Plastik Malzemelerin İşlenmesi

Konu Anlatımı

Plastik Malzemelerin İşlenmesi

Makine atölyesinde yalnız metal değil, plastik malzemeler de işlenir. Bir plastik parçanın tornada işlenmesi ilk bakışta metalle aynı görünür; oysa davranışlarının kaynağı tamamen farklıdır. Metal iletken ve sert olduğu için talaş biçiminde kopar; plastik ise yumuşak, esnek ve ısıya duyarlıdır. Plastiklerin işlenmesi bu nedenle ayrı bir bilgi alanıdır ve bu konuda malzeme özelliklerinden ölçüm kontrolüne kadar birlikte ele alınacaktır.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu konuda önce termoplastik ve termoset ayrımını öğreneceğiz. Yoğunluk farkının tasarım ve işlem üzerindeki etkisini hesaplarla göreceğiz. Kesme hızı, avans ve matkap ucu açısının neden metilden farklı seçildiğini açıklayacağız. Isı yönetimini ve bu yüzden neden çoğu zaman soğutma sıvısı yerine basınçlı hava kullanıldığını öğreneceğiz. Elektrik statik birikiminin nasıl önendiğini ve toplanın neden topraklandığını göreceğiz. Kaynak işlemini ve bağlantı yöntemlerini tanıyacağız. Son olarak bir plastik parçanın işleme planını hazırlayacak ve ölçümün neden soğuk parçada alınması gerektiğini açıklayacağız.

Ön bilgi

Konuyu anlamak için iki ön bilgi gerekir. Birincisi yoğunluktur: bir malzemenin yoğunluğu kütlesinin hacmine oranıdır ve aynı hacimde farklı malzemelerin ağırlıklarını belirler. İkincisi ısı iletkenliğidir: ısıyı ne kadar hızlı taşıyorsa parçanın o kadar az bölgesi ısınır. Termoplastiklerde ısı iletkenliği düşük olduğu için üretilen ısı parçanın içinde kalır.

Ayrıca kesme kavramı hatırlanmalıdır. Kesme hızı, takımın birim zamanda kestiği mesafedir ve takım çapı ile devir sayısına bağlıdır. Metallerde bu değer malzeme ve takımına göre seçilir; plastiklerde ise daha yüksek değerler seçilebilir, çünkü takım aşınması metaldeki kadar hızlı değildir. Ancak yüksek hız ısıyı da artırır.

1. Termoplastik ve Termoset Ayrımı

Termoplastikler ısıtıldığında yumuşayan, soğutulduğunda sertleşen malzemelerdir. Yumuşama işlemi tekrarlanabilir; yani malzeme defalarca yumuşatılıp katılaştırılabilir. Bu grupta polietilen, polipropilen, sert polivinil klorür, polistiren ve akrilik yer alır. Makine atölyesinde en çok kullanılan malzemeler bu gruptandır.

Termosetler ise bir kez ısıtıldıklarında kimyasal olarak sertleşen ve tekrar yumuşatılamayan malzemelerdir. Bu grupta epoksi reçine ve polyester reçine bulunur. Termoset bir malzeme istenirse kalıplama gerekir; tezgâhta yeniden yumuşatılamaz. Bu nedenle atölyede işlenen malzeme genellikle termoplastiktir ve tornada, frezede, kazıyıcıda işlenebilir.

Cam elyaf ile takviye edilen termoplastikler ayrı bir gruptur. Takviye, malzemenin sertliğini ve ısı direncini artırır ama takım aşınmasını da hızlandırır. Bu nedenle takviyeli parçalarda normal karbür takımlar yerine elmas kaplama araçlar tercih edilir. Takviyesiz termoplastiklerde aşınma çok daha yavaştır.

2. Yoğunluk ve Tasarıma Etkisi

Plastiklerin en belirgin özelliği düşük yoğunluklarıdır. Aynı hacimde bir çelik parçanın kütlesi, termoplastik parçanınkinden çok daha büyüktür; bu oran çelik için yaklaşık sekiz katına çıkar. Alüminyum ile termoplastik arasındaki oran ise yaklaşık üç katına yaklaşır. Bu nedenle aynı dayanımı sağlayan bir parçada tasarımın kalınlığı ve destekleme yapısı farklı düşünülmelidir.

Düşük yoğunluk işleme açısından da avantaj sağlar. Takımın kaldırdığı malzeme miktarı küçük olduğundan kesme kuvveti düşer ve tezgâh yükü hafifler. Bu, uzun parçilerde tork sorununu azaltır. Buna karşılık düşük ısı iletkenliği nedeniyle ısı parçanın içinde birikir ve malzeme yumuşar.

Tasarımda duvar kalınlığı düzenli olmalıdır. Düzensiz kalınlık soğuma sırasında iç gerilme yaratır ve parça çatlar. Keskin köşeler yerine yuvarlatılmış köşeler kullanılmalıdır; köşe ucunda gerilme yoğunlaşması olur ve çatlak oradan başlar. Plastikte yuvarlatma yarıçapı metaldekinden daha büyük seçilir.

3. Kesme Hızı, Devir ve Avans

Termoplastiklerde kesme hızı metale göre çok daha yüksek seçilebilir. Örneğin aynı 20 mm çapında bir uçla çelik işlerken 25 m/dk kesme hızı yeterliyken, bazı termoplastiklerde 200 m/dk düzeyine çıkılabilir. Bu farkın nedeni takım aşınmasının termoplastikte çok daha yavaş olmasıdır. Yüksek devir, talaş çıkışının düzgün olmasını da sağlar.

Avans seçimi ise malzemenin esnekliğine göre yapılır. Çok yumuşak ve esnek malzemelerde yüksek avans takımın parçayı itmesine ve yüzeyde dalgalanma yapmasına yol açar. Bu nedenle avans düşük tutulur ve talaş çıkışının sürekli olmasına dikkat edilir. Çok ince kesimlerde avans sıfıra yakın değerlere indirilebilir.

Devir hesabı metildekiyle aynı bağıntıyı kullanır; yalnızca seçilen kesme hızı değeri değişir. Tezgâhın devir sınırı hesaplanan değerden düşükse sınıra inilir. Buna karşılık tork yeteneği kontrol edilmelidir: yüksek devre çıkan bir tezgâhta takım tutucusu ve kip hattı yetersizse takım kırılır.

4. Isı Yönetimi ve Takım Seçimi

Plastik işlemede ana sınırlayıcı etken ısıdır. Kesilen bölgede yumuşayan malzeme takımın üzerine yapışır, pürüzsüz bir yüzey elde edilemez ve takım aşırı ısınır. Bu nedenle kesim bölgesi soğutulmalıdır. Ancak su ya da kesme sıvısı bazı termoplastiklerde yüzeyi yumuşatabilir veya yeni bir sorun yaratabilir.

Bu yüzden termoplastik işlemede çoğu zaman basınçlı hava kullanılır. Basınçlı hava kesim bölgesini kuru tutar, talaşı uzaklaştırır ve yüzeyin soğumasını sağlar. Havanın yağ çıkarma filtresinden geçirilmesi gerekir, çünkü havadaki yağ yüzeyde leke bırakır. Havanın talaşı uzaklaştıracak şekilde doğru yönden verilmesi de önemlidir.

Takım seçiminde diş sayısı ve açısı önemlidir. Yumuşak malzemelerde diş sayısı fazla olan, açısı geniş takımlar tercih edilir. Diş sayısı fazla olan takım daha çok yer keser, malzemeyi daha yumuşak biçimde kaldırır ve yüzey kalitesi iyileşir. Matkap açısı da farklıdır: geniş açılı uç giriş çentiğini azaltır, ancak yandan zorlama ile çıkışta sıçrama yapabilir.

5. Tırtıl Payı, Telafi ve Tutma

Plastiklerin esnek yapısı, işlem sırasında parçanın esnemesine yol açar. Kıskaclama yapılan parça, sıkıştırıldığı bölgede şişip kıskacın iki yanında çentiklenebilir. Bu nedenle kıskac yerine daha geniş ağızlı bir yöntem ya da yumuşak bir ara parça tercih edilir. Parçanın uzunluğu fazla ise ara destek kullanılır.

Uzun deliklerde matkap ucunun yeterli uzunlukta olması şarttır. Kısa helisli bir uç talaşı deliğin dışına atamaz ve malzeme yığılarak aşırı ısınır. Bu nedenle matkap ucu seçilirken yalnız çapa değil, helis boyuna da bakılır ve helis boyu delik çapının üç katından kısa olmamalıdır.

Boyut değişimi hesaplanırken geri çekme payı bırakılır. Yüksek kesme hızı ve uzun kesimlerde parça tam ölçüye ilk geçişte getirilemez. Sonra kontrol geçişi planlanır: kaba kazımanın ardından ölçüm yapılır ve kalan paya göre ince geçiş uygulanır. Bu yaklaşım hem zaman kazandırır hem de taşlama ve taşlama benzeri işlemlerde olduğu gibi son ölçüyü güvenceye alır.

6. Elektrik Statik ve Temizlik

Plastik yüzeyler sürtünme ve ayrılma sırasında elektrik yükü biriktirir. Bu yük, tozun yüzeye yapışmasına ve küçük deşarjlarda çevredeki personelin hafif şok almasına yol açabilir. Bu nedenle plastik işleme makineleri ve toplama kapları topraklanır. Topraklama yapılmadığında biriken yük boşalmaz ve sorun tekrarlar.

Toz temizliği de dikkat gerektirir. Kuru süpürme ve yüksek basınçlı hava tozu yeniden havaya kaldırır ve çalışma alanını kirletir. Bu nedenle toplu temizlikte nemli ya da topraklı nemli yöntemler kullanılır. Nemli temizlik yüzeydeki elektrik yükünü de boşaltır ve tozun yeniden kalkmasını önler.

Plastik tozu solunumla alınabildiği için toplama sistemi kullanılmalı ve maske takılmalıdır. Toz birikmiş tezgâh, yeni işin kalitesini doğrudan etkiler; toz, işlenmiş yüzeye bulaşarak ölçü ve yüzey kalitesini bozar. Temizlik, üretim kalitesinin bir parçasıdır.

7. Kaynak Bağlantı ve Ölçüm Kontrolü

Aynı termoplastik türünden üretilen parçalar kaynak ile birleştirilebilir. Kaynak, temas eden yüzeylerin bir kısmının eritilip soğutularak birleştirilmesidir; ek malzeme gerekmez. Sıcak gaz ve ultrasonik yöntemler yaygındır. Kimyasal yapısı farklı iki termoplastik birleştirilemez; çünkü kaynak sırasında ortaya çıkan yeni yüzey ikisini de tutmaz.

Ölçüm, parça tamamen durduktan ve soğuduktan sonra alınmalıdır. Sıcak parça, sıcaklıkla genişlediği için hedef değerden küçük okunur. Bu yanılgıyla gereğinden fazla malzeme kaldırılır ve parça toleransın altına düşer. Bu nedenle kısa bir dinlenme süresi tanımlanır ve ölçüm bu süre sonunda yapılır.

Kalite kontrolünde ölçüye ek olarak yüzey görünümü de değerlendirilir. Isı kaynaklı lekeler, çizikler ve takım izleri kabul dışıdır. Kaynak bölgesi ayrıca denetlenir; kaynak dikişi zayıfsa parça yük altında ayrılabilir. Kaynak işlemi de tıpkı taşlama gibi kayıt altına alınır.

Basit örnek

Aynı hacimde çelik ve polietilen birer parça üretilecektir. 20 cm³ hacim için kütleler karşılaştırılacaktır. Kütle, yoğunluk ile hacmin çarpımıdır. Çelik için 20 × 7,85 = 157 g, polietilen için 20 × 0,94 = 18,8 g bulunur. Çelik parça yaklaşık sekiz kat daha ağırdır. Aynı dayanımı sağlayan bir tasarımda plastik parçanın duvarı kalınlaştırılmalı ve destekleme yapısı yeniden düşünülmelidir.

İleri örnek

Bir termoplastik borunun dış çapı tornada işlenecektir. Boru 20 mm çapında bir uçla işlenecek, kesme hızı 200 m/dk olarak seçilmiştir. Devir sayısı ve metaldeki karşılığı karşılaştırılacaktır. Devir, kesme hızından hesaplanır ve sonuç tezgâh sınırıyla karşılaştırılır. Aynı çaptaki bir çelik parçada 25 m/dk kesme hızı seçilseydi devir çok daha düşük olurdu. Yüksek devir, torma milinin tork yeteneğini de zorlar; takım tutucusu ve kip hattı buna göre seçilir. Ayrıca yumuşak malzemede avans düşük tutulmalı, kesim bölgesi basınçlı hava ile soğutulmalıdır.

Adım adım çözülmüş örnek

Bir termoplastik levhadan bir braket tornada işlenecektir. Adımlar şunlardır.

Adım 1: Malzeme belirlenir. Akrilik levha seçilmiş ve buna uygun kesme hızı aralığı not edilmiştir.

Adım 2: Devir hesaplanır. 20 mm çap için 1000 × 200 / (3,1416 × 20) = 3183 d/dk bulunmuştur.

Adım 3: Avans belirlenir. Diş sayısı 2 ve avans 0,4 mm/dk seçilmiş, ilerleme hızı 0,4 × 2 = 0,8 mm/dk olarak hesaplanmıştır.

Adım 4: Kesim süresi hesaplanır. 50 mm yol için 50 / 0,8 = 62,5 dakika bulunmuştur.

Adım 5: Isı yönetimi planlanır. Kesme sıvısı yerine basınçlı hava kullanılacak, hava talaşı uzaklaştıracak yönden verilecektir.

Adım 6: Ölçüm planlanır. Parça tamamen durup soğuduktan sonra mikrometre ile ölçülecektir.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Kesim bölgesini soğutmamak. Malzeme yumuşar, takım yapışır ve yüzey pürüzsüz olmaz.
• Kesme sıvısı bastırarak sıcak plastik yüzeye temas ettirmek. Yüzey lekelenir veya yumuşar.
• Yumuşak malzemede avansı metal seviyesinde tutmak. Takım parçayı iter ve yüzey dalgalanır.
• Sıcak parçayı ölçerek işlemi sürdürmek. Sıcaklıkla genişleme nedeniyle gereğinden fazla malzeme kaldırılır.
• Kısa helisli matkap ucuyla derin delik açmak. Talaş dışarı atılamaz, malzeme yığılır ve aşırı ısınır.
• Kıskac ağzının darlığına uymayan parçayı kıskaclamak. Kenarlarda çentiklenme ve kalıcı iz oluşur.
• Plastik tozu kuru süpürerek temizlemek. Toz yeniden havaya kalkar ve yüzey kirlenir.
• Topraklama yapmadan plastik işlemek. Biriken elektrik yükü tozu yapıştırır ve çevrede çarpma riski oluşturur.

Özet

Termoplastikler ısıtıldığında yumuşayan ve soğutulduğunda sertleşen malzemelerdir; ısıtılıp yumuşatılma işlemleri tekrarlanabilir. Termosetler ise bir kez sertleşir ve yeniden yumuşatılamaz; kalıplama gerektirir. Cam elyaf takviyeli termoplastikler çok aşındırıcıdır ve elmas kaplama araç gerektirir. Plastiklerin yoğunluğu metallerden çok düşüktür; aynı hacimdeki çelik parça termoplastik parçanın yaklaşık sekiz katı ağırlıktadır. Buna karşılık ısı iletkenlikleri düşük olduğu için üretilen ısı parçanın içinde kalır ve malzeme yumuşar. Bu nedenle termoplastik işlemede kesme hızı metale göre çok daha yüksek seçilebilir, avans ise düşük tutulmalıdır. Isı yönetiminde çoğu zaman basınçlı hava kullanılır; hava yağ çıkarma filtresinden geçirilmeli ve talaşı uzaklaştıracak yönden verilmelidir. Yumuşak malzemelerde diş sayısı fazla ve açısı geniş takımlar tercih edilir. Derin deliklerde matkap ucunun helis boyu delik çapının üç katından kısa olmamalıdır, aksi hâlde talaş atılamaz. Kıskac ağzı parçaya uymazsa kenarlarda çentiklenme olur; ara parça veya destek kullanılır. Plastik yüzeyler elektrik yükü biriktirdiği için makineler ve toplama kapları topraklanır, toz temizliğinde nemli yöntemler kullanılır. Ölçüm parça tamamen durup soğuduktan sonra alınmalıdır; aksi hâlde sıcaklıkla genişleme nedeniyle yanlış karar verilir. Aynı termoplastik türünden üretilen parçalar kaynakla birleştirilebilir, farklı türler birleştirilemez.

Kendini dene

Öğrendiklerini pekiştirmek için önce termoplastik ile termoset arasındaki farkı yaz. Sonra 30 cm³ hacmindeki alüminyum ve polietilen parçanın kütlelerini hesapla ve oranı yorumla. Ardından 20 mm çapında bir ucu 200 m/dk kesme hızında kullanarak gerekli devri bul. Son adım olarak bir plastik parçanın ölçümünün neden soğuk parçada alınması gerektiğini ve ölçüm yapmadan işlemi sürdürmenin neden riskli olduğunu yaz. Puanlama notu: Malzeme ayrımı 4 puan, kütle hesabı 3 puan, devir hesabı 4 puan, ölçüm gerekçesi 4 puan üzerinden değerlendirilir.