Sanal Deney Dizaynı (DOE) İle Kalıpların Kullanım Ömrü Uzuyor!

Uzun süredir Mazzucconi firmasının portföyünde yer alan parçanın üretiminde kullanılan kalıpların beklenmedik bir şekilde yapısal deformasyona uğraması nedeniyle proje yöneticileri kalıp ömrü üzerinde detaylı bir analiz yapmak için kolları sıvadı. Parça geometrisi üzerinde değişiklik yapılması mümkün olmadığı için öncelikle proses zincirinde döküm işlemi esnasında kalıp ömrüne etki eden proses parametrelerinin belirlenmesine ve optimize edilmesine karar verildi.

Kalıp yüzeyindeki termomekanik gerilmelerin ve kalıp erozyonunun, kullanım ömrünü etkileyen faktörlerin başında gelmesi yetkilileri proses döngüsündeki sıcaklık değişimlerini incelemeye yöneltti ve aşağıdaki parametrelerin incelenmesi kararlaştırıldı:

  • Soğutma kanalları ile kalıp yüzeyi arasındaki mesafe
  • Soğutma kanallarının çapı
  • Soğutma ortamının sıcaklığı
  • Döküm sıcaklığı
  • Spreyleme işlemi

Bu beş parametrenin her biri için sanal deney dizaynı (DOE) metodolojisi doğrultusunda farklı sistematik test yaklaşımları belirlendi. Kalıbın proses içerisindeki ömrünü tahmin edebilmek amacıyla MAGMASOFT®’un sunduğu MAGMAdielife modülünden faydalanıldı. Proje süresini minimumda tutmak için ise orijinal döküm parçasıyla benzer karakteristiklere sahip Şekil 1.’de görülen parça tasarımı baz alındı.

İlk adımda, mevcut prosesin bir simülasyonu gerçekleştirilerek orijinal enjeksiyon kalıbındaki hasarlı yüzeyler ile karşılaştırma yapıldı. Şekil 2’deki döküm parçasının yüzeyindeki çatlaklar; kalıpta oluşan deformasyonlar ve analiz sonucunda hesaplanan kullanım ömrü arasındaki ilişki hakkında önemli veriler sunmaktaydı.

Sanal deney dizaynında (DOE) kullanılmak üzere, soğutma kanallarının kalıp yüzeyine mesafesi noktasında mevcut durum haricinde 3d, 5d ve 7d varyasyonlarına sahip üç farklı tasarım oluşturuldu. Ayrıca, kalıp sıcaklık kontrolünün pasif olduğu senaryoda bir analiz gerçekleştirmek için a değişkenine sahip bir tasarım da denendi. Sonuçlar incelendiğinde, Şekil 3’te görüldüğü gibi kalıp ömrünün, soğutma kanalları ile kalıp yüzeyi arasındaki mesafeyle ters orantılı şekilde değiştiği tespit edildi.

Şekil 4’te, incelenen farklı tasarımlar ve değişken değeri için kalıp yüzeyindeki tek bir nokta üzerindeki sıcaklık değişimleri, bir grafik haline getirildi. Soğutma kanalları ile kalıp yüzeyindeki mesafe arttıkça spreyleme işlemi başlangıcında kalıp yüzey sıcaklığı da o kadar yüksek oluyordu. Buna göre, kalıp sıcaklığındaki artış, spreyleme işleminin daha yüksek sıcaklık gradyanı oluşturmasına ve kalıp yüzeyinde daha yüksek değerlerde kalıntı gerilmelerin oluşumuna neden oluyordu.

Buna rağmen, katılaşma başlangıcındaki basma gerilmesi değerlerinde önemli bir değişikliğe rastlanmadı. Ancak, spreyleme sırasındaki çekme gerilmeleri ile dolum/katılaşma sırasındaki basma gerilmeleri arasındaki gerilim genliğinin mesafenin artmasıyla birlikte artışa geçtiği tespit edildi. Bu sebeple yük değeri de artış gösterirken kalıp ömrü oldukça olumsuz bir şekilde etkileniyordu.

Diğer parametreler için de sanal deney dizaynı (DOE) uygulandı ve elde edilen sonuçlar şu şekilde özetlendi:

Teste tabi tutulan bölgede, soğutma kanalları çaplarındaki değişimlerin kalıp ömrüne herhangi bir etkisinin olmadığı görüldü. Bu durum kalıp sıcaklığı ortalamasının değişmemesine bağlandı. Ancak bu olgunun hem spreyleme hem de dolum/katılaşma esnasında gerilmelerin maksimum seviyeye ulaşmasına neden olduğu tespit edildi.

Analiz sonuçlarında soğutma ortamı sıcaklığının kalıp ömrü üzerinde belirgin bir etkiye sahip olduğu görüldü. Bu etki, kalıbın daha soğuk soğutma ortamında olmasıyla açıklanarak; özellikle spreyleme sırasında termal şokun azalmasını sağlayarak çekme gerilimlerini de azaltıcı etki yaptığı proje ekibinin dikkatini çekti. Yine de dolum/katılaşma esnasında kalıp yüzeyindeki sıcaklığındaki artışın aynı olması basma gerilmelerinin aynı değerde varlığını koruduğuna işaret ediyordu. Genel olarak, daha soğuk soğutma ortamının gerilim aralığında bir düşüş sağladığı sonucuna varıldı (Şekil 5).

Spreyleme adımındaki varyasyonlar incelendiğinde ise yağlayıcının daha küçük miktarlarda aralıklı olarak püskürtülmesinin, kalıp yüzeyinde tek ve yoğun bir püskürtme vuruşundan daha küçük çekme gerilmeleri oluşturduğu ortaya çıktı.

Sanal analiz çalışması içerisindeki farklı araştırmalarda, spreyleme işleminin kalıp ömrü üzerinde en büyük etkiye sahip faktör olduğu gözlemlendi. Proje ekibi bu doğrultuda spreyleme sırasında termal şokun olabildiğince düşük tutulmasını hedeflerken seri denemeler için proses parametrelerini aşağıdaki prensiplere göre yeniledi:

  • Mümkün olan noktalarda spreyleme öncesi kalıp yüzey sıcaklığını minimuma indirmek için soğutma kanallarının kalıp yüzeyine daha yakın yerleştirilmesi,
  • Soğutma ortamı sıcaklığının olabildiğince düşük tutulması,
  • Döküm sıcaklığının olabildiğince düşürülmesi,
  • Spreyleme işleminin aralıklarla ve daha az miktarlarda yapılması,
  • Spreylemenin su içermeyen yağlayıcı kullanılarak gerçekleştirilmesi.


Final adımında MAGMASOFT® ile gerçekleştirilen simülasyonda, yeni proses koşulları doğrulanarak, kalıp ömrünün önemli ölçüde arttığı kanıtlandı (Şekil 6) ve hızlı bir şekilde seri üretime geçildi.

Fonderie Mario Mazzucconi S.p.A.

Fonderie Mario Mazzucconi S.p.A. firması alüminyum alaşımlarından gravite, alçak basınç ve yüksek basınçlı enjeksiyon döküm teknikleriyle tamamen işlenmiş ve montaja hazır dökümler üretmesiyle tanınıyor. Metal döküm ve işleme alanında derin bir bilgi birikimine ve yaklaşık yüz yılı aşkın bir geçmişe sahip Mazzucconi kuruluşunun merkezi Ponte San Pietro'da (Bergamo) bulunuyor. Tamamı İtalya'da bulunan toplam yedi üretim tesisinde ticari faaliyetler artarak devam ediyor.