Rapor - Makale > Kalıp Teknolojileri > Bilgisayar destekli plastik enjeksiyon kalıbı tasarımı:

Bilen Emek Abalı
Makine Müh. Böl., İstanbul Teknik Üniversitesi
Şubat 2006, İstanbul

Not-1: Orijinal olarak TurkCADCAM.net Dergisi 2. Sayısı için hazırlanmış bu makale, Nisan 2007'de TurkCADCAM.net Portalı'nda yayınlanmıştır.

Not-2: Bu makale, aşağıdaki bitirme tezinin sadeleştirilmiş versiyonudur:

Plastik Enjeksiyon Kalıbı Tasarımı
İTÜ Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü,
Güz, 2005-2006 dönemi bitirme tasarım projesi:
Hazırlayanlar: Melih Koçak, Bilen Emek Abalı
Danışman: Yard. Doç. Dr. Vedat Temiz

Bu tezin PDF formatlı orijinalini aşağıdaki linkten indirebilirsiniz;
PlastikEnjeksiyonKalibiTasarimi.pdf (114 sayfa - 7,5MB)

1 Giriş

Bu çalışmada, plastik enjeksiyon üretim yönteminin avantajları ve gelişmiş özelliklere sahip polimer malzemelerin çeşitliliği ile ülkemizde de yaygın mühendislik çalışmalarıyla gelişen plastik enjeksiyon kalıbı tasarımcılığında yeri artan bilgisayar destekli konstrüksiyonun kullanımı ve basit bir kalıp tasarımında uygulamalı örneklenmesi hedeflenmektedir.

Ürün, bir el matkabının gövdesinin bir yarısıdır. Ürünün tasarımı üzerinde durulmamıştır. Plastik malzemelerle konstrüksiyon için hem tecrübe hem de üretim yönteminin sınırları bilinmelidir [1].
CAD ortamında, ürünün kalıp tasarımı CATIA V5 yazılımı ile yapılmıştır ve bütün adımlar, karşılaşılan sorunların muhtemel nedenleri ve çözüm önerileri anlatılmıştır. Tasarımın CAD ortamında yapılması ile çekme payı hesaplamaları ve kalıbın çalışmasına engel olabilecek konstrüktif hatalar kolayca öngörülmüştür.

Enjeksiyon çevriminin en uzun zaman dilimi kalıbı dolduran eriyiğin soğutulmasıdır. Bu yüzden bir parçanın üretim zamanını en çok etkileyen aşaması soğutma sistemi tasarımıdır. Kanal boyutlandırması, kalıp ve plastik malzeme ısıl özellikleri, ortam koşulları ve üretim hassasiyetine dayanan, tasarımın verimliliğini dolayısı ile soğuma zamanını etkileyen birçok parametre vardır. Tüm bu parametreleri belirleyebilmek ve içerebilecek bir formül yaratmak imkansızdır, ancak bazı yaklaşımlar ve ampirik sonuçlara dayanan tecrübeler bulunmaktadır. Bu bilgiler ile tasarlanan soğutma kanalları, CFD (Computational Fluid Dynamics - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) metoduna dayanan Moldflow (Plastics Insight V5) yazılımı aracılığı ile denenmiş ve geliştirmeler yapılmıştır. Eriyiğin kalıba dolması, akış, ürünün mekanik özelliklerini etkilemektedir. Akış analizi yapılmış ve olası sorunlar incelenmiştir. Ürünün, kalıptan çıktığında sahip olacağı sıcaklık farkları iç gerilmeleri yaratacak ve çarpılmalar oluşacaktır. Çarpılma analizi FEM (Finite Elements Method - Sonlu Elemanlar Yöntemi) ile yine Moldflow programına çözdürülmüştür. Kullanılan yöntemlerin matematiksel altyapısını algılayıp, parametrelerin seçilmesinde gösterilen özen, gerçeği yansıtan sonuçlar alınmasının tek şartıdır.

2 Ürün Geometrisi

Ürün, bir el matkabının dış kabının yarısıdır; Resim 1 ve Resim 2'de görülmektedir;

Resim 1, 2 - Ürünün önden ve arkadan görünüşü

Tek açılımda üretilebilecek basit bir parçadır. Kalıp tasarımını kolaylaştıracak bir ayırma düzlemi mevcuttur. Duvar kalınlıkları değişkenlik göstermemektedir ve soğuma esnasında çökmenin gerçekleşebileceği yerlere kaburgalar ile destek yapılmıştır. Dış tarafta kalan kısımda bir yazı yazılmıştır (simgesel olarak bu tasarımda M & E harfleri kullanılmıştır). Hassas işleme başarısı sebebi ile elektro erozyon son pasoda tercih edilir. Üründe kabartma yapmak için kalıpta oyuk-çukur oluşturmak gerekecektir ve sadece yazının işlenmesi geri kalan tüm yüzeyin işlenmesinden kolaydır. Bu yüzden, yazının kabartma olması, kalıbın üretimi açısından daha az maliyetlidir. Genelde 1mm'yi geçmeyen kabartma yazılar duvar kalınlığını değiştirmektedir. Daha geç soğuyacak olan bu bölümün çökme olasılığı cidar kalınlığı yüzünden daha fazladır, fakat aksi yönden yazının olduğu kısım kalıp ile daha fazla yüzeyden temas halindedir (temas yüzeyi / hacim daha büyüktür), ki bu durum soğumanın etkinliğini arttırmaktadır ve çökme gerçekleşmemektedir. Yazıların dolma anına dikkat etmeli ve tam dolma sağlanacak, mümkünse hava sıkışması yaratmayacak (değilse havalandırma kanalları açılmalıdır) yönelimi sağlayacak enjeksiyon noktası (noktaları) seçilmelidir.

3 Malzeme Özellikleri

Ürün için, malzeme olarak ABS seçilmiştir. Oldukça iyi ve dengeli özellikleri nedeni ile günümüzde giderek daha fazla kullanım alanı bulan ABS, Akrilonitril, Bütadien ve Stiren' den oluşan bir termopolimerdir ve bu polimerlerin oranlarında oynamalar yapılarak ABS'nin özelliklerini belli ölçülerde değiştirmek mümkündür.

4 Kalıp Tasarımı

Kalıp tasarımı için CATIA V5 programının Core & Cavity ve Mold Tooling arayüzleri [2] kullanılmıştır.

4.1 Model Transferi

IGES formatında gelen parça CATIA programında açıldıktan sonra ilk önce Join komutu ile yüzeyler bir araya toplanmış, Healing ile de birbirine 0.1mm'den daha yakın olan noktalar birleştirilmiştir (merging). Daha sonra Part arayüzünden Close Surface komutu ile, yaratılan yüzeyler topluluğu bir katı model haline getirilmiştir. Topolojideki bu modifikasyon, programın her arayüzde yüzeylerle çalışamamasından zorunlu kılınmıştır. Model transferinin başarısı daha sonraki çalışmaların tümünü olumlu yönde etkilemektedir.

4.2 Çekme Payı Girilmesi

Her kalıplama çeşidinde, sıcak giren malzeme katılaşırken ısı kaybeder ve katı hale geçerken küçülür. Bu yüzden kalıplar parça teknik resminde istenen boyutlardan büyük yapılırlar. Çekme hesabı lineer olarak yapılır ve uzunluğa bağlıdır. Malzeme sağlayıcıdan bu bilgi temin edilebilir. Kullanılan malzemenin çekme aralığında olan 0.01 m/m  değeri esas alınmıştır. Model ilk önce Scale komutu ile xy, yz, xz alanlarında sırası ile 1.01 oranı ile çarpılarak büyütülür.

4.3 Kalıp Ayrım Hat ve Yüzeylerinin Çıkarılması

Core & Cavity Design arayüzünde, Pulling Direction komutu ile, kalıp açılma yönünü belirterek yüzeyler otomatik olarak atanır ve Transfer Element ile erkek (core) ve dişi (cavity) kalıp arasında yüzeylerin yeri değiştirilir. Böylece belirlenen renklerle erkek ve dişi kalıp görselleştirilir (bkz. Resim 3).

Resim 3 - Erkek (kırmızı) ve Dişi (yeşil) kalıplarının patlatılmış görünümü

4.4 Kalıp Yüzeylerinin Büyütülmesi

Oluşturulan erkek ve dişi kalıp yüzeyleri, kalıbın yontulmasında kullanılacaktır ve yüzeyler devamlı olmalıdır. Bu yüzden tüm delikler Fill komutu yardımı ile doldurulur ve Aggregate Mold komutu ile erkek ve dişi kalıp yüzeyleri ayrı ayrı birleştirilir, tek yüzey yaratılır. Son olarak oluşturulacak kalıptan daha büyük bir yüzey, kalıp ayrım düzleminde oluştulmalı ve parça izdüşümü (project 3D komutu) bu yüzeyden kesilerek (shape design arayüzündeki split face komutu) ayrılmalıdır. Tüm bu yüzeyler Join komutu ile birleştirilir (örnek isim : CoreSurface).

4.5 Kalıp Gövdesinin Modellenmesi

Yapılması gereken ilk işlem, Tools /Options /General /Document /Link Documentation Localisation /Other Directory /Modify komutu ile oluşturulacak parçaların hangi klasöre atanacağını belirlemek gerekmektedir. Daha sonra New Mold komutu ile seçim yapılabilir.

Resim 4 - Kalıp seçilirken plakaların öngörünümü

Resim 5 - Modelin yerleşimi

Resim 6 - İlişkilendirmeler

Erkek ve dişi kalıp üzerinde oluşturulacak yüzey kesme işlemi Split Component ile yapılır (mavi işaretli, bkz. Resim 6). Sonuç sadece erkek kalıp için Resim 8'de görülmektedir.

Resim 7 - Komut gösterimi

Resim 8 - Kalıp gravürü

4.6 Hazır Parçaların Seçimi ve Yerleşimi

Dassault Systems CATIA V5'te bulunan Mold Tooling Design arayüzü yardımı ile standart elemanları eklemek mümkündür. İstenen eleman katalogdan seçilip, yeri için model üzerinde bir noktaya tıklanmalıdır. Standart kalıpların üzerinde tavsiye edilen delme noktaları bulunmaktadır. Eklenen standart elemanlar ürün ağacına (product tree) birer component olarak eklenecektir. Üzerlerinde değişiklik yapmak için sağ tıkla object menüsüne girilmelidir. Bunun nedeni şöyle açıklanabilir. Standart eleman seçildiğinde eklenirken gereken delik delme, diş açma işlemleri yapılmaktadır. Componentin delete component yerine delete komutu ile silinmesi sonucu bu işlemler kalacaktır (model üzerinde delik, açılmış diş gibi). Merkezleme pimleri, burçlar, sabitleme civataları, itici milleri, taşıma halkaları gibi hazır parçalar eklendikten ve soğuma kanalları işlenip, meme eklendikten sonra kalıbın bitmiş halinin patlatılmış montaj görünümü Resim 9'dadır.

Resim 9 - Bitmiş kalıbın patlatılmış 3B resmi

Soğutma kanalları bahsi geçen bölümlerde, tavsiyelere dayanılarak tasarlanmış ve bir sonraki bölümde anlatılan yöntemle de sınanmıştır.

CFD (Computational Fluid Dynamics - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ve FEM (Finite Elements Method - Sonlu Elemanlar Yöntemi) ile analizler, basit formüllerle hesaplanamayan geometrinin, aynı formüllerle hesaplanabilecek geometrilere ayrıklaştırılması ile yapılırlar. Bu ayrıklaştırma yardımı ile de ağ örülür (mesh). Yükselen eleman sayısı ve düzelen eleman formu sonuçları gerçeğe yakınsatacaktır. Moldflow, Fusion isimli algoritma ile yüzeylere üçgen elemanlar (trias) atayabilmektedir. Fusion yöntemi, genel anlamda 2B yapısal olmayan bir algoritma ile ürünün üst ve alt yüzeylerini ayrı ayrı ayrıklaştırır, orta düzlem (midplane) meshinden alınan sonuçlar açısından çok farklı olmayacaktır. Düzeltmelerin ve 3B tetrahedral elemanların (çarpılma analizinin gerçekleşmesi için gerekmektedir) oluşturulabilmesi için mesh yöntemi olarak tercih edilmiştir. Sonucun genel görünümü Resim 10'dadir.

Resim 10 - Oluşturulmuş mesh yapısı

Hiçbir algoritma, insan desteği olmadan, en iyi mesh yapısını gerçekleştiremez. Gelişen grafik arayüzleri ile yapıyı görselleştirmek ve kolayca düzeltmeler yapmak mümkündür. Yapılan düzeltmelerden ikisi şöyledir.

Basıklık oranı; üçgen elemanın en uzun kenarının ona ait yüksekliğe oranıdır. Eşkenar üçgen (oran: 1) ideal eleman formudur. İstenen değerin üzerinde basıklık oranına sahip olan elemanlar otomatik olarak işaretletilebilir. 2B elemanlar için bu oranın 6 (altı) değerini geçmemesi tavsiye edilebilir. Aslında akış yönündeki eleman uzamasının sonuca etkisinin olmadığı bilinmektedir [3], fakat elemanların işaretlenmesinde akış yönü dikkate alınmamaktadır, zaten henüz hesaplama yapılmadan akış yönelimi öngörüsü sağlıklı olmayacaktır. Sorunlu elemanlara örnek ve node birleştirmeleri yapılarak elde edilen bir çözümü Resim 11 ve Resim 12'te görülmektedir. Çok büyük değerleri işaret eden elemanların nodeları bir çizgi üzerinde birleşmiş gibi görünmektedir. Bunun gibi aşırı yüksek değerler yüzey formundan da kaynaklanabilmektedir, bu durum CAD programından modelin aktarılma şeklinden ortaya çıkmaktadır.

Resim 11 - Basıklık Oranı sorununa örnek elemanlar

Resim 12 - Düzeltilmiş Basıklık Oranı sorunu

5.1.2 Eleman İyileştirme

Bahsedildiği gibi eleman formlarını iyileştirmek mümkün, çoğu zaman da gereklidir. Merge Nodes (nodeları birleştirmek için), Swap Edges (ortak kenara sahip iki elemanın bu kenarını aralarında ortak eleman barındırmayan iki node arasına yerleştirmek için), Insert/Move Nodes (node yerleşimlerini değiştirmek için) gibi komutlar aracılığı ile iyileştirilmiş eleman yerleşimi ve öncesi Resim 13 ve Resim 14'te görülmektedir.

Resim 13 - Atanan Mesh sonucu eleman yerleşimi

Resim 14 - Yapılan düzeltmeler sonucu eleman yerleşimi

5.2 Mesh Sonuçları ve Eleman Dönüşümü

Mesh Statistics ile yapı kontrol edilmiş ve yeterli değerlere gelinene dek Fusion mesh yapısının üzerinde değişiklikler ve geliştirmeler yapılmıştır. Son olarak mesh, 3B elemanlar seçilerek yeniden yapılmıştır. 3B eleman kullanmak çarpılma analizi için gereklidir.

Yapılan simülasyonların sonucu, belirli an ve noktalardaki değerler yerine genel davranışın gözlenmesine olanak sağlayan sabit ve hareketli grafikler üzerinden görselleştirilmektedir. Tanımlanan malzemenin (ABS) tam dolum sağladığı, herhangi bir hava sıkışması yaratmadığı ve yanmadığı dolum simülasyonu sonuçları ile teyit edilmiştir. Akış (flow) analizi, hem dolum (fill) hem de ütüleme (packing) simülasyonlarını içermektedir. Akışın beklendiği gibi, memenin birleştiği noktadan parça içinde yönelimi Resim 15'da gösterilmektedir.

Resim 15 - Akışın yönelimi

Burada dikkat edilmesi gereken nokta, akışın düzgün yönelmesi, köşe veya delikler etrafında döngü yapmaması ve tek bir çizgi üzerinde birleşmemesidir (bu tarz bir birleşme mukavemeti fazlaca düşürecektir).
Kalıp dolduktan sonra, enjeksiyon silindirinin kontrolü hızdan basınca geçer ve sabit, soğurken gerçekleşen çekmede arkadan malzeme takviyesi yapılabilmesini sağlayacak kadar bir basınç uygulanır (ütüleme). Basınç kesilir ve istenen bir süre daha kalıp içerisinde parça soğutulur (soğuma). Gerek malzeme gerek işlem gereksinimli parametreler ile bu işlemler simüle edilmiştir, soğutma kanallarının davranışı ve verimi incelenmiştir (bkz. Resim 16); devam eden hesaplama ile çarpılma öngörülmüştür.

Resim 16 - Soğutma kanalı verimi

Çarpılmayı azaltmak hem konstrüktif hem de enjeksiyon parametrelerde değişiklik ile mümkündür. Resim 17 ve Resim 18'de çarpılmanın, görsel amaçlı yirmi katına çıkarıldığı hal görülmektedir.

Resim 18 - Çarpılmanın görselleştirilmesi

Ürünün bir diğer yarı ile birleşerek kullanılacağı öngörüsü ile, özellikle birleşme yerindeki çarpılmaya dikkat edilmiş ve 0,4% benzeri değerler meydana geldiği için önemsenmemiştir.

Dolum süresince enjeksiyon basıncı, hızı sabit tutmak için değişmektedir. Bu durumda kalıbın hareketli kısmına etki eden, kalıbı açmaya çalışan kuvvet de değişmektedir. Bu kuvveti dengeleyen kapama kuvvetinin zamanla değişimi Resim 19'de görülmektedir.


Resim 19 - Kapama Kuvveti - Zaman diyagramı

Yapılacak kapama mekanizmasının seçimi (hidrolik-mekanik) ve konstrüksiyonu burada ortaya çıkan en yüksek kuvvete göre yapılmalıdır.

Soğuma analizinde, sonuçlar yeterlidir fakat soğutma borularından alınan verim azdır. Sonuçların yeterli olması ve şebeke suyunun kullanılabilmesinin getirdiği mali avantajlar, soğutma kanalı tasarımını kabul edilebilir kılmıştır.

Öte yandan kanalların enine değil de boyuna açılması da denenmiş, fakat en zor soğuyan ön görünüşte sağ üst (özellikle delikli uzun kısımlar) kısımların kötü etkilenmiş olması bu durumdan vazgeçirmiştir.

Akış şekli, yönelimi ve hızı uygundur. Üretim şartlarına bağlı olarak işlem zamanı kısaltılmak istenebilir. 30 saniyeyi bulan toplam işlem zamanı sıcak yolluk veya bu durumda uygulanan direk nokta giriş kullanımını gerekli kılmaktadır [4].

Önden görünüşte sağ alt kısmın çarpıldığı gözlenmiştir. Binde dört (0,4%) kadar düşük çarpılmalar önemsiz görülmüştür.

Kalıp tasarımını birçok parametre etkilemektedir ve konstrüktörün görevi bu parametrelerden optimum bir sonuç çıkarabilmektir. Sonuca giden yolda hesaplamalı analizlerin yardımı büyüktür ve doğru uygulandığı takdirde maliyete olumlu etkisi en yüksek olan parametredir. Üç boyutlu modelleme artık vazgeçilmez bir unsur olmuştur ve eksikler kolayca giderilmektedir.