Çamaşır makinesi kazan imalatında proses parametrelerinin kazan kalitesine etkilerinin analiz edilmesi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of the effects of process parameters on the quality of washing machine tub manufacturing
Yazar: OZAN SERTLER
Danışman: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Plastik enjeksiyon = Plastic injection ; Plastik enjeksiyon kalıpları = Plastic injection molds ; Plastik enjeksiyon makineleri = Plastic injection machinery ; Plastik malzemeler = Plastic materials

Özet:
Gelişen teknoloji ve endüstriyel sektörde plastik malzeme kullanımı hızla artmaktadır. Plastik hammadde kullanımına olan ilginin artmasında gelişen teknolojiyle birlikte kolay şekil verebilme ve yeniden değerlendirebilme imkanı önemli rol oynamıştır. Bu artışla beraber üretim teknolojisinde de yenilikçi çalışmalar artmış ve avantajlı üretimlere yönelim gösterilmeye başlanmıştır. Özellikle seri üretim yapan firmaların plastik enjeksiyon yöntemiyle üretime yönlenmesinin temel sebepleri; seri üretim için gerekli yüksek adetlere olanak sağlaması ve enjeksiyon ile üretimin kolaylık sağlaması olarak görülmektedir.
Plastik enjeksiyonda hammaddelerin istenilen şeklin verilmesi için sıcaklıkla eritilerek içerisine koyulduğu yapılar enjeksiyon kalıplarıdır. Enjeksiyon kalıpları günümüzde plastik malzeme üretiminde önemli yer tutmaktadır. Kalıbın içerisine eriyik halde giren hammaddenin baskıdan sonra katı halde istenilen geometride üretilmesini sağlar. Burada istenilen geometriler özellikle mekanik dayanım ve kalite açısında yüksek önem arz etmektedir. Çünkü her ne kadar öncesinden yapılan simülasyon veya analiz programları ile öngörüde bulunulsa da kalıp çıktıları ile gerçek tasarımlar arasında farklılıklar oluşabilmektedir.
Enjeksiyon kalıbı çıktıları nihai ürün olarak değerlendirilebilir veya başka bir ürünün oluşturulması esnasında montajlanarak kullanılabilir. Beyaz eşya sektöründe de büyük yer kaplayan plastik enjeksiyonla üretim teknolojisi, özellikle çamaşır makinelerinde önemli parçaların üretim yöntemi olarak kullanılmaktadır. 
Çamaşır makinesini genel hatlarıyla inceleyecek olursak; kullanıcının genel olarak temas ettiği gövde ve görünüş grubu ile çamaşır makinesinin hareketlerinin gerçekleştiği tahrik grubu olarak iki ana gruptan oluştuğunu söyleyebiliriz. Burada gövde ve görünüş grubu içerisinde makinenin kullanıcı tarafından kullanımı için oluşturulan yapılar ile makinenin tüm aksamlarını koruyan dış yapıdan oluştuğu bilinmektedir. Tahrik grubu ise; makinenin çalışması için gerekli torku sağlayan motordan, çalışmanın gerçekleştiği tambura kadar ve tüm bu çalışma esnasındaki hareketlerin devamlılığı, sönümlenmesi veya kontrolü için gerekli parçaların bulunduğu yapıdır. Çamaşır makinelerinde gövde ve görünüş grubu genellikle algısal kaliteye hitap ederken, tahrik grubu ise çoğunlukla çalışma kaynaklı saha arıza oranına etki etmektedir.
Hem yıkayıcı özellikli hem de yıkayıcı kurutucu özellikli çamaşır makinelerinde tamburun içerisinde döndüğü yapı olan kazanın üretiminde plastik enjeksiyon tezgâhları kullanılmaktadır. Tahrik grubunun bir parçası olan kazan; tahrik grubundaki parçaların, gövde ve görünüş grupları ile montajlandığı yapı olarak da tanımlanabilir. Ayrıca, çamaşır makinesi çalışması sırasında ve özellikle sıkma esnasında meydana gelen dinamik yüklere maruz kalmaktadır. Kazan enjeksiyon esnasında oluşabilecek aksilikler bağlantı yapılarına dolayısıyla direkt olarak çamaşır makinesinin çalışmasına etki edeceğinden büyük önem taşımaktadır.
Yapılan bu çalışmada temel amaç hem yıkayıcı hem kurutucu özellikli çamaşır makinesi (çalışma boyunca yıkayıcı-kurutucu çamaşır makinesi olarak adlandırılacak) kazanlarının baskısı esnasındaki proses parametreleri optimize edilerek, parçanın tasarıma en uygun şekilde üretilmesini sağlamak ve dayanımının maksimum seviye olmasını sağlamaktır. Tez kapsamında; Minitab programı kullanılarak oluşturulan deney tasarımları kullanılmıştır. Deney tasarımlarındaki girdiler; parametrelerdeki değişimlerle incelenmiş, oluşan çıktılardan bir dizi deney seti oluşturulmuştur. Üretilecek parçanın kalite, üretilebilirlik, maliyet gibi etkilenme durumlarına göre çalışmalar değerlendirilebilir.
Çalışmada Taguchi, Mixture, Box-Behnken gibi farklı imkanlara sahip Minitab kullanılmış ve Box-Behnken (deney tasarımı cevap yüzey) methodu seçilmiştir. Çalışmada elde edilen çıktılar ve belirlenen parametreler değerlendirilmiştir. Belirlenen hedefler doğrultusunda enjeksiyon süresi, ütüleme süresi, ütüleme basıncı ve ütüleme geçiş noktası değerlerinde optimizasyonlar gerçekleştirilerek, çalışma öncesi durumla kıyaslamalar yapılmıştır.
Yapılan optimizasyona çalışmasına göre; kazan grubunun en iyi elastik modülü ve mukavemetini elde etmek için, enjeksiyon süresi 7,4242 saniye, ütüleme süresi 20 saniye, ütüleme basıncı 40 bar ve ütüleme geçiş noktası %99 olarak belirlenmiştir. Çalışmada varılan sonuçlardan bir diğeri ise; insert bölgesindeki ilk iki sektörün en çok etkilenen bölge olduğu ve nakliye emniyet boss, insert üçüncü sektör ve üst denge ağırlığı bölgelerinin ise neredeyse hiç etkilenmediğidir. Doğrulama için yapısal analizler yapılmış ve en iyi parametre ile numune üretimleri alınarak testler tanımlanmıştır.
Moldflow programında optimum parametrelerle yapılan analizde nominal değerlere kıyasla; insert bölgesinde birinci sektörde %6,7 oranında, ikinci sektörde %3,6 oranında, üçüncü sektörde %0,7 oranında ve dördüncü sektörde %1,1 oranında iyileşme olduğu görülmüştür. Ayrıca test sonuçları değerlendirildiğinde; sıcak ortam testindeki çökme miktarında ortalama %57,5 iyileşme ve çekme testi sonuçları incelendiğinde ise elastisite modülünde %6,8 iyileşme görülmektedir.

Abstract:
The use of plastic materials is rapidly increasing in the developing technology and industrial sector. The possibility of easy shaping and re-evaluation with the developing technology played an important role in the increasing interest in the use of plastic raw materials. With this increase, innovative studies in production technology have increased and a trend towards advantageous production has begun. The main reasons why companies, especially those engaged in mass production, turn to production with the plastic injection method; It is seen as allowing the high quantities required for mass production and facilitating production by injection.
In plastic injection, injection molds are structures in which the raw materials are melted with heat and placed into the desired shape. Injection molds have an important place in the production of plastic materials today. It ensures that the raw material entering the mold in molten state is produced in the desired geometry in solid form after molding. The desired geometries here are of high importance, especially in terms of mechanical strength and quality. Because even though predictions can be made with previous simulation or analysis programs, differences may occur between mold outputs and actual designs.
Plastic injection machines are used in the production of the tub, which is the structure in which the drum rotates, in both washer and washer-dryer featured washing machines. The tub, which is part of the oscillating group; it can also be defined as the structure in which the parts in the oscillating group are assembled with the fascia and cabinet groups. In addition, the washing machine is exposed to dynamic loads that occur during operation and especially during spinning. It is of great importance as any problems that may occur during the injection of the drum will directly affect the connection structures and therefore the operation of the washing machine.
Injection mold outputs can be considered as final products or can be assembled and used during the creation of another product. Plastic injection production technology, which has a great place in the white goods industry, is used as the production method of important parts, especially in washing machines.
The most important factor in injection plastic production is production techniques. The most important point in production techniques is the process parameters and the correct use of these parameters. Each of the process parameters has separate effects on injection plastic production. All these effects directly or indirectly affect the final product. Within the scope of this study, the process parameters that are thought to have the most impact on the final product were optimized. 
Injection time, packing time, packing pressure and packing transition point (speed-pressure) are the four parameters with the highest effect. Injection time is inversely proportional to injection speed and mainly affects glass fiber orientations. If the injection time is long, that is, the injection rate is low. The resistance to flow decreases and higher strength can be achieved with longer flow lines formed. On the contrary, when the injection rate is high, that is, the injection time is low; air void may get stuck in the mold instead of the part cavities, and problems such as part distortion or incomplete filling may be encountered due to effects such as temperature and pressure.
Another factor, packing pressure, affects the internal stresses that may occur in the piece. High packing pressure increases internal stresses, while low packing pressure reduces internal stresses, but low packing pressure may also cause part geometry and incomplete filling situations. Packing time, another parameter that has an impact, directly affects the total cycle time of the piece. In order to determine it, the approach should be made by looking at the cooling time in the final filling area or runner end area of the part. Among the process parameters, the factor affected by the packing transition point is the residual stresses. This is the situation where the screw used in injection and controlled by the speed factor begins to be controlled by pressure for packing. Exactly at this stage, the variability of shrinkage and shrinkage rates on the raw material affects the amount of residual stress formation. High residual stress formations cause the quality of part production to decrease and inefficiency is encountered.
If we examine the washing machine in general terms; we can say that it consists of two main groups: the fascia and cabinet group, which the user generally contacts, and the oscillating group, where the movements of the washing machine occur. Here, it is known that the fascia and cabinet group consists of structures created for the use of the machine by the user and the external structure that protects all parts of the machine. The oscillating group is; It is the structure that contains the necessary parts, from the motor that provides the torque required for the operation of the machine, to the drum where the operation takes place, and for the continuity, damping or control of the movements during all this operation. While the fascia and cabinet group of washing machines generally addresses the perceived quality, the oscillating group mostly affects the field failure rate due to operation.
Let's evaluate the washing machine components and operating principles in general. The motor is the power element that provides the torque required for the operation of the washing machine. The motors enable the drum group to rotate with different drives at different working steps. Motors with different card groups and different software types; they allow the use of desired programs in the washing machine.
The belt-pulley mechanism is used as a power transmission element in the washing machine. It transfers the torque coming from the engine to the drum with a certain cycle rate and enables the drum to move within the tub. The conversion ratio is determined by the ratio between the pulley diameter and the motor pinion diameter. Although the type of belt to be used is determined according to the power to be transferred and the cycle rate, belt length and belt rib number values are important. Belts are generally produced from rubber-based materials.
It is the place where users put their laundry and performs the rotation movement in the drum as a result of the transfer of the force coming from the motor through the fasteners. Drums may have different volumes depending on the capacity of the washing machines. Rotation of the drum in the tub; it is provided by a shaft fixedly supported by drum shaft inside the tub group.
Counterweights are necessary parts for the oscillations that occur during work to remain balanced and for efficient work. They can be used in the lower and upper parts of the tub area depending on the required weight. Counterweights are generally produced by adding metal to concrete. The connection types of balance weights may also vary depending on the loads they carry, and the tub connection structure differs according to these types. Counterweights are assembled according to the desired location of the center of gravity.
Springs are also used in washing machines for similar purposes to shock absorbers. It dampens the up-down movement of the tub group parallel to the ground during washing and spinning. It works with one end connected to the body and the other end to the tub group. Spring force coefficient and number of windings vary depending on the desired damping value.
In this thesis, Moldflow is the program that will be used to determine the elasticity module values. Moldflow is a flow analysis program used to obtain pressure prediction before production by using the mold design of the part to be produced. Runners, all temperature values, material properties used and times during the injection phase are transferred to the program as input. The part print produced as a result of these inputs is taken virtually and the desired measurements are made on it.
Analyzes were completed by entering data for each of the 27 combinations separately in the Moldflow program. Analysis completion time took approximately four hours for each set. After data entry and analysis were completed, the desired data outputs were evaluated. In the analysis results, the elasticity modulus in primary orientation principal stresses was considered.
Experimental design; it is a series of experiments in which studies are carried out with one or more data inputs and certain changes are made to the parameters on these inputs, and the results of these studies are observed. If we consider a product as output; all processes, components and conditions affecting the product are identified. Afterwards, studies that improve the quality, manufacturability, sustainability, reliability and use of the product can be used as experimental design in the industry. After the creation of this entire experimental design, the Minitab program creates a working order in order of the combination of parameters during the study.
In the study, Minitab, which has different features such as Taguchi, Mixture, Box-Behnken, was used and the Box-Behnken (response surface design) method was chosen. The outputs obtained in the study and the determined parameters were evaluated. In line with the determined targets, optimizations were made in the injection time, packing time, packing pressure and packing transition point values and comparisons were made with the pre-work situation.
The main purpose of this study is; the aim is to optimize the process parameters during the molding of the drums of a washing machine with both washer and dryer features (which will be called a washer-dryer washing machine throughout the study), to ensure that the part is produced in the most appropriate way to the design and that its durability is at the maximum level. Within the scope of the thesis; experimental designs created using the Minitab program were used. Inputs in experimental designs; it was examined with changes in parameters, and a series of experimental sets were created from the resulting outputs. Studies can be evaluated according to the impact of the part to be produced, such as quality, manufacturability and cost.
According to the optimization study; in order to obtain the best elastic modulus and strength of the tub group, the injection time was determined as 7.4242 seconds, the packing time as 20 seconds, the packing pressure as 40 bar and the packing transition point as 99%. Another conclusion reached in the study is; the first two sectors in the ınsert region are the most affected areas, and the transportation safety boss, ınsert third sector and upper counterweight regions are almost not affected. Structural analyzes were performed for verification and tests were defined by taking sample production with the best parameter.
In the analysis made with optimum parameters in the Moldflow program, compared to nominal values; In the insert region, it was observed that there was an improvement of 6.7% in the first sector, 3.6% in the second sector, 0.7% in the third sector and 1.1% in the fourth sector. In addition, when the test results are evaluated, an average of 57.5% improvement in the amount of collapse in the tropical climate test and a 6.8% improvement is observed when the tensile test results are examined.