Optimization of plastic injection process parameters using the Taguchi method, machine learning and genetic algorithm
Plastik enjeksiyon prosesinde Taguchi, makine öğrenmesi ve genetik algoritma yöntemlerini kullanarak parametre optimizasyonu
- Tez No: 706985
- Danışmanlar: PROF. DR. ERSAN ÜSTÜNDAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Plastics are shaped by many different shaping methods according to their types and intended purpose. One of these methods is injection molding. Plastic injection is a production method that involves the injection of molten polymer into a mold cavity where the polymer later cools and is removed. Dimensional and visual errors (sink marks, flow marks, warpage, short shot, burn marks, weld line, air bubbles, jetting, etc.) occur in parts produced by the plastic injection method due to various reasons. In this thesis, a study was conducted on the warpage problem, which is one of the critical quality problems of injection molded parts and results in both structural and visual defects. Warpage can be defined as deviations and dimensional distortions compared to those in the original part design. The main cause of warpage is the development of uneven internal stresses during the filling, compression and cooling phases of the injection process. However, direct measurement or accurate modeling of these stresses is rather difficult. For this reason, the present study employed an indirect approach to determine the optimum values for the input parameters of the plastic injection process that minimize warpage. Firstly, using the Taguchi method, the most influential process parameters were determined (from the most influential onward): packing pressure, cavity steel temperature, cooling time, packing time and back pressure, respectively. Next, using the Taguchi experiment design, a full factorial experiment design set containing a more comprehensive dataset was created with parameters whose number and range of values were limited. According to this set of experiments, a second trial was made and the warpage values of the piece were measured. A machine learning (ML) model was then created using all the data. This model served as the simulation of the process and was employed by the genetic algorithm (GA) in the search for optimum process parameters that yield minimum warpage. As a result of the studies, it has been determined that the most influential parameters on warpage are packing pressure, cooling time, packing time, back pressure and cavity steel temperature. On the other hand, it was observed that parameters such as melt temperature and injection pressure had little effect on the process. An interesting observation was that, in contrast with literature, an increase in applied pressure had a negative effect on the warpage of the part.
Özet (Çeviri)
Plastikler geçmişten günümüze kadar oldukça yaygın bir şekilde hayatımızın birçok alanında kullanılmıştır. Plastiklerin bu derece yaygın olarak kullanılmasının başlıca sebepleri arasında yalıtım, hafiflik, darbelere ve korozyona karşı dayanıklılık, şekil verilebilirlik gibi geniş bir özellik yelpazesinin bulunması ve bunların işleme kolaylığını gösterebiliriz. Bu tür özelliklerin özellikle maliyet konusunda ciddi kâr sağlamasının yanı sıra plastiklerin kullanıcı ve çevre dostu olması ambalaj, yapı ve inşaat, otomotiv, havacılık ve uzay, beyaz eşya, elektrik ve elektronik, tekstil, tarım, sağlık ve diğer birçok sektörde kullanılmasına olanak sağlamıştır. Plastikler, karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azo t(N) ve diğer organik ve inorganik elementlerin oluşturduğu monomer yapılardaki bağın koparılarak uzun ve zincirli bir yapıya dönüştürülmesi ile elde edilen, polimer olarak da adlandırılan malzemelerdir. Isıya tepkilerine göre termoset ve termoplastik olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Termosetler bir kez ısı verilip şekillendirildikten sonra tekrar ısıtılıp eski hallerine veya başka bir şekle dönüştürülemezler. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastikler ise yüsek sıcaklıklarda erimeye başlarlar ve eriyik hale gelirler. Isıtılınca viskozitelerinin düşmesi sebebiyle atom zincirleri biribirinden kopar ve akıcılığa sebep olur. Aynı şekilde soğutulduğunda ise kopan zincirler tekrar katılaşarak malzemenin katı bir hal almasını sağlanır. Bu özelliklerden dolayı termoplastiklere defalarca şekil verilebilir. En çok kullanılan plastik malzeme olan termoplastiklere örnek olarak akronitril bütadien stiren (ABS), polietilen (PE), polivinil klorür (PV), polimetil metakrilat (PMMA), ve polikarbonat (PC) verilebilir. Plastikler türlerine ve kullanım amaçlarına göre birçok farklı şekil verme yöntemi ile biçimlendirilirler. Bu yöntemlerden birisi de enjeksiyon kalıplama yöntemidir. Plastik enjeksiyon, sıcaklık yardımıyla eritilen plastik hammaddenin bir kalıp içerisine enjekte edilerek kalıp boşluğunun şeklini alması ve kalıp içerisinde belli bir süre soğutulduktan sonra plastik ürünün kalıptan çıkarılmasını içeren bir üretim yöntemidir. Enjeksiyon aşamasında besleme haznesindeki granül halinde bulunan plastik malzeme kovanın içindeki vida boşluklarına dökülür. Gitgide vida boşluklarının daralmasından kaynaklı olarak vida boşluklarına dolan hammaddenin üzerinde basınç oluşmaya başlar. Kovan üzerinde bulunan rezistanslı ısıtıcılar ve basıncın da etkisiyle eriyik hale gelen hammadde vida ucundaki roket grubunun içinden geçerek vida önünde birikmeye başlar. Öne dolan malın sıkışmasıyla vida geri gitmeye başlar. Vidanın önünde kalıbı doldurmak için yeterince mal alındığında enjeksiyon silindiri vidayı ileri iterek malın memeden ve yolluktan geçerek kalıba dolması sağlar. Parçanın istenilen ölçülerde olması ve görsel kusurların olmaması (çöküntü, eğilme, çekme vb.) için vidaya belli bir süre daha basınç uygulanır. Bu aşamada kalıp içine enjekte edilen plastik eriyik kalıp boşluğunu iyice doldurur ve eriyik plastik kalıp içinde belli bir süre sonra katılaşır. Bu süre hammaddenin özelliklerine, parça boyutlarına ve parçanın ağırlığına göre değişkenlik gösterir. Sonraki adımda uygulanan basınç kaldırılarak plastik parçanın kalıp içinde soğuması gerçekleştirilir. Soğutma işleminin ardından kalıbın iki tarafı ayrılacak şekilde kalıp açılarak bitmiş plastik ürün maçalar ya da iticiler yardımıyla kalıptan çıkartılır. Plastik enjeksiyon yöntemi ile üretilen parçalarda çeşitli sebeplerden dolayı ölçüsel ve görsel hatalar (çöküntü, akış izi, çarpılma, eksik dolum, yanık izi, birleşim izi, hava kabarcıkları, serpinti vb.) ortaya çıkmaktadır. Hataların meydana gelmesinin birçok sebebi olabilir. Bu problemler, mesela, parça tasarımı, kalıp, hammadde, makine ya da proses kaynaklı olabilir. Bunların arasında en çok değişken durumun olduğu ve değişkenlerin parça kalitesine etkisinin gözlemlenmesi ve tespit edilmesinin de zor olduğu aşama plastik enjeksiyon aşamasıdır. Bu tezde, plastik parçaların kritik kalite problemlerinden biri olan, hem yapısal hem de görsel problemlere yol açan çarpılma problemini minimize etmek için plastik enjeksiyon prosesinde parametre optimizasyonu yapılmıştır. Öncelikle çarpılma, üretilmiş olan ürünün ölçülerinin orjinal parça tasarımdaki ölçülerinden sapması ya da boyutsal bozulmalar olarak tanımlanabilir. Kalıplanmış olan parça boyutsal toleransı sağlamadığı takdirde nihai ürün olarak kullanılamaz ve bunun sonucunda kalıp ve parça tasarımlarının yeniden tasarlanması sürecine kadar gidecek ciddi maliyetlere ve zaman kayıplarına sebep olabilir. Parça tasarımı, parça et kalınlığı, yolluk giriş tasarımı, yolluk giriş lokasyonu, proses parametreleri ve çevre koşulları parçanın çarpılmasına etki eden faktörlerdendir. Esasında parça çarpılmasına etki eden ana neden enjeksiyon prosesindeki doldurma, sıkıştırma ve soğutma aşamaları sırasında ortaya çıkan ve eşit olmayan gerilmelerdir. Akış kaynaklı artık gerilmeler, gerilmiş polimer moleküller, basınç ve yoğunluk dağılımı ile ilişkili olan dengesiz doldurma ve sıkıştırmadan dolayı parça içine hapsolur. Bu artık gerilmeler parça serbest halde bırakıldıktan sonra çeşitli ortam koşullarına da bağlı olarak parçanın genellikle uç bölgelerinde şekil bozukluklarına sebebiyet verir. Bu artık gerilmeler ne kadar az olursa parça üzerindeki şekil değişimine de etkisi o kadar az olacaktır. Bu sebeple tez çalışmasında parça çarpılmasını minimize edecek şekilde çeşitli deneysel ve teorik metotlar kullanılarak plastik enjeksiyon prosesindeki parametrelerin en uygun olduğu değerler tespit edilmeye çalışılmıştır. İlk olarak Taguchi yöntemi kullanılarak üründe ve süreçte değişkenlik (hedef değerden fark) yaratan kontrol edilemeyen faktörlere karşı kontrol edilebilir faktörlerin değerlerini optimum şekilde seçerek ürün ve süreçteki değişkenliğin en aza indirilmesi amaçlanmıştır. Yapılan denemeler ile elde edilen veriler sonucunda kullandığımız plastik parça için en önemli parametrelerin sırasıyla tutma basıncı, dişi çelik sıcaklığı, soğutma zamanı, tutma zamanı ve geri basınç olduğu görülmüştür. Ayrıca parametrelerin çarpılma üzerinde daha çok etkiye sahip oldukları parametre aralığı da belirlenmiştir. Taguchi deney tasarımı ile sayısı ve değer aralığı sınırlandırılmış parametreler ile daha kapsamlı bir veri seti içeren iki ayrı tam faktöriyel deney tasarım seti oluşturulmuştur. Taguchi deney setine göre birinci deneme seti, birinci deneme sonuçlarına göre de ikinci deneme seti oluşturulmuştur. Elde edilen veri seti kullanılarak bir makine öğrenmesi modeli geliştirilmiştir. Bu model prosesin bir simülasyonu olarak hizmet etmiştir. Makine öğrenmesi modelinden elde edilen denklem genetik algoritma metodunda uygunluk fonksiyonu olarak kullanılmıştır. Genetik algoritma metodu ile de minimum çarpıklık değerini veren optimum süreç parametrelerinin aranması gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda çarpılma üzerinde en etkili parametrelerin sırasıyla tutma basıncı, soğuma süresi, tutuma süresi ve geri basınç olduğu tespit edilmiştir. Öte yandan, eriyik sıcaklığı ve enjeksiyon basıncı gibi parametrelerin proses üzerinde çok az etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca literatürün aksine, bu çalışmada kullanılan plastik parçanın üzerine uygulanan basınç değerlerinin artması parçanın çarpılmasını negatif yönde etkilemiştir.
Benzer Tezler
- Taguchi metodu kullanılarak plastik enjeksiyon proses parametrelerinin optimizasyonu: Otomotiv aydınlatma parçaları için bir uygulama
Optimization of plastic injection process parameters using the Taguchi method: An application for automotive lighting parts
BURAK BAYDENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLAN DENİZ KARAOĞLAN
- Plastik enjeksiyon ile üretilen otomobil aydınlatma parçalarının kalitesinin Taguchi metodu ile iyileştirilmesi
Improving the quality of automobile lighting parts produced by plastic injection by Taguchi method
ECE NUR BAĞÇECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLAN DENİZ KARAOĞLAN
- Polipropilen malzemelerde mekanik özellikler ve geometrik boyutlandırma için proses parametrelerinin deney tasarımı, duyarlılık analizleri, istatistiksel analizi ve optimizasyonu
Design of experiments, sensitivity analysis, statistical analysis and optimization of process parameters for mechanical properties and geometric dimensioning in polypropylene materials
YASİN BALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ ALTAY
- Çamaşır makinesi kazan imalatında proses parametrelerinin kazan kalitesine etkilerinin analiz edilmesi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of the effects of process parameters on the quality of washing machine tub manufacturing
OZAN SERTLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Plastik enjeksiyonda deney tasarımı ve yapay sinir ağları yöntemleri ile montaj hattı verimliliğini artırmaya yönelik parametre optimizasyonu
Parameter optimization to increase the efficiency ofassembly lines using design of experiments and artificialneural networks methods in plastic injection molding
BURCU YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YILDIZ ŞAHİN