PROTOTİP PARÇA İMALATINDA ARTIMLI SAC ŞEKİLLENDİRME İŞLEMLERİNİN KULLANIMI: SİMULASYON, İMALAT VE KARŞILAŞTIRMA

Transkript

1 PROTOTİP PARÇA İMALATINDA ARTIMLI SAC ŞEKİLLENDİRME İŞLEMLERİNİN KULLANIMI: SİMULASYON, İMALAT VE KARŞILAŞTIRMA Besim Baranoğlu Omer Music Muhammed Emin Tamer Atılım Üniversitesi/MŞMM Atılım Üniversitesi/MŞMM Atılım Üniversitesi/MŞMM Ali Sakin TOFAŞ İsmail Durgun TOFAŞ ÖZET Artımlı Sac Şekillendirme işlemi (ASŞ), özellikle adedi az ürünlerin imalatında son zamanlarda ön plana çıkmaya başlamış bir imalat tekniğidir. Yöntem, hassas bir şekilde kumanda edilebilen (tercihen bilgisayar kontrollü CNC) bir dik/yatay işleme tezgahına bağlanan sac malzemenin üzerine bir veya birkaç noktadan baskı uygulanarak ve uygulanan baskı noktası kontrolü olarak hareket ettirilerek saca şekil verme işlemi olarak tanımlanabilir. Bu çalışmada, kasa üzerinde belirlenmiş bir parçanın prototip imalatı için ASŞ yönteminin kullanılmasında izlenen yol gösterilmektedir. Öncelikle sistemin davranışını anlamak amacı ile basit geometriler üzerinde hem sayısal hesaplamalar hem de imalat çalışmaları yapılmış, üretim için kullanılabilecek takımyolu, takım büyüklüğü ve tutucu bu çalışmalar ışığında belirlenmiştir. Elde edilen tecrübe imalatı istenen parçanın gerektirdiği takımyolunun belirlenmesinde kullanılmış ve belirlenen takımyolu doğrudan CNC dik işleme tezgahına programlanarak imalat gerçekleştirilmiştir. İmal edilen parça optik ölçüm sistemi ile geometrik toleranslar açısından incelenmiş ve sonuçların, bahsi geçen boyutlar dahilinde, uygulamaya uygun oldukları değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Artımlı sac şekillendirme, prototip imalat, sonlu elemanlar yöntemi

2 THE USE OF INCREMANTAL SHEET METAL FORMİNG PROCESS IN PROTOTYPE MANUFACTURING: SIMULATION, MANUFACTURING AND COMPARISON ABSTRACT The Incremental Sheet Metal Forming process (ISF) is a manufacturing method which has gained importance especially in manufacturing of small lots. The method can be defined as deforming the sheet metal by the application of a force at one or more points by a precisely controlled forming tool (preferably CNC controlled) and moving the application point(s) over the sheet. In this study, the guidelines for the prototype manufacturing of a selected part in the car body with ISF is displayed. Firstly, to understand the behavior of the system, both numerical simulations and manufacturing studies are done on simple geometries through which it becomes possible to select the tool path and tool dimensions. With the experience gained, the toolpath to manufacture the selected part is chosen and this toolpath is programmed into the CNC vertical milling machine to manufacture the product. The manufactured part is measured using the optical measurement system concerning its tolerences and within the dimensions that is considered in this study, the results showed that the method is suitable for prototype manufacturing. Keywords: Incremental sheet metal forming, prototype manufacturing, finite element method

3 1. GİRİŞ Günümüzde az sayıda ve/ya amaca yönelik özel üretilen araçlar kapsam dışında tutulduğunda, binek ve ticari araçların kasa ve gövdelerinin hemen tüm aksamları sac malzemeler kullanılarak yapılmaktadır. Bunda temel sebep, seri imalat koşullarında sac malzemelerle yapılan üretimin yüksek imalat hızlarına çıkabilmesi, bunun karşılığında parça başı maliyetlerin düşmesidir. Seri imalatta ulaşılan yüksek hızlar ve (bunların) ekonomik getirisi söz konusu olduğunda yüksek verim sağlayan sac malzemeler ile imalat, sınırlı sayıda parça üretimini gerektiren prototip imalat koşullarında çeşitli sorunları beraberinde getirmektedir. Bunlar arasında en önemlisi, özellikle geniş panellerin imalatında maliyeti oldukça arttıran, kalıp maliyetleridir. Alternatif olarak kullanılabilecek imalat yöntemlerinden biri, artımlı sac şekillendirme yöntemidir. En basit tanımıyla artımlı sac şekillendirme işlemleri, sac malzemenin belli bir veya birkaç bölgesine (çeşitli değişik şekillerde) güç uygulanarak sadece o bölge içinde kalıcı şekil değiştirmenin sağlanması ve güç uygulanan noktanın veya noktaların sac üzerinde yerinin (belirli bir yol takip edilecek şekilde) değiştirilmesi ile sac malzemenin istenen şekle ulaştırılması şeklinde ifade edilebilir. Şekil değiştirmeyi sağlayan güç genel olarak bir şekil verici takım (şekillendirme ucu) ile sağlanmakla birlikte, su jeti, lazer ve başka yöntemlerle de çalışmalar mevcuttur. Artımlı sac şekillendirme, yarı kalıplı (Şekil-1) ya da destek kalıplı (Şekil-2) olarak belirli bir destek geometrisi kullanılarak yapılabileceği gibi, birden fazla şekillendirme ucunun koordineli şekilde sac üzerinde kuvvet uygulaması ile de gerçekleştirilebilir (Şekil-3). Sac Şekillendirme ucu Fikstür Alt kalıp Şekil-1: Dik işleme merkezine bağlanan sac malzeme üzerinde yarı-kalıp ile ASŞ (Shankar vd., 2005) Sac Şekillendirme ucu Sac Fikstür Destek kalıbı Şekil-2: Dik işleme merkezine bağlanan sac malzeme üzerinde destek kalıbı ile ASŞ (Shankar vd., 2005)

4 Sac Şekillendirme ucu Fikstür Şekillendirme ucu Şekil-3: Sac malzeme üzerinde çift şekillendirme ucu ile ASŞ (Shankar vd.,2005) En bilinen artımlı sac şekillendirme işlemi, sıvama işlemidir (Şekil-4). Burada, döner bir tablaya bağlanan sac malzeme, tablada bağlı belirli bir forma sahip kalıp üzerine bir şekillendirme ucu vasıtası ile sıvanır. Şekil-1, 2 ve 3 te görülen sistemde ise malzeme sabit tutulmakta ve şekillendirme ucu malzeme üzerinde (bir dik işleme tezgahında olduğu gibi) kontrollü olarak gezdirilmektedir. Bu açıdan bakıldığında sıvama yöntemi ile sadece eksenel simetrik parçalar üretilebilirken, dik işleme merkezinde yapılan artımlı sac şekillendirme işleminde genel geometriler çalışılabilmektedir. Yarı kalıplı ya da destek kalıplı şekillendirme söz konusu olduğunda kalıp maliyetlerinin azaldığı ama tamamen kaybolmadığı görülebilir. Benzer şekilde birden fazla şekillendirme ucunun koordineli olarak yer değiştirmesi ayrı bir karmaşık analiz gerektirmekte, modelleme zorlukları ortaya çıkabilmektedir. Oysa ki tek şekillendirme ucu ile ve kalıpsız şekillendirme söz konusu olduğunda (Şekil-4), hem kalıp maliyetleri neredeyse tamamen ortadan kalkmakta (sadece tutucu takımlar yeterli olmakta) hem de bir CNC dik işleme merkezinin kesici takımını hareket ettirmeye yarayacak basit G-kodları ile kontrol mümkün olabilmektedir. Fikstür Şekillendirme ucu Sac Fikstür Şekil-4: Sac malzeme üzerinde kalıpsız ve tek şekillendirme ucu ile yapılan ASŞ (Dai vd., 2000)

5 Bu çalışmada kalıpsız ve tek şekillendirme ucu ile yapılan ASŞ gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem, bundan sonra aksi belirtilmediği sürece ASŞ olarak adlandırılacaktır. Yöntemin özellikleri dikkate alındığında çeşitli avantaj ve dezavantajları kolayca göze çarpmaktadır. En önemli avantajları arasında aşağıdakiler gösterilebilir. 1. Düşük adedli imalat söz konusu olduğunda, kalıp maliyetlerinin ortadan kalkması (ya da çok aza indirgenmesi) dolayısı ile, parça başı imalat giderleri düşmektedir. 2. Konvansiyonel sac şekillendirme yöntemlerinde gerekli olacak yüksek kapasiteli pres ve benzeri cihazlara ihtiyaç olmamakta, işlem bir CNC dik işleme tezgahında kolayca uygulanabilmektedir. 3. Deformasyon noktasal olarak gerçekleştirildiğinden yüksek kuvvet ve güç ihtiyaçları söz konusu olmaz; dolayısı ile kullanılacak olan takımlar daha ucuzdur ve enerji gereksinimi daha düşüktür. 4. Kalıp gereksiniminin olmaması (ya da düşük olması), kalıp üretimi için gerekli enerji ve malzemeden de tasarruf edilmesini sağlar; dolayısı ile ASŞ çevresel etkiler açısından daha düşük etkiye sahiptir. Kalıpların olmaması, geri dönüşüm için kullanılacak olan enerji ve geri dönüşüm sırasında ortaya çıkacak olan atıkların da olmaması anlamına geleceğinden, ASŞ, sürdürülebilir bir imalat yöntemi olarak ortaya çıkmaktadır. 5. ASŞ yönteminde esnek üretim mümkündür. İmal edilen parçadaki revizyonlar ek maliyetler ve ek imalat süreleri ortaya çıkarmadan kolayca yapılabilmektedir. Benzer şekilde, aynı tezgah üzerinde birbirinden tamamen farklı ürünler sadece takımyolunun değiştirilmesi ile üretilebilmektedir. 6. Tasarımdan üretime geçiş süreci ASŞ için çok kısadır. Konvansiyonel yöntemlerde tasarım sonrası gerekli olan kalıp tasarımı, kalıp imalatı, kalıp alıştırması sonrası imalatın getirdiği üretim öncesi zaman alıcı işlemler, ASŞde bulunmamaktadır. Eldeki tasarımdan doğrudan takımyolu çıkarılabilmekte ve bu takımyolu ilgili tezgaha programlanarak imalata geçilebilmektedir. 7. ASŞ ile şekillendirmede, şekillendirme sınırları konvansiyonel yöntemlerle elde edilebilecek şekillendirme sınırlarına göre çok daha yüksektir. 8. Konvansiyonel imalat yöntemleri ile üretilemeyecek parçalar ve detaylar ASŞ ile üretilebilmektedir. Bununla birlikte, ASŞnin çok önemli dezavantajları da sözkonusudur: 1. Parça boyutlarının büyümesi, geri yaylanma problemlerinin daha da etkin olmasına sebep olmaktadır. Dolayısı ile ölçüsel toleransların istenen şekilde elde edilmesi, büyük parçalarda daha zorlaşmaktadır. 2. İmalat süresi (seri imalat için kullanılan yöntemler ile karşılaştırıldığında) çok uzundur. Dolayısı ile (şu anki koşullar dahilinde) yöntem seri imalata uygun değildir. 3. Değişik şekillendirme ucu boyutları ve takım yolları farklı geometrik toleranslara sebep olmaktadır. Sayısal analiz ile takımyolu ve takım boyutu belirlenmek istendiğinde simulasyon süreleri oldukça uzun olmaktadır. 4. Dik duvarların imalatı özel takım yolu tasarımları gerektirmektedir. Otomotiv sanayinde prototip imalat söz konusu olduğunda, yukarıdaki avantajlar ve dezavantajlar göz önüne alınırsa, ASŞ ile imalatın oldukça uygun olduğu değerlendirilebilir. TOFAŞ AR-GE Prototip atölye tarafından yapılan analizlerde yaklaşık 200 adetin altındaki imalatlarda ASŞ yönteminin daha ucuz olacağı değerlendirilmektedir. Ayrıca tasarım sürecinde parça geometrisinde sürekli revizyonların olması, yine ASŞ tarafından kolayca uygulanabilmektedir. Bu çalışmada, TOFAŞ AR-GE prototip tarafından belirlenen bir kasa parçasının (Şekil-5) ASŞ ile imal edilmesi için izlenen yöntem adımları ile gösterilmiştir. Öncelikle kullanılacak olan malzeme için akma eğrisi çeşitli yöntemlerle (çekme testleri, hidrolik şişirme testi ve sac basma testi) elde edilmiş ve sonrasında şekillendirme sınırları deneysel olarak bulunmuştur. Bu bilgiler, sayısal analizlerde kullanılmak üzere ABAQUS yazılımına girdi olarak verilmektedir. Daha sonra sayısal analizler ile gerçek imalatın karşılaştırılması amacı ile basit geometriler (kesik konik parça) üzerinde denemeler yapılmış, takımyolunun ve takım boyutlarının toleranslara etkisi görülmüştür. Son olarak da elde edilen tecrübe parçanın imalatı için kullanılmıştır. En iyi takımyolunun bulunması için sayısal simulasyonlar yolu ile imalat öncesi analiz, simulasyon sürelerinin çok uzun olması dolayısı ile bu çalışma kapsamında ele alınmamış, daha sonraki bir çalışmanın konusu olacak şekilde düşünülmüştür.

6 Şekil-5: TOFAŞ AR-GE Prototip Atölye tarafından ASŞ ile imalat için seçilen Staffa Frena Mano parçasının çalışılacak olan yüzeyinin detay resmi (ölçülendirmeler gösterilmemiştir) 2. İMALAT VE SANAL İMALAT Sayısal simulasyonların gerçek imalat ile karşılaştırılması, bu çalışma kapsamında, basit geometrilerin hem simulasyonu hem de imalatı gerçekleştirilmiştir. Bu sayede elde edilen tecrübe gerçek parçanın imalatı için kullanılmıştır. Basit geometrik parça olarak kesik konik parça seçilmiştir (Şekil-7). Bu parça çeşitli takım boyutları ile (5mm, 10mm ve 15mm çaplı takım kullanılarak) üretilmiştir. Şekil-6 da 5mm çaplı şekillendirme takımı ile elde edilen beş ayrı parçanın resimleri görülebilir. Bu parçaların optik ölçümler yolu ile elde edilen geometrik ölçülendirmeleri Şekil-7 de bulunmaktadır. (a) (b) (c) Şekil-6: Basit geometri olarak kesik konik geometrilerin (a) 5mm (b) 10mm ve (c) 15mm çap küresel şekillendirme ucu kullanılarak imal edilmiş halleri

7 Şekil-7: Kesik konik parça için yapılan optik ölçüm sonuçları Kesik konik parçanın daha sonra simulasyon yolu ile sanal imalatı yapılmıştır. Benzer şekilde, aynı boyutta takım uçları ve imalatta kullanılan takımyolu ABAQUS yazılımına girdi olarak verilmiştir. Analizlerde 4237 adet dörder düğüm noktalı dikdörtgen kabuk elemanı kullanılmıştır. Simulasyonlardan elde edilen örnek bir resim Şekil-8 de verilmiştir. Şekil-8: Kesik konik parça için simulasyon sonuçları

8 Simulasyon sonuçları, geometrik ölçümlerle toleranslar açısından karşılaştırılmıştır. Şekil-9 da bu karşılaştırma (5mm çaplı küresel uç ile elde edilen imalat için) gösterilmiştir. Görülebilir ki, sayısal sonuçlarla imalat ölçümleri oldukça iyi bir şekilde örtüşmektedir. Şekil-9: 5mm çaplı küresel uç ile elde edilen sayısal ve gerçek ölçümlerin karşılaştırılması Parça imalatında takımyolu olarak, CNC dik işleme tezgahlarında parmak freze ile duvar temizleme için kullanılan G-kodları kullanılmıştır. Görülebileceği üzere, bu algoritma, geometrik olarak istenen geometriye yakın bir sonuç vermektedir. 3. PROTOTİP İMALAT Yukarıda izah edildiği şekilde, Şekil-5 te görülen seçilmiş parçanın prototip imalatı için gerekli G-kodları hazırlanmış ve CNC dik işleme merkezinde 5 mm ve 10 mm çaplı küresel şekillendirme uçları ile imalat gerçekleştirilmiştir (15 mm çaplı küresel uçla yapılan imalatlarda yan duvarlarda yırtılma gerçekleştiğinden sonuçlar bu çalışma kapsamında gösterilmemiştir). İmalat için kullanılan takımyolu Şekil-10 da verilmiştir. İmal edilen parçanın resimleri Şekil-11 ve 12 de verilmiştir. Ayrıca parça üzerinden alınan optik ölçümler Şekil 13 de verilmektedir. Elde edilen sonuçların istenilen parçaya oldukça yakın olmakla birlikte, değişik takımyolu ve takım boyutları ile daha iyi sonuçların elde edilebileceği görülmektedir. Bu konuda çalışmalar devam etmekte ve en uygun takımyolunun elde edilebilmesi için sayısal simulasyon tabanlı bir tasarım aracı üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmektedir.

9 Şekil-10: Artımlı sac şekillendirme işlemi için kullanılan takımyolunun temsili resmi Şekil-11: ASŞ ile imal edilen prototip parçanın resimleri (1) Şekil-12: ASŞ ile imal edilen prototip parçanın resimleri (2)

10 Şekil-13: ASŞ ile imal edilen prototip parçanın optik ölçümleri 4. SONUÇ Bu çalışmada TOFAŞ AR-GE Prototip atölye tarafından imal edilmek üzere seçilmiş olan Staffa Frena Mano parçasının artımlı sac şekillendirme yöntemi ile üretilmesi çalışılmıştır. Bunun için öncelikle çeşitli takım boyutları ve takım yolları basit bir geometri olarak seçilen kesik konik parça üzerinde denenmiştir. Bu denemelerde CNC dik işleme tezgahında basit kesme algoritmaları (parmak freze ile duvar temizleme) kullanılarak elde edilen takım yolları denenmiştir. Takımyolu optimizasyonu yapılmamasına rağmen geometrik toleranslarda beklenen sonuçlar elde edilmiş ve bu sonuçların sayısal simulasyonlarla da oldukça yakın olarak elde edilebildiği görülmüştür. Daha sonra elde edilen tecrübe ışığında, benzer takımyolu prototip imalatı planlanan parça için de kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar oldukça umut vericidir. Gelecek çalışma olarak, takım optimizasyonuna yönelik çalışmalar yapılması önerilmektedir. Bunun için sadece tecrübeye dayalı ve standard kesme algoritmaları değil, simulasyonlarla denenen alternatif takımyollarının denenmesi ve ölçüsel toleranslarda en yakın geometriyi veren takımyolu veya yollarının uygulanması gerekmektedir. Çalışmanın sonucunda artımlı sac şekillendirme işlemlerinin prototip imalat için uygun bir alternatif imalat yöntemi olarak değerlendirilebileceği görülmüştür. TEŞEKKÜR Bu çalışmada ilgili simulasyon ve imalatların gerçekleştirildiği Atılım Üniversitesi Metal Şekillendirme Mükemmeliyet Merkezi ne teşekkür ederiz. 5. KAYNAKLAR Dai, K., Wang, Z. R., Fang, Y. (2000), CNC incremental sheet forming of an axially symmetric specimen and the locus of optimization, J. of Materials Processing Tech., v.102, p Shankar, R., Jadhav, S., Goebel, R., Homberg, W., Kleiner, M. (2005), Incremental sheet metal forming of preformed sheets, Proc. 8 th Int. Conf. on Technology of Plasticity, Verona-Italy.