Yazar
Talib, Nayyef Ahmed
Basım Tarihi
2019-01-03
Tür
Belge
Dil
İngilizce
Dijital
Evet
Yazma
Hayır
Kütüphane
Özyeğin Üniversitesi
Kayıt Numarası
27c672a0-51fb-47b0-95e2-fc12e07915a0
Lokasyon
Makine Mühendisliği Bölümü
Tarih
2019-01-03
Örnek Metin
Ekstrüzyon, otomotiv endüstrilerinde kauçuk hava şeritleri üretmek için kullanılan ana yöntemdir. Ürün kalitesi, kalıbın tasarım parametrelerini, işleme değişkenlerini ve kullanılan malzemenin reolojik davranışını içeren birçok faktöre bağlıdır. Öte yandan, kauçuk bileşiğinin akışı, hem kesmeyle incelme davranışından hem de bu malzemenin yüksek viskoelastik karakterinden dolayı karmaşıktır. Bu nedenle ekstrüzyon işlemi sırasında ürün kalitesine etki eden birçok faktörün dahil edilmesi kalıp tasarımı ile akış alanı arasındaki ilişkinin sezgisel olmamasına neden olmaktadır. Mevcut geleneksel kalıp tasarımı, gerekli ürün kalitesini garanti etmek için üretilen kalıbın birkaç denemede yeniden işlendiği deneme-yanılma sürecini kullanır. Bu nedenle, sayısal modellemeyi benimseyerek alıştırma deneyini sanal bir deneye dönüştürmek, atık malzeme ve zamanın azaltılmasına yol açan güçlü bir yöntemdir. Ek olarak, ürün kalitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla kalıp tasarım parametreleriyle birlikte reolojik malzeme değişkenlerinin derinlemesine analizi için de kullanılabilir. Kauçuk gibi yüksek reaktif malzemelerin ekstrüzyon prosesinde daha az reaktif koşulların bulunması önemlidir. Bunun nedeni, ısıtmanın zaman süreci, peroksitin bozunmasını veya kalıbın içindeki kavurmayı kontrol etmede çok önemli bir faktördür. Bu nedenle, belirli bir kalıp tasarımı için malzemenin kalma süresi ve sıcaklığının tahmini, ürün kalite kontrolünde önemli bir rol oynar. Araştırmaların ilk bölümünde endüstriyel ölçekte özel bir sensörle donatılmış özel bir ekstrüzyon kalıbı tasarlandı. Ekstrüzyon deneyleri bir ekstrüzyon hattında gerçekleştirilmiş ve ekstrüder hızları için akış hızı, sıcaklık ve basınçlar ölçülmüştür. Doldurulmuş kauçuk bileşiğinin reolojik özellikleri, sayısal simülasyon için gerekli malzeme parametrelerini değerlendirmek üzere farklı sıcaklıklarda bir kılcal reometre (Rosand) kullanılarak karakterize edildi. Sertleşme özellikleri, farklı sıcaklıklarda bir kürleme eğrisi oluşturmak için bir kauçuk proses analizörü (RPA-2000) kullanılarak araştırıldı. Etilen propilen dien monomer (EPDM) kauçuk eriyiklerinin izotermal olmayan viskoz akışını modellemek için üç boyutlu bir model oluşturuldu. Ekstrüzyon kalıbı alanındaki karmaşık akışı çözmek için bir güç yasası modeli ve karma sonlu elemanlar yöntemi aracılığıyla tamamen elastik olmayan bir model varsayıldı. Akış denklemlerini çözmek ve sayısal kararlılığı artırmak için basınçla stabilize edilmiş Petrov-Galerkin (PSPG) yöntemi ve rüzgara karşı akış yönünde/Petrov-Galerkin sayısal şeması kullanıldı. Sonuçlar, EPDM kauçuk bileşiği için vida hızının, ekstrüzyon kalıbındaki sıcaklık artışı ve basınç düşüşü üzerinde dikkate değer bir etki yarattığını doğruladı. Viskoz yayılımın termal davranış ve basınç düşüşü tahmini üzerindeki etkisi de tartışıldı. Elde edilen kavurma süresi, ekstrüder hızının sertleştirme özelliği üzerindeki etkisini açıklamak için akış alanındaki tahmini kalma süresiyle karşılaştırıldı. Sonuçlar, incelenen ekstruder hız aralığı dahilinde ne erken vulkanizasyonun ne de akış alanı içinde kavurmanın başlangıcının olmadığını gösterdi. Hız düzgünlüğü indeksi ve akım çizgisi sırasıyla kalıp çıkışında ve tüm akış alanında değerlendirildi. Elde edilen sonuçların analizi, önerilen kalıp tasarımının, dolaşım veya büyük bir distorsiyon riski olmadan hatasız bir ürün üretme yeteneğini doğruladı. Model tahmininin geçerliliği, simülasyon ve deneysel sonuçların karşılaştırılması ile doğrulandı. Araştırmaların ikinci kısmı kauçuğun ekstrüzyonu sırasında meydana gelen şişme olgusunun incelenmesine ayrıldı. Ekstrüdat şişmesi, kauçuk ve kauçuk bileşikleri gibi yüksek viskoelastik malzemeler ekstrüde edildiğinde meydana gelen önemli bir olgudur. Bu çalışmada, doğrusal olmayan diferansiyel viskoelastik model (Giesekus modeli) kullanılarak, kılcal kalıptaki Stiren-Bütadien kauçuğu (SBR) ekstrüzyonu için gevşeme süresi ve gevşeme modunun şişme tahminleri üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Şişme tahminleri için karşılık gelen 3 boyutlu, kararlı durum sonlu eleman simülasyonu sunuldu ve doğrulama için deneysel verilerle karşılaştırıldı. Simülasyon aracılığıyla kalıptaki hız dağılımı, basınç düşüşü ve sirkülasyon akışı analiz edildi ve tartışıldı. Şişme tahmininin sonuçları, Giesekus modelinin geniş bir gevşeme süresi aralığına sahip üç gevşeme modunun deneysel verileri yeniden ürettiğini ortaya çıkardı. Ayrıca gevşeme modu sayısı ve gevşeme süresi aralığının kalıp köşesindeki sirkülasyon akışı üzerinde kayda değer bir etkisi olduğu ve diğer alan değişkenleri üzerinde de bir miktar etkisi olduğu görüldü. Önerilen modelin doğrulanmasının ardından aynı model, otomotiv endüstrisinde ağırlıklı olarak hava şeridinde kullanılan EPDM kauçuğun kılcal ekstrüzyonuna uygulanmıştır. EPDM kauçuğun şişmesi SBR'nin şişmesi ile karşılaştırıldı. Elde edilen sonuçlar, incelenen tüm parametreler için EPDM'nin şişme oranının SBR'nin şişme oranından daha az olduğunu gösterdi. Bu bulgu, viskoz bir etkinin baskın olduğu durumlarda bu tür malzemelerin modellenmesinde tamamen esnek olmayan modelin çağrılma yeteneğini doğruladı. Kalıp uzunluğu ve kalıp duvarındaki kayma gibi kalıp tasarım parametrelerinin şişme üzerindeki etkisi de tartışılmış ve analiz edilmiştir. Son olarak, endüstriyel ölçekte bir ekstrüzyon kalıbında ekstrüdat şişmesinin modellenmesi için viskoelastik simülasyon tabanlı Giesekus viskoelastik modeli uygulandı. Tahmin edilen ekstrüdat profili, kalıp çıkışındaki temel profille karşılaştırıldı. Elde edilen sonuçlar, kalıp çıkışında ekstrüdat profilinde temel geometriden çok hafif bir sapma olduğunu göstermektedir; bu da, kalıp düzeltmesi yapmaya gerek kalmadan hassas ekstrüdat boyutunu üretmek için önerilen kalıp tasarımını doğrulamaktadır. Kalıp çıkışındaki üç boyutlu gerilim alanı tartışıldı ve bunların eriyik kırılması veya yüzey kusurları gibi bazı kusurların gelişimi üzerindeki etkisini değerlendirmek için analiz edildi. Ürün kalitesi, istatistik ölçümlerine, şüreç değişkenlerine ve kullanılan malzemenin reolojik davranışlarını içeren birçok faktöre bağlıdır. Öte yandan, kauçuk karışımının sürdürülmesi, hem bu malzemenin viskozitesinin kayması, hem de yüksek viskoelastik özelliğin birlikte bulunması nedeniyle karmaşıktır. Bu nedenle, ekstrüzyon işlemi sırasında ürün kalitesi üzerinde etkili olan birçok faktörün dahil edilmesi, kalıp tasarımı ile büyüme alanı arasında muhafaza edilerek tahmin edilememesine yol açılmaktadır. Mevcut konvansiyonel kalıp tasarımı bir deneme yanılma sürecinden oluşur. Kalıp, istenen ürün kalitesi sağlanana kadar deneme yanılmalarına bağlı olarak yeniden işlenir. Bu nedenle, dijital simülasyonlarla, denemeyi sanal bir hale dönüştürmek, atık malzeme ve yapıya dönüştürülmeye yol açan güçlü bir tasarım yöntemidir. Kalıp tasarımına ek olrak, simulasyonlar, reolojik analitikn ürün kalitesi üzerindeki performanslar için bozulma incelenebilir. Kauçuk gibi yüksek reaktif malzemeler, ekstrüzyon sürecinde daha az reaktif olacakları bulunmaları önemlidir. Bu nedenle, malzeme kalıbı içinde kalma süresi, malzeme viskoz tüketimi ile ya da kalıptan akan ısıya maruz kalma süresi etkileri ve sonuç olarak peroksitin bozunması, polimerin bozunması veya jelleşmesi gibi fenomenler ortaya çıkabilir. Bu nedenle sürecin termal kontrolü, ürün kalite kontrolünün anahtarıdır. Araştırmanın ilk bölümünde, endüstriyel boyutta tasarlanmış özel bir test ölçümleri, basınç ve sıcaklık sensörleri ile donatılarak ekstrüzyon deneyleri yapılmıştır. Ekstrüzyon deneyleri bir ekstrüzyon hattında, farklı ekstruder hızları için debi, sıcaklık basınçları ve değişkenleri ölçümlerek yapılmıştır. Doldurulmuş kauçukların reolojik özellikleri, dijital simülasyon için gerekli malzeme parametrelerini elde etmek için farklı parçalarda bir kapiler reometre (Rosand) kullanılabilir. Kauçuğun kürlenme özellikleri, farklı şekillerde sertleşme eğrilerinin, bir kauçuk işlem analiz cihazı (RPA-2000) kullanılarak tespit edilmiştir. Etilen propilen dien monomeri (EPDM) kauçuk eriyiklerinin izotermal olmayan viskoz atomlarının modellenmesi için üç boyutlu bir model kapsamına sahiptir. Elastiklik dağılımları, Newtonian olmayan oluşumların viskozitesi güç kanunu modeli (güç yasası modeli) ile ekstrüzyon yapısı İçteki akış karma sonlu eleman yöntemi ile çözülmüştür. Basınçla dengelenmiş Petrov-Galerkin (PSPG) ve akış çizgisi rüzgara karşı/Petrov-Galerkin yöntemiyle akış denklermlerini karma bir şekilde çözmek için çözüldü. Sonuç olarak, EPDM kauçuk ürünleri için, ekstrüder hızının ekstrüzyon kalıbındaki sıcaklık artışı ve basınç değerleri üzerinde kayda değer bir etki doğrulanmıştır. Viskoz enerji kayıplarının termal davranışı ve basınç kaybının üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Elde edilen kürlenme (ve sonrasındaki kavrulma) süresi, kauçuğun kalıbı içinde tahmin edilen kalma süresi ile karşılaştırmalar yapılarak nihai ürün veriminin etkisi vardır. Sonuçlar, çalışılan ekstrüder hız aralığında, erken vulkanizasyon ya da depolamanın kavrulmanın içinde saklanıp gerçekleştirilmediği gösterilmiştir. Hız dağılımı verileri ve dağılım çizgileri, normal kalıp çıkışında ve tüm yayılma alanlarında değerlendirildi. Elde edilen sonuçların analizi, önerilen analizler içerisinde, akış kopması, girdap oluşumu veya büyük bir distorsiyonun olmaması ve bu kalıbın hatasız bir ürün üretme kabiliyeti doğrulanmıştır. Simülasyonlarla yapılan tahminlerin yürütüldüğü, deney sonuçları arasındaki karşılaştırma ile doğrulanmıştır. Araştırmanın ikinci bölümü, kauçuğun ekstrüzyonu sırasında meydana gelen şişme olayını incelemeye göre değişebilir. Ekstrüdat şişmesi, kauçuk ve kauçuk modeller gibi yüksek viskoelastik yapılar ekstrüde çatlakların ortaya çıkması ürün özellikleri, dayanıklı önemli bir olgudur. Bu mümkün, doğrusal olmayan diferansiyel viskoelastik model olan Giesekus modelinin gevşeme zamanının ve gevşeme modunun şişme tahminleri üzerindeki etkiler kapiler kalıpta Stiren-Butadien kauçuk (SBR) ekstrüzyonu için sistemli olarak kalıplanmıştır. 3 boyutlu, kararlı akış, şişme simulasyonları sonlu eleman yöntemi ile uygulanmış ve diğer veriler ile doğrulanmıştır. Hız verileri, basınç değerleri ve girdap oluşumu simülasyon sonuçlarının analizi ile incelenmiştir. Şişme simülasyonlarını sonuçları, Giesekus modelinin geniş bir gevşeme aralığında kullanılan üç gevşeme modülüyle deney düzeneklerinin yeniden üretilebildiğini ortaya çıkarmıştır. Ayrıca, gevşeme rejiminin gevşemesi ve gevşeme değişiklikleri, kalıbın köşesindeki girdaplı akıntı üzerinde önemli bir etki ve diğer alan değişkenleri üzerinde de etkilerin ortaya çıktığı ortaya çıkar. Sertifikalı fiziksel ve dijital modelin doğruluğunun ispatlanmasından sonra, aynı model, otomotiv işlemci profillerinde kullanılan EPDM kauçuğunun kapiler ekstrüzyonuna hazırlanmıştır. EPDM kauçuğun şişmesi, SBR kauçuğunun şişmesi ile karşılaştırılmıştır.. Elde edilen sonuçlar, EPDM'nin şişmesi, incelenen tüm etki için SBR kauçuğun şişmesi oranından daha az olduğu görülmüştür. Bu bulgu, viskoz bir etki baskını olduğunda bu tür malzemenin modellenmesinde elastik olmayan bir viskoz modelin kullanılıp kullanılamayacağı ortaya çıkabilir. Kalıbın uzunluğu ve kalıp duvarındaki kaymanın, ekstrüzyon ve ürün üzerine etkisi de esneklikler desteği ile. Son olarak, esnek bir ekstrüzyon kalıbında ekstrüdat şişmesinin modellenmesinde viskoelastik simülasyonlu Giesekus viskoelastik modeli yapılmıştır. Tahmini ekstrüdat profili, kalıp çıkışındaki temel profille karşılaştırıldığında, ekstrüdat profilinde çok hafif bir sapma gözlemlenmiş ve istenilen profil için uygun olduğu tespit edilmiştir. Kalıp çıkışındaki üç boyutlu gerilme alanı incelenmiş ve eriyik kırılması ya da yüzey kusurları gibi kusurların evrimi üzerindeki etkiler incelenmiştir.
