Optimum design of attenuator of spun-bond production system

Nanolifler, yüksek nitelikli hava filtresi üretmek için son dönemde sıklıkla araştırılan etkili malzemelerdendir. Bu tezdeki SNS yapı spunbond ve nanoağ katmanlarından oluşmaktadır. Nanoağ filtre malzemesinin niteliğini belirlemektedir. Lif çapı nano boyuttadır. Bu yüzden üretilen kumaşın gözenek çapı düşüktür. Bu sayede mikron boyutundan küçük parçacıkları tutabilecek kadar niteliklidir. Nanoağ ile üretilen kumaşın dayanımı çok düşüktür. Hemen dağılmaktadır. Filtrenin dayanımını artırmak için nanoağ katmanının iki tarafı spunbond yöntemiyle üretilen kumaşla kaplanılacaktır. Bu sayede spunbond- nanolif-spunbond (SNS) katmanları ile yüksek nitelikli hava filtresi üretilmiş olacaktır. Spunbond katmanı mikron boyutunda lif çapına sahiptir ve filtre kağıdının dayanımını artırmak için kullanılacaktır. Spunbond katmanında karşılaşılan sorun ise kumaşın kalınlığının homojen olmamasıdır. Bölgesel olarak kalınlığın değiştiği görülmektedir. SNS, yani spunbond-nanolif-spunbond şeklinde sandviç bir yapı düşünülmekte, bu sayede nanoliflerin düşük mekanik özelliklerinin filtrasyon şartlarına ayarlanması planlanmaktadır. Spunbond yöntemi ile üretilecek olan 5-30 mikron boyutunda lif çapına sahip olan katman filtrenin dayanımını artıracak olan katmandır. Nanolif katmanı ise filtrenin performansını, gözenekliliğini belirleyen katmandır. Bu katmanda lif çapı nano boyuttadır ve bu yüzden nanolifdeki gözenekler spunbonda göre daha küçüktür. Çevresel bir yaklaşım olarak eriyikten nanolif eldesi hedeflenmektedir. Oldukça yenilikçi bir çalışma olmasından bu tip malzemelerin üretimini sağlayacak spunbond ve nanolif üretim teknolojilerine yönelik makina tasarımı eksenlidir Spunbond yönteminde kullanılacak sistem ekstrüder, spinpump, düze paketi, sıcak ve soğuk hava kabinlerinden oluşacaktır. Spunbond yönteminde ekstrüderden eriyik halde çıkan polimerin spinpump ile akışı düzenli hale getirilmektedir. Düzenli akan eriyik yüksek basınç altında düze paketindeki deliklerden geçerek lif haline getirilmektedir. Düzeden çıkan lifler önce sıcak hava kabini, sonra da soğuk hava kabini ile çekilerek mikron boyutuna düşürülmekte ve katılaşarak konveyör üzerinde toplanmaktadır. Oluşan liflerin aynı çapta olması ve üretilecek olan kumaşta lif dağılımının homojenitesi filtre performansını belirten iki ana faktördür. Bunu sağlayabilmek için düzede polimer basınç ve çekim bölümünde hava basınç dağılımının eşit olması gerekmektedir. Bu iki problem spunbond mamul kalitesinde ana etkendir ve yüksek derecede reoloji ve imalat mühendisliği birikimi gerektirmektedir. Hava çekim ünitesi eksenel olarak iki ayrık alt üniteden oluşmaktadır. Bu alt ünitelerin tasarımı ve aynı zamanda gerekli analizleri bu tezde araştırılmış ve sonuçlar deneysel olarak onaylanmıştır. Son olarak tez kapsamında en iyi tasarım çözümü araştırılıp ilgili analizleri yapılmıştır. İlk başta projede kullanma amacıyla bir düze paketi seçilmiştir. Düze paketi 396 tane 0.35 milimetre deliğe sahiptir; malzeme ekstrüder ve düze paketinde eriyik hale geldikten sonra spinpump yardımı ile bu deliklerden dışarıya akar ve bir çekici ünitesinden geçerek uzamak ile birlikte incelir. Bu işlemde kullanılan çekici ünitesi için, ilk başta bir ön tasarım düşünülmüş ve üzerinde Hesaplamalı Akış Analizleri (HAD) yapılmıştır. Analiz sonuçlarına dayanarak bir tasarım yapılmış ve onun üzerinde analizler gerçekleşmiştir. Analizlerde elde edilen sonuçları doğrulamak üzere bu çekici imal edilmiş ve üzerinde hız denemeleri yapılmıştır. Düşük maliyete sebep olsun diye mevcut olan bir fandan yardım alınmıştır. Ama bu fanın çıkış değerleri istenilen değerlerden düşük olduğundan, fanın çıkış değerleri ile yeni analizler yapılmış ve sonuçlar kıyaslanmıştır. Deneme ve analiz sonuçların yakın bir şekilde ve 8% hata ile örtüşmesi yeni tasarımlarda HAD analizleri sonuçlarına güvenime yol açmıştır. Deneme fanı boyutlarına ve elde edilen hızlara bakıldığında, mevcut tasarım için lazım olan fanın çok büyük boyutlarda olacağı tespit edilmiştir. Aynı zamanda denemelerde bazı sorunlar ile karşılaşılmıştır. Bu sorunları giderme ve basınç kaybını düşürme amacı ile yeni bir tasarım düşünülmüştür. Yeni tasarımda basınç kaybını düşürmek için çekicinin iç tasarımı ve jet kısmında bazı değişiklikler yapılmasına karar verilmiştir. Hava bölmeleri kısmında daha düşük basınç kaybına uğramak için, bu bölmeler dikey hale getirilmiş ve uzatılmıştır. Havanın dar bir bölgeden daha geniş bir bölgeye girmesi basınç kaybına neden olmaktadır. Bu problemi çözmek için hava bölmelerinin açılı ve daralarak yapılmasına karar verilmiştir. Analizlerde bu işlemin çok yararlı olduğu gözlemlenmiştir; ama imalat problemleri nedeni ile bu bölmelerin açısız yapılmasına gerek duyulmuştur. Aynı koşullarda başka analizler açısız bölmeler ile yapılmış ve yüksek bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştir. Hava girişinin karşı duvarında havanın yüksek hızla çarpması nedeni ile büyük basınç kayıpları gözüküyor. Aynı zamanda havanın fanın çıkışından çekici girdiğinde basınç kaybına uğramamasına özen göstermek gerekiyor. Bu iki problemi çözmek için, yeni tasarımda, hava girişi daha büyük çaplı ve dört gen olarak seçilmiş. Analizler yapılan değişikliğin girişin karşı duvarında ve giriş borusunda olan basınç kaybını tamamen yok ettiğini göstermektedir. Jet bölümünde havanın yüksek hız ile jetin plakasına çarptığı için yüksek basınç kaybı gözlemleniyor. Bu problemi gidermek için jet çıkışını 90 derece açılı yerine 45 derece açıyla yapılmasına karar verilmiştir. Yine bu tasarımın üzerinde analizler yapılmış ve doğru etkisi onaylanmıştır. Denemelerde görüldüğü gibi havanı yüksek hız ile jetin karşı duvarına çarptığında, onun eğilmesine ve sonuç olarak hazın düşmesine neden olduğu anlaşılmıştır. İlk tasarım imalatında malzeme olarak alüminyum kullanılmıştı. Eğilme problemini çözmek için yeni tasarımda paslanmaz çelik kullanımına karar verilmiştir. Alüminyum ile imalat yapımında, alüminyum kaynağının zor bir işlem olduğundan ve aynı zamanda kaynağın alüminyumun deforme olmasına yol açtığından, bu malzemenin değiştirilmesi öne sürülmüştür. Bu amaçla ve bir önceki problemin çözümü doğrultusunda yeni tasarımın paslanmaz çelikten yapılmasına karar verilmiştir. Paslanmaz çeliğin kullanımı imalat aşamasında hızlanmaya da sebep olacaktır. Yapılan tüm delikliklerden sonra yeni tasarım üzerinde HAD analizleri yapılmış ve bir önceki sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Bu analizler deneyim fanının çıkış değerleri ile yapılmıştır. Analizlerin sonucunda jet bölümünde hava hazının 60 m/s kadar yükseldiği ve başka bir değişle 90 m/s saniyeye ulaştığı gözlemlenmiştir. Son olarak liflerin hava akışı üzerinde etkisini görme amacı ile yeni analizler lifler ile birlikte yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Bu analizler liflerin hava akışı ve hızı üzerinde fazla bir etkisi olmadığını göstermiştir. Aynı zamanda liflerin hareketini de göz önünde bulundurmak için bir UDF (User Defined Fucntions) hazırlanmıştır. Bu UDF de kullanılan modül, "deforming mesh"tir. Bu koşturuyu yapmak için büyük belleğe sahip bilgisayarlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu olanakların eksik olduğundan bu analizi yapmak mümkün olmamıştır. Çekicinin iç tasarımında en küçük değişikliklerin basınç kaybını büyük ölçeklerde etkilediği gözlemlenmiştir. İmalat ve eleman maliyetlerini ilk başta düşünülmesi büyük bir önem taşımaktadır. Bu işlemde yüksek kapasiteli bir fan en fazla ağırlığı taşımaktadır. HAD analizleri doğru kullanıldığında mali olanakların yanlış yönde harcanması ve zaman tasarrufuna neden olacaktır.