Bu yüksek lisans tezi bilgisayar destekli tasarım ve hacim kalıp tasarımını birleştiren bir araştırma çalışmasını içermektedir. Enjeksiyon kalıp tasarımı, maliyet hesabı ve imalatı, plastik malzemelere dayalı seri üretimde çok önemli bir yere sahiptir. Kalıp tasarım aşaması, hata yapma olasılığının fazla olduğu pahalı ve yorucu bir çalışmayı gerektirir.
Geleneksel tasarım yöntemleri (tasarımcı bilgi/tecrübe/yeteneğine bağlı) genelde olumlu sonuçlar vermemekle birlikte bilgisayar destekli sistemler (daha etkin/ optimum tasarım ve imalat ilişkili problemleri aşmak için) çok daha faydalı ve etkin olabilmektedir. Alexander PARKES tarafından bulunan ilk insan yapımı plastik ile birlikte plastik 1862 yılında Londra'da düzenlenen Uluslararası Fuarda ‘Parkesine’ adlı kalıp ile birlikte sergilenmiştir.
Parkesine kalıbı, ısıtmalı ve soğutmalı bir sisteme sahiptir. 1868 yılında Amerikalı mucit John Wesley Hyatt bitmiş formu işleyerek ve iyileştirmeler yaparak ‘Celluloid’ isimli plastik bir malzeme geliştirmiştir. Kardeşi Yeşaya ile birlikte 1872 yılında ilk enjeksiyon kalıp makinesi patentini almıştır. Burada ilk defa kalıp kullanan Hyatt günümüz makinelerine göre basit bir enjeksiyon kalıbı icat etti. Bu makinede kalıp içine ısıtılmış bir silindir ile plastik enjekte etmek için piston kullanıldı ve düğme, tarak vb. ürünler üretildi.
1946’da Amerikalı mucit J.W. Hendry bugünkü makinelerin de temel mantığını oluşturan çok daha hassas ilk vidalı enjeksiyon makinesini üretti. Bugün tüm enjeksiyon makineleri vidalı enjeksiyon sistemi ile çalışmaktadır. 1970’lerde Hendry soğutma sistemi, gaz ve sıvı destekli olan ilk enjeksiyon makineyi üreterek ve sürecin gelişimine katkı sağlamıştır [7].
Plastik kalıp tasarımı, diğer endüstri dallarında da olduğu gibi, bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak büyük bir ivme kazanmıştır. Önce tamamen el ile yapılan uzun ve yorucu çizimler zamanla kalıp tasarımı amaçlı yazılımlar ile yapılmaya başlanmıştır.
Günümüz bilgisayar destekli tasarım sistemleri; kolay, hızlı, kaliteli vb. özelliklere sahip kalıp tasarımı yapmayı mümkün kılmaktadır. Bu tür özellikler ile maliyet ve rekabette büyük avantajlar sağlamaktadır. Diğer taraftan bu tür yazılımlarda kullanılan modelleme mantığı, satış sonrası destek ve yardım, fiyat gibi konular, bakış açısına göre, avantaj ya da dezavantaj olabilir.
Bilgisayar destekli tasarım iki boyutlu çizim ile başlamıştır. Bunun nedeni, başlangıçta bilgisayar donanımları yeterince gelişmemiş ve bilgisayar ortamına iki boyutlu resimleri aktarma isteğidir. Önce çok cazip olan iki boyutlu modelleme üç boyutlu modelleme
sonrası biraz önem kaybetmiştir. Ayrıca, üç boyutlu modelleme programları kullanılarak tasarımların doğrudan ve otomatik iki boyutlu resimler elde edilebilmektedir.
Klasik bilgisayar destekli kalıp tasarımı esnasında tasarımcı kalıp tasarımını etkileyen tüm parametre ve etkileşimlerini düşünerek optimum karar almalıdır[8].Bu sebeplerden dolayı tasarımcı yükünü azaltmak amacıyla özel bilgisayar destekli kalıp tasarımı yapılmaktadır.
Mok, Chin ve Ho, bilgi tabanlı sistemi, çözümü uzmanlık gerektirecek kadar zor olan problem çözümlerinde öğrenme ve sonuç çıkarma işlemleri kullanan akıllı bilgisayar programları olarak tanımlamaktadır [9]. Hermaste, Sutt ve Küttner enjeksiyon kalıp tasarımı ile ilgili bilgi tabanlı kalıp programlarına ait şu örnekleri vermiştir: IMPART Enjeksiyonla kalıplamada başlangıç aşamasında rehberlik görevi üstlenen program, IMES Kalıplama işlemi sonrası oluşan problemleri çözmede rehberlik eden program, DTMOULD-1 Kalıp maliyet hesaplaması yaparak kalıpla ilgili maddi sorulara cevap veren bilgi tabanlı program, MOULDX ve EIMPLAN-1 parçaların kalıplanıp kalıplanmayacağını ön tasarım aşamasında geliştirilmesini sağlayan program, CAD Drexel Üniversitesi tarafından enjeksiyon kalıp tasarımı için geliştirilmiş bilgi tabanlı programıdır.
Low ve Lee, tüm kalıp sistemine entegre edebilmek amacıyla yıllardır kalıp tasarımı işleminin belirli alanlarında bilgisayar destekli tasarım araştırmaları yapıldığı ve bu çalışmalar sonucu kalıp tasarım işlemi için ticari olarak günümüzde IMOLD, ESMOLD, IKMOULD gibi programlar geliştirildiğini belirtmiştir [10]. Low ve Lee, kalıp tasarımında önemli olan süreyi etkin kullanmak için her kalıba ait ortak bir kavite yerleşim planı çizmiştir.
Şekil 2.1. Kalıp boşlukları yerleşim planın standart işlemi [10]
Fu plastik parça özelliklerine göre kalıplanabilme şartlarını belirleme amaçlı çalışmalar yapmıştır. Hui plastik malzemenin desteklemek amacıyla geometrik bir yaklaşım sistemi
geliştirmiştir. Kalıp içerisinde plastik hammadde akışı modelleme ve hareket simülasyonu kapsamlı bazı çalışmalar yapmıştır [11]. Geleneksel yöntemle kalıp tasarımı zaman ve ekonomik açıdan büyük kayıplar oluşturacağı için bilgisayar destekli sistem ve yöntemlerin kullanılması kabul görmüştür [12]. Lou plastik kalıp tasarımında bilgisayar kullanımı özellikle yeniden tasarım gerektiğinde zamandan büyük tasarruf sağlar [13].
Bilgisayar dışındaki diğer uygulamalarda tekrar mümkün değilken, bilgisayara dayalı yöntemlerde düzeltme işlemi kolaydır. Bu durum üretim maliyetini direkt etkilemektedir.
Yine Lou vd. parça modelleme, yapay zeka teknolojisi ve kural temelli bilgi işlem sistemi kullanarak kalıp tasarımı için bir yöntem geliştirmişlerdir [14]. Hui kalıbın çalışabilirliğini test etmeye yardımcı olan kalıp açılma çizgisi ve maçaları içeren araştırmalar yapmıştır [15]. Huang, Gupta, Stoppel, kalıp tasarımında karmaşık şekilli parçalara ait bir algoritma geliştirmişlerdir. İki parçalı kalıp şeklinde üretilemeyen ve uzun süre çalışması istenen parça tasarımında kullandıkları algoritma ile kalıp tasarım süresini çok kısaltmışlardır [16].
Priyardashi ve Gupta çok parçalı kalıp setini otomatik tasarlayan bir algoritma geliştirmişlerdir. Bu çalışmada kalıp açılma çizgisi belirleme, ürün ayrım hat ve yüzeyleri oluşturma gibi sorunlara çözüm aranmış ve bir algoritma geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma ile ürün analiz edilerek tasarım aşamasında kalıp seti montaj ve demontajı yapılmaktadır [17]. Spina ise karmaşık şekilli parça yolluk sistemleri ile ilgili yaptığı araştırmada kalıbın dolum şekli, kalıp soğutma verimi gibi konularda sonlu eleman analizleri kullanmıştır [18]. Barriere, Gelin ve Lui enjeksiyon kalıp simülasyonu üzerine çalışmalar yapmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile elde ettiği tüm sonuçları yeni geliştirdikleri simülasyon sonuçları ile karşılaştırmışlardır [19]. Chung ve Lee ise enjeksiyon kalıp tasarımında çıkan problemlerle ilgili birimler arası bir bilgisayar ağı oluşturmuş ve olası çözümlerin doğruluğunu kontrol etmek amacıyla tasarım sürecinde karşılaşılan problemleri bölümlere gönderilmiştir [20]. Kong ve diğerleri Visual C++
programlama dili ve Solidworks programını kullanarak 3 boyutlu bir kalıp tasarım sistemi geliştirmişlerdir. Bu çalışmada kalıp ve parça tasarım detayları, plastiğin hareketi ve kalıp dolumu gibi konular ele alınmıştır [21].
Uluer ise enjeksiyon teknolojisini sıcak hammaddeyi kalıp içerisine uygun basınçla gönderip ergiyik plastiğin kalıp boşluğunda şekil almasını incelemiştir. Ergimiş plastik sıcak kalıptan kolayca akmakla birlikte soğuyan ve geometrik şekli kalıp içerinde belirlenen ürünü dışarı çıkma süresini hesaplamak gerekir. Aksi halde soğuk yolluğa sahip kalıp kullanılırsa ergimiş plastik çabuk soğur ve kalıp dolmadan plastik katılaşır. Ergimiş
plastiğin kalıp içinde bu davranışı amaçlı bu iki durumun alt ve üst sınırlarını belirlemek baskı süresi hakkında fikir verir. Uluer, Güldaş, Özdemir kalıp sıcaklını sabit tutmak, kalıp içine açılmış kanallarda su veya başka sıvılar dolaştırmak sureti ile sağlanır [22].
Tang, Chassapis ve Manoochehri soğutma süresi, eriyik sıcaklığı ve proses süresi seçilen plastiğe göre farklı olabilir. Soğutma sisteminin tasarımı üretilen parça geometrisine göre değişebilir. Soğutma kanalları, ısıyı en iyi taşıyabilecek şekilde, kalıbın en uygun bölgesine yerleştirilmelidir [23]. Xu, Sachs ve Allep plastik enjeksiyon kalıplarına soğutma kanal yerleştirme tasarımı amaçlı araştırmalar yapmışlardır [24]. Li soğutma sistemi yerleştirmeye kılavuzluk yapan ve destek sağlayan bilgi tabanlı bir bilgisayar sistemi geliştirmiştir [25]. Lin serbest şekilli plastik için en uygun soğutma sistemi geliştirmede sinir ağ tabanlı sistemler kullanmıştır[26].Li ve Zhou plastik enjeksiyon kalıp sistemlerini otomatik olarak yerleştirmeyi sağlayan çalışmalar yapmışlardır [27]. Li bir televizyon panelini enjeksiyon yöntemle üretmede gerekli olan soğutma sistem simülasyonu geliştirmiştir. Yapılan tüm bu çalışmalarda, önceden gerekli tüm parametreleri elde ederek sonraki tasarım aşamasındaki olası zaman kayıplarını en aza indirmek amaçlanmıştır.
Enjeksiyonla kalıplamada olası hataları önlemek için kalıplama işlemi yapılırken en uygun çalışma sistemi oluşturulmalıdır. Aksi takdirde karşılaşılması muhtemel problemlerle uğraşırken önemli tasarım detayları gözden kaçırabilir. Oluşturulan bu sistemi kullanarak tasarım aşaması sorunsuz atlatılabilir ve sonraki aşamalara da destek sağlanabilir. Kalıpla imalat esnasında parça kalitesinden işlem hızına kadar birçok faktör dikkate alınır. Bu süreçte en düşük çevrim zamanında en iyi ürünü elde etmek amaçlanır.
Üretilecek ürün özellikleri hakkında bilgi sahibi olduğu için tasarımcı, parçaya en uygun plastik malzemeyi seçmeye karar verir. Seçilen bu malzeme işlem esnasında girilen parametre değerlerinin işlem sonucu ulaşılacak çıktı kalitelerini önemli derecede etkiler.
Malzeme seçimi ve enjeksiyon işlem şartları, üründe oluşacak olası problem çözümlerinde etkili olabilir [28]. Malzeme seçimi yapılırken granüle ait fiziksel ve kimyasal özellikler, parça et kalınlığı, kalıplama metodu, gibi faktörler dikkate alınır. Plastik kalıp tasarım ve imalinde rol alan; tasarımcı, parça imalat ve işlemede çalışan teknisyenler, montaj iş/işleminde çalışan elamanlar, çeşitli ve plastik malzeme konu uzmanları vb. arasında iyi bir iletişim ve işbirliği olmalıdır. Çünkü tek başına tasarımcı, kalıp gibi özel alan ve
uzmanlık gerektiren bir konuda (kalıp imalat makineleri, malzeme seçimi ve ısıl işlemler, imalat yöntemleri vb.) gerekli her ayrıntıyı bilmeyebilir.
Günümüzde kalıp tasarımında artık bilgisayar destekli sistemler kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılan 2 ve 3 boyutlu programların ad ve içerikleri farklı olsa da bunlar ile yapılacak kalıp seti aynı veya birbirine çok yakın olur. Bilgisayar ortamında kalıp tasarım işlemi tıpkı kalıp üretimi gibi birçok parametreye bağlıdır. Bu parametreler ve kalıpta üretilecek model kullanılarak kalıp birimleri oluşturulur. Bölüm diye anılan ana girdiler, katı modelleme ve yüzey modelleme metotları kullanılarak oluşturulur. Bilgisayar Destekli Mühendislik (CAE) tasarım aşamasında değişik seçeneklere ait avantaj ve dezavantajları karşılaştırarak optimum (ekonomik ve kalite açısından dengeli) ürün tasarımı yapılmasını sağlar. Autodesk Moldflow programı sonlu elemanlar yöntemini kullanarak analiz yapmaktadır. Bu işlem için önce bir CAD programı kullanılarak ürüne ait geometrik model bilgisayara aktarılmalıdır. Kalıp üretimi sonrası geriye dönülemez veya kalıbın tekrar işlenmesi de verimli olmaz[29].
Enjeksiyon işlemi sırasında karşılaşılması olası problemlerin çoğu bu esnada yapılacak küçük değişikliklerle giderilebilir. Üretilen parça çok karmaşık değilse problem, malzeme, kalıp, işlem tekniği gibi etkenlerden biri veya birkaçına müdahale ile çözülür. Bir parçada problem; işlem öncesi (malzeme tedariki ve depolama), işlem süreci (çevrim esnasındaki çalışma şartları) ya da işlem sonrasında (parçalara son işlem uygulama, paketleme) gibi aşamaların herhangi birinden kaynaklanır. İşlem öncesi ya da sonrası meydana gelen problemler genelde “malzeme kirlenmesi, renklendirme, tozlanma, nem alma” gibi sebeplerden kaynaklanır. Bu tür problemler genelde açık yapıdadır ve çözümleri de kolay olur. Ama işlem esnasında meydana gelen problemler daha karmaşık ve çözülmesi zor türde olur. Bu ikinci grup problemler de makine, kalıp, çalışma şartları, malzeme ve parça tasarımı ile ilgili olmaktadır [30].
Kalıplanmış parçaların mekanik ve fiziksel özellikleri bunların imal edildiği plastik malzeme kimyasal özelliklerine bağlı olarak değişir. Böylece kullanılacak alana göre en uygun ürün malzemesi seçilmelidir. Günümüzde 20.000 civarında enjeksiyona uygun plastik malzeme olduğu tahmin edilmektedir ve bu sayı da her geçen gün artmaktadır [31].
Tasarımın istenen özellikleri karşılaması malzeme seçiminde önemli olur. Bu özellikler;
çekme, çentik, darbe ve katlanma dayanımları, en çok/az sıcaklık dayanımları, dış ortamın etkisi, aleve ve kimyasal etkilere direnç, aşınma ve çizilme direnci, elektriksel direnç vb.
olabilir [32]. Bu özellikler dikkate alınarak seçilen malzemeye uygun tasarım da yapılmalıdır.
Plastik malzemeler; kolay üretim, hafiflik, estetiklik, kolay renk verilebilme ve ekonomik olma vb. gibi birçok avantaj sunarlar. Böylece günümüz rekabet ortamında plastik mamullerin istenen işlevi iyi bir şekilde sağlayabilmesi için en uygun işleme yöntemi seçilmeli ve optimum bir tasarım gerçekleştirilmelidir. Plastik malzemeler artık sanayide çok önemli bir yere sahiptir. Yani bunlar gıda paketlemeden ulaşıma kadar hemen her alanda kullanılmaktadır [32].
Tasarım sürecinde kullanılacak plastik malzemelerin kimyasal ve fiziksel özellikleri yanında bunlardan üretilecek parçaların geometrik şekillendirmeleri de kurallara uygun olmalıdır. Aksi halde, delik, kaburga, diş vb. gibi kısımları şekillendirme ve boyutlandırma sonrası kalıplama işlemi akabinde çarpılma, bozulma, boşluk gibi sorunlarla karşılaşılabilir.
İyi bir ürün geliştirebilmek/tasarlayabilmek için şu bilgilere sahip olunması gerekir:
1) Ürün fonksiyonlarına ait bilgiler
2) Plastik malzeme davranışları hakkındaki bilgiler
3) Konuyla alakalı bütün ekonomik ve psikolojik faktörlere ait bilgiler 4) Plastik işleme yöntemleri ile ilgili bilgiler
5) İşleme teknolojisi hakkındaki bilgiler vb.
Tasarımcı, eğer imalat yöntemleri hakkında fazla bilgiye sahibi olursa, daha iyi bir tasarımlar yapabilir [32]. İyi/optimum bir plastik ürün tasarımı için şu dört temel hususu akılda tutmak gerekir:
1) Ürünün Tasarımı
2) Ürüne en uygun gelen plastik malzeme seçimi
3) Üretim için gerekli alet ve takımların (makine, kalıp) tasarımı ve bir araya getirilmesi
Her şeyin tasarımla başlayacağı asla unutulmamalıdır. Plastik parça tasarımında yapılacak hatalar, üretime kadar tüm süreci baştan sona etkileyecektir [33]. Ürün tasarımına başlarken önce parça boyutlarını belirlemede etken olan tolerans tespiti yapılır. Zor ve birçok faktöre dayanan bu işlem esnasında şu konulara dikkat etmek gerekir: Kalıp ve işlem ile ilgili kalıp tasarımı esnasında kalıpçılığa özgü mantıksal işlemler (eğim belirleme gibi), kalıp imalinde kullanılacak metal malzemenin zamanla korozyonu veya aşınması, enjeksiyon esnası şartların çekmeye etkileri, kullanılacak malzemedeki olası değişiklikler, kalıplama sonrası ortam şartlarının parçaya etkisi, çekmeler vb. gibi. Ürünün kullanım yeri ile ilgili olarak üretilen parçanın kullanımı esnasında aşınması, maruz kalacağı dış yüklerin büyüklük ve süresi (malzeme sünme halinde uzama gibi), yüksek sıcaklık etkileri, temas edeceği kimyasal madde etkileri, nemden dolayı şişme gibi olumsuzluklar vb. belirtilebilir [34].
İmal edilecek parça, doğal olarak bazı işlevleri karşılamalıdır. Parça, estetik veya fonksiyonel (genelde her ikisi de) ihtiyaçları karşılamalıdır. Tasarımda gelişme olabilmesi için parçanın fonksiyonu ve parçaya etkiyen çevre şartları çok iyi bilinmelidir.
Fonksiyonun tam olarak bilinmesi tasarımı kolaylaştırır.
Aşağıdaki hususları kullanmak çeşitli tasarım faktörleri tanımlamaya yardımcı olabilir [8]:
Genel Bilgiler;
Benzer uygulamalar bulunuyor mu?
Yapısal Özellikler;
Hizmet süresince parçaya yük uygulama karakteristiği nedir?
Yüklerin genliği nedir?
Hizmette ne kadar kalacak?