Plastik malzemelerde üretim parametrelerinin malzeme dayanımına etkisinin incelenmesi, optimizasyonu ve çamaşır makinesi kapak kancasına uygulanması
Investigation of effects of process parameters for plastic materials, optimization and implementation into the latch of the lid in washing machines
Yazar: ERMİŞ BOLAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ ALTAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Optimizasyon = Optimization ; Parametreler = Parameters ; Plastik malzemeler = Plastic materials ; Proses =   ; Çamaşır makineleri = Washing machines

Özet:
Plastikler, düşük maliyetlerle yüksek mekanik özelliklere ulaşabilmesi, seri üretime uygunlukları ve geri dönüştürülebilirlik özellikleriyle endüstrinin birçok alanında kullanılmaktadır. Maliyet iyileştirme projelerinde, yeterli dayanım sağlandığı koşullarda akla ilk gelen malzeme çeşidi olarak plastik malzemeler gündeme gelmektedir. Çamaşır makinelerinin de bir çok bölgesinde plastik malzeme kullanılmaktadır. Rekabetin üst seviyeye ulaştığı beyaz eşya sektöründe geçmişten günümüze olan sürece bakıldığında maliyetlerin önem kazandığı ve plastik malzeme kullanımının arttığı görülmektedir. Gelişen teknolojiler ve elde edilen bilgi birikimleri ile yapılan analizler plastik malzemelerin kullanımının önünü açan bir etken olarak rol almaktadır. Plastik enjeksiyon ile üretim, seri üretime uygunluk ve karmaşık geometrilerin üretilebilirliği açısından en çok tercih edilen üretim yöntemlerinden birisidir. Plastik enjeksiyonda çok fazla parametre olması, üretim sonucunda elde edilen ürünün de kalitesinde farklılıklar oluşturmaktadır. Geliştirilen Moldflow analizleri sayesinde bu zorluklar aşılıp büyük zaman kayıplarından kurtularak gerçeğe yakın simülasyonların elde edilmesi mümkün hale gelmektedir. Özellikle fiber katkılı malzemelerin enjeksiyon davranışlarının yalnızca tecrübelerle tahmin edilmesinin zor olması, Moldflow analizlerinin önemini arttırmaktadır. Plastik enjeksiyon prosesi malzemenin dayanımı üzerinde de önemli bir etkiye sahip olmaktadır. Üretilen parçanın içinde malzemenin dağılımına göre farklı bölgelerde farklı dayanım değerlerine ulaşılabilmektedir. Moldflow analizleri ile enjeksiyon koşullarının belirlenmesi ile enjeksiyon sonrası parçanın geometrik, ölçüsel ve görsel kalitesinin tahmin edilmesinin yanı sıra dayanım özellikleri hakkında yorumlara xxiv Sensitivity: Public ulaşmak da mümkün olabilmektedir. Özellikle fiber katkılı malzemelerin parça içindeki fiber dağılım ve yönlenmeleri, parçanın bazı bölgelerinde dayanım artışını sağlarken bazı bölgelerde de zayıflamalara neden olabilmektedir. Yapılacak analizlerle parçanın spesifik bir bölgesinde, parçanın karşılaştığı zorlanma yönündeki dayanımının analiz ile elde edilebilmesi tasarımcıya gerçek parçada oluşacak sonuçları simüle edebilme imkanı sağlamaktadır. Çalışmada çamaşır makinesinin ön kapak gruplarında plastik kanca kullanımı amaçlanmıştır. Mevcut zamak malzemenin verdiği dayanıma cam fiber katkılı malzemenin vereceği zorlanmaya maruz kalan kritik bölgedeki dayanım artışı ile ulaşarak daha ucuz malzeme kullanımına ulaşmak istenmiştir. Çamaşır makinesinin çalışma koşullarında karşılaştığı kritik yüklenme durumu ortaya konularak yapısal analizle parçanın kritik bölgesinde maruz kaldığı gerilme değerleri belirlenmiştir. Sonrasında plastik kanca için yapılan prototip kalıp üzerinde farklı bölgelerdeki yolluk girişleri analiz edilerek optimum yolluk girişi bölgesi belirlenmiştir. Enjeksiyon koşullarında girdi olan parametreler değişken olarak tanımlanarak bu parametrelerin parça dayanımına ve diğer proses çıktılarına etkisi incelenmiştir. Her bir proses üzerinde ayrı ayrı çalışılarak karma etkiler de yorumlanmıştır. Bilgisayar ortamında yapılan çalışmalar tamamlandıktan sonra deneysel bir çalışma kurgulanıp uygulamaya sokulmuştur. Öncesinde Moldflow üzerinde yapılan proses çalışmaları enjeksiyona uygulanacak bir program halinde planlanıp prototip kalıp üzerinden baskılar alınmıştır. Alınan baskıların fiber dağılımları ışık mikroskobunda incelenerek fiber çapları ve uzunlukları ölçülmüş, fiber dağılımları Moldflow çıktılarıyla karşılaştırılmıştır. Daha sonra her bir prosesten 5'er adet numune çekme testine tabii tutularak kırılma değerleri not alınmış, grafiksel olarak Moldflow üzerinden alınan dayanım değerleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak malzemenin kritik yüklenme durumunda %50 cam fiber katkılı poliamid malzemenin en zayıf bölgesinde oluşan fiber yönlenmesi ile zamak malzemeden elde edilen kırılma performansına ulaştığı görülmüştür. Yapılan çalışma teorik modelleme, sayısal simülasyonlar ve deneysel doğrulama adımlarını içermektedir.

Abstract:
Plastics are used in many engineering applications due to their low cost, superior mechanical properties, suitability for mass production and recyclability. In cost improvement projects, plastic materials come to the fore as the first material that comes into mind when sufficient strength is provided. Plastic materials are used in many parts of washing machines. Looking at the process from past to present in the home appliance industry, where competition has reached a high level, it is seen that costs have gained importance and the use of plastic materials has increased. The analyses made with the developing technologies and the knowledge gained play a critical role as a factor that paves the way for the use of plastic materials. Production with plastic injection is one of the most preferred production methods in terms of suitability for mass production and manufacturability of complex geometries. The fact that there are too many parameters in plastic injection creates differences in the quality of the end product as a result of production. Thanks to the Moldflow analyses, these difficulties are overcome and it becomes possible to obtain realistic simulations by avoiding great time losses. Especially the fact that it is difficult to predict the injection behavior of fiber-reinforced materials only by experience increases the importance of Moldflow analyses. The plastic injection process also has a significant effect on the strength of the material. Depending on the distribution of the material in the produced part, different strength values can be achieved in different regions. By determining the injection conditions with Moldflow analyses, it is possible to estimate the geometric, dimensional and visual quality of the part after injection, as well as to reach an assessment about the strength properties. Particularly, the fiber distribution and orientation of the fiber- xxvi Sensitivity: Public reinforced materials in the part can increase the strength in some regions of the part and cause weakening in some other regions. With the analyses to be made, the strength of the material in a specific region of the part, in the direction of stress, can be obtained by analysis, providing the designer with the opportunity to simulate the results that will occur in the real part. In the study, it was aimed to use plastic hooks in the lid of the washing machine. It is desired to reach the strength given by the existing zamak material with the increase in strength in the critical region exposed to the stress caused by the glass fiber reinforced material and to reach the use of cheaper materials. By revealing the critical loading situation that the washing machine encounters under operating conditions, the stress values that the part is exposed to in the critical region were determined by structural analysis. Afterwards, the runner entrances in different regions were analyzed on the prototype mold made for the plastic hook and the optimum runner entrance area was determined. Input parameters in injection conditions were defined as variables and the effects of these parameters on part strength and other process outputs were examined. Mixed effects were also interpreted by working on each process separately. After the work done in computer environment was completed, an experimental study was designed and put into practice. Process simulations using Moldflow were planned as a program to be applied to injection and the parts were produced on the prototype mold. The fiber distributions of the produced parts were examined under the light microscope, the fiber diameters and lengths were measured, and the fiber distributions were compared with the Moldflow printouts. Then, five samples from each process were subjected to tensile tests and the force values on which hooks were broken were noted and compared graphically with the strength values obtained from Moldflow. As a result, it was observed that the material reached the breaking performance obtained from zamak material with the fiber orientation occurring in the weakest region of the 50% glass fiber reinforced polyamide material at the critical loading condition. xxvii Sensitivity: Public The study includes theoretical modeling, numerical simulations and experimental verification stages. Theorotical modeling is established using previous experiences which are gained from the older studies. Service failures and test leads the way to establish the theoritical modeling. This model provides prestudy to shape the detailed study. After the theorotical modeling, numerical simulations using Siemens NX and Moldflow were implemented. By taking the most critical loading contion of washing machine for hook into consideration structural analyses were implemented; then the by the help of manufacturing engineering experiences and material data sheet constrictions, process simulations are implemented on Moldflow. Finally experimental verification stages were performed in order to validate the numerical simulations. Obtaining minor differences between numerical simulations and experimental verification stages makes this study valuable.