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