılma durumu gibi sonuçlar elde edilmiştir.
Çamaşır sıkma ve imalat analizlerinden elde edilen bilgiler ile rulman bölgesi için iki yeni tasarım önerisi sunulmuştur. Sunulan bu öneriler yine benzer analizler ile çalışma ve imal edilebilirlik yönünden incelenmiştir.
İlk tasarım önerisinde dökme demir ile imalat edilmiş burç yerine imalatı nispeten daha kolay üç parçalı burç kullanılmıştır. Bu parçalar temini kolay standart parçalar üzerinde yapılan basit talaş kaldırma işlemleriyle elde edilebilecek çelik parçalardır. Yeni tasarımda burç malzemesi ve cidar kalınlığı değiştiği için rulmanlar temasında oluşan yüzey basınçları tekrar incelenmiştir. 
İkinci tasarım önerisinde ilk modelin iyi yanları korunmuş, sorunlu kısımlarda ise değişikliğe gidilmiştir. İlk modelde burcu oluşturan üç metal parçadan ikisi bu tasarım için de kullanılmıştır. Bu modelde rulmanlar ile temastaki iki metal parçayı birbirine bağlamak için plastik enjeksiyon kullanılmıştır. Bu iki parçanın insert olarak yerleştirildikleri kalıba fiber katkılı PA enjeksiyonu ile yeni burç montaj için hazır hale gelmektedir. Önceki durumlarda olduğu gibi, ikinci tasarım için sıkma aşaması sayısal olarak modellenmiş ve kazan ile tambur arasındaki boşluk değerlerinin mevcut tasarımdaki değerlerle oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Aynı durum, gerilme bakımında kritik olarak kabul edilen mil ve rulman bölgeleri için de geçerlidir. Rulmanların temasta oldukları parçalar birinci model önerisindekiler ile aynı oldukları için yüzey basınçları bu değerler kullanılmıştır. İmalat analizleri kısmında plastik enjeksiyon analizleri iki aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada iki metal standart parçanın insert olarak kullanıldığı plastik enjeksiyonda fiber katkılı PA kullanılarak burcun imalatı modellenmiştir. İkinci aşamada, burcun insert olarak yer aldığı, kazanın plastik enjeksiyon ile imalat modellemesi yapılmıştır. PA fiber içeren bir malzeme olduğu için, imalat sırasında oluşan fiber yönelimi, yöne bağlı malzeme özelliklerinin değişmesine neden olmaktadır. Fiber yönelimine bağlı olan ısıl genleşme katsayısı ve elastisite modülü gibi değerler, parçanın soğuması sırasında çarpılma ve çalışması sırasında birim şekil değişimi gibiparametrelerde etkin rol oynamaktadır. Bu nedenle, malzeme içendeki fiberlerin davranışı da modele dahil edilmiştir. Akışkan içerisindeki fiberlerin davranışını öngören Folgar – Tucker modelinden kısaca söz edilmiştir. Model için besleme noktası ve kaburga sistemi değiştirilerek malzeme yönelimi kontrol edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda, parçanın imalat sırasında zamana bağlı sıcaklık değerleri ve kalıptan çıktıktan sonraki çarpılma değerleri incelenmiştir. Kazanın imalat analizlerinde, PA burcun insert olarak kullanıldığı model için soğuma dağılımının daha dengeli olduğu görülmüştür. 
Bu model dahilinde sistemde ve bazı seçilen parçalarda: yer değiştirme, gerilme, rulman temas basınçları, kalıp dolma süreleri, enjeksiyon malzemesi soğuma hızları ve kazanın imalat sonrasında çarpılması gibi durumlar incelenmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda bir rulman bölgesi için iki yeni tasarım önerisi sunulmuş ve bu önerilerin avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. 
Tez çalışmasının sonucunda, testlerle tutarlı bir çamaşır makinesinin sıkma aşaması sayısal modeli elde edilmiştir. Sistemde yapılması düşünülen değişikliklerin öncelikle bu model dahilinde denenerek tasarım aşamasında yapılabilecek hatalar azaltılabilir. Bu sayede zaman, emek ve para kaybı önlenebilecektir. Ayrıca tasarım değişikliği öngörülen bir bölge için yapılan imalat analizleri ise, farklı bölgelerin tasarım değişikliği için kullanılabilecek örnek bir yöntem içermektedir.

Abstract:
Home appliance industry has become more competitive than ever in recent years because of the technological development. Production expenditures are reduced with the new manufacturing systems and advancement in material science. Thus, consumers can purchase these goods cheaper than it was before. Balance between production cost and price competition, decreases company profits. This situation forces companies to reduce manufacturing costs even more by keeping their production system up to date and modifying poor part designs. To accomplish this goal, the current system should be examined to determine possible improvements and simplifications. 
The main objective of this thesis is creating a front loading washing machine model in order to examine and predict several poorly-designed-locations and improvable sections. The washing machine model is builtby using Finite Element Method, because it is cheap, easy to create and less time consuming than other evaluation systems. Using numerical method also allows analyzing different designs by making a few extra changes.
First, a literature is study carried out to review any standards or related studies for creating numerical model. Although there are manystudies, which contain numerical model and test system couples, there are a few standards related to washing machine modelling and testing process. During the spin phase non-fixed clothes pushed away from the rotation axis by the centrifugal effect. These standards specifies some norms about modelling unbalanced clothes. According to norms, unbalanced textile can be modelled as a sheet metal fixed to the inner surface of drum. Its mass and dimensions varies depending on washing machine type and loading capacity. The studies related to washing machine modelling mostly base on multibody dynamics, thus all parts are connected other parts with singular nodes. Although this numerical modelling format is efficient to determine system oscillation characteristic, it is insufficient representing contact behavior between parts. On the other hand, better contact behaviors have released by other studies, however this type of relation between parts accomplished only in steady state solutions. Without time variable, the effect of two damper is neglected from the system. In addition, a literature study is also carried out for building a numerical model of roller bearing. Studies mostly focus on ball-race contact behavior; these bearing models are toolarge to integrate to another numerical models. Therefore, simplifications in bearing modelling is investigated to reduce numerical model size. Lastly, fiberglass contained polymers are examined in terms of mechanical, thermal and rheological properties for possible design and material changes.
In the thesis, a numerical model for a front loading washing machine during its spin phase is released. This model assembled by structural parts like: shaft, bearings, tub and drum. Non-load-bearing parts like: contrete blocks and motor are attached to the system as concentrated masses. Since these parts do not carry or transmit any forces this simplification lessen total solving time for the model. As boundary conditions, two spring and two damper elements are used to fix tub at the global coordinate system. In addition, a centrifugal force, due to unbalanced mass, is applied to the drum inner surface to simulate washing machine spin phase. Normally, drum spins inside the tube and textile causes to centrifugal force as unbalanced force during spin. To create an actual system like it is described, multibody dynamic procedure should be used. However, with its poor contact behavior, it would be insufficient for some components. On the other hand, building entire system with drum spin motion and contact behavior would require much more computation power.  In order to simplify numerical model, forces on the drum surface spin instead of drum itself. As last boundary condition, enginebelt forces is acted at the end of shaft. 
After solving numerical problem, displacement results at certain locations are compared with experimental results, and it is observed that these two results collected from different models are similar. This similarity between two results proves that numerical model accurate enough to be used in future work. In addition, stress results are examined in numeral model for predict future changes. While screening spin results, generally focused on bearing and busher region.
At the next stage, manufacturing analyzes is carried out for busher and component related to it. Firstly, contact pressure between bearing races and related components. Although contact surfaces have similar tolerance clearances, surface pressures also depends on part geometry and material. After that, a thermo plastic injection molding model is built to simulate the contact behavior between busher and tube during injection molding and afterwards. There have been some simplifications at injection molding model of tub. Since these analyses conducted to study and examine the contact area, tub geometry reduced to a local geometry by applying proper boundary conditions. After tub model built, plastic injection molding analyses is performed 4 phases. These phases are: Fill, the phase that polymer fills cavity. Pack, which is material continues to fill cavity slowly to prevent shrinkage. Cool, the phase that temperature of the polymer reduces. Warp, the phase that product deform at ejected from cavity.In addition, material viscosity calculation models are discussed to use in cavity fill phase.
Two new model has been suggested in order to reduce production costs and manufacturing by taking consideration of spin phase analysis results and thermoplastic injection molding analysis results. These new models are also tested for spin phase and manufacturability. 
In the first model, busher divided into three separate parts to assemble from more standardized and easy-to-manufacture components. These three parts can be produced by applying machining operations on standard steel parts. Contact surface pressure that occur in bearing – busher interaction are recalculated since busher design and material has changed. Considering spin phase results at current model and first model suggestion, it is observed that displacement at the control location (between drum and tub) and stress distribution at bearing-area-parts are almost identical. Then, plastic injection molding analysis is carried out for certain section of tub. Center of the tub geometry has changed with the new design of busher. These changes causes cooling problems during plastics injection cooling phase because of its thick material regions at the center of the tub. In addition, first busher suggestion requires extra surface tolerances at the contact surfaces of three busher components for reliable assembling, and this increases manufacturing cost and time. 
For the second model, while strong sides of first model conserving, weak sides are modified for improvements. Two metal components of the first busher design are kept, and one in the middle is replaced with polymer part. After two metal component  are shaped to their final form by machining process, they are used as inserts in thermoplastic injection molding to manufacture second busher model. As fill material, fiber reinforced polyamide is used in injection molding. First, a numerical spin phase model is established for the second design, and considering this model, displacement results between tub and drum are almost same in current model and second model suggestion. For the stress distribution, similar results applies for bearing and shaft region. Contact region pressure are identical with the first model suggestion, since surrounding component are the same for bearing races. Manufacturing analysis are conducted in two steps as thermoplastic injection molding of busher with fiber reinforced PA material and thermoplastic injection molding of tub with PP material. For the first step, two metal busher component is placed in cavity as inserts to simulate molding with PA material. Fiber reinforced PA shows different mechanical and thermal properties like; thermal expansion coefficient and modulus of elasticity, based on its fiber orientation. By controlling fiber orientation, modulus of elasticity can be increase in desired direction, thus busher can be more stiff in certain directions. Similar to this, by controlling fiber orientation, thermal expansion coefficient can be controlled, thus large warpage values can be prevented. The fiber orientation of the part defined by the fill phase of the plastic injection molding. Folgar – Tucker is used to predict fiber motion in molten polymer during fill phase and determine fiber orientation after it solidified. In addition, these material properties are controlled and reoriented by changing rib placement on the busher. In addition, second model suggestion promises better cooling results with the help of increased total surface area. The changes in busher design also favor cooling rates during tub injection molding because of its rib placement and total busher – tub contact area.
In this study, washing machine spin phase model and several manufacturing model are built in order to examine displacement and stress results for the system during spin and cavity fill time, cooling time and warpage results for certain parts during thermoplastic injection molding. Considering these results, two model suggestion are given in this study, then tested for spin phase and manufacturability. Lastly, all there models are evaluated for strong and weak sides in terms of analysis results.
As a result, a numerical model is established for a front loading washing machine. This system can be used for predict possible improvable regions and inspire future work. With the help of this model, system modifications can be analyzed before prototyping step, and this reduces research and development expenses dramatically. In addition, a modification model is explained step by step to guide future studies.