SAYISAL KONTROLLÜ SAC ŞEKİLLENDİRME YÖNTEMİ UYGULAMALARI

Transkript

1 TMMOB Makina Mühendisleri Odası 12. Otomotiv ve Üretim Teknolojileri Sempozyumu Mayıs 2011 SAYISAL KONTROLLÜ SAC ŞEKİLLENDİRME YÖNTEMİ UYGULAMALARI Ali SAKİN a, İsmail DURGUN b TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / TÜRKİYE Tel: a E-Posta ali.sakin@tofas.com.tr b E-Posta ismail.durgun@tofas.com.tr ÖZET Sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi (Incremental Sheet Forming ISF), sac malzeme üzerinde lokal deformasyonlar oluşturarak şekillendirme işlemidir. Yöntemin kalıplı ya da kalıpsız uygulanabilmesi, CAD geometrisinden direk olarak yararlanılması, konvansiyonel yöntemlerdeki kalıp üretim maliyet ve zamanına göre avantajlı olması, prototip ve düşük adetli üretim yöntemleri için tercih sebebi olmuştur. ISF yöntemi, çelik sac, alüminyum ve titanyum alaşımları, termoplastik, sandviç panel gibi çok çeşitli malzemeler üzerinde uygulamaları yapılmaktadır. Yöntem, otomotiv endüstrisinden farklı olarak, motosiklet, medikal, mimari, ev aletleri endüstrisi, havacılık ve denizcilik sanayinde de kullanılmaktadır. Bu çalışmada, sayısal kontrollü sac şekillendirme yönteminin, metal ve metal olmayan malzemeler üzerinde başta otomotiv olmak üzere farklı sektörler bazında kullanımı hakkında bilgi verilmiştir. Anahtar kelimeler: Kalıpsız şekillendirme, sayısal kontrollü şekillendirme uygulamaları APPLICATIONS OF INCREMENTAL SHEET FORMING PROCESS ABSTRACT Incremental sheet forming is achieved by the generation of successsive and localized deformations on the sheet surface. ISF method is especially useful for prototype and low volume production due to dieless or partial die applications, direct utilization of CAD geometry and advantage in comparison with conventional die production duration and cost. ISF method can be applied on various materials such as sheet metal, aluminum and titanium alloys, thermoplastics, sandwich panels. Besides automotive industry, it is also used in motorcycle, medical, architectural, home appliances, aerospace and shipbuilding industry. This study englihtens us about the usage of ISF method on metal and non metal materials especially automotive and different sectors. Keywords: Dieless forming, incremental sheet metal forming applications 1. GİRİŞ Büyük ölçekli üretimlerin, ekonomisi gelişmekte olan ülkelere doğru transferi gerçekleşirken, düşük adetli, özel üretim ve katma değeri yüksek ürünlerin talebi de artmaktadır. Sac şekillendirmede konvansiyonel yöntemler, büyük ölçekli üretimler için optimize edilmiş, metal kalıpların kullanıldığı, kurulum için oldukça fazla zaman ve maliyet gerektiren prosesler olduğundan dolayı küçük ölçekli ve düşük adetli üretimler için tercih edilmemektedir. Sayısal kontrollü sac şekillendirme prosesi, basit takımlar kullanarak, kompleks parçaların kalıpsız olarak şekillendirilmesidir. Yöntemde kalıp kullanılmaması ve konvansiyonel yöntemdeki ekipman ve takımlandırma maliyet ve zamanının olmamasından dolayı sac parça şekillendirmede alternatif olarak değerlendirilmekte, seri üretim öncesi düşük adetli üretimler gerçekleştirilmektedir. Sayısal kontrollü şekillendirme, kalıplı ve kalıpsız, iki ana kategoride ve kendi içinde pozitif ve negatif şekillendirme olmak üzere dört farklı temel kombinasyon mevcuttur (Şekil 1). Şekil verme sırasında kullanılan takımlar, standart CNC bir tezgahta uygulanabilir, özel bir ekipmana ihtiyaç yoktur. Negatif kalıpsız şekil verme, takımın sac üzerinde tek noktada teması ile gerçekleştiğinden, tek nokta kontak ile şekillendirme olarak adlandırılır. Diğer yöntemlerde ise, sac altında kalıp ya da destek bulunduğundan dolayı, temas iki noktada gerçekleşir ve iki nokta kontak ile şekillendirme olarak adlandırılır.

2 Şekil 1: Sayısal kontrollü sac şekillendirme kombinasyonları. (a) Negatif kalıpsız şekillendirme (b) Pozitif kalıpsız şekillendirme (c) Negatif kalıplı şekillendirme (d) Pozitif kalıplı şekillendirme [1] Kalıp ve ekipmana ihtiyaç duyulmaması, 3D geometri üzerinden takım yollarının direk olarak oluşturularak parça üretimine başlanabilmesi açısından hızlı üretim (rapid manufacturing) teknikleri arasında yer almaktadır. Pratikte otomotiv sanayinden, medikal sektörüne kadar birçok uygulaması mevcuttur. motor kaputu ve yan çamurluklarını, sayısal kontrollü şekillendirme tekniği ile üretmiştir (Şekil 2 Şekil 3). 2. SAYISAL KONTROLLÜ ŞEKİLLENDİRME UYGULAMA ALANLARI Sayısal kontrollü sac şekillendirme uygulamaları otomotiv ve otomotiv-harici olmak üzere iki ana başlık altında incelenebilir. Otomotiv endüstrisinde, sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi, prototip ve düşük adetli üretimlerde, maliyet ve zaman açısından sağladığı avantaj ile ön plana çıkmaktadır. Araç modifikasyonu (tuning), medikal, dekorasyon gibi kişiye veya ihtiyaca özel komponent gereksinmi olan sektörlerde, kalıpsız veya düşük maliyetli üretim olmasından dolayı tercih edilmektedir. Şekil 2 : Yan çamurluk, FEP04, 0.8 mm [2] 2.1. Otomotiv Endüstrisi Uygulamaları Otomotiv sanayinde, düşük adetli ve araca özel komponent üretiminde sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi, hem zaman hem de maliyet açısından tercih edilmektedir. Prototip aşamasında sayısal kontrollü şekillendirme yönteminin tercih edilmesi, konvansiyonel prototip kalıp yapımı ve parça üretimi esnasında elde edilen tecrübenin seri üretim aşamasına aktarılması açısından dezavantaj teşkil etmektedir. Özellikle araç modifikasyon endüstrisinin (tuning industry) ihtiyaç duyduğu, özel komponentlerin üretimi sayısal kontrollü sac şekillendirme ile yapılabilmektedir. Ayrıca sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi, büyük ebatta parçaların kalıplarını uzun süre saklamaktan kaynaklanan yer ihtiyacınının giderilmesi konusunda avantaj sağlamaktadır. Bir firma, ürettiği konsept aracın Şekil 3 : Motor kaputu uygulaması (a) Motor kaput dış panel, 0.8 mm FEP03 (b) Motor kaput iç panel, 0.8 mm FEP03 (c) Kenetlenmiş motor kaputu [2]

3 Sayısal kontrollü sac şekillendirmenin, sıvama tekniğinden farklı olarak asimetrik parçalarında üretimini yapılabilmektedir. Şekil 4 de asimetrik geometriye sahip ön far reflektörünün mm Al malzemeden üretilmiş parçalar gösterilmektedir. Şekil 6 : Y Bağlantısı [2] Medikal Uygulamalar Şekil 4 : Ön far reflektörü [3] Sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi kullanılarak hızlı prototip olarak üretilen araç altı ısı kalkanı ve kamyon susturucu gövdesi Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5 : ISF ile üretilen otomotiv parçaları (a) ısı kalkanı (b) susturucu gövdesi(kamyon) [4,5] Medikal sektöründe, kişiye özel protez (implement) geliştirilmesi söz konusu olduğundan, hızlı üretim veya düşük adetli üretim yöntemleri ihtiyaçları karşılamaktadır. Kişiye özel protez üretiminde, önce ihtiyaç duyulan bölge ya da uzuva ait kısım dijital olarak taranır. Sayısallaştırma sonucunda elde edilen form, direk olarak kullanılarak ilgili protez üretilebilir veya elde edilen geometriden kalıp olarak faydalanılabilir. Tarama sonucu elde edilen datadan direk olarak üretilen kafatası implementi ve titanyumdan üretilen yapay damak Şekil 7 de gösterilmiştir. Sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi, antropometrik farklılıklardan dolayı, ortopedi ve travmatoloji alanında, düşük adetli, özel imalatlar açısından medikal sektöründe önemli ölçüde uygulanabilirliği mevcuttur. Hızlı prototipleme ve hızlı üretim tekniklerinin artması, uygulama alanlarının çoğalmasıyla birlikte biomedikal sistem tasarım ve üretimi de pararlel olarak etkilenmektedir Otomotiv Harici Uygulamalar Havacılık ve Uzay Sanayi Uygulamaları Sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemi, havacılık ve uzay sanayinde kullanılan mevcut proseslerin yerini alması şeklinde değerlendirilmemelidir. Sayısal kontrollü sac şekillendirme yöntemini, üretimi tamamlayıcı ya da spesifik komponent üretimlerinde kullanılmaktadır. Kullanılan tekonoloji, oldukça esnek olduğundan farklı geometri, malzeme (aluminyum, titanyum vb.) ve şartlarda uygulanabilir. Genellikle, özel üretim gerektiren, düşük sayıda üretim adetine sahip orta ölçekli hava araçlarının komponent üretiminde kullanılmaktadır. Araştırma ve geliştirme çalışmaları, sayısal kontrollü sac şekillendirme yönteminin titanyum gibi özel malzemeler üzerinde uygulanması konusuna odaklanmıştır. Şekil 6 da hava kanalı Y bağlantısı DC04 malzeme kullanılarak, ileri takım yolu stratejileri ile sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi ile üretilmiştir. Şekil 7 : ISF Medikal uygulamalar a) kafatası plakası [6] b) yapay damak [7]

4 Diğer Uygulama Alanları Sayısal kontrollü sac şekillendirme prosesinin diğer uygulama alanları; Ev aletleri ve beyaz eşya, TV Stand ve küvet (Şekil 8) özelliklerinden (sıcaklık ve darbe dayanımı, aşınma direnci, vs.), dolayı yüksek mukavemet, düşük ağırlık oranı gerektiren medikal, havacılık ve otomotiv sanayinde daha çok tercih edilmektedir. Plastik parçaların üretimi için yaygın olarak kullanılan enjeksiyon yöntemi, modifikasyonların uygulanması için esnek olmaması ve yüksek üretim adetleri ile yatırım amortismanını karşılaması açısından prototip ve düşük adetli üretim prosesleri için makul değildir. Düz parçalar, gerdirme (streching) ve sıvama proseslerinin kombinasyonu olan termoforming yöntemi ile üretilebilir. Bu yöntemde, küçük ve orta ölçekli üretime bağlı olarak oldukça sınırlayıcı proses limitleri mevcuttur. Proses esnasında gerdirme prosesinin ön plana çıktığı durumda malzemenin uniform dağılımı gereçkleşememekte ve geniş deformasyonlu bölgeler oluşabilmektedir. Ayrıca, malzemenin iki kalıp arasında sıkışması sonucunda, malzemenin yırtılmasına da sebep olabilecek lokal deformasyonlu bölgeler meydana gelebilmektedir. Sayısal kontrollü şekillendirme yönteminde plastiklerin, form verme işlemi, diğer konvasiyonel yöntemlere göre oldukça hızlı bir şekilde ve çok az maliyetle yapılabilmesi mümkün olmaktadır (Şekil 10). Özellikle havacılık, otomotiv ve medikal uygulamaları için düşük adetli üretimlerin bu yöntemle yapılması maliyet ve zaman açısından avantaj sağlamaktadır. Şekil 8 : TV Stand ve küvet uygulamaları [2] Sanatsal tasarımların, fiziksel modellere dönüştürülmesi, model kalıpları (Şekil 9) Şekil 10 : Sayısal kontrollü şekillendirme- termoplastik uygulama örnek [8] Şekil 9 : Model kalıpları Al1050, 1 mm [2] motosiklet koltukları ve yakıt depoları, mobilya sektörü gibi oldukça geniş kullanım alanına sahiptir Sayısal Kontrollü Şekillendirme Yönteminde Kullanılan Malzemeler Termoplastikler; Son yıllarda, plastik malzemelerin, metallerin yerine geçmesi, sivil ve endüstriyel alanlarda birçok uygulamada yaygınlaşmasını sağlamıştır. Plastikler, termal ve yapısal Titanyum; Titanyum, insan vucüdu ve kemikler tarafından kabul edilmekte dolayısıyla medikal alanda, implement ve protez yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Sayısal kontrollü şekillendirme ile saf titanyum yapay damak uygulaması için çok iyi yüzey kalitesi ile şekillendirilmiştir [7]. Yağ ve yağlama tekniklerinin geliştirilmesi, mevcut proseslere adapte edilmesi, saf titanyumun, sayısal kontrollü şekil verme proseslerinde kullanımını sağlamıştır [9]. Titanyumun yüksek korozyon mukavemeti, kimyasallara karşı direnci, çelik kadar mukavemetli, aluminyum kadar hafif olmasından dolayı otomotiv, havacılık ve uzay sanayinde, parça üretim proseslerinde de kullanılmaktadır [10].

5 Sandviç Paneller; Sandviç paneller, iki dış panel plaka arasında dolgu malzemesi kullanılmasıyla oluşan yapıdır (Şekil 11). Kullanılan dolgu malzemesinin düşük yoğunlukta olması hafif bir yapı oluşmasını sağlarken, tek saca göre daha rijit bir yapı oluşturur. Sandviç panellerin kullanım avantajları, yüksek mukavemet ağırlık oranı, ses sönümleme, titreşim absorpsiyonu, termal yalıtım, darbe dayanımı özellikerinde iyileştirmeler sağlamasıdır [11]. Şekil 11 : Sandviç panel yapısı Kullanım yerine göre, dolgu malzemesi; bal peteği (honeycomb), polimer, metal köpük, panel plakaları; metal, ahşap veya kompozit malzemeden yapılabilir. Sandviç paneller genellikle uçakların iç trim parçaları (taban), araç gövde panellerinde, sürat tekneleri ve yarış arabalarının gövdelerinde ayrıca inşaat sektöründe ağırlık azaltma, ısı yalıtımı, ses ve titreşimin absorbe için kullanılmaktadır. Metal polimer metal ve metal metal köpük metal sandviç paneller, mevcut teknoloji ile pres ve hidroforming yöntemleri ile şekil verilebilmektedir. Sayısal kontrollü şekillendirme yönteminin, sac plakalar haricinde ne tür malzemelere uygulanabilir sorusu, yöntemin sandviç paneller üzerine odaklamış ve paneller üzerinde çalışmalar yapılmıştır (Şekil 12). Yapılan çalışmalar sonucunda sayısal kontrollü şekillendirmenin metal panel sacı ve sürekli polimer dolgu malzemesi ile üretilen panellerde uygulanabilirliği tespit edilmiştir. Şekil 12 : Sandviç panel [12] Magnezyum Alaşımları Magnezyum, ağırlık mukavemet performansından dolayı ağırlık faktörünün oldukça önemli olduğu havacılık ve otomotiv sektöründe kullanılmaktadır. Magnezyumun, oda sıcaklığı koşullarında şekillendirilmesi mümkün olmadığından dolayı, malzeme ısıtılarak şekil verilebilmektedir. Magnezyumun ısıtılaraki sıcakken şekil verilmesi proses olarak çok maliyetli bir yatırım gerektirmez [13]. Magnezyum AZ31 ile yapılan çalışmalarda, sayısal kontrollü kalıpsız şekil verme yönteminin, kademeli şekillendirmede, proses sıcaklığının arttırılması ile şekillenebilirliğin de arttığı tespit edilmiştir [14]. Magnezyum, kırılgan olmasından dolayı sadece orta dereceli ( ᵒC) sıcaklıklarda şekil verilebilmektedir. 3. SONUÇ Artan ürün çeşitliliği, kısalan ürün çevrim süreci ve dünyadaki küresel problemlerin getirdiği düzenlemelerden dolayı üretim prosesleri sürekli iyileştirilmekte ve yenileri geliştirilmektedir. Çalışmada, sayısal kontrollü şekillendirmenin metal ve metal olmayan malzemeler üzerinde, farklı sektörler bazında kullanımı hakkında bilgi verilmiştir. Günümüzde sayısal kontrollü şekillendirme yönteminde kullanılan malzemelerle ilgili çalışmalar hâlâ devam etmekte ve yeni malzemeler eklenmektedir. Farklı özellik ve yapıdaki sandviç paneller ile ilgili çalışmalar günümüzde devam etmektedir. Yöntemde farklı teknik ve malzemelerin kullanılması, sayısal kontrollü şekillendirme yöntemine geniş bir kullanım alanı sunmuştur. Günümüzde küresel ısınmanın etkilerini arttırması, enerji verimliliği ve kaynak kullanımı konusunda sayısal kontrollü şekillendirme gibi ekolojik yöntemlerin ortaya çıkmasına ve geliştirilmesine imkan sağlamaktadır. Otomotiv alanında, düşük adetli üretimlerin gerçekleştirilmesi, tekil parça ihtiyaçlarının karşılanması için sayısal kontrollü şekillendirme yönteminden faydalanılabilir. Çalışma sonucunda ortaya çıkan parçanın, makroskopik ve mikroskopik yapısının, araç üzerinde yapısal parça olarak kullanılmasındaki etkisi ayrı bir çalışma konusu olarak araştırılmalıdır. Sayısal kontrollü şekillendirme yönteminin, plastik parçalar için enjeksiyon kalıp yatırım ve üretim zamanının eliminasyonu açısından değerlendirildiğinde, ihtiyaca yönelik üretim konusunda önemli bir alternatif olmaktadır. Yüksek korozyon mukavemeti ve organizmalarla uyumlu titanyum, damaktan, kemik protezlerine kadar medikal sektörün bir çok alanında kullanılmaktadır. Protez ve implementlerin, kişiye özel olarak üretildiklerinden dolayı sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi medikal sektörü için hem ekonomik hem de hızlı bir alternatif olmaktadır. Gelecek metal şekillendirme çalışmaları, konvansiyonel yöntemlerin uygulabilirliği nadir veya olmayan, titanyum, magnezyum alaşımlar gibi ağırlıkmukavemet performansı yüksek malzemelerin kullanımına daha fazla yer verecektir. 4. REFERANSLAR [1] Allwood, J.M., Bramley, A.N., Ridgman, T.W., Mileham, A.R., A Novel Method for the Rapid Production of Inexpensive Dies and Moulds with Surfaces Made by Incremental Sheet Forming, Journal of Engineering Manufacture, Vol.220, (2006),

6 [2] Rodríguez, P.P., International Seminar on Novel Sheet Metal Forming Technologies, 16 February 2006, Jyväskylä, Finland. [3] Jeswiet, J., Hagan, E., Rapid Proto-typing of a Headlight with Sheet Metal, In Proceedings of Shelmet, April2001, [4] Hagan, E., Jeswiet, J., A Review of Conventional and Modern Single-Point Sheet Metal Forming Methods, Journal of Engineering Manufacture, vol.217, (2002), [5] Skjoedt, M., Bay, N., Endelt, B., Ingarao, G., Multi Stage Strategies for Single point Incremental Forming of a Cup, Journal of Material Forming, DOI: /s , [6] Duflou, J., Production Processes Cranial Plate, html, [7] Tanaka, S., Nakamura, T., Hayakawa K., Nakamura, H., Motomura, K., Incremental Sheet Metal Forming Process for Pure Titanium Deantal Plate, Proceedings of the 8th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP, 2005, [8] Le, V.S., Ghiotti, A., Lucchetta, G., Preliminary Studies on Single Point Incremental Forming for Thermoplastic Materials, Journal of Material Forming, DOI: /s , [9] Hussain, G., Gao, L., Hayat, N., Cui, Z., Pang, Y.C., Dar, N.U., Tool and Lubrication for Negative Incremental Forming of a Commercially Pure Titanium Sheet, Journal of Materials Processing Technology, vol.204, (2008), [10] Fan, G., Sun, F., Meng, X., Gao, L., Tong, G., Electric Hot Incremental Forming of Ti-Al-4V Titanium Sheet, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol.49, (2010), [11] Jackson, K. P., Allwood, J. M., Landert, M., Incremental Forming of Sandwich Panels, Key Engineering Materials, vol.334, (2007), [12] Allwood, J., Jackson, K., An introduction to Incremental Sheet Forming in Cambridge, CMI Workshop on Sandwich Sheets, 21st June [13] Ambrogio, G., Bruschi, S., Ghiotti, A., Filice, L., Formability of AZ31 Magnesium Alloy in Warm Incremental Forming Process, International Journal of Material Forming, vol.2, (2009), 5-8. [14] Ji, Y.H., Park, J.J., Formability of Magnesium AZ31 Sheet in the Incremental Forming at Warm Temperature, Journal of Materials Processing Technology, vol.201, (2008),