Enjeksiyon kalıplarında sıcak yolluk sistemlerinin kalıplama prosesine etkilerinin deneysel olarak incelenmesi

Abstract

ÖZET Anahtar Kelimeler: Plastik enjeksiyon kalıbı, Sıcak yolluk sistemi, Normal yolluk sistemi, Çekme oranı, Çarpılma, Kalıplama Alanı Diyagramı Polimer esaslı malzemelerin şekillendirilmesinde yaygın olarak kullanılan yöntemlerin başında enjeksiyonla kalıplama gelmektedir. Enjeksiyon prosesinin en önemli bileşenlerinden birisi de makina ile kalıp arasında malzemenin geçişini sağlayan, proses ve ürün üzerinde önemli etkileri olan yolluk sistemleridir. Yolluk sistemleri genel olarak normal yolluk, soğuk yolluk ve sıcak yolluk olmak üzere üç şekilde tasarlanmakta ve uygulanmaktadır. Sıcak yolluk sistemi (SYS), ergimiş plastik malzemeyi enjeksiyon makina memesinden kalıp gözüne kadar olan bölgede, hasar vermeden ve ısı kaybına yol açmadan kontrollü bir şekilde bekletme ve istendiğinde kalıp gözüne basma (enjekte etme) sistemidir. SYS enjeksiyon kalıbı içinde ayrı bir elemandır. Bu sistem makina enjeksiyon memesinin bir uzantısı olarak görülebilir. Bu çalışmada, enjeksiyon kalıplarında sıcak yolluk sistemlerinin kalıplama prosesine ve iş parçasına etkileri değişik açılardan deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmada düşük ve orta yoğunluklu naturel beş farklı polimer malzeme (PP, PS, AYPE, ABS, PA 6) kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar iki bölüm halinde yapılmıştır. Birinci bölümde enjeksiyon kalıbında sıcak yolluk sistemi kullanılarak, ikinci bölümde ise aynı kalıp normal yolluklu sisteme dönüştürülerek, enjeksiyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Farklı yolluk sistemleriyle (SYS ve NYS) aynı kalıpta çalışabilmesi, yolluk sistemlerinin etkilerinin daha net bir şekilde görülerek, karşılaştırılabilme imkanı sağlamıştır. Özellikle sıcak yolluk sistemi elemanlarının (dağıtıcı, meme) etkilerinin görülebilmesi açısından kalıp iki gözlü olarak imal edilmiştir. Soğutma sistemi, çevrim süreleri, enjeksiyon hızları ve kalıp sıcaklıkları her bir malzeme için eşit tutulmuştur. Yapılan çalışmalar sonucunda, plastik malzemeler her iki yolluk sistemiyle geniş bir proses aralığında basılarak kalıplama alan diyagramları (KAD) çıkarılmıştır. Numunelerin kalıplama sonrası çekme, çarpılma ve ağırlık değişimleri her iki yolluk sistemi için belirlenmiştir. Sıcak yolluk sistemiyle yapılan enjeksiyon işleminde en önemli kazanım, enjeksiyon basıncında sağlanmıştır. Bu kazanç PP malzemede % 43, ABS malzemede % 40 ve PA6 malzemede % 34'lere ulaşmaktadır. Ayrıca numunelerde çekme ve çarpılmaların daha düşük ve dengeli bir yapıda seyrettiği belirlenmiştir. Oldukça geniş bir basınç ve sıcaklık aralığında yapılan çalışmalar sonucunda, en uygun kalıplama şartlarının belirlenmesini büyük ölçüde kolaylaştıran ve pratik kullanım için uygun olan kalıplama alan diyagramları çıkarılmıştır. Numune ağırlıklarındaki değişim incelendiğinde, sıcak yolluk sistemiyle basılan PP, AYPE, ABS, PA6 ve PS malzemelerde sırasıyla % 8.52, % 5.60, % 4.75, % 4.60 ve % 3.96 oranında ağırlık artışı tespit edilmiştir. Bu artışın, bir çok mekanik özelliği olumlu yönde etkileyeceği muhakkaktır. Proses sıcaklığının artmasıyla iki yolluk sisteminde de çekme ve çarpılmalarda artış görülmektedir. PP, PS, ABS ve PA6 malzemelerin işlenmesinde düşük proses sıcaklıklarında yüksek basınç, orta ve yüksek sıcaklıklarda ise düşük basınçla enjeksiyon işleminin yapılması çekme, çarpılma ve ağırlık değerlerini iyileştirmektedir. AYPE malzemede ise bütün proses sıcaklıklarında düşük basıncın uygulanması olumlu sonuç vermektedir. xiii

AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECTS OF HOT RUNNER SYSTEMS ON PROCESS PARAMETERS IN INJECTION MOLDING OF POLYMERS SUMMARY Key words: Injection moulding, Hot runner system, Standard (conventional) runner system, Shrinkage rate, Warpage, Moulding Area Diagram Injection moulding is one of the primary manufacturing processes in producing/shaping components of polymer-based materials. Runner system, functioning between the mould and the machine as a material transfer unit, constitutes an important part of the injection moulding process and poses significant effects on properties of the final products. Runner systems are generally designed and used as three different types namely standard, cold and hot runner systems. Hot runner system is the one in which the molten plastic taken from the nozzle of the machine is kept at this intermediate section or, when required, injected into the mould cavity without damaging and subjecting it to temperature decrease. Hot runner system is a separate element of an injecting mould and can be regarded as an extension of the nozzle of the injection machine. In this study, the effects of hot runner system on both injection moulding process and workpiece have been experimentally analysed from various aspects. In the experiments five different natural polymer materials with low to medium densities (PP, PS, AYPE, ABS, PA6) were used. Experiments were designed as two parts. In the first part, hot runner systems were used whereas in the second, standard runner systems were adopted. The same mould was used for all the experiments by using appropriate modification in the runner systems only. This methodology, i.e. using the same mould for different runner systems, allowed reliable comparative study of the effect of each runner system on the process and product. The mould was specifically designed as two sections in order to monitor the effects of the elements, i.e. nozzle and manifold, of hot runner systems. The cooling system, cycle duration, injection velocity and the temperature of the mould were kept constant at a particular set of values for each type of polymer. From the results of the experiments, the moulding area diagrams were plotted for a wide range of process parameters of temperature and pressure for both standard and hot runner systems and for all types of polymers used. The properties of shrinkage, XIVwarpage and weight variations in the samples produced using both runner systems were determined. The most significant gain in utilising hot runner system was noticed to be in injection pressure. This gain was recorded to be in the order of 43 % in PP, 40 % in ABS and 34 % in PA6. In addition, the degree of warpage and shrinkage of the samples were consistently lower. The moulding area diagrams constructed from the measured values showed the optimum moulding conditions for practical applications. Investigating the variations of the weights of the samples of hot runner systems showed increases of 8.52 %, 5.60 %, 4.75 %, 4.60 % and 3.96 % for PP, LDPE, ABS, PA6 and PS materials, respectively. These increases would have favourable effects on the mechanical properties of polymers. The amount of shrinkage and warpage was increased with increasing process temperature for both hot and standard runner systems. Applying high pressures at low temperatures and low pressures at medium to high temperatures reduced the amount of warpage and shrinkage and increased the density of PP, PS, ABS and PA6 materials. As for the LDPE, applying low pressure at all temperatures resulted in favourable properties. XV