Plastik enjeksiyon kalıplarında soğutma sisteminin üretilen parça kalitesi üzerine etkileri = Effects of the cooling system in plastic injection moldson the quality of the produced parts

Abstract

Plastik enjeksiyon, birçok endüstride seri plastik parça üretimi için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu üretim sürecinde, eritilmiş plastik malzeme enjeksiyon makinesi aracılığıyla kalıplara enjekte edilir ve ardından soğutularak sertleştirilir. Soğutma sistemi, bu sertleşme sürecini kontrol etmek ve optimize etmek için kritik bir rol oynar. Bu yöntem, plastik parçaların hızlı ve verimli bir şekilde üretilmesini sağlar. Plastik enjeksiyon, otomotiv, elektronik, tıp, ambalaj, oyuncak ve daha birçok sektörde yaygın olarak kullanılır. Çeşitli plastik malzemeler, farklı tasarımlar ve boyutlar için enjeksiyon kalıplama sürecinde kullanılabilir. Plastik enjeksiyon yöntemi, yüksek hassasiyet, hızlı üretim, tekrarlanabilirlik ve çeşitli malzemelerin kullanımı gibi avantajlarıyla bilinir. Ancak, kalıp tasarımı, malzeme seçimi ve sürecin kontrolü gibi faktörler, kaliteyi ve verimliliği etkileyebilir. Soğutma sistemi, kalıp içerisinde plastik parçanın hızlı, homojen ve kontrollü bir şekilde soğumasını sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Bu sistem genellikle kalıp içine entegre edilen su kanalları veya soğutma devreleri ile sağlanır. Soğutma suyu veya uygun soğutucu sıvılar bu kanallardan dolaşarak malzemenin sıcaklığını düşürür ve sertleşmesini hızlandırır. Üretilen parçanın geometrisine, boyutlarına ve özelliklerine bağlı olarak farklı soğutma sistemleri kullanılır. Bu sistemler genellikle kalıplara ek kanallar ekleyerek tasarlanır. Ancak bu ek kanalların oluşturulması işçilik gerektirir ve ayrıca sistemin maliyetini artırabilir. Bu nedenlerden ötürü, bazı işletmeler soğutma sistemi kullanmadan üretim yapmayı tercih edebilirler. Özellikle küçük boyutlu parçaların üretiminde, soğutma sistemini kullanmamak genellikle sorun oluşturmaz. Ancak büyük boyutlu parçaların üretiminde durum daha karmaşık hale gelebilir. Büyük parçaların daha kalın bölgeleri ile daha ince bölgeleri arasında homojen olmayan soğuma hızları meydana gelir. Bu durum, parçanın fiziksel özelliklerinde ve boyutsal doğruluğunda değişikliklere neden olur. Bu çalışma, büyük boyutlu plastik parçalarda soğutma sistemi kullanımının olası etkilerini incelemeyi amaçlamıştır. Parçanın farklı bölgelerindeki soğuma hızlarının, mekanik dayanıklılık, boyutsal tutarlılık ve yüzey kalitesi gibi önemli özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, büyük parçaların üretiminde soğutma stratejilerinin tasarımına ve optimizasyonuna dair değerli bir perspektif sunabilir. Üretim Özgürmetal Plastik ve Kalıp San. Firması'nda gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın odak noktası, plastik enjeksiyon üretimi sürecinde soğutma sisteminin kullanılmasının ve kullanılmamasının parça özellikleri üzerindeki etkilerini incelemektir. Bu inceleme, xxii firmanın kronik sorunlarından biri olan "plastic seat rib (PSR)" parçası üzerinde yoğunlaşmaktadır. PSR parçasının soğutma sistemi kullanılmadan üretildiğinde delik kısmında oluşan geometrik ve ölçüsel sorunlar, firma için önemli bir zorluktur. Bu bağlamda, firma, soğutma sisteminin bu hatalar üzerinde ne kadar etkili olduğunu araştırmak amacıyla bu çalışmayı desteklemiştir. Araştırma kapsamında, polipropilen malzeme kullanılarak aynı parça üretildi. Bir sette hızlı soğutma koşulları uygulanırken, diğer sette ise soğutma sistemi kullanılmadı. Her iki sette de üretilen parçaların mekanik dayanıklılık, boyutsal doğruluk, kristal yapı gibi özellikleri detaylı olarak karakterize edildi. Sırasıyla boyutsal ölçüm, sertlik testi, XRD analizi ve Moldflow analizleri gerçekleştirilmişitir. Yapılan boyutsal ölçümlerde soğutma sistemi kullanılarak ve kullanılmadan üretilen parçalardan 2şer adet numune alınarak toplamda kritik olan 7 adet ölçü teknik resimdeki değerler baz alınarak ölçülmüştür. Ölçüm yapılan noktaya göre ölçümler dijital kumpas ve CMM kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçüm sonucundan soğutma sistemi kullanılmadan üretilen parçaların kritik olan ölçüsünde (delik çapı) tolerans dışında küçük çıkmıştır. Soğutma sistemi kullanılmaması durumunda, plastik malzeme daha yavaş ve düzensiz bir şekilde soğur. Bu durumda, parça kalıp içinde daha uzun süre kalır ve sıcaklık dağılımı homojen olmaz. Bu, parçanın boyutsal olarak küçülmesine neden olmaktadır. Yine her iki setten alınan 2şer adet numuneye shore sertlik testi uyglanmıştır. Soğutma sistemi bağlı iken 60 shore değilen 55 shore ölçülmüştür. Shore sertlik ölçeği genellikle 0 ila 100 arasında bir değer alır. 5 Shore'luk bir sertlik değişimi, 5 birimlik bir fark anlamına gelir. Ancak, bu tür bir değişiklik genellikle görsel veya fiziksel olarak belirgin bir fark yaratmaz. Bu nedenle, 5 Shore'luk bir sertlik değişimi büyük bir değişim olarak kabul edilmez ve genellikle parça özelliklerinde göze çarpan bir fark yaratmaz. Ancak, her durumda, parçanın kullanım amacı ve gereksinimleri göz önünde bulundurulmalıdır. Belirli bir uygulama için gereken sertlik toleransları, 5 Shore'luk bir değişimin önemli olabileceği durumlar olabilir. Özellikle, bazı hassas uygulamalarda, sertlik hassasiyeti daha yüksek olabilir ve daha küçük sertlik değişimleri bile önemli olabilir. Çalışmada yapılan XRD analizi parçaların iki bölgesinden alınarak yapılmıştır. PSR parçasının kulak kısmından alınan kesitlerin XRD analizi sonucunda, soğutma sistemi kullanılmadan yapılan üretimin kulak ve delik kısımlarını karşılaştırırsak kulak kısmı nispeten daha ince olduğundan delik kısmına göre daha hızlı soğuyacaktır fakat farklı kristal yapıların oluşmadığı görülmüştür. Yaptığımız çalışmada tek değişken faktör soğutma sisteminin varlığı olduğundan farklı kristal yapıları oluşturacak bir etken bulunmamaktadır. XRD analizi, kristal yapıların varlığını ve kristal yapıların özelliklerini belirleyen bir tekniktir. XRD analizinde, malzeme örnekleri X-ışınlarına maruz bırakılır ve bu X-ışınları kristal yapılar tarafından saçılır. X-ışınlarının saçılma desenleri, malzemenin kristal yapısı hakkında bilgi sağlar. Kontrolsüz soğutma ve hızlı soğutma yöntemleri farklı kristal yapılar oluştursa da XRD analizi sırasında ölçülen kristal yapıların saçılma desenleri benzer olabilir. Bu nedenle, kontrolsüz soğutma ve hızlı soğutma sonucu üretilen polipropilen örneklerinin XRD analizi benzer sonuçlar vermektedir. Aynı zamanda Moldflow analizi yapılmıştır. Bu analizde soğutma sistemi kullanılması ve kullanılmaması durumları simüle edilmiştir. Yapılan analiz sonrası hacimsel büzülme farklılıkları hızlı soğutma sistemi kullanılarak yapılan üretimde, kontrolsüz soğutma ile yapılan üretime göre daha fazladır. xxiii Hacimsel büzülmenin tüm parça boyunca tekdüze olmadığına dikkat etmek önemlidir. Parçanın farklı alanları, soğutma hızları, parça kalınlığı ve parça geometrisindeki farklılıklar nedeniyle değişen seviyelerde büzülme yaşayabilir. Bu muntazam olmayan büzülme, parçanın farklı bölgelerinde parça bozulmasına, eğrilmeye veya boyutsal değişimlere neden olabilir. Sonuçlar yapılan literatür araştırmasını destekler niteliktedir. Soğutma sistemi kullanlan üretimde büzülme oranı kullanılmayan üretime göre daha fazladır. Fakat bu farklılık parça geometrisini etkilemeyecek seviyededir. İki üretime ait yüzey ve kalıp sıcaklıklarını gösteren moldflow analizinde soğutma sistemi kullanılarak yapılan üretim sonucu yüzey sıcaklığı daha düşüktür. İki üretim sonucu da parça da gözle görülür bir yamulma ve çarpılma olmamıştır. İki üretime ait yüzey sıcaklık farklılıkları moldflow analizi sonucuna göre soğutma sistemi kullanılmadığında parça kontrolsüz olarak soğuyacağından parçada bölgesel sıcaklık farklılıkları oluşur. Bu farklılık artık strese neden olur. Bu da parça da et kalınlığı fazla olan bölgede çekmeye sebep olur. Üreticiler, Moldflow analizini kullanarak enjeksiyon kalıplama sürecini simüle ederek PP parçalardaki artık gerilimi tahmin edip analiz edebilir ve etkisini en aza indirgemek için kalıp tasarımını ve enjeksiyon kalıplama sürecini ayarlayabilir. Bu, minimum kusur, azaltılmış bükülme ve geliştirilmiş boyutsal doğruluk ile yüksek kaliteli parçalarla sonuçlanabilir. Araştırmanın bulguları, soğutma sistemi kullanımının parça kalitesini önemli ölçüde iyileştirebileceğini göstermektedir. Soğutma sistemi, parçaların iç ve dış bölümleri arasındaki sıcaklık farkını azaltır ve çekme, yamulma gibi istenmeyen deformasyonları azaltır. Ayrıca soğutma sisteminin kullanılması parçanın kalınlığına ve geometrisine bağlı olarak parça içindeki gerilmeleri dengeler ve deformasyonları önler. Öte yandan soğutma sistemi kullanılmazsa parçanın soğuma süresi uzar ve homojen bir şekilde soğutulamaz. Bu da çekme, eğilme ve deformasyon gibi sorunlara yol açabilir. Ayrıca kalıp döngü süreleri daha uzun olabilir ve üretkenlik üzerinde olumsuz etkileri olabilir. Bu makalede sunulan bulgular, plastik enjeksiyonda soğutma sistemi kullanımının parça kalitesini iyileştirdiğini ve istenmeyen deformasyonları azalttığını göstermektedir. Soğutma sisteminin etkili bir şekilde tasarlanması ve optimize edilmesi, parça imalat sürecinde önemli bir faktördür ve enjeksiyon kalıplama endüstrisinde daha iyi sonuçlar için dikkate alınmalıdır.

Plastic injection is a widely used method for mass production of plastic parts in many industries. In this production process, the raw material is injected into the molds by means of an injection machine and then hardened by cooling. The cooling system plays a critical role in controlling and optimizing this curing process. This method allows plastic parts to be produced quickly and efficiently. It is widely used in plastic injection, automotive, electronics, medicine, packaging, toys and many more industries. It can be used in the injection molding process for various plastic materials, different designs and sizes. The plastic injection method is known for its advantages such as high precision, fast production, repeatability and use of various materials. However, factors such as mold design, material selection and process control can affect quality and efficiency. The cooling system is designed to provide rapid, homogeneous and controlled cooling of the plastic part in the mold. This system is usually provided with water channels or cooling circuits integrated into the mold. Cooling water or suitable coolants circulate through these channels, lowering the temperature of the material and accelerating its hardening. Different cooling systems are used depending on the geometry, dimensions and properties of the produced part. These systems are often designed by adding additional channels to the molds. However, creating these additional channels is labor-intensive and can also increase the cost of the system. For these reasons, some businesses may prefer to produce without using a cooling system. Especially in the production of small-sized parts, not using the cooling system is usually not a problem. However, in the production of large-sized parts, the situation can become more complex. Inhomogeneous cooling rates occur between the thicker regions and the thinner regions of large parts. This causes changes in the physical properties and dimensional accuracy of the part. This study aimed to examine the possible effects of using a cooling system on large plastic parts. The effects of cooling rates in different parts of the part on important properties such as mechanical strength, dimensional consistency and surface quality were investigated. The results of this study can offer a valuable perspective on the design and optimization of cooling strategies in the production of large parts. Production carried out Özgürmetal Plastik ve Kalıp San. company. The focus of the study is to examine the effects of using and not using the cooling system on the part properties in the plastic injection production process. This review focuses on the "plastic seat rib (PSR)" part, which is one of the company's chronic problems. When the PSR part is produced without using the cooling system, the geometric and dimensional problems that occur in the hole part are an important challenge for the xxvi company. In this context, the company supported this study in order to investigate how effective the cooling system is on these faults. Within the scope of the research, the same piece was produced using polypropylene material. While rapid cooling conditions were applied in one set, no cooling system was used in the other set. The properties of the parts produced in both sets, such as mechanical durability, dimensional accuracy, and crystal structure, were characterized in detail. Dimensional measurement, hardness test, XRD analysis and Moldflow analysis were carried out, respectively. In the dimensional measurements, 2 samples were taken from the parts produced with and without the cooling system, and 7 critical dimensions were measured based on the values in the technical drawing. According to the measurement point, measurements were made using digital caliper and CMM. As a result of the measurement, the critical dimension (hole diameter) of the parts produced without the use of a cooling system was out of tolerance. If the cooling system is not used, the plastic material cools more slowly and unevenly. In this case, the part stays in the mold longer and the temperature distribution is not homogeneous. This causes the part to shrink in size. Shore hardness test was applied to 2 samples taken from both sets. Measured 55 Shore with the cooling system connected and 60 shore disconnected. The Shore hardness scale usually takes a value between 0 and 100. A hardness change of 5 Shore means a difference of 5 units. However, such a change usually does not make a noticeable difference, either visually or physically. Therefore, a hardness change of 5 Shore is not considered a big change and does not usually make a noticeable difference in part properties. However, in any case, the intended use and requirements of the part must be considered. The hardness tolerances required for a particular application may be where a 5 Shore variation can be significant. In particular, in some sensitive applications, the hardness sensitivity can be higher and even smaller hardness variations can be significant. The XRD analysis made in the study was made by taking two regions of the parts. As a result of the XRD analysis of the sections taken from the ear part of the PSR part, if we compare the ear and hole parts of the production without the use of a cooling system, it is seen that the ear part will cool faster than the hole part because it is relatively thinner, different crystal structures are not formed. Since the only variable factor in our study is the presence of the cooling system, there is no factor that will create different crystal structures. XRD analysis is a technique that determines the existence and properties of crystal structures. In XRD analysis, material samples are exposed to X-rays and these X-rays are scattered by the crystal structures. The scattering patterns of X-rays provide information about the crystal structure of the material. Although uncontrolled cooling and rapid cooling methods produce different crystal structures, the scattering patterns of crystal structures measured during XRD analysis may be similar. Therefore, XRD analysis of polypropylene samples produced as a result of uncontrolled cooling and rapid cooling gives similar results. At the same time, Moldflow analysis was performed. In this analysis, the situations of using and not using the cooling system are simulated. After the analysis, the volumetric shrinkage differences are higher in the production using the rapid cooling system than in the production made with uncontrolled cooling. It is important to note that the volumetric shrinkage is not uniform throughout the entire piece. Different areas of the part may experience varying levels of shrinkage due to variations in cooling rates, part thickness, and part geometry. xxvii This non-uniform shrinkage can cause part distortion, warping, or dimensional changes in different parts of the part. The results support the literature research. The shrinkage rate in the production using the cooling system is higher than the production without using the cooling system. However, this difference is at a level that does not affect the geometry of the part. In the moldflow analysis, which shows the surface and mold temperatures of the two productions, the surface temperature is lower as a result of the production using the cooling system. As a result of both production, there was no visible warping or distortion in the part. According to the results of the moldflow analysis of the surface temperature differences of the two productions, when the cooling system is not used, the part will cool uncontrollably, and regional temperature differences occur in the part. This difference now causes stress. This causes shrinkage in the part with high wall thickness. By simulating the injection molding process using Moldflow analysis, manufacturers can predict and analyze residual stress in PP parts and adjust the mold design and injection molding process to minimize its impact. This can result in high quality parts with minimal defects, reduced bending and improved dimensional accuracy. The research findings show that the use of cooling system can significantly improve part quality. The cooling system reduces the temperature difference between the inner and outer parts of the parts and reduces undesirable deformations such as shrinkage and warping. In addition, the use of the cooling system balances the stresses in the part and prevents deformations depending on the thickness and geometry of the part. On the other hand, if the cooling system is not used, the cooling time of the part is prolonged and it cannot be cooled homogeneously. This can cause problems such as shrinkage, bending and deformation. Also, die cycle times can be longer and have a negative impact on productivity. The findings presented in this article show that the use of cooling system in plastic injection improves part quality and reduces undesirable deformations. Effectively designing and optimizing the cooling system is an important factor in the part manufacturing process and should be considered for better results in the injection molding industry.