Ev tipi fırınlarda kullanılan hareketli raf mekanizması yataklarının polimer esaslı malzemelerle tasarım ve imalatı
Design and manufacturing of bushings of movable shelf mechanism in house type ovens using with polymer based materials
Yazar: RAMAZAN RIDVAN SEKMEN
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Fonksiyonel polimerler = Functional polymers ; Kaymalı yatak = Slide bearing ; Yüzey aşınması = Surface wear

Özet:
Günümüzde, fırınlar yaşamımızın birçok alanında kullanılan önemli eşyalardandır. 200°C gibi yüksek sıcaklıklarda pişirme imkânı sunan fırınlarda kimi zaman gıdanın üstünün veya altının daha iyi pişmesini sağlamak için raf seviyesini değiştirmek isteriz. Pişme esnasında, kapağın açılıp yer değişikliğinin yapılması, sıcaklık değerleri düşünüldüğünde zordur. Bu amaçla insanlara hem kullanım kolaylığı hem de enerji tasarrufu sağlamak adına hareketli raf mekanizmasına sahip bir fırın geliştirilmiştir. Bu sayede, kullanıcı fırın kapağını açmadan tepsi otomatik olarak pişirilecek gıdaya uygun raf seviyesine gelebilmektedir. Geliştirilen hareketli raf mekanizması hareketi için tasarlanan yataklama sistemi üzerinde geliştirmeye ve değişikliğe açık alanlardan biri olan yatak parçaları üzerinde optimizasyon çalışması ihtiyacı doğmuştur. Bu ihtiyaca cevap vermek adına, tez kapsamında metal olarak tasarlanan yataklar yerine polimer esaslı malzemeler kullanılarak yatakların yeniden tasarımı üzerine çalışmalara başlanmıştır.
Çalışmalar sırasıyla araştırma, malzeme seçimi, deney, tasarım ve imalat aşamalarını içermektedir. Araştırma kapsamında benzer uygulamalarda kullanılmak üzere çeşitli malzemelerin denendiği belirlenmiştir. Bu malzemelerden PTFE ve PA başta olmak üzere polime esaslı malzemeler farklı yükleme, hız ve sıcaklık koşullarında bazı testlere tabi tutulmuşlardır. Özellikle aşınma ve sürtünme mekanik özellikleri ile ilgili malzemelerin karakterleri ortaya konmuştur. Hazırlanan bu tez de benzer bir çalışmalar bütünü içermektedir. Farklı olarak bir sistem için tasarım kriterleri de göz önüne alınarak çalışma tamamlanmıştır.
Çalışma için önce sistem gereksinimleri belirlenmiştir. Malzemesi seçilecek olan yatakların maruz kaldığı sıcaklık, sistemin kaldırabileceği yük miktarı ve mekanizmanın düşey hareket hızı en önemli girdi olarak kullanılmıştır. Sıcaklık olarak 250°C, yük olarak 10kg ve hız olarak 9m/s belirlenmiştir. Bu şartlar sürekli kullanım için değil en zorlanmış şart olarak düşünülmelidir.
Ardından firmalardan koşullara uygun olduklarını söyledikleri dört farklı malzeme siparişi verilmiştir. Katkısız PTFE, katkısız poliimid, karbon katkılı poliimid ve son olarak termoplastik poliimid yatak malzemesi olarak tedarik edilmiştir. Bu malzelerden deneyler için yatak parçaları hazırlanmıştır.
DSC analizi yapılarak malzemelerin sistemin çalışma sıcaklıklarına uygunluğu sorgulanmıştır. DSC analizi sonucunda her bir malzemenin sıcaklık açısından sorunsuz çalışacağı belirlenmiştir.
Deneyler yapılırken yeni bir deney düzeneği hazırlamak yerine mevcut fırın şasisi ve mekanizmalar kullanılmıştır. Üzerlerinde bir takım iyileştirmeler yapılarak, deneye hazır hala getirimiştir. Bu deney düzeneği malzemelerin aşınma karakterini belirlemek için tasarlanmıştır. Mevcut malzemeler incelenmiştir. Bunlar arasından katkısız teflon, katkısız polyimide, karbon katkılı polyimide ve termoplastik polyimide seçilerek deneylere başlanmıştır.
Deneyler sonucunda yatakların mekanik karakteri belirlenmiştir. Yatakların iç orta bölgelerinden ziyade uç kısımlarına yakın yerlerde hasar tespit edilmiştir. Deneyler sonucunda ve malzeme özellikleri kıyaslandığında karbon katkılı polyimide tasarım için uygun bulunmuştur. Düşük ısıl genleşme katsayısı bu tercihte etkin rol oynamaktadır. Tolerans değerleri belirlenirken hesaplamalarda önemli farklara sebep olmaktadır.
Çalışmanın son safhası olan tasarım ve imalat aşamasına geçilmiştir. Başta mil referans ölçü kabul edilerek ölçülendirme işlemi yapılmıştır. Bunun sonucunda yatak iç çapı 6mm, dış çapı 10mm ve son olarakta boyu 23mm olarak belirlenmiştir. Yatakların plastik enjeksiyon yöntemiyle üretimi önerilmiştir.
Çalışmalar kapsamında ayrıca hareketli braket parçasında bazı iyileştirmeler yapılmıştır. Merkezleme çıkıntıları sayesinde yatakların hasar görmesi engellenmiştir. Mil için sıcaklık değişkeni göz önünde bulundurularak zamanla mil yüzeyinde çatlaklar oluşabilir. Bu durum da düşünülerek tasarım tekrar gözden geçirilmelidir.
Bu çalışma sayesinde; "ev tipi fırın sıcaklıklarında çalışabilecek polimer esaslı yatak malzemeleri" konusunda bir tez oluşturulmuştur.

Abstract:
Today, an ovens are used in many areas of our lives is one of the important things. At temperatures as high as 200°C, offering the possibility of cooking food in the oven, sometimes the top or bottom shelf level to ensure better cook would want to change. It is difficult to open the door of oven and to change place of cooked food while cooking at these temperatures. For this purpose, an oven with a moving rack mechanism has been developed for both ease of use and to ensure energy saving.
In this way, the user without opening the oven door tray of food to be cooked automatically to the appropriate shelf level can be reached. Using this mechanism, foods will be cooked in a short time. Changing the level of tray for roasting is caused lost of time. The user first open the door of oven, second take the tray outside of oven cavity and last put the tray top or bottom level of rack. It takes time and the user has to control food to plan the time that is the changing level and stoping the cooking. The movable shelf mechanism will help this need. There will not any need to open the door while cooking to change place of food. This mechanism will change the level automatically.
The oven has a two movable shelf mechanism. One is at right side and the other is at left side of oven. Front side is the area where users put foods inside the oven cavity from there.
Movable shelf mechanism developed bushing systems designed for movement and changes on the development of open space is one of the optimization studies on the bushing parts were needed. To address this need, in this thesis, it has started to work on the design of the bushings by again using polymer-based material instead of metal material.
Respectively research studies, material selection, testing, design and manufacturing stages are included.
There are lots of studies about polymer materials. Especially, PTFE and PA are used as a bushing part. Because of their performance, they are chosen. If the fillers that glass fiber, carbon fiber, bronze, copper etc. are used in them, their mechanical and chemical performances are increased. Some of them are wear, friction, UV. These properties are defined with some test and test conditions.
The important parameters are velocity, load, time, temperature for the test conditions.
Some of the researches are taken to use as reference before beginning the experimental studies of thesis. It was seen that polymers with filler have higher mechanical performance instead of unfilled polymer, and the effects of velocity, load, temperature are changing depending on material. In generally higher load means higher wear. The highe velocity is sometimes higher coefficient of friction but sometimes is lower friction it depends on material.
After these literature studies, there is given information about what are the needs of movable shelf mechanism.
The most important parameter or need is temperature. The maximum oven temperature is 280°C for cooking area and it was expected that the area of mechanism could be maximum 250°C. The other parameters are weight and velocity. The maximum weight is 10kg that mechanism is design to carry this weight. Lastly, 9m/s is the vertical sliding velocity of mechanism.
The other part of thesis is selection of material of bushing. Four materials are chosen randomly, but they are suitable for the bushing of this mechanism and its parameters and its needs. They are pure PTFE, pure polyimide, carbon-reinforced polyimide and thermoplastic polyimide. They are prepared for experiment as a bushing part of mechanism that length is 20mm, inner diameter is 6mm and outer diameter is 10mm. Before experiment, some calculation was done to define the character of bushing behavior. It was show that the end portion of bushing can be damaged while the mechanism is working.
Experiment setup was prepared but not a special setup. The ovens itself and mechanism itself was used for experiment. Just some editing was done. For example, the backside of body of mechanism was cut, the algorithm of electronic card was changed, and just inside body was used instead of whole body.
The four materials were tested at the same time, because the bushing system lets us for this. Two of material were put right side and two of material were put left side.
Difficult experiment conditions were chosen. The velocity and place weight were changed. 10kg was put on front side of rack and the vertical sliding velocity was made 11m/s. The mechanism worked 20 hour and it was matching 210m. Bushing system was heated with ceramic heater. It could reached 150°C.
First experiment was done for material resistance against the temperature. DSC analysis was used for this experiment. It shows that, all of the material could work at oven temperature.
After this test, wear test was done and its result supported the calculation of bushing's character. The end portion of bushings were damaged. Pure PTFE and carbon- reinforced polyimide did not loss their weight but all of the materials were damaged under normal forces, which are effected on end portion of bushing.
The last stage of selection material is comparing other mechanical properties. Most of the mechanical properties are same but because of the minimum coefficient of linear thermal expansion, carbon-reinforced polyimide was chosen for design.
According to experiments, PTFE has a same performance as a carbon reinforced polyimide, but it has five times bigger coefficient of linear thermal expansion than carbon reinforced polyimide. This is the important comparison for selecting material. The big coefficient of linear thermal expansion means big tolerance for design.
The last part of study is design and manufacturing.
After defining the material, some engineering calculations were done for dimensioning. These calculations were done for the 250°C environment temperature, which is the temperature of mechanism standing area. The mile tolerances, bushing tolerances and the movable bracket tolerances are calculated step by step. Manufacturing tolerances also are added in calculations. The tolerances of bushing and bushing system were defined as sliding fit.
The mile, which the bushing is sliding vertically on it is used with same dimensions which are chosen for the mechanism before. Other dimension was selected to reference to the mile. The inner and outer diameter of bushing did not change but the length of it became 23mm. because the calculations that show character of bushing system and confirmed by experiment. There are other dimensions changing for bushing system.
Besides designing bushing, some solutions were presented about bushing system. Centering, changing some dimensions are some of them.
For the manufacturing process, injection molding was suggested for bushing, and aluminum injection molding was suggested for moveable bracket, also the design of it was made. Selecting the aluminum injection molding, the weight of the moveable bracket will be decreased.
For this system, many materials can be experiment. The best decision will be given after lifetime experiments. There can be other situation while cooking for example oil is one of them. If the mile surface coats with oil, how will be the bushing performance. In addition, material of mile can be change with other types of steel and manufacturing process. The temperature can caused some cracks on chromium mile because of lower and higher temperature changing.
Thanks to this study thesis has been created about "polymer-based bushings that runs on household oven temperatures".