plastik-ambalaj.com

Plastik Enjeksiyon Süreçlerinde Taguchi Deney Tasarımı Uygulamaları

Özet

Plastik enjeksiyon kalıplama, karmaşık geometrilere sahip parçaların yüksek hassasiyetle ve seri üretimine olanak tanıyan en yaygın imalat yöntemlerinden biridir. Eriyik sıcaklığı, enjeksiyon basıncı, kalıp sıcaklığı ve soğutma süresi gibi çok sayıda parametrenin eş zamanlı etkisi, parça kalitesi üzerinde doğrudan belirleyici olmaktadır. Bu nedenle enjeksiyon kalıplama süreçlerinde hata oranlarının azaltılması ve ürün kalitesinin iyileştirilmesi, endüstriyel üretimde sürekli karşılaşılan temel problemlerdendir.  Bu makalede, plastik enjeksiyon kalıplama süreçlerinde ürünlerin kalitesini etkileyen temel süreç parametrelerinin Taguchi deney tasarımı yöntemi kullanılarak optimize edilmesi incelenmiştir. Literatür bulguları, Taguchi deney tasarımı yönteminin plastik enjeksiyon kalıplama proseslerinin optimizasyonunda yapılacak deney sayısını ve maliyeti azaltarak etkili, uygulanabilir ve endüstriyel açıdan avantajlı bir yaklaşım sunduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Deney Tasarımı, Taguchi Yöntemi, Otomotiv Sektörü, Plastik Enjeksiyon

Giriş

Polimer malzemeler, otomotiv sektöründe düşük maliyetleri ile imalat, araç yakıt tüketimini düşürme, müşteri tarafından kabul gören bir stil oluşturma ve ağırlık azaltma gibi başlıca talepleri sebebiyle otomobillerde kullanılmaktadır. Polimer malzemelere olan bu talep hem otomobil üreticilerinin hem de otomobil par­çası üreten tedarikçilerinin plastik enjeksiyon sürecinde uzmanlaşmasına yol açmıştır [1]. Plastik enjeksiyon ile kalıplama süreci, yüksek üretim oranı, nispeten kısa kalıplama döngüsü, düşük atık oranı, pürüzsüz yüzey ve karmaşık geometrileri üretebilme imkânı sayesinde diğer üretim yöntemleri ile karşılaştırılamaz bir üstünlüğe sahiptir [2].

İstenen kalite koşullarını ürün tasarım aşamasında ve minimum maliyetle elde etmenin en efektif yolu olan Deney Tasarımı yöntemleri son yıllarda yaygın bir şekilde çeşitli sektörler tarafından kullanılmaktadır. Bir süreç ya da sistemin girdilerinde değişiklik yapılarak çıktıların gözlemlenmesi ve analiz edilmesini sağlayan deney tasarımı yöntemleri, en uygun üretim faktörlerini belirlemek için kullanılan etkin istatistiksel metotlardandır [3]. Deney tasarımında klasik yöntemlerin yetersizliği istatistiksel deney tasarım yöntemleri ile giderilmiştir. İstatistiksel deney tasarımında farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar [4];

1. Tam faktöriyel tasarım

2. Kesirli faktöriyel tasarımı

3. Taguchi deney tasarımı yöntemi

Taguchi yöntemi süreç optimizasyonu için geliştirilmiş etkili yöntemlerden biridir. Taguchi yönteminin deney tasarımına getirdiği farklı bakış açısının özeti şudur; tam faktöriyel deney tasarımına kıyasla çok daha az sayıda deney yaparak dolayısı ile çok daha az çaba ve malzeme harcayarak aynı sonuçları elde edebilmektir [5].Taguchi Deney Tasarımı tekniğine göre yapılacak bir çalışmada izlenecek adımlar aşağıdaki şekildedir [6]:

1. Faktörlerin seçimi ve aralarındaki etkileşimlerin değerlendirilmesi (beyin fırtınası, akış diyagramı, sebep sonuç diyagramı gibi metotlar kullanılarak)

2. Faktörlerin seviyelerinin belirlenmesi

3. Doğru dengeli tasarımın seçimi

4. Faktörlerin ve/veya aralarındaki etkileşimlerin dengeli deney düzenindeki kolonlarla eşleştirilmesi

5. Deneylerin daha önceki adımlarda planlanan şekilde gerçekleştirilmesi

6. Sonuçların analizi

7. Doğrulama deneylerinin yapılması

Taguchi uzun yıllar yaptığı çalışmalar sonucunda çok daha az deney ile ve en az klasik olanı kadar iyi sonuç veren deney dizileri (ortogonal dizi) geliştirmiş ve faktör seviyelerini teker teker değiştirmek yerine eş zamanlı değiştiren ortogonal dizileri kullanmayı uygun görmüştür [3].

Uygun ortagonal dizinin seçilmesi

Yöntem, parametrelerin optimal değerlerini belirlemek amacıyla seviye ve sayılarına göre ortogonal diziler kullanarak sonuca ulaşmaktadır. Douglas Montgomery’nin üzerinde çalıştığı ortogonal diziler yapılması gereken deney sayısını oldukça azaltmaktadır [6]. Ortogonal diziler deney tasarımında sistem yapısı gereği 2^k kadar denemenin gerçekleştirilmesi gerektiğini söyler [7]. L4(2³), L8(2⁷), L12(2¹¹) ve L16(2¹⁵) dizinleri en çok kullanılan iki düzeyli dizinlerdir [8]. Bu şekilde düşünüldüğü zaman örneğin 7 faktörlü bir deney için 2⁷=128 adet deney yapılması gerekir. Ancak mevcut üretim koşulları için 128 adet deneyin ayrı ayrı planlanması ve yapılması maliyet ve zaman açısından oldukça zordur [7]. Ortogonal serilerin kullanılması deney maliyetini, emek ve zaman bakımından azaltır. Bu serilerde, tüm girdi faktörleri eşit sayıda denemede yer alır, bu da normal bir dağılım elde edilmesine olanak tanır [9]. Tablo 1’de Taguchi ortagonal dizi seçim tablosu görülmektedir [4].

Belirlenen ortogonal dizinlerde ortaya çıkan karakteristikleri sürekli olduğunda, performans istatistiği olarak bilinen bir ölçüt hesaplamak üzere tasarım parametreleri matrisinin her bir deneyinden ortaya çıkan çoklu gözlemler kullanılmaktadır. Hesaplanan bu performans istatistiği, tasarım parametrelerinin değerleriyle ilgili daha iyi tahminlerin elde edilmesinde kullanılmaktadır. Ayrıca taguchi performans istatistiği olarak sinyal/gürültü (S/N) oranının kullanılmasının gerekliliğini de ileri sürülmüştür. Sinyal, ürünün kullanıcıya vermeye çalıştığı etkidir. Gürültü ise sinyali olumsuz etkileyen müdahaleler olarak tanımlanabilir. S/N oranı, test sonuçlarının ortalama ve varyanslarını ele almaktadır [10]

Tablo 1. Taguchi Ortagonal Dizi Seçim Tablosu [4]

Sinyal/Gürültü (S/N) oranının belirlenmesi

Yöntemde, deneylerin sonuçları sinyal-gürültü (S/N) oranına dönüştürülür. S/N oranı, istenen değerlerden sapan veya bu değerlere yaklaşan kalite özelliklerinin bir ölçüsü olarak kullanılmaktadır. Optimal koşullar, Taguchi yönteminde üç kategoride değerlendirilir [5]. Taguchi’ye göre hedeflenen sonuca göre, kayıpların yorumu değişmekte, bu sebeple, bunların hesap yöntemleri de farklılık göstermektedir [11]. Taguchi’ye göre, beklenen değer hesaplamaları Tablo 2’de gösterilmiştir.

Tablo 2. Beklenen değer hesaplanması [11]

Tablo 2’de yi= Performans karakteristiğinin i. gözlem değeri, n= Bir denklemdeki test sayısı

S2= Gözlem değerlerinin varyansıdır [10].

Bu makalede, Taguchi deney tasarımı yöntemi kullanılarak otomotiv sektöründe yapılan çalışmalar incelenmiştir. Literatür araştırmaları özellikle enjeksiyon baskı denemeleri sırasında Taguchi deney tasarımının öne çıktığını göstermektedir.

Altan ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada cam fiber takviyeli polimerlerin plastik enjeksiyon sürecindeki faktörlerinin fiber yönlenme üzerindeki etkileri Taguchi Deney tasarımıyla incelenmiştir. Çalışmada, cam fiber takviyeli polipropilenin enjeksiyonunda 40 tonluk plastik enjeksiyon makinesi kullanılmıştır. Parçanın boyutları 100x50x2 mm³’tür. Eriyik sıcaklığı 200, 240 ve 260 C°; kalıp sıcaklığı 20, 30 ve 60 C°; enjeksiyon hızı 30, 32, 34 m/s olmak üzere 3 farklı seviyede uygulanmıştır. Plastik enjeksiyon parametreleri, Taguchi’ nin L9 ortogonal matrisine göre planlanmıştır. Verilen enjeksiyon şartlarında basılan parçalar üzerinden alınan numunelerin elektron taramalı mikroskop ile fiber yönlenmeleri görüntülenmiştir. Ölçülen kayma bölgesi kalınlığı için “en büyük değer en iyi” prensibi alınmış ve bu prensibe bağlı olarak SN oranları hesaplanmıştır. Deneysel çalışmanın sonucunda; 27 deney yaparak elde edilebilecek sonuçlar Taguchi deney tasarımı metodu sayesinde 9 deney yaparak başarı ile sonuçlanmıştır [12].

Başka bir çalışmada, otomotiv aydınlatma parçalarının plastik enjeksiyonu esnasında proses parametreleri Taguchi Deney tasarımı yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Ocak sıcaklığı 282, 292, 302 C°; enjeksiyon hızı 4.4, 5.4, 6.4 m/s; ütüleme basıncı 650, 750, 850 Pa; mal alma zamanı 20, 22, 24 sn, ütüleme zamanı 5, 6, 7 sn olarak belirlenmiştir. Kurgulanan 5 faktör ve 3 seviyeli deney için L27 ortagonal dizisi seçilmiştir. Bu çalışmada amaç ürün ağırlığını maksimize etmek olduğu için “en büyük en iyi” prensibi alınmış ve SN oranları hesaplanmıştır. Sonuç olarak optimum plastik enjeksiyon parametreleri ocak sıcaklığı 282 C°; enjeksiyon hızı 4,4 m/s, ütüleme basıncı 750 bar, mal alma zamanı 20 sn, ütüleme zamanı 7 sn olarak belirlenmiştir. En optimal sonucun 125 deney yapılarak elde edilmesi mümkünken Taguchi metodu sayesinde 27 deney yapılarak elde edilmiştir [13].

Literatürde yer alan bir başka çalışmada DVD-ROM ön kapağının plastik enjeksiyonla basılması sırasında hem polietilen (PE) hem polipropilen (PP) polimer malzemenin mekanik özelliklerine etki eden en uygun enjeksiyon işlem parametreleri Taguchi deney yöntemi ile belirlenmiştir. Çıkarılan plastik numuneler üzerinde üç noktalı eğme testi yapılarak eğilme mukavemeti ve eğilme modülü değerleri elde edilmiştir. Bu değerler kullanılarak Sinyal/Gürültü (S/N) oranları hesaplanmıştır. Deneylerde eriyik sıcaklığı, enjeksiyon basıncı, ütüleme basıncı, ütüleme zamanı ve soğutma zamanı parametreleri için 3 faktör tanımlanmıştır. L27 ortagonal dizisi seçilerek 125 deneme yerine 27 deneme sayısı ile denemeler gerçekleştirilmiştir. Her bir enjeksiyon işlem parametresinin eğilme mukavemeti ve eğilme modülü üzerindeki etkisi, Varyans analiziyle (ANOVA) istatiksel olarak tespit edilmiştir. Çalışma sonunda, en büyük eğilme mukavemeti ve en büyük eğilme modülü değerlerini veren en uygun enjeksiyon işlem parametreleri Taguchi yöntemiyle bulunmuştur [14].

Yine benzer bir çalışmada, PP matrisli kapların plastik enjeksiyon kalıplanması esnasında büzülme gibi kusurları en aza indirmeye odaklanılarak proses parametreleri incelenmiştir. Erime sıcaklığı, enjeksiyon basıncı, ütüleme basıncı ve ütüleme süresi gibi kritik parametreler için 3 faktör tanımlanmıştır ve L27 Ortogonal dizisi seçilerek 27 deneyden oluşan bir dizi deney ile analiz edilmiştir. “En küçük en iyi” prensibi alınmış ve bu prensibe bağlı olarak SN oranları hesaplanmıştır. Bulgular, erime sıcaklığının büzülme üzerinde en etkili faktör olduğunu, bunu sırayla enjeksiyon basıncı, ütüleme basıncı ve ütüleme süresinin izlediğini göstermektedir. SN oranı ve ANOVA analizleri sonucunda optimum proses koşulları 260 °C erime sıcaklığı, 65 MPa enjeksiyon basıncı, 50 MPa ütüleme basıncı ve 10 saniye ütüleme süresi olarak belirlenmiştir [15].

Yapılan başka bir çalışmada, otomotiv uygulamalarında kullanılan plastik korna kapağı parçasının enjeksiyon kalıplama sürecinin optimize edilmesi amaçlanmıştır. Eriyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, enjeksiyon basıncı ve soğutma zamanı gibi parametreler için 5 faktör tanımlanmıştır. L25 ortagonal dizisi seçilerek 25 deneyden oluşan bir dizi deney ile üretimler gerçekleştirilmiştir. “En optimal en iyi” prensibi alınmış ve bu prensibe bağlı olarak SN oranları hesaplanmıştır. Analiz sonuçları özellikle kalıp sıcaklığı ve enjeksiyon basıncının parça kalitesi üzerinde baskın etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Dört parametre ve beş seviye için 625 deney yapılarak en optimal sonuca ulaşılması beklenirken Taguchi Deney tasarımı ile 25 deney ile optimal sonuç elde edilmiştir [16].

Sonuç

Taguchi deney tasarımı, ortogonal diziler aracılığıyla yapılacak deney sayısını önemli ölçüde azaltarak zaman ve maliyet açısından avantaj sağlamaktadır. Azaltılmış deney sayısına rağmen, süreç parametrelerinin ana etkilerinin güvenilir biçimde değerlendirilebildiği literatürde açıkça vurgulanmaktadır. Ayrıca Sinyal/Gürültü (S/N) oranı yaklaşımı sayesinde, sadece ortalama performansın değil, proses varyasyonunun da kontrol altına alınabildiği belirtilmektedir. Özellikle enjeksiyon kalıplama süreci gibi endüstriyel uygulamalarda, sınırlı kaynaklar ile optimizasyon yapılmasına olanak tanıması Taguchi yönteminin önemli bir avantajı olarak öne çıkmaktadır.

Kaynakça:

[1] ÇELİK M. & KILAVUZ İ. Otomotiv Sektörü Aydınlatma Ürünleri Plastik Enjeksiyon Kalıplarında Kullanılan Dın 1.2343 Çeliğinin Dalma Erozyon Yöntemi İşleme Parametlerinin Yüzey Pürüzlülük Değerine Etkisinin İncelenemesi, Mühendis ve Makina / Engineer and Machinery 65, 717, 675-693, 2024

[2] KAYABAŞI O. & ÇAKMAK H., Yaklaşık Çözüm Tekniklerini Kullanarak Plastik Enjeksiyon İşlemlerinin Tasarım Metodolojisi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 7(3), 627 – 638, 2019

[3] ÖNAL Ş., Taguchi Metodu Kullanılarak Plastik Enjeksiyon Kalıplama Tekniğiyle Üretilen Parçadaki Çekme Probleminde Etkili Parametrelerin Optimizasyonu, Ankara Scıence Unıversıty, Researcher Vol. 1, No. 1, July 2021

[4] GÖKÇE B. & TAŞGETİREN S., Kalite İçin Deney Tasarımı, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 6, No: 1, 2009 (71-83). 2009

[5] KARADAĞ İ. & DÜNDAR S. & GÜRCAN Ö.F,Taguchi Deney Tasarımı ile Fiber Optik Kablo Üretimi Proses Optimizasyonu, Fırat Universitesi Muh. Bil. Dergisi 36(2), 743-754, 2024

[6] ŞAVAŞKAN M. & TAPTIK Y. &ÜRGEN M., Deney Tasarımı Yöntemi İle Matkap Uçlarında Performans Optimizasyonu, itüdergisi/d mühendislikCilt:3, Sayı:6, 117-128Aralık 2004

[7] BAĞÇECİ E., (2023) Plastik Enjeksiyon ile Üretilen Otomobil Aydınlatma Parçalarının Kalitesinin Taguchı Metodu ile İyileştirilmesi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi

[8] HASGÜL Ö., (2010) Üretim Parametrelerinin Güçlü Tasarımı ve Bir Gıda İşletmesinde Uygulanması, İstanbul Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü İşletme Anabilim Dalı, Yayınlanmış Doktora Tezi

[9] DEMİRCAN Ö. & ŞENYİĞİT E. İplik Üretiminde Taguchi Tabanlı Gri İlişkisel Analizi Uygulaması, İleri Mühendislik Çalışmaları ve Teknolojileri Dergisi, 4(2), 65-72

[10] SÜNBÜL Ş. (2025), Bazalt Lif, Nano TiO2 ve Fe203 Katkılı Beton Yolun Mekanik Özelliklerinin Taguchi Yöntemiyle Analizi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim dalı, Yayınlanmış Doktora Tezi

[11] KARADAŞ A. (2010) Sanayide Deney Tasarımı Uygulaması, Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi

[12] ALTAN M. & ERYILDIZ M. Cam Fiber Takviyeli Polimerlerin Plastik Enjeksiyonunda Fiber Yönlenmesinin İncelenmesi, Afyon Kocatepe Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 18 (2018), 692-700

[13] BAYDENİZ B. (2022), Taguchı Metodu Kullanılarak Plastik Enjeksiyon Proses Parametrelerinin Optimizasyonu: Otomotiv Aydınlatma Parçaları İçin Bir Uygulama, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mühendislik Fakültesi, Yayınlanmış Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir

[14] ÖKTEM H., Plastik Ürünlerin Mekanik Özelliklerini Etkileyen En Uygun Enjeksiyon İşlem Parametrelerinin Taguchi Yöntemiyle Belirlenmesi, Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, 8/Cilt 14, Sayı 1, Mayıs 2016

[15] KUMAR R.& BAİRWA K.N., Optimizing Process Parameters in Plastic Injection Molding using the Taguchi Method: A Focus on Minimizing Defects and Improving Product Quality, Kyushu University Institutional Resopsitory, Joint Journal of Novel Carbon Resource Sciences & Green Asia Strategy, Vol. 12, Issue 02, pp. 1177-1188, June, 2025

[16] LEE Y &CHO J.& HAN S., Optimization of Injection Molding of Automotive Plastic Horn Cover Part Using Taguchi Method and Reverse Engineering, Mater. Plast., 58 (4), 2021, 114-129

Zeynep Sıla Tırpanci

Epsan Plastik, Technology & Innovation Engineer