Çamaşır kurutma makinelerindeki tekerlek milinin polimer kompozitten üretilmesi ve performans karakteristiğinin deneysel analizi
Manufacturing of wheel shaft in tumble dryer from polymer composite and experimental analysis of the performance characteristic
Yazar: ZEYNEP DAMLA TAN
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deneysel analiz = Experimental analysis ; Kurutma = Drying ; Kurutma sistemleri = Drying systems ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Çamaşır makineleri = Washing machines

Özet:
Her geçen gün hızlanan teknolojik gelişmeler ile birlikte, kompozit malzeme kullanım miktarı keskin bir şekilde artmaktadır. Günümüzde polimer kompozit malzemeler hafiflik, yüksek mukavemet, uzun ömürlülük ve kimyasal direnç gibi birçok avantajı nedeniyle metalik malzemelerin yerini almaya başlamış; daha hızlı üretilen parçalar, bu parçaların uzun süreler kullanılması ve bunların yanında daha ucuz üretim gibi etkenler sayesinde beyaz eşya, otomotiv, inşaat alanları başta olmak üzere birçok alanda kompozit malzeme kullanımı hızlanmıştır. Bununla birlikte üreticilerin kompozit malzeme kullanırken, uygun bir takviye ve matris malzemesi kombinasyonu seçerek, belirli bir amaç için belirli bir yapının gereksinimlerine tam olarak uyan özellikler üretebilmesi de bu malzemeleri benzersiz kılmakta ve kompozit yapılar sayesinde daha hafif, daha az enerji tüketen, daha ekonomik ve daha performanslı yapılar oluşturulmaktadır. 
Bu çalışmada yukarıdaki dinamikler ele alınarak; çamaşır kurutma makinesi tamburunun destek elamanı olan tekerlek milinin otomat çeliği (11SMnPb30)  yerine, malzeme seçimi , tasarım, maliyet, üretime uygunluk, test ve devreye alma koşulları değerlendirilerek, polimer kompozit malzemeden üretilip; güvenilir, uzun ömürlü ve kurutma makinasının 2000 çevrimlik ömrü boyunca hasara sebep olmayacak tekerlek mili elde edilmesi amaçlanmıştır.
Öncelikle çalışmanın ilk aşamasında detaylı bir literatür araştırması yapılmıştır. Benzer çalışmalar incelenmekle birlikte tekerlek mili malzemesi için birçok plastik malzeme ve kompozit lifleri , kritik malzeme özellikleri, maliyetleri ve üretim yöntemleri ile detaylı bir şekilde araştırılmış ve değerlendirilmiştir. Daha sonra çamaşır kurutma makinesinin yataklama sistemi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu bölümde tekerlek milinin bağlantı elemanları, temel görevleri, tekerlek milinden beklenen performans özellikleri tanımlanmış olup, tekerlek miline gelen maksimum kuvvetlerin hesaplaması yapılmıştır. 
Çamaşır kurutma makinelerinde tamburun üzerine yerleştirildiği bu milden beklenen performans, yüksek mukavemeti, yüksek sıcaklıkta mekanik özelliklerinde minimum değişiklik, kolay ve hızlı üretim, ağırlık azaltma ve uygun maliyettir. Bu araştırmalar sonucunda kurutma makinesinin çalışma dinamikleri doğrultusunda en uygun malzemeler seçilip, PA66 GF50 , PA6 GF 50 ve PBT GF 50 olarak üç seçeneğe düşürülmüştür. Üretim yöntemi de literatür araştırmaları doğrultusunda enjeksiyon prosesi olarak belirlenmiştir. Devamında milin kurutma makinesi üzerindeki montaj bölgesine uygun plastik tasarım alternatifleri üzerine çalışılmış, dinamik ve statik yük altında çentik etkisine bağlı kırılma ve deformasyon göstermeyecek bir tasarım hedeflenmiştir. Malzeme seçimleri ve tasarım çalışmaları sonucunda, üç farklı malzeme ve iki farklı tasarım değerlendirilmiş olup her iki tasarıma da üç malzeme için bilgisayar destekli tasarım programında analiz yapılmıştır.  NX 11 programı statik analiz sonuçlarına göre mevcut milin yerine; model seçimi olarak ince kesitleri azaltılmış Model 2, ağırlık, maksimum yer değiştirme ve maksimum gerilme sonuçları değerlendirildiğinde PA66 GF50 'nin en iyi sonuçları verdiği gözlemlenmiştir. Bu doğrultuda üç malzemenin parça başına üretim maliyetleri de hesaplanmış olup, mevcut otomat çeliği tekerlek milinin maliyetiyle karşılaştırıldığına PA66 GF 50 malzemesinin en uygun maliyete olduğu belirlenmiştir.
Çalışmaya en önemli kritik bölümlerden biri olan bu malzemelerin deneysel olarak performansının incelemesiyle devam edilerek üç malzemenin seçilen tasarımı içim prototip kalıbı yapılmış olup, Zwick makinesinde uygulan statik test ile dayanım değerleri ölçülmüştür. Bu çalışma sonucu bilgisayar destekli ortamdaki analiz sonucunu doğrulayarak kırılma kuvvetleri değerlendirildiğinde PA66 GF 50 malzemesinin en iyi sonucu verdiğini ortaya koymuştur.
Elde edilen sonuçlardan yola çıkılarak, PA66 GF50 malzemesi ile ilerlenilmesine karar verilmiş olup, enjeksiyon üretimi yapılan parçaların çalışmanın her aşamasında yapılan hata-risk analizi doğrultusunda, belirlenen standartlara uygun şekilde deneysel statik analiz testleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada, Sıcaklık değişimi ile  PA 66 GF50 parçaların mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimi gözlemlemek için testler yapılmıştır. Bunun yanında montaj ve su alma testi de uygulanmıştır. Testler pozitif sonuç vermiştir.
Çalışmanın son aşamasında, uzun süren test ve devreye alma koşulları sebebiyle, hızlı ömür deney düzeneği tasarımı yapılmış olup, mili çalışma kuvvet koşullarının çok üstünde hem dinamik hem de statik yükleme altına kırılmaya zorlayarak, makinenin toplam çalışma ömründe vereceği sonucun gözlemlenmesi hedeflenmiştir. Bu sonuç için Reliability analiz yöntemi kullanılmış olup, Reliasoft programı ile parçanın uzun ömürdeki güvenilirlik katsayısına ulaşılmıştır. Çalışma sonucunda güvenilirlik katsayısı 1 olarak bulunmuş ve milin uzun ömürdeki performansındaki hata olasılığı sıfır olarak hesaplanmıştır. Çıkan sonuç doğrultusunda PA66 GF 50 malzemesinden üretilen milin güvenli olduğu ortaya konulmuştur. Yapılan hızlı ömür deney düzeneği ile test ve onay süresi bir yıldan altı aya indirilmiştir.  Bunun yanında bir senede üretilen 1,500,000 adet makinede toplamda 83,1 ton ağırlık azaltılması yapılmış ve 295,200 € maliyet iyileştirmesi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The use of composite materials has increased sharply with the ever-accelerating technological advancements. Today, polymer composite materials have replaced metallic materials owing to numerous advantages such as lightness, high strength, long-life, and chemical resistance. Pieces are manufactured faster, used for longer time periods and manufacturing process is cheaper. All these factors have boosted the use of composite materials in several areas particularly including white appliances, automotive and construction sites. These materials are also unique since manufacturers prefer an optimal combination of supportive and matrix materials when using composite materials to bring out features that best fit the needs of a certain structure for the intended purpose. Lighter, less energy-consuming, cost-effective and higher-performance structures are formed thanks to composite materials. 
The aim of the present study is to obtain a reliable and long-lasting wheel shaft made of polymer composite material that will not cause damage throughout 2000 cycle-life of a tumble dryer; by assessing material selection, design, cost, compliance for manufacturing, testing and commissioning conditions based on the foregoing dynamics instead of using free-cutting steel (11SMnPb30) as the support element of a tumble dryer drum.
A comprehensive literature review was conducted in the initial stage of the study. Similar studies were reviewed, and a comprehensive research and analysis were performed on various plastic materials and composite fibers, critical material features, costs, and manufacturing methods for the wheel shaft material. After that, bedding system of the tumble dryer was analyzed in detail. The fittings of the wheel shaft, their basic functions and the expected performance characteristics of the wheel shaft were defined in this section and the maximum incoming forces of the wheel shaft were measured. 
Expected performance from this shaft, on which the drum is placed, is high strength, minimum change in mechanical properties at high temperatures, easy and fast production, weight reduction and cost-effectiveness. As a result, the most appropriate materials were selected based on the operational dynamics of the tumble dryer and options were reduced to three alternatives as PA66 GF50, PA6 GF50 and PBT GF50. Injection process was determined as the manufacturing method in accordance with the literature review. Thereafter, plastic design alternatives to best fit the shaft's mounting area on the tumble dryer were examined with the goal to achieve a design that would not break or get deformed under dynamic and static load due to notch effect. Three different materials and two different designs were evaluated based on the material selection and design studies and computer-assisted designing software was used to analyze the three materials in both designs.  According to NX 11 software statistical analysis results; Model 2, PA66 GF50, with reduced thin sections, generated the best outcomes when preferred over the current shaft, considering the results of weight, maximum displacement and maximum stress. Manufacturing costs of three materials were also estimated on piece-basis to find out that PA66 GF50 was the least costly material when compared with the cost of the current free-cutting steel wheel shaft.
The study continued with the experimental analysis of the performance of these materials, which was one of the most critical parts of the study. A prototype model was produced for the preferred design of the three materials and resistance values were measured using the static test on Zwick machine. The result of the study confirmed the analysis result achieved in the computer-assisted environment to reveal that PA66 GF50 material generated the best outcome when the failure force were evaluated.
Based on these results, it was decided to continue with PA66 GF50 and experimental statistical analysis tests were performed based on the standards determined in line with the error-risk analysis performed at each stage of the operation of the pieces manufactured by injection. At this stage, tests were carried out to observe the change in the mechanical properties of PA 66 GF50 parts with temperature change. In addition, the water intake and assembly test was also applied. The tests gave positive results.
At the final stage of the study, fast life experimental setup was designed due to time-taking testing and commissioning conditions and the shaft was forced to break under both dynamic and static loading, far beyond the operational force conditions of the shaft, with the goal to observe the effect on the total operational life of the machine. Reliability analysis was used to achieve this result and the long-life reliability coefficient of the piece was reached on Reliasoft software. In conclusion, reliability coefficient was achieved as 1, and error probability in the long-life performance of the shaft was measured as zero. The results obtained revealed that the shaft made of PA66 GF50 material was reliable. With the rapid life test setup, the test and approval period was reduced from one year to six months. In addition, total of 83,1 tons of weight reduction was made for 1,500,000 machines produced in a year, and a cost improvement of 295,200 € was achieved.