ÖNSÖZ i Hüseyin Yapar i

6.2. Enjeksiyon

6.2.1. Plastik Enjeksiyonu Nedir?

Plastik enjeksiyon işleminin önemli avantajlarından biri, bu metotla, otomize edilmiş üretim hatlarının bir tek basamağında bile çok kompleks yapılara sahip ürün elde edilebilmesidir. Oyuncaklar, otomobil parçaları, ev eşyaları, çeşitli elektronik parçaları gibi günlük hayatta rastladığımız plastik ürünlerin birçoğu plastik enjeksiyon işlemi ile üretilmişlerdir (Şekil 6.28).

Şekil 6.29'da enjeksiyon işlemi için gerekli ekipman görülmektedir. Bu ekipman başlıca "enjeksiyon makinası" ve "kalıp" olmak üzere iki ana kısımdan oluşur.

Bir enjeksiyon makinasının başlıca komponentleri:

- plastikasyon (plastikleştirme)ve enjeksiyon ünitesi,

-.mengene ünitesi,

- kontrol sistemi,

- kalıp ve kalıp elemanları (kalıp ısı kontrol cihazları, sıcak yolluk ısı kontrol cihazları gibi)'dir (Şekil 6.29).

Bugün kullanılan enjeksiyon makinalarının belli limitler dahilinde, farklı geometrilere sahip hemen hemen her tür eşya üretimi sağlayan farklı kalıplar kullanabilme özellikleri, bu makinaların sözde üniversal makina olarak adlandırılmalarına sebep olmuştur.

Bir enjeksiyon işleminin en önemli elemanı kalıptır. Bir kalıp, enjeksiyon makinasının mengene ünitesine monte edilen en az iki parçadan oluşur. Genelde farklı geometride mallar için farklı kalıplar gerekir. Her kalıbın içine plastik malzemenin enjekte edildiği ve enjekte edilen malzemeye şeklini veren bir boşluğu (kalıp boşluğu) vardır.

Enjeksiyon işlemi tam olarak aşağıdaki basamaklardan oluşur (Şekil 6.30 ):

1. Plastikasyonun başlaması: Helezon dönerek bir yandan malzeme hunisinden ocağın içine plastik hammaddeyi alırken bir yandan da erimeye başlayan malzemeyi ocağa aldığı malzeme sayesinde ileri, meme boşluğuna doğru iter. Helezon bu işlemleri yaparken eksenel olarak geriye doğru hareket eder.

2. Plastikasyonun bitmesi Helezonun dönmesi durur. Memede artık enjeksiyon yapmaya yetecek kadar malzeme vardır.

3. Kalıbın kapanması: Mengene, kalıp parçaları tam olarak üst üste gelecek şekilde sıkıca kapanır.



Şekil 6.30. Bir enjeksiyon prosesi

4. Enjeksiyonun başlaması: Helezon dönmeden, eksenel olarak ileri hareketiyle eriyik malzemeyi kalıp boşluğuna doğru iter yani enjekte eder.

5. Enjeksiyonun bitmesi ve kalıbın içindeki malzemenin soğuması: Artık sıcak malzeme kalıp boşluklarını tam olarak doldurmuş ve hemen soğumaya başlamıştır. Kalıba enjekte edilen sıcak mal daha düşük sıcaklıktaki kalıpla temas eder etmez soğumaya başlar ve çekme yapar yani büzüşür. İşte malzemenin bu büzüşmesini engellemek için biraz daha malzeme kalıba nakledilir (ütüleme veya tutma basınçları safhası) NOT: Aslında bu olayı şöyle de anlatabiliriz.

Enjeksiyon işlemi, özellikle kompleks geometriye sahip kalıplar kullanılırken ikiye ayrılır:

6. Ürünün kalıptan dışarı atılması: Kalıplanan malzeme yeterince soğuduktan sonra kalıp açılır ve ürün, itici denen sistem yardımıyla kalıptan dışarı atılır. Bu arada 2. basamak (plastikasyon) sona ermiş ve kalıp bir sonraki enjeksiyon için hazır hale gelmiştir (3.basamak).

Enjeksiyon olayını bir kez daha şöyle özetleyebiliriz: Hammadde üreticisinden sağlanan toz veya tanecik halindeki plastik malzeme, enjeksiyon grubu gövdesine bağlı malzeme hunisinin içine konur. Buradan helezonun dönme hareketi yardımıyla ocağa alınan malzeme yine helezon sayesinde meme boşluğuna doğru itilir. Huniden enjeksiyon grubuna giren plastik malzeme meme boşluğuna doğru itilirken, ocağın etrafına sarılmış olan ısıtıcılarla ve maruz kaldığı sürtünme sayesinde ısıtılır ve eritilir. Meme boşluğuna dolan eriyiğin miktarının artmasıyla helezon arkaya doğru itilir. Helezon, arka sviç aktive olana kadar yani ayarlanan konum değerine ulaşana kadar geriye doğru yine ocak içerisine mal alarak gelir ve durur. Bu, enjeksiyon grubunun mal alma işlemidir. Sviç veya cetvel değeri yani mal alma konumu, kullanılan kalıbın gramajına yani kalıba basılacak malın ağırlığına göre ayarlanır. Eğer ocağa gerekenden fazla mal alınırsa enjeksiyon gerektiği şekilde yapılamaz. Çünkü böylece enjeksiyon sırasında kalıba zarar verilebilir veya parçanın çapak yapmasına neden olunabilir. Eğer gerekli miktarda mal alınamazsa bu da eksik veya bozuk parça üretimine neden olabilir.

Bir sonraki işlem kalıbın kapanmasıdır. Bir kalıp imal edilmek istenen ürüne son şeklini veren boşluğa veya boşluklara sahip en az iki parçadan oluşur. Daha sonraki işlem, helezonun bir piston gibi hareket ederek meme boşluğundaki eriyik durumdaki plastik malzemeyi kalıp boşluğuna ilmesidir (4. basamak) Bu da enjeksiyon işlemidir. Bu işlem sırasında helezon dönmez, sadece ileri doğru hareket eder (5. basamak). Enjeksiyondan hemen sonra malzemeye tutma basınçları uygulanır.

Kalıp içerisindeki yeterince soğumuş malzeme, kalıp açıldıktan sonra bir itici (ejektör) sistemiyle kalıptan dışarı atılır (6. basamak). Böylece bir enjeksiyon çevrimi bitmiştir ve diğer bir çevrim başlamaya hazırdır artık.

6.2.2. Enjeksiyon İşleminin Elemanları

6.2.2.1 Enjeksiyon makinası

6.2.2.1.1 Enjeksiyon ünitesi

Eriyerek ileri hareket eden plastik malzeme meme boşluğuna depolanır. Helezon, kalıbı dolduracak kadar malzeme meme boşluğuna doluncaya kadar, yani mal alma konumuna ulaşıncaya kadar geri gider. Geri hareketi esnasında helezonun arkasında oluşan geri basıncı, hidrolik piston belli bir değerde sabit tutar. Bu sayede helezonun geri dönme hızı azaltılarak daha homojen bir karışım elde edilmesi sağlanır. Plastikasyon işlemi bitip meme boşluğu yeterince malzemeyle dolduktan sonra helezon, bir piston gibi yüksek basınçla ileri doğru hareket ederek plastik malzemeyi meme boşluğundan kalıp içine enjekte eder. Meme ucundan çıkarken malzemenin sahip olduğu basınç değerleri genelde 500 bar ile 2500 bar (l bar = 0.1 MPa) gibi çok yüksek değerler olup bunlara "enjeksiyon basıncı" denir.

6.2.2.2.1.2 Mengene ünitesi

- kalıbı kapamak,

- enjekte edilen malzemenin ürün haline dönüşmesi için kalıbı kapalı tutmak ve

- ürünün çıkarılması için kalıbı açmak şeklindedir.

Bir enjeksiyon makinasının mengene sistemi yatay prese benzer (Şekil 6.32). Bu sistem ana olarak;

- bir sabit plaka,

- bir hareketli plaka,

- bir L-plaka (destek plakası) ve

- hareketli plakanın hareketini sağlayan bir tahrik sisteminden meydana gelir. Bu tahrik sistemi de genelde hidrolik bir sistemdir.



Şekil 6.32. Bir enjeksiyon makinasının mengene sistemi

Kalıplar en az iki ana parçadan meydana gelirler. İki parçalı kalıbın bir parçası eksenel hareket eden hareketli plakaya, diğer parçası ise sabit plakaya monte edilir. L-plaka normalde hareketli olmayıp sadece farklı büyüklüklerdeki yani farklı kalınlıklardaki kalıp ayarlan için eksenel olarak genelde bir redüktörlü motorla, bazen de bir hidrolik motorla hareket ettirilir. Enjeksiyon sırasında kalıpiçi basıncının dış basınçtan çok daha büyük değerlere çıkması, kalıbın açılmasına ve malzemenin taşmasına yani çapak yapmasına sebebiyet verebilir. Ürüne son işlem gerektiren çapak oluşumu, zaman ve enerji kaybına neden olduğu için hiç de istenilen bir durum değildir. Bu sebeple bir enjeksiyon makinasının mengene sistemi, kalıbı gerekli kuvvetle kapalı tutabilmelidir. İşte burada "kalıp kapama kuvveti" denen ve makinanın gücünü dolayısıyla büyüklüğünü belirten bir karakteristiği ortaya çıkar. Enjeksiyon makinalarının büyüklüğünü belirlemedeki en önemli özellik olan "kalıp kapama kuvveti" daha çok 25 ton ile 5000 ton (metrik ton) sınırları içindedir. Ama bazen bu sınırların dışına da çıkabilir.

Mengene sistemlerine göre en genel iki tip makina üzerinde durabiliriz. Bunlar mekanik mengene sistemli ve hidrolik mengene sistemli makinalardır. Günümüzde en çok çift makaslı mekanik mengene sistemli makinalar kullanılmasına rağmen burada sadece, çalışma prensibi daha rahat anlaşılabilsin diye tek makaslı mengene sistemine kısaca göz atılmıştır.

Şekil 6.32'deki gibi bir makinada mengene hareketleri bir makas sistemi tarafından sağlanmaktadır. Bu makas sistemi nadiren elektrikli olsa da çoğu zaman hidrolik kontrollüdür. Makasların geri hareketi mengeneyi yani kalıbı açarken ileri hareketi de mengeneyi kapatır ve yapısından dolayı kapama kuvvetinin oluşmasını sağlar. Şekil 6.33'de mengenenin yaptığı hareketler görülmektedir. Mengene kapanırken makas G2'' noktasından G2" noktasının üzerinde bulunduğu rotayı takip ederek G₂ noktasına gelir. Kalıp kapama, makas eksenleri Gı, G₂ ve Gs aynı doğrultuya ulaştığında yani düz bir çizgi oluşturduklarında sağlanmış olur. Kapama sırasında hareketli plaka G₃' noktasından G₃" yolunu takip ederek Ga noktasına ulaşır (Şekil 6.33).

Bir makaslı mengene sisteminin en önemli avantajı dikkat çekici kinematiğidir. Makina kalıp kapamaya düşük ve sabit bir hızla başlar. Sonra hızı artarak maksimuma çakan hareketli plakanın bu noktadan sonra hızı düşer, mengene yavaşça kapanır ve kilitlenir.

İkinci tip mengene sistemi, hem mengene hareketlerinin hem de kilitlenmenin sadece hidrolik olarak sağlandığı "tam hidrolik mengene sistemi"dir. Bu tür mengeneye sahip makinalara "silindir sıkmak makinalar" da denir. Tam hidrolik mengene sistemlerinde genelde mengene hareketlerinin hızlı yapılmasını sağlayan küçük kesit alanına sahip uzun bir silindir ve kilitlemeyi sağlayan geniş kesit alanlı bir silindir kullanılır. Tabi silindir sayıları ve yapıları tasarımlarına göre çok çeşitlilik arz etmektedir (Şekil 6.34).

Tam hidrolik mengene sistemlerinin birçok avantajları vardır. Bunlardan biri, kapama kuvvetinin net olarak hesaplanabilmesi ve ayarlanabilmesidir. Hidrolik sistemlerde makinaya yeni bir kalıp bağlansa bile mekanik sistemlerdeki gibi L-plakanın redüktörle veya hidromotorla ayarlanmasına gerek kalmaz. Bu sayede, istenmeyen kalıp deformasyonlan da önlenmiş olur. Hidrolik mengene sistemlerinde yüksek işlem hassasiyeti ve yüksek hızlar rahatça

sağlanabilirken genelde mekanik mengene sistemlerinden de daha ucuza mal olurlar.

Şekil 6.34 Tam hidrolik bir mengene sistemi

Hidrolik mengene sisteminin dezavantajlarından biri ise, mengene ünitesinde kullanılan akışkanın yani yağın her ne kadar çok az bir sıkıştırılabilirliği varsa da, bu akışkanın hiçbir zaman ideal sıvı özellikleri gösterememesi ve dolayısıyla tam hidrolik mengene sisteminin mekanik mengene sistemi kadar sağlam ve rijit olamamasıdır. Ayrıca bu sistemde hareket ettirilen yağın miktarının mekanik sistemdekine oranla çok daha fazla olması, bu makinaların enerji ihtiyacının da mekanik mengene sistemli makinalara oranla daha fazla olmasına neden olur. Yine de saydığımız avantajlarından dolayı tam hidrolik mengene sistemleri hassas işlerde daha çok tercih edilmektedir.

6.2.2.2. Kalıp

Bir kalıp;

-erimiş malzemenin kalıp boşlukları içinde rahatça akışını sağlayabilmeli,

-erimiş malzemeye istenen son şeklini verebilmeli,

-son şeklini almış malzemeyi soğutup ürün haline getirebilmeli (çapraz örgülü malzemeleri -lastik gibi- ısıtabilmeli)

-ürünü sağlıklı bir şekilde dışarı alabilmelidir. Bir kalıp ana olarak dört parçadan oluşur:

1. yolluk sistemi : Eriyik malzemeyi alır ve boşluklara dağıtır.

2. Kalıp boşluğu : Eriyik malzemeye son şeklini verir.

3. Isı sistemi : Eriyik malzemeyi soğutur (veya ısıtır).

4. itici sistemi : Ürün haline gelmiş malzemeyi kalıp dışına atar.

Makinaya kolayca bağlanabilmesi gereken ve ana olarak yukarıdaki parçalardan oluşan bir kalıp, gerektiğinde fazladan isteklere cevap verebilecek şekilde dizayn edilebilir. Kalıbın makinaya bağlanırken tam merkezlenmesi için, yani meme ucunun kalıp besleme burcunun merkezine tam denk gelebilmesi için yerleştirme halkası (kalıp flanşı da denir) kullanılır (Şekil 6.35-4).

Bir de kalıbın en önemli özelliklerinden birisi tabi ki, içinde ürün haline gelen malzemenin güvenli şekilde, ürüne hiç zarar vermeden dışarı çıkarılmasını sağlamaktır. Bu da kalıbın en az iki parçadan oluşmasını gerektirir. Biri hareketli plaka (gezer plaka da denir), diğeri sabit plaka üzerinde bulunan kalıp parçaları her baskıda rahatça açılıp tekrar üst üste gelecek şekilde kapanabilmelidir. Bunun için kalıp parçalarının tam olarak üst üste gelmesi kılavuz pimleri sayesinde sağlanmalıdır (Şekil 6.35-5).



Şekil 6.35 Bir enjeksiyon kalıbının yapısı

6.2.2.2.1 Yolluk sistemi

Enjeksiyon süresince meme ucu kalıp yolluk burcuyla temas halinde olup buradan kalıba çok yüksek basınçlarda sıcak malzeme enjekte edilir. Birden fazla boşluklu kalıplarda ana yolluk kanalına ulaşan malzeme buradan yolluklarla girişi çok küçük kesit alanlarına sahip boşluklara aktarılır. Kalıp boşluklarının girişinin çok küçük olmasının bir sebebi ürün haline gelecek malzeme üzerinde oluşması muhtemel gözle görünür işaretleri veya izleri azaltmaktır. Diğer bir sebep de boşluğa ulaşana kadar soğumaya başlamış malzemeye sürtünmeyle ısı vermektir.

Çok boşluklu bir kalıp, eriyik malzemenin aynı anda üniform bir biçimde, bütün boşluklara aynı ısı ve aynı basınçta dolmasını sağlayacak şekilde dizayn edilmeli ve işlenmelidir. Aksi takdirde, aynı baskıda üretilen ürünlerin kaliteleri ve özellikleri birbirinden çok farklı olabilir.

Kalıp boşluğu girişleri kaynak (birleşme) çizgilerini önleyebilecek veya en azından minimuma indirebilecek şekilde yerleştirilmelidir. Kaynak çizgileri, bir boşluğun iki veya daha fazla girişe sahip olduğu veya eriyik malzemenin kalıp göbeği gibi engeller etrafında geçmesi gerektiği durumlarda, yani malzemenin farklı yönlerden gelip birleştiği durumlarda ortaya çıkarlar. Eğer birleşme istenen şekilde olmazsa, üretilen parçanın mekanik mukavemeti düşebileceği gibi üzerinde görünür işaretler de meydana gelebilir.

Şekil 6.36. Basit bir kalıp yolluk sistemi

Kalıp boşluğu girişleri, mümkünse parçanın et kalınlığının en fazla olduğu bölgelerde olmalıdır. Çünkü kalıp içinde soğuyan malzeme büzülmeye ve çekmeye başlar. İşte enjeksiyondan sonra tutma basınçlarının uygulanmasının sebebi, kalıp içinde her yere yeterli miktarda eriyik malzeme gitmesini sağlamak yani parçada meydana gelebilecek deformasyonlara engel olmaktır. Bu da ancak malzeme tam olarak soğuyup akıcılığını yitirmeden sağlanabilir. Kalınlığı fazla olan bölgelerin daha geç soğuyacağı ve tutma basınçları safhasında bu bölgelere daha kolay malzeme takviyesi yapmaya devam edilebileceği gözönünde bulundurulursa, boşluk girişlerinin neden buralarda olması gerektiği anlaşılır.

Bir diğer husus da boşluğa giren malzemenin akış yönü ile ilgilidir. Malzeme direkt olarak boşluğa enjekte edilirse açık püskürtme (öpen jet) olayı meydana gelebilir. Bunu önlemek amacıyla malzemeyi, direkt enjekte edildiği noktanın karşısındaki kalıp duvarına doğru değil de kalıp duvarının bir kenarı boyunca kalıp boşluğuna enjekte etmek gerekir. Çünkü açık püskürtme olayı genelde ürünün görünür derecede enjeksiyon izleri taşımasına neden olur.

6.2.2.2.2. Kalıp boşluğu

1. 
   Çıkıntılara genişçe kavis veya pahlar verilmelidir.
   
2. 
   Yerleri malzeme akışına yardımcı olacak şekilde düzenlenmeli, gerekirse kaburga ile birleştirilerek akış kolaylaştırılmalıdır.
   
3. 
   Kalıbın üst kısmında yer aldığı taktirde burada gaz toplanmasına neden olabilir. Mümkünse bu durumdan kaçınılmalıdır.
   
4. 
   Kaburgalar gibi 5°'lik eğimler verilmelidir.
   
5. 
   Geniş çıkıntılar düzenlendiği taktirde üniformluğu sağlamak için içleri boşaltılmalıdır.
   

Enjeksiyon tekniğiyle imal edilen bir ürünün özellikleri makinaya ve çalışma şartlarına bağlı olduğu kadar kalıp tasarımıyla da ilgilidir. Kalıp boşluklarındaki ve yolluk sistemindeki akış işlemi polimer makromoleküllerinin oryantasyonunu, dolayısıyla parçanın iç gerilmelerini etkiler. Kalıp içindeki bu ve buna benzer olaylar sonuçta ürünün özelliklerini yani kalitesini belirler.

6.2.2.2.3. İtici sistemi

Bir kalıbın iki parçası, makina tarafından tam üstü üste gelecek şekilde kapatılabilmelidir. Kalıp parçalarının en doğru şekilde pozisyonlanması için de bir veya daha fazla ayarlama parçası (kalıp flanşı gibi) kullanılır. Kalıp parçalarının, hem yüksek basınçta boşluklara enjekte edilen malın dışarı çıkışına engel olacak, hem de mal boşluğa dolarken boşluk içindeki havanın dışarı çıkışına yardımcı olacak şekilde kapatılması sağlanmalıdır. Kompleks parçaların kalıp dışına çıkarılması daha zordur. Bunun için kalıbın ikiden fazla hareketli parçaya sahip olması gerekmektedir.

Şekil 6.38. İtici sistemi