Plastik enjeksiyon kalıplamanın mekanik davranış üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of plastic injection molding on mechanical behavior
Yazar: OSMAN KAYALI
Danışman: PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Plastik enjeksiyon kalıpları = Plastic injection molds ; Plastikler = Plastics ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Süreç analizi = Process analysis

Özet:
Plastik malzemeler, çeşitli alanlardaki üstünlükleri ve sağladığı avantajlar nedeniyle gündelik hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Plastik ürünlere olan ilginin büyümesiyle birlikte plastik malzemelere ilişkin üretim teknolojileri gelişmiş, birbirlerine farklı noktalarda üstünlükleri bulunan çeşitli üretim yöntemleri ortaya çıkmıştır. Seri üretime uygun olması ve tasarım üretilebilirliği açısından neredeyse sınırsız imkanlar sunması nedeniyle en sık tercih edilen üretim yöntemlerinden biri plastik enjeksiyon kalıplamadır. Plastik enjeksiyon kalıplama, eriyik halde bulunan plastiğin, doldurduğu kapalı hacmin şeklini alarak katı forma geçmesi esasına dayanır. Kapalı hacmin şeklini alarak katı forma geçen plastik hammadde son ürüne dönüşür ve üretim süreci tamamlanmış olur. Eriyik hammaddenin kapalı hacimde şekillenerek son ürüne dönüşmesi plastik enjeksiyon kalıbı adı verilen özel yapılarda gerçekleşir. Her bir plastik enjeksiyon kalıbı, imal edilmesi hedeflenen son ürüne göre tasarlanır ve genellikle ömrünü tamamlayana kadar kullanılır. Temel olarak, plastik enjeksiyon kalıbından eriyik hammaddenin şekillenmesi için kapalı hacim oluşturması, hammaddeyi hızlı ve üniform biçimde soğutması ve son ürünü zarar vermeden kalıp dışına alması beklenir. 
Son ürünün kalitesi açısından enjeksiyon kalıbı içinde gerçekleşen sürecin etkisi büyüktür. Dolayısıyla, son ürün kalitesini tahmin edebilmenin ve kontrol altında tutabilmenin yolu kalıp içinde gerçekleşen sürecin doğasının kavranmasından geçer. Sonlu eleman analiz yazılımları, mühendisliğin diğer dallarında da olduğu gibi, sayesinde enjeksiyon kalıbı içindeki sürecin etkili biçimde kavranması ve kontrol edilmesi mümkün hale gelmiştir. Günümüzde, sonlu eleman yazılımları yardımıyla kalıp içindeki sürecin nasıl gerçekleşeceği imalattan önce çok yüksek doğrulukla tahmin edilebilmekte, parçada meydana gelen herhangi bir kalite kusurunun kök nedeni detaylı biçimde incelenebilmekte ve makina başında denemelere gerek duymadan optimum proses şartları belirlenebilmektedir. 
Üretim sürecinin malzemenin mekanik davranışı üzerindeki etkisi ihmal edilmemesi ve incelenmesi gereken diğer bir konudur. Birleşim izlerinin, artık gerilmelerin ve yerel fiber oryantasyonunun parçanın mekanik özelliklerini dikkate değer ölçüde etkilediği bilinmektedir. Özellikle fiber takviyeli termoplastiklerin mekanik özellikleri, kalıp ve proses şartlarının şekillendirdiği fiber dağılımlarına ve yönelimlerine göre kayda değer ölçüde değişmektedir. Bu tür malzemelerin mevcut yükleme koşullarındaki mekanik davranışlarının isabetli bir şekilde tahmin edilmesi açısından üretim sürecinden kaynaklanan etkilerin hesaba dahil edilmesi bir gerekliliktir. 
Bu tez kapsamında, üretim proses etkilerinden biri olan fiber yönelimlerinin parçanın mekanik davranışı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Örnek vaka olarak mevcut üretim ve yükleme koşulları bilinen cam fiber takviyeli poliamid kasnak seçilmiştir ve gerekli tüm çalışmalar bu parça üzerinde gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, mevcut kalıp ve üretim şartlarına göre Autodesk Moldflow'da prosesin sonlu eleman analizi gerçekleştirilmiştir. Prosesin sonlu eleman analizi, kasnağın simülasyon ortamındaki ve gerçek durumdaki çarpılma davranışının karşılaştırılmasıyla doğrulanmıştır. Bu amaca yönelik olarak gerçek durumda meydana gelen boyutsal sapmalar gerekli ölçümlerle belirlenmiş ve sonlu eleman analizinden elde edilen boyutsal sapmalarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda prosesin sonlu eleman analizinin kabul edilebilir bir hata oranıyla mevcut durumu temsil ettiği doğrulanmıştır. Bir sonraki bölümde, üretim etkilerinin ihmal edildiği durumdaki mekanik davranışı temsil etmesi amacıyla izotropik malzeme kabulüyle statik sonlu eleman analizi ve doğal frekans hesabı gerçekleştirilmiştir. Yapısal sonlu eleman analizlerinin tümü ANSYS Workbench'de gerçekleştirilmiştir. Bir sonraki bölümde ise prosesin sonlu eleman analiz sonuçlarının yapısal sonlu eleman analizindeki malzeme modeline aktarılma prosedürü tariflenmiş ve proses etkilerinin dahil edilmesi durumunda sonuçların ne ölçüde değiştiği gösterilmiştir. Autodesk Moldflow ve ANSYS Workbench arasındaki etkileşim Autodesk Helius PFA ile sağlanmıştır. Autodesk Helius PFA'nın kompozit malzemelerin mekanik davranışına ve hasar durumuna ilişkin yaklaşımıyla alakalı detaylara yer verilerek üretim etkilerinin dahil edildiği durumdaki malzeme modeli özetlenmiştir. Son bölümde, ortaya konulan sonuç aktarım prosedürünün doğrulanması için gerçekleştirilen deney çalışması üzerinde durulmuş, proses etkilerinin ihmal ve dahil edildiği durumlar için yapısal sonlu eleman analiz sonuçları detaylı bir şekilde karşılaştırılmış, yorum ve önerilere yer verilmiştir. Doğrulama çalışması kapsamında çekiç testi ile kasnağın doğal frekansları belirlenmiş ve proses etkilerinin ihmal ve dahil edildiği durumda sonlu eleman analizi ile hesaplanan doğal frekans sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.
Proses etkilerinin ihmal ve dahil edildiği durumlarda elde edilen statik sonlu eleman analiz sonuçları karşılaştırıldığında, aynı yükleme koşullarında meydana gelen yer değiştirme, von Mises eşdeğer birim şekil değiştirme ve gerilme sonuçlarının birbirinden farklılaştığı saptanmıştır. Proses etkilerinin dahil edildiği durumda kasnakta oluşan maksimum toplam yer değiştirme %8, maksimum von Mises eşdeğer gerilme %26 oranında daha yüksek hesaplanmıştır. Kasnakta oluşan gerilme dağılımının fiber yönelimlerinin hesaba dahil edilmesiyle değiştiği gözlemlenmiştir. Sınır ve yükleme koşullarının simetrik olması sebebiyle simetrik hesaplanması beklenen gerilme dağılımının fiber yönelimlerinin dahil edilmesi halinde simetrik olmadığı görülmüştür. Bu durumun farklı noktalardaki farklı fiber yönelim oranlarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca, farklı iki durum için doğal frekans sonuçları incelendiğinde üretim sürecinden kaynaklanan etkilerin hesaba dahil edilmesi halinde doğal frekansların %13 oranında daha düşük hesaplandığı gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında proses etkilerinin dahil edildiği durumda kasnağın daha esnek davrandığı çıkarımında bulunmak mümkündür.  
İlk 10 doğal frekans modu için, proses etkilerinin dahil edildiği durumda hesaplanan doğal frekans modlarının çekiç testiyle belirlenen doğal frekans modlarıyla daha uyumlu olduğu görülmüştür. 11. ve 12. doğal frekans modlarında ise üretim etkilerinin ihmal edildiği durumun deney sonuçlarıyla daha uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Çekiç testinde kullanılan ekipmanların hassasiyeti ve malzemenin sönüm özellikleri sebebiyle, yüksek doğal frekans modlarına doğru gidildikçe deney sonuçlarının güvenilirliğinin azalma eğilimine girdiği bilinmektedir. 8. doğal frekans modundan itibaren üretim etkilerinin dahil edildiği durumda hesaplanan doğal frekanslar ile deney sonuçlarının uyumunun azalmasını ve 11. ve 12. doğal frekans modlarında meydana gelen tutarsızlığı bu şekilde açıklamak mümkündür.  Dolayısıyla, doğru bir karşılaştırma için düşük doğal frekans modlarını dikkate almak daha doğru bir yaklaşım olacaktır. Bu bilgiler ışığında, proses etkileri dahil edilerek gerçekleştirilen sonlu eleman analizlerinin parçanın gerçek durumunu daha iyi temsil ettiği sonucuna varmak mümkündür. Proses etkilerinin dahil edildiği durumda, çekiç testindeki malzeme davranışıyla da uyumlu olarak, izotropik malzeme yaklaşımına kıyasla daha esnek bir davranış gözlemlenecektir. Bu çıkarım statik sonlu eleman analizlerindeki sonuçlarla da uyumludur.

Abstract:
Plastic materials have become an indispensable part of our daily life due to their superiority and advantages in various fields. Increasing demand for plastic products lead to improvements in production technologies for plastic materials and great variety of manufacturing methods that have superiority to each other from different aspects are developed.  One of the most preferred production methods is plastic injection molding, since that method has the upper hand in suitability to mass production and offers almost limitless flexibility to designer in terms of manufacturability. Plastic injection molding is based on the principle that the molten plastic takes the shape of the closed volume it fills and turns into a solid form. The process is completed when the raw plastic material takes the closed volume's shape and finishes solidification phase.  The transformation of molten raw material into the final product happens in a special tool called plastic injection molds. These molds are designed according to the specific end product and are used until their lifetime is completed. Basically, it is expected from the plastic injection mold to form a closed volume for shaping the molten raw material, to cool the raw material quickly and uniformly, and to take the final product out of the mold without damaging it.
The quality of the final products depends on the process that takes place in the injection mold, therefore in order to predict or control quality of final product, nature of the process occurring in the mold has to be comprehended. Finite element analysis softwares, as in other branches of engineering, has made it possible to comprehend and control the process that takes place in the injection mold. These softwares have developed in order to satisfy the industrial demands, nowadays this finite element softwares are able to predict with high accuracy that how the process in the injection mold will take place before the production. In addition, any root cause of quality defects that can be occur in the part could be examined in detail and the optimum process conditions and parameters can be determined without test runs at the machine.
The effect of the production process on the mechanical behaviour of the material is another issue that should not be neglected. It is known that weld lines, residual stresses and local fiber orientations significantly affects mechanical properties of the final product. Especially, mechanical properties of fiber-reinforced thermoplastics' show considerable change by the fiber distributions and orientations that are shaped by the mold and process conditions. In order to accurately predict the mechanical behaviour of such materials under certain loading conditions, it is essential to consider the effects of the manufacturing process on the part.
In this thesis, the effect of fiber orientations, which is one of the production process effects, on the mechanical behaviour of the part is investigated. As a case study, a glass fiber reinforced polyamide pulley with known production and loading conditions was chosen and all the necessary actions was carried out on this part.  First of all, finite element analysis of the production process is carried out in Autodesk Moldflow according to the existing mold and process conditions. The finite element analysis of the process has been validated by comparing the warping behaviour of the pulley in the simulation environment and in the real situation. For this purpose, warping in the real situation were measured and compared with the warping obtained from the finite element analysis. In the following step, static finite element analysis and natural frequency calculation were carried out with the assumption of isotropic material in order to represent the mechanical behavior when the production effects are neglected. All structural finite element analyses were run in ANSYS Workbench. After that, the procedure for transferring the finite element analysis results of the process to the material model in the structural finite element analysis was described and it was shown how the results change when the process effects are included. Interaction between Autodesk Moldflow and ANSYS Workbench formed by Autodesk Helius PFA. The material model that process effects are included was summarized by giving details about Autodesk Helius PFA's approach to the mechanical behaviour and damage evaluation of the composite materials.  In the last section, the experimental work that was carried out in order to verify transfer procedure has been emphasized, and the results of the structural finite element analysis of the cases that the process effects are neglected or included are compared in detail, comments and suggestions were given. In order to validate the results, natural frequencies of the pulley were measured by the hammer test and compared with the natural frequency results that calculated by the finite element analysis in the case of neglect and inclusion of the process effects.  
When the static finite element analysis results were compared in the case of neglect and inclusion of process effects, it was found that the results of displacement, von Mises equivalent strain and stress differed from each other under the same loading conditions. In the process effects included case, the maximum total displacement of the pulley was calculated as 8% and the maximum von Mises equivalent stress was calculated as 26% higher. It has been observed that the stress distribution in the pulley changes with the consideration of the fiber orientations.  Since the boundary and loading conditions are symmetrical, the stress distribution is expected to be symmetrical; however, the consideration of the fiber orientations changes stress distribution to nonsymmetrical.  This condition is thought to be due to the different fiber orientation ratios in the different locations. In addition, when the natural frequency results for the two different cases were examined, it was observed that the natural frequencies for the case that the production process are included are 13 % lower.  Considering all these results, it is possible to deduce that the pulley behaves more flexible when process effects are included.
For the first 10 natural frequency modes, the calculated natural frequency modes were found to be more compatible with the natural frequency modes determined by the hammer test when process effects were included. In the 11th and 12th natural frequency modes, it has been observed that the case which the process effects are neglected is more compatible with the experimental results. Due to the sensitivity of the equipment used in the hammer test and damping properties of material, it is expected that reliability of the rest results tends to decrease at higher natural frequency modes.  According to that, it is possible to explain the decrease in the compatibility between the calculated natural frequencies and the experimental results after 8th natural frequency mode when the process effects included, and the inconsistency that occurs in the 11th and 12th natural frequency modes. Therefore, it would be more accurate to consider low natural frequency modes for a proper comparison. Under favour of these information, It is possible to conclude that the finite element analyses run by including process effects will represent the real part and process more accurate. When the process effects are included, a more flexible behaviour will be observed compared to the isotropic material approach, as the material behaviour in the hammer test. This inference is also compatible with the results of static finite element analysis.