Multi-Objective Optimization of Cutting Parameters for Polyethylene Thermoplastic Material by Integrating Data Envelopment Analysis and SWARA-Based CoCoSo Approach

Year 2024, Volume: 7 Issue: 2, 638 - 661, 11.03.2024

Oğuzhan Der Muhammed Ordu Gökhan Başar

https://doi.org/10.47495/okufbed.1338169

Abstract

This paper presents a comprehensive study on the multi-objective optimization of cutting parameters for Polyethylene (PE) thermoplastic material utilizing a CO2 laser. Recognizing the pivotal role of precise and efficient cutting in various sectors, from packaging to biomedical engineering, we integrate two potent analytical methodologies - Data Envelopment Analysis (DEA) and Step-Wise Weight Assessment Ratio Analysis (SWARA)-based Comprehensive Criteria Score Optimization (CoCoSo) approach. The cutting parameters chosen for the study were material thickness, power, and cutting speed. The experiments were conducted according to the Taguchi L18 orthogonal array. Measurements of surface roughness and kerf width were performed to examine the cutting quality. Additionally, another response variable, material removal rate, was calculated. By integrating Data Envelopment Analysis and SWARA-Based CoCoSo approach, the experimental condition that yielded the lowest surface roughness, kerf width, and the highest material removal rate was determined. The optimum experimental condition was found to be 4 mm material thickness, 80 W laser power, and 15 mm/s cutting speed. This work, therefore, paves the way for the innovative application of these combined methodologies in enhancing the production processes of PE and other thermoplastic materials, with clear implications for cost-effectiveness and sustainability in the manufacturing sector.

Keywords

CO2 laser cutting, Optimization, Multi criteria decision making, Polypropylene

Supporting Institution

Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Project Number

OKUBAP-2022-PT1-003

Thanks

This work has been supported by Osmaniye Korkut Ata University Scientific Research Projects Coordination Unit under grant number #OKUBAP-2022-PT1-003.

Veri Zarflama Analizi ve SWARA Tabanlı CoCoSo Yaklaşımını Entegre Ederek Polietilen Termoplastik Malzeme Kesme Parametrelerinin Çok Amaçlı Optimizasyonu

Abstract

Bu makale, Polietilen (PE) termoplastik malzeme için CO2 lazer kullanarak kesme parametrelerinin çok amaçlı optimizasyonu üzerine kapsamlı bir çalışma sunmaktadır. Ambalaj endüstrisinden biyomedikal mühendisliğe kadar çeşitli sektörlerde kesme işleminin hassas ve verimli bir şekilde gerçekleştirilmesinin önemini göz önünde bulundurarak, Veri Zarflama Analizi (DEA) ve Adım Adım Ağırlık Değerlendirme Oranı Analizi (SWARA) temelinde Birleşik Uzlaşma Çözümü (CoCoSo) yaklaşımını entegre ediyoruz. Kesme parametreleri olarak malzeme kalınlığı, güç ve kesme hızı seçilmiştir. Deneyler Taguchi L18 ortogonal dizine göre uygulanmıştır. Kesim kalitesini incelemek için yüzey pürüzlülüğü ve kerf genişliği ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, diğer bir yanıt olan malzeme kaldırma oranı hesaplanmıştır. Veri Zarflama Analizi ve SWARA Tabanlı CoCoSo yaklaşımı entegre edilerek en düşük yüzey pürüzlülüğü, kerf genişliği ve en yüksek malzeme kaldırma oranının elde edildiği deney koşulu tespit edilmiştir. Optimum deney koşulu; 4 mm malzeme kalınlığı, 80 W lazer gücü ve 15 mm/s kesme hızı olarak tespit edilmiştir. Bu çalışma, bu birleşik metodolojilerin PE ve diğer termoplastik malzemelerin üretim süreçlerini geliştirmede yenilikçi uygulamalarına yol açmaktadır. Bu durum, imalat sektöründe maliyet etkinliği ve sürdürülebilirlik açısından net etkileri olan bir perspektif sunmaktadır.

Keywords

CO2 Lazer kesim, Optimizasyon, Çok kriterli karar verme, Polipropilen

Project Number

OKUBAP-2022-PT1-003

References

• Anjum A., Shaikh AA., Tiwari N. Experimental investigations of channel profile and surface roughness on PMMA substrate for microfluidic devices with mathematical modelling. Optik 2022; 261: 169154.
• Banker RD., Charnes A., Cooper WW. Some models for estimating technical and scale inefficiencies in data envelopment analysis. Management Science 1984; 30(9): 1078–1092.
• Basar G., Kirli Akin H., Kahraman F., Fedai Y. Modeling and optimization of face milling process parameters for AISI 4140 steel. Tehnički Glasnik 2018; 12(1): 5-10.
• Caiazzo F., Curcio F., Daurelio G., Minutolo, FMC. Laser cutting of different polymeric plastics (PE, PP and PC) by a CO2 laser beam. Journal of Materials Processing Technology 2005; 159(3): 279–285.
• Cebeci İ., Özlü B., Demir H. AISI 304 paslanmaz sac malzemenin lazerle işlenmesinde kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü, kerf genişliği ve çapak yüksekliğine etkisinin araştırılması. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2022; 11(2): 410-415.
• Charnes A., Cooper WW., Rhodes E. Measuring the efficiency of decision making units. European Journal of Operational Research 1978; 2(6): 429–444.
• Charnes A., Cooper WW., Rhodes E. Evaluating program and managerial efficiency: An application of data envelopment analysis to program follow through. Management Science 1981; 27(6): 668–697.
• Chen MF., Ho YS., Hsiao WT., Wu TH., Tseng SF., Huang KC. Optimized laser cutting on light guide plates using grey relational analysis. Optics and Lasers in Engineering 2011; 49(2): 222–228.
• Choudhury IA., Shirley S. Laser cutting of polymeric materials: An experimental investigation. Optics & Laser Technology 2010; 42(3): 503–508.
• Cooper WW., Seiford LM., Tone K. Data envelopment analysis. Springer: USA. 2000.
• Cus F., Balic J. Optimization of cutting process by GA approach. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 2003; 19(1–2): 113–121.
• Davim JP., Barricas N., Conceição M., Oliveira C. Some experimental studies on CO2 laser cutting quality of polymeric materials. Journal of Materials Processing Technology 2008a; 198(1–3): 99–104.
• Davim JP., Oliveira C., Barricas N., Conceição M. Evaluation of cutting quality of PMMA using CO2 lasers. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2008b; 35(9–10): 875–879.
• Der O., Alqahtani AA., Marengo M., Bertola V. Characterization of polypropylene pulsating heat stripes: Effects of orientation, heat transfer fluid, and loop geometry. Applied Thermal Engineering 2021; 184: 116304.
• Der O., Edwardson S., Bertola V. Manufacturing low-cost fluidic and heat transfer devices with polymer materials by selective transmission laser welding. In Encyclopedia of Materials: Plastics and Polymers 2022; 370-378.
• Der O., Edwardson S., Marengo M., Bertola V. Engineered composite polymer sheets with enhanced thermal conductivity. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2019b; 613(1): 012008.