Mustafa Turgut

Mustafa Turgut
Gazi Üniv. TEF Kalıpçılık Öğretmenliği Böl.
Ağustos 2004, Ankara
mailto:%20mustafayomra@mynet.com

ÖZET

Geleneksel kalıplama teknolojisi ile üretilebilecek boyutlarının altındaki ürünlerin üretilebilmesi mikro kalıplama teknolojisi ile sağlanmaktadır. Kalıba mikro figürlerin işlenebilmesi için yeni teknolojiler kullanılır. Ayrıca enjeksiyon makinesinin tasarımında ve enjeksiyon parametrelerinde yapılan değişiklikler sayesinde mikro ürünler kalıplanmaktadır.

1. GİRİŞ

Günümüzde mikro kalıplamadan söz edilmesine rağmen bir ürünün mikro ürün olma sınırı tam olarak belirlenmemiştir. Geleneksel kalıplama teknolojisinin yetersiz kaldığı noktadan sonrası artık mikro kalıplama teknolojisinin alanına girer. Artık yeter denebilecek alt limit ise, tamamen teknolojik gelişmelere paralel olarak küçülmektedir. Şu anki teknoloji ile kalıplanabilirliğin alt limiti; ağırlık olarak 0,00013g, cidar kalınlığı olarak 0,01mm olduğu söylenebilir. Bu araştırmada geleneksel yöntemlerle kalıplanamayacak kadar küçük plastik ürünlerin kalıplanması konusu irdelenmiştir.

Şekil 1. Mikro ürünlere örnekler:


a) Mikro su motoru dişli kutusu Boyutları: 3 x 1 x 0.5 mm, Kütlesi: 0,325g, Malzemesi: Nylon	b) Mikro dişli sistemi. Yanında görünen ise bir plastik malzeme granürü. Malzemesi: Asetal Kütlesi: 0,04mg	c) Mikro kalıplama yöntemi ile üretilmiş dünyanın en küçük ürünü Boy: 1,3 mm, çekirdek maça çapları: 0,63 – 0,13 mm, Yolluk giriş çapı: 0,076mm

Mikro ürünlere örnek verecek olursak; mikro dişliler, mikro dişli kutuları, işitme cihazları, medikal cihazlar, mikro motorlar, saat parçaları, elektronik açma kapama anahtarları, mikro sensörler, lensler, fiber optik malzemeler vb. Mikro ürünlerde; federler, delikler, çıkıntılar, kanallar, klipsler gibi kritik elemanlar bulunmaktadır. Hatta ürün üzerinde insertler bulunmakta ya da kademeli enjeksiyon işlemi yapılmaktadır.

Mikro kalıplama teknolojisi geleneksel kalıplama teknolojisine göre birçok zorlaştırıcı durum içermektedir. Örneğin kalıp ayrıntıları öylesine küçüktür ki imalatçı görebilmek için büyüteç kullanmak zorunda kalabilir. Ayrıca eriyik plastiği dar kalıp kesitlerinde ilerletebilmek için enjeksiyon parametrelerinin iyi tasarlanması gerekir.

2. MİKRO ENJEKSİYON MAKİNALARI

Mikro enjeksiyon makineleri geleneksel makinelere göre bazı farklılıklar içerse de temelde çalışma prensipleri aynıdır. Eriyik plastiğin kalıp çukuruna transfer ediliş yöntemi en büyük fark olarak gösterilebilir. Ayrıca kullanılan ekipmanların boyutları da en büyük farktır. Örneğin extrüder vidasının çapı 14-16 mm arasındadır, nozul çıkış çapı ise 1,5 mm’ dir.

Mikro enjeksiyon makinelerinde kullanılan extrüder vidasının çapı 14 mm’ den küçük yapılamamaktadır. Daha küçük çaptaki extrüder vidası enjeksiyon esnasında oluşan basınca karşılık veremeyerek kırılmaktadır. Ayrıca daha küçük çaplı extrüder vidası enjeksiyon sürecini besleyememektedir. Mikro kalıplarda genellikle soğuk yolluk tipi kullanılır. Mikro kalıplar için üretilecek sıcak yolluk sistemleri için gerekli mühendislik altyapısı eksiktir.
Sık kullanılan mikro enjeksiyon makinesinin çalışmasını anlatacak olursak. İşlem enjeksiyon pistonuna 45° açılı extrüder vidasının eriyik plastiği ilerleterek dikey dozajlama odasını beslemesi ile başlar. Dazajlama odasının dolmasından sonra extrüder vidasının önündeki valfin kapanması ile dozajlama işlemine geçilmiş olur. Enjeksiyon pistonuna dik konumdaki dozajlama pistonunun ayarlanan miktarda ilerlemesi ile dozajlama işlemi gerçekleştirilmiş olur. Dozajlama pistonunu kontrol eden hassas servo motor sayesinde 0,001 cc hacim hassasiyetinde dozajlama yapılabilmektedir. Dozajlama işleminin bitmesinden sonra enjeksiyon ilerleyerek eriyik plastiği kalıp çukuruna dolmasını sağlar.

Şekil 2. Battenfeld firmasının üretmiş olduğu mikrosistem enjeksiyon tezgahı

Dozajlama işleminin iyi yapılmış olması gerekir. Yetersiz dozajlama kalıp çukurunun dolmamasına sebep olabileceği gibi aşırı dozajlamada ürünün kalıba yapışmasına yada kalıbın hassas kesitlerinin zarar görmesine sebep olacaktır. Dozajlama miktarının tamlığını sağlayabilmek için enjeksiyon pistonunun hareketi servo motorla 5 mikron hassasiyetinde yapılmaktadır. Toplam enjeksiyon süreci 0,020 saniye sürmektedir. Eriyik plastiğin dar kesitlerden geçebilmesi için yüksek basınç ve yüksek eriyik sıcaklığına ihtiyaç vardır. Plastik malzemenin yüksek sıcaklıkta uzun süreli beklemesi malzemenin iç yapısının bozulmasına sebep olacaktır. Bu durum göz önünde bulundurularak eriyik plastik yüksek sıcaklıkta uzun süre bekletilmemelidir. Geleneksel enjeksiyon tezgahlarında bu süre iki saati bulabilmesine rağmen mikro enjeksiyon tezgahlarında ise bu süre iki dakikaya kadar düşmektedir.

3. MİKRO KALIPLAR VE ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ

Mikro kalıp tasarımı yapılırken plastik malzemelerin viskoz özellikleri dikkate alınır. Malzeme donmadan kalıp çukurunu doldurabilesi için yolluk ve dağıtıcılar ürüne göre çok büyük ebatlarda yapılmaktadır. Böyle yapılmasının bir diğer sebebi ise extrüder vidasının transfer hacminin ürün hacminden çok fazla olmasıdır. Öyle ki enjekte edilen plastiğin %1 lik kısmını ürün olarak elimize alabiliriz. % 99 luk kısım ise ya çöpe gitmektedir yada geri dönüştürülmüş malzeme olarak kullanılmaktadır. Fakat ürünler çok özel amaçlı kullanıldığı için geri dönüşümlü malzemeler pek kullanılmak istenmez. Çöpe giden malzeme miktarı, kalıpta değişiklikler yapılarak hem dolum garantisini hem de yeterli malzeme miktarını sağlayarak % 80 lere kadar düşürülebilmektedir. Bu azalma miktarı az gibi görünse de çok pahalı (10USD/g civarında) olan medikal malzemelerde büyük kazançtır.

Geleneksel ürün ölçeğinde 64 gözlü kalıp üretilebilirken mikro ölçekte bu değer çok komiktir. Çok gözlü bir kalıpta ne istenen tolerans hassasiyeti ne de dolum dengesi sağlanabilir. Göz sayısı mümkün olduğu kadar küçük tutulmalıdır. Mikro ölçekli ürünlerde yüzey kalitesi oldukça önemlidir. İmal edilen kalıp çekirdek yüzeyi ilk bakışta pürüzsüz görünse de yakından bakıldığında istenen yüzey kalitesini veremeyeceği görülür. Bu yüzden kalıp kaliteli bir şekilde parlatılmalıdır.

Şekil 3. 24 gözlü, sıcak yolluk burçlu mikro kalıp

Mikro parçaların üretileceği plastik malzemeler iyi seçilmelidir. Tavsiye edilen yüksek akış indeksine ve uygulama sıcaklığında düşük viskoziteye sahip plastiklerdir. Ayrıca, cam elyafı takviyeli malzemeler dar kesitli kanallardan akış için uygun değildir. Mikro ürünlerin üretimi için kullanılan özel plastikler üretilmektedir.
Mikro ölçekli kalıpların üretimi için geliştirilen elektronik sinyal algılayıcılar sayesinde üretim toleransı ±10 nanometreye kadar indirgenmektedir.

Mikro kalıp üretiminde kullanılan teknolojiler; EDM, mikro frezeleme, asitle aşındırma, lazerle işleme, UV lithography olarak sayılabilir.

3.1. MİKRO FREZELEME YÖNTEMİ

Mikro frezelerin geleneksel frezelere göre farkı boyutlarının küçük olması ve işleme hassasiyetinin yüksek olmasıdır. Hassas servo motorlar ve hareket elemanları kullanılarak tezgah eksen hareketlerinin kararlılığı sağlanmış olur. Geleneksel CNC freze tezgahının işleme hassasiyeti 1-3 mikron olabilmekteyken, CNC mikro freze tezgahının işleme hassasiyeti 30 nanometreye kadar inmektedir. Hareket hassasiyetini sağlayabilmek için hava taşımalı yataklar kullanılmaktadır. Ayrıca henüz deney aşamasında olan hidro-dinamik akışkan destekli yataklama da bu amaçla kullanılacaktır.

Mikro frezelerde elmas kesiciler kullanılmaktadır. 200 mikrona kadar küçük çaplı elmas kesiciler üretilmektedir. Bu kesicilerle son derece küçük detaylar ve pürüzsüz yüzeyler elde edilebilmektedir. Ayrıca elmas kesiciye ultra-sonik titreşim hareketi yaptırarak ta kalıp yarımları işlenmektedir. Elmas kesicilerin en büyük dezavantajı çelik malzemeleri işleyememeleridir. Çelik yerine nikel, alüminyum veya bakır kalıp takımları işlenmektedir. Çelik kalıp takımları için karbür kesiciler üretilmektedir. Karbür kesicilerde ise 125 mikron çapa kadar kesiciler üretilmektedir. Böylece daha küçük detaylar elde edilebilmektedir. Fakat elmas kesici kadar pürüzsüz ve düzgün yüzeyler elde edilememektedir

3.2. EDM YÖNTEMİ

CNC EDM tezgahları sayesinde 1,5 mikron dalma hassasiyeti ile kompleks parçaların kalıp çekirdekleri kolaylıkla üretilebilmektedir. Tezgah eksen hassasiyeti ±2 mikron olduğundan maksimum ölçü tamlığı sağlanmış olur. Elektro-tel erozyon teknolojisi kullanılarak ta kalıp imalatı yapılmaktadır. Küçük profilleri oluşturabilmek için 0,025 mm çapındaki tel ile kesim yapılmaktadır.

3.3. UV-LITHOGRAPHY YÖNTEMİ

Kalıp ve prototip üretiminde yepyeni bir yaklaşım olan UV-Lithography teknolojisi mikro kalıp üretiminde de kullanılmaktadır. Üretim süreci cam veya silikon tabanlı bir yüzeyden başlar. Dilimler halinde bölünen ürün geometrisi her firmanın kendine has ürettiği teknoloji ile katman katman inşa edilir. En alt geometriden başlanarak her katman inşa edilerek kalıp çekirdeği oluşturulmuş olur. Bu kalıp çekirdekleri daha sonra nikel veya nikel alaşımları ile kaplanır. Böylece elde edilen kalıp yüzeyi EDM ve mikro-frezeleme ile elde edilenden çok daha pürüzsüz ve düzgün olur.

Şekil 4. UV-Lithography teknolojisi ile üretilmiş kalıp çukuru.
Basılan plastik malzeme: Nylon, dişli çapı: 0,48 mm ürün cidar kalınlığı: 0,066 mm.

UV-Lithography yöntemi ile 10 mikrona kadar girinti ve detaylar kolaylıkla oluşturulabilir. EDM ve mikro-frezeleme teknolojisinde bu değerin 100 mikron olduğu düşünülürse oldukça mükemmel bir hassasiyet ortaya çıkmaktadır. Parça ölçüsünde ise ±2 mikrona kadar ölçü toleransı sağlanır. Ayrıca bu yöntemle üretilen çok gözlü kalıplarda çekirdeklerin birbirini karşılamama sorunu ortadan kaldırılır. Bu yöntemle bir kalıp 6- 8 hafta arasında yapılabilmekte olup her göz için 5 milyon baskı yapılabilmektedir. Fakat bu yöntemin henüz giderilmemiş sorunları vardır. Kalıp üretimi pahalıdır, kalıp sadece x ve y eksenlerinde inşa edildiği için kalıp çekirdeği tasarlanırken üretim kalitesi de göz önünde bulundurulmalıdır.

3.4. LAZERLE AŞINDIRMA YÖNTEMİ

Mikro kalıp üretiminde kullanılan bir diğer yöntem ise lazerle aşındırma teknolojisidir. 5 mikron genişliğindeki lazer ışık demetinin 10-100 nanosaniyelik atımlarla kalıp çeliği üzerine yönlendirilmesidir. Böylece çelik aşındırılarak kalıp çekirdeği oluşturulmuş olur. Işık demetinin genişliği 355 nm’ye kadar düşürülebilir. Küçük ışık demetleri yüzey kalitesinin yüksek olduğu durumlarda kullanılır. Her ne kadar aşındırıcı lazer ışınının genişliği bu kadar küçültülebilse de kullanılan tezgahın eksen hassasiyetine bağlı bir tolerans sınırının olduğu da unutulmamalıdır. Uzun süreli lazer atımları malzeme üzerinde ısısal yığılmalara sebep olur. Bu durum kalıp yüzey kalitesini olumsuz etkilenmektedir.

4. MİKRO ÜRÜNLERİN BİLGİSAYAR ORTAMINDA DOLUM ANALİZİNİN YAPILMASI

Makro ürünlerde olduğu gibi mikro ürünlerin dolumu da bilgisayar ortamında simüle edilerek ürün kalitesi önceden tahmin edilebilmektedir. Bu amaçla yola çıkan Miniature Tool & Die Inc. (MTD, Charlton, MA) ve University of Massachusetts-Lowel’s Plastics Engineering Dept. (UML, Lowel, MA) kuruluşları hazırlamış oldukları Moldflow akış analiz programı sayesinde mikro ürünler için gerekli olan kalıp dolum analizleri yapılabilmektedir. Program yazılırken, yüksek sıcaklıktaki plastik malzemenin mikro kanallardan yüksek basınçta geçerken ki davranışı dikkate alınmıştır. Geleneksel analiz programları kullanılsa bu basınç ve sıcaklık değerleri uygulanabilirliklerini kaybetmiş olarak bize gösterilecektir.


Şekil 5. Moldflow yazılımı ile simüle edilmiş bir analiz ve uygulaması.

5. SONUÇ

Görülüyor ki teknoloji ilerledikçe kullandığımız gereçler küçülmektedir. Mikro kalıplama teknolojisi de bu küçülmede yerini almıştır ve ilerlemenin en büyük destekçilerinden biri olma konumuna gelmiştir. Kullanılan teknoloji ve yöntemler açısından mikro kalıplama oldukça hassas bir iştir. Geleneksel kalıplama teknolojisinin sınırlarını zorlayan bir teknoloji olan mikro kalıplama her geçen gün kullandığımız sıradan ürünlerde de yerini almaya başlamaktadır.

KAYNAKLAR

1. http://www.plasticstechnology.com/ Micromolding Sizing Up the Challenges, Mikell Knights
2. http://www.plasticstechnology.com/ Micro Molds Make Micro Parts, Mikell Knights
3. http://www.plasticstechnology.com/ Mold Micro Parts Just One Pellet at a Time, Mikell Knights
4. http://www.sovrin.com/ (resmi web adresi)
5. http://www.micromoulding.com/ (resmi web adresi)
6. http://www.immnet.com/ A first in micromold flow analysis, Carl Kirkland, IMM - Mayıs 2003
7. http://www.immnet.com/ Macro growth opportunities in micro CIM, Carl Kirkland, IMM – Temmuz 2002
8. http://www.miniaturetool.com/ (resmi web adresi)