Önden yüklemeli bir çamaşır makinesinin dinamik olarak modellenmesi

Son yıllarda teknolojide yaşanan gelişmeler ile beyaz eşya sektörü eskisine nazaran daha rekabetçi bir hal almıştır. Yeni imalat yöntemleri ve yeni malzemeler ile üretim maliyetleri azalmakta; böylece üreticiler daha iyi ürünleri daha ucuza tüketiciye sunabilmektedir. Tüketiciye ulaşan son mamulün giderek ucuzlaması, üreticilerin karlarını düşürmekte; bu da firmaların bu rekabet içerisinde etkinliklerini sürdürebilmeleri için üretim maliyetlerini düşürmeye itmektedir. Maliyetlerin düşürülebilmesi için söz konusu sistem incelenmeli; verimsiz bulunan kısımlar değiştirilmelidir. Bu çalışmada, önden yüklemeli bir çamaşır makinesi sistemi incelenerek yapılabilecek iyileştirmelerin öngörülmesi amaçlanmıştır. Bahsedilen bu öngörünün yapılabilmesi için, çamaşır makinesinin çalışma aşamasının Sonlu Elemanlar Yöntemiyle modellenmesi fikri doğmuştur. Çalışma kapsamında ilk olarak literatür araştırması yapılmış ve literatürde birçok çamaşır makinesi sayısal modeline rastlanmıştır. Ancak bu modellerin bir çoğu çoklu kütle dinamiği (multibody dynamics) ile modellenmiş sistemler olup, bütünü oluşturan parçaların ilişkisi tekil noktalar üzerinden verilmiştir. Bu model sistemin salınım karakteristiğini tayin ederken başarılı olsa da parçalar arası temas ilişkisi için yeterli değildir. Parçalar arası temasın tanımlandığı modeller ise zamandan bağımsız olarak çözülmüştür. Bu durum çamaşır makinesindeki sönüm elemanlarının etkisinin yok sayılması demektir. Ayrıca araştırma kapsamında rulman modellemesi için kullanılan yöntemler incelenmiş, çamaşır makinesi modelinde kullanılabilecek basit sistemler üzerine durulmuştur. Son olarak fiber katkılı malzemeler ve fiber yönelimine göre değişen malzeme özellikleri incelenerek olası malzeme ve tasarım değişiklikleri için fikir vermesi sağlanmıştır. Yapılan araştırma sonunda oluşturulan modelde, çamaşır makinesinin sıkma aşaması zamana bağlı olarak modellenmiştir. Modelde: mil, rulmanlar, kazan, tambur gibi yapısal elemanlar ağ örgüsü oluşturularak modellenirken, beton blok ve motor gibi taşıyıcı özelliği olmayan elemanlar noktasal kütle olarak sisteme dahil edilmiştir. Çamaşır makinesi dış gövdesi modellenmemiş ve kazanı taşıyan yay ve damperlerin ucunda yer değiştirme sıfır olarak tanımlanmıştır. Sıkma sırasında çamaşırın tambur yüzeyinde birikmesinden kaynaklanan merkezkaç kuvveti, tambur yüzeyine zamana bağlı olarak etkitilmiştir. Son olarak, motor kayışından kaynaklanan kuvvetler mil yüzeyine etkitilerek sistem çözüm için hazır hale getirilmiştir. Elde edilen yer değiştirme sonuçları, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve tutarlı olduğu görülmüştür. Modelin kullanılabilir olduğu kabulü ile sistem üzerinde değişimi öngörülen bölgeler için zamana bağlı gerilme değişimleri incelenmiştir. Sonraki aşamada, tasarım değişikliği öngörülen burç ve temasta olduğu parçalar için imalat analizleri yapılmıştır. Öncelikle burç ile sıkı geçme temas durumundaki rulmanlar için yüzey basınçları incelenmiştir. Daha sonrasında burç ile temasta olan diğer parça, kazan için, plastik enjeksiyonla imalatı modellenmiştir. Kazanın burç ile temas durumu incelendiği için, modeli sadeleştirmek adına, gerekli sınır koşulları verilerek kazanın yalnızca merkez kısmı için imalat modellemesi yapılmıştır. Bu aşamada, çevrimi oluşturan fazlar ve süreleri, giriş parametreleri, malzeme özellikleri ve çözüm yöntemi hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan analiz sonucunda kalıp dolma süresi, zamana bağlı soğuma davranışı, kalıptan çıktıktan sonra çarpılma durumu gibi sonuçlar elde edilmiştir. Çamaşır sıkma ve imalat analizlerinden elde edilen bilgiler ile rulman bölgesi için iki yeni tasarım önerisi sunulmuştur. Sunulan bu öneriler yine benzer analizler ile çalışma ve imal edilebilirlik yönünden incelenmiştir. İlk tasarım önerisinde dökme demir ile imalat edilmiş burç yerine imalatı nispeten daha kolay üç parçalı burç kullanılmıştır. Bu parçalar temini kolay standart parçalar üzerinde yapılan basit talaş kaldırma işlemleriyle elde edilebilecek çelik parçalardır. Yeni tasarımda burç malzemesi ve cidar kalınlığı değiştiği için rulmanlar temasında oluşan yüzey basınçları tekrar incelenmiştir. İkinci tasarım önerisinde ilk modelin iyi yanları korunmuş, sorunlu kısımlarda ise değişikliğe gidilmiştir. İlk modelde burcu oluşturan üç metal parçadan ikisi bu tasarım için de kullanılmıştır. Bu modelde rulmanlar ile temastaki iki metal parçayı birbirine bağlamak için plastik enjeksiyon kullanılmıştır. Bu iki parçanın insert olarak yerleştirildikleri kalıba fiber katkılı PA enjeksiyonu ile yeni burç montaj için hazır hale gelmektedir. Önceki durumlarda olduğu gibi, ikinci tasarım için sıkma aşaması sayısal olarak modellenmiş ve kazan ile tambur arasındaki boşluk değerlerinin mevcut tasarımdaki değerlerle oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Aynı durum, gerilme bakımında kritik olarak kabul edilen mil ve rulman bölgeleri için de geçerlidir. Rulmanların temasta oldukları parçalar birinci model önerisindekiler ile aynı oldukları için yüzey basınçları bu değerler kullanılmıştır. İmalat analizleri kısmında plastik enjeksiyon analizleri iki aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada iki metal standart parçanın insert olarak kullanıldığı plastik enjeksiyonda fiber katkılı PA kullanılarak burcun imalatı modellenmiştir. İkinci aşamada, burcun insert olarak yer aldığı, kazanın plastik enjeksiyon ile imalat modellemesi yapılmıştır. PA fiber içeren bir malzeme olduğu için, imalat sırasında oluşan fiber yönelimi, yöne bağlı malzeme özelliklerinin değişmesine neden olmaktadır. Fiber yönelimine bağlı olan ısıl genleşme katsayısı ve elastisite modülü gibi değerler, parçanın soğuması sırasında çarpılma ve çalışması sırasında birim şekil değişimi gibiparametrelerde etkin rol oynamaktadır. Bu nedenle, malzeme içendeki fiberlerin davranışı da modele dahil edilmiştir. Akışkan içerisindeki fiberlerin davranışını öngören Folgar – Tucker modelinden kısaca söz edilmiştir. Model için besleme noktası ve kaburga sistemi değiştirilerek malzeme yönelimi kontrol edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda, parçanın imalat sırasında zamana bağlı sıcaklık değerleri ve kalıptan çıktıktan sonraki çarpılma değerleri incelenmiştir. Kazanın imalat analizlerinde, PA burcun insert olarak kullanıldığı model için soğuma dağılımının daha dengeli olduğu görülmüştür. Bu model dahilinde sistemde ve bazı seçilen parçalarda: yer değiştirme, gerilme, rulman temas basınçları, kalıp dolma süreleri, enjeksiyon malzemesi soğuma hızları ve kazanın imalat sonrasında çarpılması gibi durumlar incelenmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda bir rulman bölgesi için iki yeni tasarım önerisi sunulmuş ve bu önerilerin avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. Tez çalışmasının sonucunda, testlerle tutarlı bir çamaşır makinesinin sıkma aşaması sayısal modeli elde edilmiştir. Sistemde yapılması düşünülen değişikliklerin öncelikle bu model dahilinde denenerek tasarım aşamasında yapılabilecek hatalar azaltılabilir. Bu sayede zaman, emek ve para kaybı önlenebilecektir. Ayrıca tasarım değişikliği öngörülen bir bölge için yapılan imalat analizleri ise, farklı bölgelerin tasarım değişikliği için kullanılabilecek örnek bir yöntem içermektedir.