OTOMOTİV GELİŞTİRME SÜRECİNDE PROTOTİP İMALATININ DÜNÜ BUGÜNÜ VE YARINI

Transkript

1 OTOMOTİV GELİŞTİRME SÜRECİNDE PROTOTİP İMALATININ DÜNÜ BUGÜNÜ VE YARINI İsmail DURGUN TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / TÜRKİYE E-Posta ismail.durgun@tofas.com.tr ÖZET Otomotiv sektöründe ürün geliştirme çalışmaları uzun süreli ve pahalı bir çalışma gerektirmektedir. Çok sayıdaki parçanın bir araya gelmesi ile oluşan ürünün istenilen özelliklerde olmasının yanında istenilen tarihte hazır olması da çok önemlidir. Bu nedenle geliştirme süresi boyunca çok sayıda sanal ve fiziki kontroller yapılmaktadır. Artan rekabet nedeni ile geliştirme sürecindeki kısalmalar, sanal analizlerdeki gelişmeler fiziki test ihtiyaçları da azaltmıştır. Bu çalışmada otomobil ürün geliştirme süreci boyunca ihtiyaç duyulan prototip araçlarındaki sayısal değişimin yanında araçların içeriklerindeki ve maliyetlerindeki değişimde verilmiştir Anahtar Sözcükler: otomotiv, prototip araç, ürün geliştirme PROTOTYPE PRODUCTION IN AUTOMOTIVE DEVELOPMENT PROCESS PAST PRESENT AND FUTURE ABSTRACT Product development in the automotive industry requires long-term and expensive working. A plurality of pieces of the product formed by the combination, besides being the desired properties, it is very important to be ready at any time. Therefore, a large number of virtual and physical checks are carried out throughout the development period. With the increasing competition, shortening the development process and developments in virtual analysis also decreased physical testing needs. In this study, automotive product development process throughout, in addition to numerical changes in prototype vehicles needed, and the cost and content of vehicles are shown in changes Keywords: automotive, prototype car, product development

2 1. GİRİŞ Prototip parçalar, yapılan tasarım ile uyumlu ancak bu tasarım için tanımlanmış üretim araç ve süreci yerine farklı yöntemlerle imal edilmiş parçalardır. Prototip parçalar kullanılacakları yere göre farklı seviyelerde üretilirler. Bazen sadece boyutsal olarak tasarıma uyum aranırken malzeme olarak uyum aranmayabilir. Bugün genellikle bu parçalar hızlı prototipleme yöntemleri ile imal edilmektedir. Hızlı prototipleme yöntemleri ile imal edilen parçalarda nihai kullanım mümkün olsa da bu hala sınırlı sayıdadır ve genellikle görsel ve boyutsal doğrulama faaliyetleri için kullanılırlar. Bazen de prototip parçalar tasarım doğrulama testlerinde kullanılmak için üretilirler. Bu parçaların hem boyutsal hem de malzeme özellikleri ile tasarıma uygun olması istenilir. Bu durumda parçaların nihai üretim ekipmanlarının pahalı olması nedeni ile geliştirilen özel metotlar ile üretilmesi gerekir. Özel üretim metotları ile üretimde kalıp maliyetleri seri üretim kalıplarına göre düşük olsa bile, parça birim maliyetlerinin seri üretime göre oldukça pahalı olduğu unutulmamalıdır. Geleneksel ürün geliştirme sürecinde tasarım sonrasında prototipe ihtiyaç duyulmaktadır (Şekil 1). Prototip sonrasında yapılan değerlendirme sonucunda ihtiyaç duyulması durumunda tasarımda değişiklikler yapılır ve yapılan değişikliğin büyüklüğüne göre prototip süreci tekrarlanır (Martin ve Carvalho, 2006). Planlama CAD Prototip Değerlendirme ın Tamamlanması Üretim Şekil 1. Geleneksel ürün geliştirme süreci (Xu, 1998) Prototip sonrasında yapılan testlerden elde edilen sonuçlara göre tasarım değişikliğine gidildiği gibi, prototip üretim sürecinde de üretile bilirlik ile ilgili geri beslemeler sonucunda tasarım değişikliklerine gidilebilir (Şekil 2). Prototip Testler Üretim Sorunları Ürün Sorunları Şekil 2., Prototip ve Testler döngüsü Bazen bu değişiklikler tek bir parçaya ait üretile bilirlik sonuçlarından (ters açılar nedeni ile kalıplanamama, kalıpta basılamama gibi) gelebildiği gibi, parçaların bir araya getirilme sürecinde karşılaşılan problemlerden (nokta kaynağı yapılamaması, vidanın sıkılamaması, boyutsal uygunsuzluklar neticesinde parçaların bir araya getirilememesi, montaj bölgesine ulaşılamaması gibi) de gelebilmektedir. Bilgisayar programlarındaki gelişmeler neticesinde parça tasarımları yanında bazı testlerin bilgisayar ortamında yapılması olanağını getirdi. Bu nedenle prototip sonrası test değerlendirmeleri pek çok test beklenilmeden bilgisayarda yapılan sonlu elemanlar analizleri (sanal analizler) yapılmaya başlanılmıştır. Bu analizler neticesinde fiziki testlerden tasarıma geri beslemeler sonucunda ihtiyaç duyulan iterasyonlar eskiye göre azalmıştır.

3 CAE Planlama CAD Prototip Değerlendirme ın Tamamlanması Üretim Şekil 3. Mevcut ürün geliştirme süreci (Peddiraju vd., 2009) Prototip araçlarda prototip parçaların bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Tıpkı prototip parçalar kullanılacakları yere göre çeşitlilik göstermekte iseler, prototip araçlarda kullanılacak testlere göre çeşitlilik göstermektedir. Otomobil geliştirme sürecinde prototip parça ve araçlar stil veya parçaların yerleşimi (layout) gibi çalışmaların dışında çoğunlukla tasarım doğrulama süreçleri için gerekmektedirler. Farklı doğrulama faaliyetleri için farklı seviyelerde prototiplerin kullanılması maliyetlerin aşağı çekilmesi için önemlidir. Bu nedenle her bir aşamada gereken prototip parça ve araçlar tanımlanmıştır. Prototip çalışması yapmadan direk olarak tasarımdan imalata geçmek mümkün olsa da böyle bir tercihin ciddi riskleri de beraberinde getireceği unutulmamalıdır. Bu nedenle prototip olmaksızın seri üretime geçmek başarılı bir tasarım sürecine sahip olmanın yanında iyi bir sayısal analiz alt yapısını da gerektirir. Araç tasarım süreleri her geçen gün rekabetin getirdiği bir sonuç olarak azalmaktadır. Prototip üretimi ve testleri için de önemli bir zaman gerektirmektedir. Ayrıca geliştirme maliyetlerinin %10-20 si sadece prototiplerin imalatı için harcanmaktadır. Bu maliyetlere prototip araç testlerini de ilave ettiğimizde geliştirme maliyetleri içerisinde oldukça yüksek bir yer tuttuğu görülecektir. Geçmişte taşıt prototipleri proje maliyet ve sürelerine de olumlu etki etmiş olmalarına karşın günümüzde araç üreticileri her geçen gün geliştirme çalışmaları içerisindeki prototip içerik ve gereksinimi konusunda iyileştirme çalışmaları yapmaktadırlar. Hatta bu süreci komple kaldıran araç geliştirme çalışmaları da yapılmaktadır. Bu çalışmada araç geliştirme sürecindeki prototip çalışmalarında nasıl bir gelişme olduğu özetlenecek ve gelecek vizyonu üzerinde durulacaktır. 2. OTOMOBİL ÜRETİMİNDE PROTOTİP GEREKSİNİMİ Bir otomobil çok sayıda alt komponentin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Bu nedenle birçok ürüne göre oldukça karmaşık bir üründür. Çok sayıda araştırmacının çalışmasını gerektiren ürün geliştirme süreci uzun ve maliyeti de oldukça yüksektir. Ürün geliştirme sonuna gelindiğinde başlangıçta planlanan özellikte bir ürün olması mali açıdan olduğu kadar kanuni açıdan da büyük bir risk oluşturabilir. Bu nedenle ürün geliştirme süreci hem sanal hem de fiziksel prototipler üzerinde doğrulama gerektirir. Ürün geliştirme sürecinde sanal doğrulamalar yapılmış olsa bile ürün piyasaya çıkmadan önce fiziki test sonuçlarına göre yasal onay alması gerekmektedir. Bu yasal testler bazen ülkelerde bakanlık temsilcileri gözleminde yapılarak raporlanmakta, bazen de yasal mevzuatlara uygunluğunun üretici firma tarafından teyit edilmesi istenilmektedir. Bu durumda da üretici firmalar bu testleri kendileri gerçekleştirilmektedir. Yasal testlerde kullanılan araçlar seri üretim kalıplarından çıkmış ve seri üretim tesislerinde üretilmiş olmalıdır. Büyük bütçeler ile gerçekleştirilen araçların son aşamada bu testlerde başarısız olması aracın piyasaya çıkışını geciktirecek ve şirkete mali yük oluşturacaktır. Bu nedenle tasarım sürecinin farklı aşamalarında geliştirilen prototip araçlar ile tasarım doğrulama çalışmaları yapıla gelmektedir. Bu amaçla hazırlanan taşıt prototipleri başta güvenlik testleri, yol tutuşu, konfor, yorulma için sinyal toplama,

4 Prototip Süreci Prototip Süreci akustik ölçümler, klima & ısıtıcı kontrolleri, motor & şanzıman uyum testleri gibi esas olarak taşıt performansların değerlendirildiği çalışmalarda kullanılmaktadır li yılların başına kadar uygulanan yöntem Şekil 4 deki gibiydi. Motor, şanzıman ve süspansiyon doğrulamaları için melez prototipler, seri üretim kalıpları yola çıkmadan birinci seviye prototipler ve seri üretim modelleri ile kullanılarak üretimleri gerçekleştirilen ikinci seviye prototipler. Üç seviyede gerçekleştirilen bu prototip üretimlerinde çok sayıda prototip araç üretildiği gibi çok uzun bir sürece yayılmaktaydı. Ürün geliştirme sürecinin başında gerekli olan prototipler melez prototipler (semi prototype) olarak adlandırılırlar. Bu araçların gövdelerinin tabanları ile mekanik parçaları ve motorşanzıman komplesi geliştirilen proje uygundur. Diğer bölümleri ise yani üst gövde ve hareketli parçalar (kapı ve kaputlar) hali hazırda seri üretimde olan bir araca aittir. Bu araçlar geliştirme süreleri uzun süren motor, şanzıman ve süspansiyon doğrulamaları için kullanılır. 1. Prototipler 2. Prototipler Şekil 4. Üç kademeli prototip üretim süreci (Wagner ve Lentes, 2003) 2000 li yıllar ile birlikte ürün geliştirme sürelerindeki kısalma prototip sürecini de etkilemiştir (Şekil 5). Ürün geliştirme süreci başında kullanılan melez prototiplerde çok fazla değişiklik olmamıştır. Sadece tabanı geliştirilen ürüne sadece motor boşluğu, iz ve tekerlek genişliği ile uyumlu olan melez prototipler kullanılmaz olmuştur. Bunun dışında birinci seviye ve ikinci seviye prototipleri birleştirilerek tek seviyede prototipler üretilmeye başlanılmıştır. Prototip araçların testlerinden veya sanal testlerden gelen geribildirimler neticesinde birleştirilen bu süreçteki araçların üretim periyodunun sonuna doğru olanlarında tasarım değişikliği yapılmış parçalar kullanılmıştır. Yani bu prototip sürecinde bir öncekine kıyasla çok sayıda değişiklik uygulanmak zorunda kalınmıştır. 1. Prototipler Şekil 5. İki kademeli prototip üretim süreci Her ne kadar üç aşamalı gerçekleştirilen prototip süreci iki aşamaya düşürülmüş olsa da istenilen süre iyileştirmesi ve maliyet kazancı yeterli olmamıştır. Bu nedenle 2010 yılı başlarından itibaren ise birçok araç üreticisi prototip sürecini tek aşamaya düşürmüştür (Şekil 6). Halen bir çok otomobil üreticisi tarafından uygulanan yöntemde prototip fazı iptal edilmiş ve tek faza indirilen yeni durumda sadece melez prototipler ile tasarım doğrulama faaliyetlerini gerçekleştirilmektedir. Fakat önceki yıllara oranlar sanal analizlerdeki gelişmelere bağlı olarak prototip sayılarında da düşüşler gerçekleşmiştir (ESI Group, 2013)

5 Prototip Süreci Prototip Süreci Şekil 6. Tek kademeli prototip üretim süreci (Kunselman, 2009) Fakat bu durumda da araç gövdesi olmadığı için bazı doğrulama faaliyetleri gerçekleştirilememekte veya bunlar için ayrı prototip aktiviteleri (ergonomi doğrulama prototipleri, performans doğrulama prototipleri, boyutsal doğrulama prototipleri, iklimlendirme sistemi doğrulama prototipleri gibi) gerçekleştirilmektedir. Yakın gelecekte halen kullanılan melez prototip uygulamasında da değişim olacağı planlanmaktadır. Sayısal analizlerdeki gelişmeler neticesinde bir çok doğrulama faaliyetinin sanal ortamda tamamlanacağı öngörüsüne dayanan bu yeni süreçte prototip üretimi Şekil 7 de gösterildiği gibi büyük ölçüde azalacaktır (Papo ve Tanasescu, 2010). Bu uygulamada prototip üretimi mümkün olduğunca azaltılacak ve parçaların büyük çoğunluğu seri üretim kalıplarından alınacaktır (Sridhar, 1998). Örneğin saç parçalar için prototip kalıplar yerine seri kalıpların derin çekmesinden parça alınacak, lazer kesimleri ile tamamlanan parçalar prototip araçlarında kullanılacaktır. Şekil 7. Yakın gelecekte uygulanması beklenilen prototip üretim süreci Bazı otomobil üreticileri de prototip sürecini tamamen ortadan kaldırmak için çalışmaktadır (Skogsmo, 2007). Bu çalışmalar prototip araçların kullanıldığı doğrulama faaliyetlerinin önemli bir kısmını teşkil eden güvenlik test araçlarında yoğunlaşmıştır (Gunnar vd., 2007, Teske, 2007, Annarumma, 2008). Bunun için özellikle sayısal analizlerdeki gelişmeler umut vericidir. Özellikle 2000 li yıllar öncesinde her parçanın tasarıma uygun olarak prototip sürecinde üretilmesi oldukça uzun zaman almaktaydı (Lazoğlu ve Bank, 2010). Son yıllarda hızlı prototipleme yöntemlerindeki gelişmeler prototip üretim sürecinin kısalmasına da olumlu etki etmiştir (Kulkarni vd., 2011, Hoffmann ve Leimeister 2011). Günümüzde genellikle doğrulama faaliyetlerinde kullanılan hızlı prototipleme yöntemlerindeki gelişmeler yakın gelecekte fonksiyonel prototipler olarak ta karşımıza çıkacaktır (Durgun ve Başaran, 2010, Durgun, 2011). Ayrıca prototip sac parça üretimi için de çok sayıda üretim yöntemi geliştirilmiştir (Dinkçi ve Durgun, 2011, Durgun vd., 2014). Halen yaygın kullanım alanı bulamasa da sac parça üretimi için çok sayıda üretim yönteminin geliştirme çalışmaları devam etmektedir (Sakin ve Durgun, 2011, Durgun ve Doruk, 2014). Sürecin kısalması için bir başka noktada gövde üretim aparatlarının her proje de değiştirilmesi yerine esnek üretim ekipmanları olarak üretilmesi de hem süre hem de maliyet açısından oldukça önemli bir unsur olarak karşımıza çıkmaktadır.

6 3. SONUÇLAR Artan rekabet ile kısalan ürün geliştirme süreci ve maliyetler neticesi olarak prototip üretimin de etkilenmiş ve etkilenmeye devam etmektedir. Adetsel ve içerik olarak değişen prototip sürecinin tamamen kaldırılması bir çok otomobil firmasının gündemindedir. Ciddi mali riskleri olmasına rağmen, tasarım ve sayısal analizlerdeki başarının yanında, iyi bir proje yönetimi ve şirket hafızası oluşturabilen firmaların bu hedefi yakalaması imkânsız değildir. Bazı firmalar özellikle güvenlik testleri için sanal uygulamalardaki elde ettikleri başarılar neticesinde güvenlik testleri için gereken prototip araçlarında azalmalar olmuştur. Fakat burada unutulmaması gereken sanal analiz programlarının pahalılığı ve uzman bir kadro gerektirmesidir. Kısa sürede gerçekleştirilmesi gereken bu sanal testler için çok sayıda ihtiyaç duyulan uzman personelin doygunluk problemi de unutulmamalıdır. Prototip üretimini sanal testler ile gereksiz kılmada başarı elde edildikçe bazı parçaların ve araç alt komplelerinin üretile bilirlik konusunda fiziki bir denemenin de olmayacağını da unutmamalıyız. Bunun için üretile bilirlikle ilgili sanal programlardaki gelişmelerinde gerçekleşmesi gerekmektedir. Özellikle parça üretile bilirliği ile ilgili program çıktılarının sanal analizlerde kullanılması sanal analizlerden beklenen başarılı sonucu arttıracaktır. Örneğin sac şekillendirme programlarından alınan sonuçlar kullanıldığında sac kalınlığındaki farklılıklar programlara dahil edilmiş olacaktır. Bu sonuçlar kullanılmadığında sac kalınlığı sabit alındığından sanal sonuçlar fiziki test sonuçlarına yeterince yaklaşamamaktadır. Prototip üretiminde sadece melez prototipler kullanılmaya başlanıldığında araç gövdesi ile yapılan bazı doğrulamalar yapılamaz duruma gelmiştir. Sanal ortamda bu doğrulamalar için gerekli gelişmeler görülemediği için birçok firma bu eksikliği gidermek için farklı prototipler kullanmaktadır. Örneğin parçaların boyutsal ve montaj edilebilirlik doğrulamaları için kompozit araç gövdesi, klima performansı için araç kabinini içeren prototip, kapıların kapanma yüklerinin tespiti için araç kabin prototipi gibi. Gerek süre ve gerekse de içerik olarak görülen bu değişiklik sadece ana sanayi firmaları olarak değil tüm bu sürece katkı koyan firmaların süreçlerindeki iyileştirmeler ile bir bütün olarak ele alındığında istenilen sonuca ulaşılabileceği unutulmamalıdır. 4. KAYNAKLAR Annarumma, M., Naddeo, A., Pappalardo, M., Software Independence: Impact on Automotive Product Development Process, Journale of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Volume 31, Issue 2, December 2008 Björkman, G., Engström, J., Forsberg, J., Volvo Technology Vehicle Structural Optimization Environment, 6th European LS-DYNA Users Conference, Gothenburg, Sweden, 2007 Dinkçi, H., Durgun, İ., Prototip Sac Parça Üretiminde Bizmut Kalay Alaşımlı Kalıp Malzemesi Kullanımı, 12. Otomotiv ve Üretim Teknolojileri Sempozyumu, Mayıs 2011 Durgun, İ., Başaran, D., FDM Katmanlı Üretim Teknolojisinin Araç Geliştirme Sürecindeki Uygulamaları, OTEKON 2010, 5. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Haziran 2010 Durgun, İ., Otomotivde Doğrudan Dijital İmalat, 12. Otomotiv ve Üretim Teknolojileri Sempozyumu, Mayıs 2011 Durgun, İ., Altınel, S.A., Aybaraz, E., Sakin, A., and Polat, E., Manufacturing Prototype Sheet Metal Parts with a Polymer Metal Carcass Die, Materials Testing, Vol. 56, No.3, pp doi: / , March, 2014

7 Durgun, İ., Doruk, E., Çok Noktalı Şekillendirme ile Parça Üretimi, Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi, Sayı:2, s , 2014 Esi Group, Ford significantly accelerates Vehicle Development Processes using IC.IDO, Hoffmann, H., Leimeister, J.M., Evaluating Application Prototypes in the Automobile, IEEE Pervasive Computing, Number: 3, Vol.10, Pages: 43-51, 2011 Kulkarni A., Kapoor, A., Iyer M. and Kosse, V., Virtual prototyping used as validation tool in automotive design, 19th International Congress on Modelling and Simulation, Perth, Australia, December 2011 Kunselman, S., Product Development, Chrysler Group LLC Business Plan November 4, 2009 Lazoğlu, İ., Bank, H.S., dan Ürüne Otomobilin Yolculuğu, Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı:506, s.30-35, Ocak 2010 Martin, A.C.M., Carvalho, M.M., Applying virtual simulation in automotive new product development process, Product: Management & Development, Vol.4 n. 2 December 2006 Peddiraju, P., Papadopoulous, A., Singh, R., CAE Frame Work For Aerodynamic Design Development Of Automotive Vehicles, 3 rd Halkidiki Greece, 2009 Popa, V., Tanasescu, D., Project Management On New Product Development And Lunch In The Automotive Industry, Proceedings of the 2nd International Conference on Manufacturing Engineering, Quality and Production Systems, p , Romania, 2010 Sakin, A., Durgun, İ., Prototip Parça Üretiminde Sayısal Kontrollü Sac Şekillendirme Yönteminin İncelenmesi, Mühendis ve Makine Dergisi, Cilt:52, Sayı: 615, s.62-68, Nisan 2011 Skogsmo, I., The Role of CAE Modeling in Volvo Safety Engineering, 6th European LS- DYNA Users Conference, Gothenburg, Sweden, 2007 Sridhar, K., Londal, G.F., Flynn, M.S., Automotive Product Design And Development Delphi, Automotive Transportation University of Michigan Transportation Research Institute, November 1998 Teske, L., Virtual Vehicle Development Process at GM, 1st HyperWorks Technology Conference, Berlin, Germany, October 23-24, 2007 Xu, H., Concept And Concurrent Analysis And Optimization In a Product Design And Development Process, SAE Technical Paper Series, Indianapolis, n , p. 1-7, 1998 Wagner, F., Lentes, J., From Concept to New Product, NITM International Seminar Series, Dublin, June 11, 2003