Plastik Malzemelerin Üretiminde Bozunma (Degradasyon)

Plastik polimer malzemelerin kimyasal içerikleri çok farklı kimyasalların bir araya gelerek farklı faydalar çerçevesinde harmanlanmasından oluşmaktadır. Bu bileşenlerden kimileri üretim sırasında akışkanlık gibi faydalar sağlarken kimileri de kullanım sırasında dayanım ve eseneklik gibi faydalar sağmaktadır.

Bu polimer bileşenlerin bir arada bulunurken plastik kimyalarını koruyabilmeleri için belli ortam koşullarının sağlanması gereklidir. Bu koşullar sıcaklık, nem yada basınç gibi koşullar olabilmektedir. Bu gibi koşulların sağlanamadığı durumlarda ise “plastik polimer yapı” bozularak kendisini oluşturan alt bileşenlere ayrışır. Bu duruma ingilizce olarak Degradation, Türçe’de ise bozunma yada yıkılma ismi verilir.

2_PVC Bozunması Kimyasal Formülü
2_PVC Bozunması Kimyasal Formülü

Bozunma durumu plastik enjeksiyon kalıpçığında renk değişimi (genellikle kararma) yahut yüzey bozulması olarak tespit edilir.

Plastik Enjeksiyon Kalıpçılığında Bozunma (Degradasyon) Sebepleri

Sıcaklık

Plastik enjeksiyon parça üretiminde bozunmanın en önemli ve en çok rastlanan sebebi sıcaklık olarak karşımıza çıkmaktadır. Plastik malzeme üreticileri bu problemin önüne geçmek adına malzeme özellik tablolarında tavsiye edilen enjeksiyon sıcaklığı değerlerini verirler. Üretici işletmeler de bu sınırların içerisinde kalarak üretim yapmaya çalışırlar. Yüksek sıcaklık sebebi ile yanmış olan bir PVC soğuk yolluk aşağıda görülmektedir.

PVC_burn-marks
PVC_burn-marks

Ancak parça kalınlıklarının ince tasarlardığı, uzun akış yolu mesafesine ihtiyaç duyulan yahut çok gözlü kalıplarda plastiğin kalıp içerisindeki yerine ilerlemesi için makine vida basıncı yeterli olmayabilir. Bu doldurmama problemlerini çözebilmek için sıcaklık arttırılarak daha düşük akış direnci (viskozite) ile enjeksiyon yapmak çözüm olabilirken, bu çözüm beraberinde bozunma problemlerini de getirebilir.

Diğer taraftan plastik malzemenin ısınmasının tek sebebi makine ocak sıcaklığı değildir. Sıcak yolluk manifold tasarımında kullanılan ısıtıcı (rezistans) kalıp yolluğu içerisinde ilerleyen polimeri ısıtmaya devam etmektedir. Bu ısıtıcıların (rezistansların) ısı ayarı üzerinden bu işlem kontrol altına alınmalıdır.

Son olarak polimer malzemeler kalıp ve yolluk içerisinde ilerlemeleri sırasında  akış tabakaları üzerinde kayarak yol alırlar. Bu tabakalar arası laminar kayma hareketi akış tabakaları arasında sürtünme meydana getirir. Bu sürtünmede kalıp ve yolluk içerisinde akmakta olan polimer üzerinde ek ısı yükü meydana getirerek sıcaklığını arttır.

Aşağıdaki grafik 225C sıcaklık sonrasında termal koruyucu katkılı olan ve olmayan PVC’lerin bozunma sıcaklıklarını göstermektedir.

PVC Bozunma vs Sıcaklık
PVC Bozunma vs Sıcaklık

Akış Hızı

Plastik enjeksiyon makinelerinde vida hızı üzerinden basınç ve dolayısı ile debi kontrollü olarak enjeksiyon yapılır. Debi ifadesi belirli bir zamanda belirli bir alandan geçen malzeme hacimini yada kütlesini ifade etmektedir. Plastik enjeksiyon kalıplarında manifold, yolluk ve giriş memesi (gate) boyunca polimer farklı kesitlerde ilerlemektedir. Bu akış kesitleri daraldıkça debi sabit kalmak şartıyla polimerin hızı artacaktır. Kalıp kesitlerinde polimer malzemenin bozunmadan akabilmesi için hız limitleri bulunmaktadır. Bu hız limiti aşıldığında polimer malzeme bozunmaya maruz kalacaktır.

Garcia J.L. (et.al.) yapmış olduğu çalışmada PVC malzemenin radyal bir parça üretiminde kalıp boşluğunu farklı hızlarda doldurması sırasında farklı akış hızlarında ortaya çıkan bozunma görünümü karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Akış hızı arttıkça bozunmanın çok daha belirginleştiği net olarak gözlemlenmektedir.

PVC Bozunma (Degradation) Testi
PVC Bozunma (Degradation) Testi

 

Moldex3D PVC Bozunma Yanması Sebebinin Tespiti

PVC (Polivinil Klörür) malzemeler plastik polimerler arasında bozunma, sıcaklık ve akış hızı bakımından hassas malzemelerdir. PVC boru üretimi ağırlıklı olarak ekstrüzyon prosesi ile üretilirken bu boruların T ve dirsek bağlantıları plastik enjeksiyon ile üretilmektedir. Bu üretim sırasında Ocak, Manifold ve yolluk sıcaklıkları hassas biçimde kontrol edilerek enjeksiyon yapılmak zorundadır. Çünki PVC’nin yolluk ve kalıp hattı boyunca akışı sırasında ısınmaya devam etmesi sebebi ile bozunma ve ürün üzerinde kararma problemleri yaygın yaşanan bir üretim kusurudur.

Aşağıda görülmekte olan 4 gözlü PVC dirsek bağlantı elemanı üretimi için kullanılan enjeksiyon kalıbı baskı sonrasında enjeksiyon memesi çevresinde kararma problemleri gösteren bir kalıp olarak Insource Ekibine örnek olarak getirilmiş bir kalıptır.

Bu problemin sebebi akış hızı kaynaklı olabileceği gibi enjeksiyon sıcaklığından da kaynaklanabilmektedir. Moldex3D içerisinde Manifold, Rezistanslar, Yolluk ve Soğutma Kanalları modellenerek gerçekleştirilen simülasyonlarda yolluk hattı boyunca sıcaklık dağılımı yüksek hassasiyetle hesaplanabilmektedir.

180 C sıcaklık ile manifolda giriş yapan PVC malzemenin kavite girişinde 189,5 C sıcaklığa yükseldiği Moldex3D ile net olarak tespit edilmiştir.

PVC Yolluk Sıcaklıkları
PVC Yolluk Sıcaklıkları

Yanma (bozunma) probleminin sıcaklık kaynaklı olduğu tespit edildikten sonra aşağıdaki kalıp ölçüleri üzerinde yapılan ek analizler ile revize kalıp tasarımının nasıl olması gerektiğine karar verilmiştir:

  1. PVC Manifold Giriş Sıcaklığı
  2. Manifold Rezistans Isısı ve Sıcaklığı
  3. Manifold Tasarımı
  4. Soğuk Yolluk Tasarımı ve Akış Hattı Boyu
  5. Giriş Memesi Çapı

Bu gibi çok parametreli ve karmaşık ısı transferi problemlerinde Moldex3D Simülasyonları doğru çözüme tek kalıp üretiminde revizyonsuz olarak ulaşmaya olanak verir. Simülasyon yapmamak, bitmez deneme yanılma süreçlerine, para, zaman ve prestij kayıplarına sebep olur.

Onur ALPAY, Mak. Yük. Müh. Eylül 2019