PROTOTİP SAC PARÇA ÜRETİMİNDE GERİ DÖNÜŞÜMLÜ KALIP MALZEMESİ KULLANIMI

Transkript

1 TMMOB Makina Mühendisleri Odası 12. Otomotiv ve Üretim Teknolojileri Sempozyumu Mayıs 2011 PROTOTİP SAC PARÇA ÜRETİMİNDE GERİ DÖNÜŞÜMLÜ KALIP MALZEMESİ KULLANIMI M.Haluk DİNKÇİ a, İsmail DURGUN b TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / TÜRKİYE Tel: a E-Posta [email protected] b E-Posta [email protected] ÖZET Ürün geliştirme sürecindeki rekabet yeni modelleri kısa sürede satışa sunmayı gerektirmektedir. Bu da ürün geliştirme sürecinin kısaltılmasını ve maliyetlerin düşürülmesini zorunlu kılmaktadır. Tüm bu etkilerin yanında sanal analizlerdeki gelişmeler de ürün geliştirme sürecinin önemli bir kısmını oluşturan prototip sürecini hem maliyet hem de süre olarak baskı altına almaktadır. Prototip parça üretim sürecinde ise sac parça üretimi önemli bir yer tutmaktadır. Bu nedenle de çok farklı yöntemler ile bu süreç iyileştirilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmada prototip sac parça üretim süresi konvansiyonel yöntemlere göre oldukça kısa, kalıp malzemesi geri dönüşümlü ve düşük ergime sıcaklığına sahip metal alaşımlı prototip kalıp üretim yöntemi uygulama örnekleri ile incelenerek, yöntemin avantaj ve dezavantajları ortaya konulmuştur. Anahtar kelimeler : Prototip, prototip sac parça, bizmut kalay kalıp malzemesi. USE RECYCLED DIES MATERIAL FOR PROTOTYPE SHEET METAL PART PRODUCTION ABSTRACT Competition in the product development process requires new models to offer for sale as soon as possible. This also necessitates the reduction of costs and shortening the product development process. All of these effects in addition to developments in virtual product development process analysis make up a significant portion of the prototype is under pressure as the process of both cost and time. Prototype parts in the production process plays an important role in the production of sheet metal parts. Therefore, with very different methods for improvement, this process being studied. In this study, prototype sheet metal parts production time is very short compared to conventional methods, molding material is recyclable and has a low melting temperature metal alloy with a prototype mold production method, application examples were determined by examining the advantages and disadvantages of the method. Keywords : Prototype, prototype sheet metal parts, bismuth-tin mold material 1. GİRİŞ Ürün geliştirme süreci içinde bulunan fiziksel test parça veya parça grupları projeye uygun ve yapılacağı test için anlamlılığı yüksek seviyede olmalıdır. Anlamlılığın yüksek olabilmesi için de kullanılan parçaların malzeme ve geometri anlamında yeterliliklerinin tanımlandıkları gibi olması zorunludur. Geliştirme sürecinin dar bir zamanda gerçekleşmesinden dolayı özel parça ve parça gruplarının da kısa zamanda üretilmeleri gerekmektedir. Konvansiyonel üretim ekipmanlarının ve üretilen parçaların maliyetleri ve süreleri oldukça üst düzeyde olduğu bir gerçektir. Bu nedenle üretim sürecini kısaltacak, maliyeti düşük ve anlamlılığı yüksek çözümler sunan yöntem arayışları oluşmaktadır. Ürün doğrulama açısından yapılan fiziksel testler içerisinde en önemli yeri tutan çarpışma ve mukavemet testleri, daha çok yeni tasarımın ulaşması gereken güvenlik seviyesine ne kadar yakın olduğunun doğrulanması açısından önemlidir. Benzer bir durum otomotiv geliştirme sürecinde de karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenlerle prototip olarak üretilen otomotiv gövdesinin yeterliliği projenin doğrulanması açısından önemli olmaktadır. Bu da gövde parçalarının anlamlılıklarının yüksek olmasını gerektirmektedir. Bu özellikler prototip sac parça

2 üretiminde yeterlilikleri yüksek ekipmanlar kullanarak sağlanabilmekte, fakat bu da zaman ve maliyetleri arttıran bir etki yapmaktadır. Prototip sac parça üretiminde genel sentez az üretim takımı ile kısa zamanda çözüme ulaşmak olunca, arada yapılması zorunlu olmayan bazı işlemleri çıkarmak gerekmektedir. Proses genelde derin çekme ya da form verme işlemleri sonrası lazer çevre kesme bükme vb tamamlama işlemleri ile son bulmaktadır. Her ne kadar proseste bazı işlemleri çıkarsak ta frezeleme ve standart kalıp elemanları kullanımı maliyet kalemleri oluşturmaya devam etmektedir. Tüm bu nedenlerden dolayı maliyetleri aşağıya çekmek ve süreleri kısaltmak için çok sayıda Prototip parça üretim yöntemi geliştirilmiştir. Örneğin; Parça üretiminde uygulanan yönteme gore Hydoforming [1] Incremental Sheet Forming [2] High Velocity Metal Forming [3] Multipoint Cushion [4] Kalıp malzemesine gore Resin tool [5] Polymer Composite Rapid Prototype Tooling [6,7] Laminated Tool [8] Rapid Prototye Tooling [9] Bu çalışmada prototip sac parça üretimi için zaman ve maliyet konularında avantaj sağlayacak bir o kadar anlamlılığı yeterli seviyede parçalar üretilebilecek geri dönüşümlü ve düşük ergime sıcaklığına sahip metal alaşımlı prototip kalıp üretim yöntemlerinden biri tanıtılacaktır [10,11]. Yöntemde frezeleme zamanının çok az olması, kalıp malzemesinin geri dönüşümlü olması aynı zamanda proje değişikliklerinde de maliyet ve zaman kazancı sağlaması konvansiyonel yöntemlere gore üstünlükler sağlamaktadır. Aynı zamanda bu yöntemin, seri imalat proses tasarımı için fiziksel parça üretimi veya tanımlanmış prosesin kısa zamanda doğrulaması amacıyla kullanılması mümkündür. 1. KALIP MALZEMESİ Düşük ergime sıcaklığına sahip bizmut, kadmiyum, kalay, kurşun, zamak alaşımı gibi demir dışı metal alaşımlarından kalıplar üretilmektedir. Kalıplamada kullanılan açık döküm yöntemlerinden sağlık açısından uygun olmayan zamak alaşımı ve kurşun kullanımı bir çok ülkede yasaklanmıştır. Bu nedenle yapılan çalışmalar sonucu bizmut ve kalay metalleri tercih edilmiştir. Bizmut-kalay ötektik alaşımının döküm sanayinde tercih edilmesinde özellikle kalıp doldurma kabiliyetinin yüksek olması ve daha önemli bir avantajı ise alaşımın katılaştıkça hacmindeki çok az değişmedir. Bu da gerçek boyuttaki modellerin herhangi özel bir değişiklik yapmadan kullanılabileceğini gösterir. Bu alaşımların, genleşme karakteristikleri ve/veya büzülme göstermemeleri ile birlikte düşük ergime sıcaklıkları yaygın kullanımlarının ana sebebidir. Ötektik alaşım kendisini meydana getiren bileşenlere göre daha düşük bir sıcaklıkta ergimektedir. Bu ötektik alaşımın ergime sıcaklığı 137 C dir. Akışkanlığı ve kalıp doldurma yeteneği yüksek ve çok düşük yüzey gerilimi gösteren, katılaşma esnasında da yüksek boyut kararlılığına sahip hızlı prototipleme çalışmaları için uygun optimum özelliklerdeki ötektik Bi-Sn alaşımları ülkemizde yaygın olmamak ile birlikte kullanılmaya başlamıştır. Işlem sonrasında yüzde yüz geri dönüşüm bu alaşımın en büyük avantajı olup tekrar tekrar kullanımda da yapısal içerik istikrarlılığını korumaktadır. Fakat özgül ağırlığının 8,58 gr / cm 3 olmasından dolayı oluşturulacak kalıp ebatlarına ve adetlerine bağlı olarak yeterli malzeme ihtiyacı düşünüldüğünde ilk yatırım olarak yüksek değerler ortaya çıkmaktadır. 2. UYGULAMA KRİTİKLİKLERİ Düşük ergime sıcaklığına sahip alaşımdan düşük adetli sac şekillendirme için yeterli yüzey basıncı elde edecek kalıplar, yeterli kalıp alanı ve yükseklik aracılığı ile elde edilir. Çekme gerilmesi 340 N/mm2 den daha yüksek mekanik değere sahip sac malzemelerin plastik deformasyona uğratılması geometrik anlamlılık açısından uygun değildir. Aynı zamanda bu mukavemet değeri ile birlikte 1.5mm kalınlık sınırı da kısıtlar içindedir. Bunların dışında parçaların boyutları da tesis ve hammaddeye bağlı olarak sınır içindedir diyebiliriz. Tüm bu kısıtları değerlendirdiğimizde mukavemet değerleri ve kalınlığı sınırlı, daha çok iç parçaların üretiminde kullanımı mümkündür diyebiliriz. Üretilecek parçanın formuna bağlı olarak 50 adet parça basımı sonrasında kalıpların yenilenmesi gerekmektedir. Parça üretim prosesi hidrolik preslerde gerçekleştirilmelidir, kalıp geometrisindeki kesit değişikliklerinden dolayı oluşacak yanal yükler kalıbın kırılmasına neden olabililir, kesitin en dar yerinde optimum kalıp kalınlığı olmalıdır. Mekanik preslerde kapalı kalıp yüksekliği ayarı sırasında yapılacak hata ile oluşacak ani yanal yüklenmelerde kalıp kırılabilir. 3. FORM KALIBI ÜRETİM METODOLOJİSİ Prototip sac parça üretim prosesinde en az operasyon tercih edildiğinden dolayı mümkün olan optimum formu elde etmek için konstrüktif sınırları dikkate alarak tasarım yapmak gerekir. Bu çalışmada Şekil 1 de gösterilen otomobil sağ-sol ön çamurluklarının far bölgeleri için üretilen takviye parçaları ele alınmıştır. Parça 1.4mm kalınlığında ve 200x400mm ebatlarında olup malzemesi FEP04 tür. Bu parçaya bakıldığında parçanın üretilmesi için form kalıbı yapılması gerektiği görülmüştür. Negatif bükme eteğinin banuel bükme yapılması planlanmıştır.

3 Şekil 1 : Ön çamurluk takviye parçası Simetrik sağ ve sol parça üretileceği için tek bir kalıp düşünülmüştür. Bu üretim için öncelikle parçanın eteklerinin açılması ve uygun basma vektör yönüne göre konumlandırılması yapılmış ve proses tasarımında yanal yükler göz önünde bulundurulmuştur. Şekil 2 de ön açınımı yapılmış sağ sol parçanın kalıp proses tasarımı görülmektedir. Şekil 3 : Ahşap mastar model CNC tezgahta işlenmiş ahşap mastar temizlik yapıldıktan sonra alçı dökme işlemi için kullanılır. Mastar çevresine Şekil 4 de olduğu gibi bir çerçeve oluşturulur. Bu çerçeve içerisine alçının büyük olaması durumunda dağılmaması için çelik hasır ve taşıma işlemleri için de borular yerleştirilir. Daha sonra mikserde su ile karıştırılarak döküm kıvamına getirilen alçı hasır ve boruları örtecek çekilde mastar üzerine dökülür. Burada kullanılan alçı demiroksit karışımlı seramik alçısı olup çekme oranı sac kalıpçılıkta dikkate alınmayacak kadar düşüktür. Şekil 2 : Kalıp proses tasarımı Proses tasarımı sonrasında mastar amaçlı işlenecek malzemenin ne olması gerektiği konusunda karar verilir. Eğer ilk şekillendirme sonrasında mastar üzerinde şekillendirmenin devamı olarak ikinci bir işlem yapılacaksa, yapılacak işleme göre yüksek yoğunluklu ve hızlı işlenebilen, çekiçleme, bükme vb. şekillendirme işlemleri esnasında kırılmayacak poliüretan esaslı blok malzemeler seçilebilir. Eğer herhangi bir işlem yapılmayacak ise maliyet açısından en uygun ahşap malzeme seçilebilir. Mastar üzerine CNC tezgahta aynı zamanda kesim hatları da çizilerek daha sonra kontrol ekipmanı olarak ta kullanılabilir. Bu parça için sonradan yapılacak işlemler düşünüldüğünde ahşap bir mastar işlemenin uygun olacağına karar verilmiş ve kontrol amaçlı olarakta mastar üzerine kesim hatları çizilmiştir (Şekil 3). Şekil 4 : Mastar üzerine alçı döküm işlemi

4 Dökülen alçı 6-10 dk içinde kısmi kürlenme ile mastar üzerinden alınacak duruma gelir. Alçı mastar üzerinden ayrıldıktan sonra alçı fırınında 150 C de 5 saat kurumaya bırakılır. Alçının kuruma kontrolünde alçı içindeki demiroksit yardımcı unsurdur. Kurumayan bölgeler kırmızı renkli kalırken kuruyan bölgeler pembe renkli olur (Şekil 5). Şekil 5 : Alçı blok kurutma işlemi Kurutulmuş alçı blok üzerine düşük ergime sıcaklığına sahip alaşımın dükülebilmesi için metal çerçeve içine alınır. Bu esnada alçı kalıpta olduğu gibi kalıbı taşımak ve pres bağlantısını yapmak için Şekil 6 da gösterildiği gibi çelik borular kullanılır. Döküm işleminin yapıldığı zemin terazisi yapılmış olması kalıbın preste paralelliği için önemlidir. Alaşım döküm işlemi esnasındaki ısı kayıpları nedeniyle +5 C ergime sıcaklığının üzerinde 142 C de eritilerek dökülür. Şekil 6 : Alt kalıp döküm işlemi Alt bloğu dökülen kalıp, büyüklüğüne bağlı olarak ortam sıcaklığında soğumaya bırakılır. Bu örnekte alaşım yaklaşık 8 saat soğutulmuştur. Alt blok alçı blok üzerinden alındıktan sonra iki kalıp arasındaki sac kalınlığını verebilmek için sac kalınlığındaki 1.4mm lik mum (wax) malzeme soğutulmuş kalıbın üzerine elle yerleştirilir (Şekil 7).

5 Döküm bloklar alt-üst bir arada iken pres tablaları arasına yerleştirilir. Daha sonra bağlanan kalıplar deneme ve alıştırma işlemi yapılarak sac şekillendirmeye hazır hale getirilmiş olur (Şekil 9). Bu kalıplarda görüleceği üzere yataklama elemanı yoktur. Bu nedenle kalıp tasarımı şekillendirme esnasında yanal yük olmayacak şekilde yapılmalıdır. Şekil 7 : Wax malzeme uygulaması Mum malzeme ile sac kalınlığı verilen alt kalıp üzerine diğer işlerdeki proses izlenerek tekrar alaşım dökülüp üst kalıp bloğu da üretilir. Üst blok soğuması da tamamlandığında iki kalıp bloğu bir birinden ayrılır (Şekil 8). Kalıp yüzeylerinde kalan mum malzeme elle temizlenerek kalıplar üretime hazır hale getirilir. Şekil 9 : Kalıpların hidrolik prese bağlanması Elde edilen kalıpla yaklaşık 50 adet parça basılabilir (Şekil 10). Daha fazla parçaya ihtiyaç olması durumunda ilk olarak elde edilen mastar model kullanılarak süreç tekrarlanıp yeni kalıp üretilebilir. Şekil 10 : Üretilmiş sac parça Şekil 8 : Üst kalıp döküm işlemi

6 4. SONUÇLAR Bu yöntemle yapılan sac parça üretim çalışmaları sonucunda elde edilen Avantajlar; Malzeme 100% tekrar kullanılabilir olduğundan düşük malzeme maliyeti Malzeme defalarca kullanıma uygun Malzemenin düşük ergime sıcaklığı (137 C) nedeniyle kullanımı basit Kalıp değişikliği istenen bölge ısıtılarak elle tamir edilebiliyor Master model üretimi dışında freze kullanımı gerekmemesi Kalıp üretimi yapıldıktan sonra herhangi bir işleme yapılmadan doğrudan parça basılabilir. Modeli olan parçanın kalıp üretimi çok kısa sürede tamamlanmaktadır. Aşınma riski olan yerlere metal insert yerleştirilebilir. Döküm sonrası iyi bir boyutsal kararlılığa sahiptir. Herhangi bir final finiş işlemi gerekmediğinden üretim maliyeti düşer Çevresel olarak kullanması güvenli (atılımları sağlığa zararlı değil) Düşük maliyetli cihazlar Çok kısa kalıp üretim sistemi Dezavantajları Sert ve kalınlıkları fazla sac malzemelerin imalatına uygun değil Yüzey sertliği çok fazla değil bu nedenle 40 ~ 50 parça basılabilir Kalıp malzemesi için yüksek yatırım maliyeti 5. REFERANSLAR [1] Tolazzi, M., Hydroforming Applications in Automotive : A Review, International Journale of Material Form, vol.3, , 2010 [2] Pohlak, M., Majak, J., Kyttner, R., Manufacturability Issues in Incremental Sheet Forming, 5 th International DAAAM Baltic Conference, April 2006, Tallinn, Estonia [3] Daehn, G.S., High Velocity Metal Forming, ASM Handbook, Volume 14B, Metalworking: Sheet Forming, ASM International, pp , 2006 [4] Palaniswamy, H., Yadav, A., Kaya, S., Taylan, A., New Technologies to Form Light Weight Automotive Componenets, 4 th International Conference and Exhibition on Dedign and Production of Machines and Dies / Molds, June 2007, Çeşme, Turkey [5] Mueller, H., Sladojevic, J., Rapid Tooling Approaches for Small lot Production of Sheet Metal Parts, Journal of Materials Processing Technology 115, , 2001 [6] Park, Y., Colton, J.S., Sheet Metal Forming Using Polymer Composite Rapid Prototype Tooling, Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 125, , July 2003 [7] Liewald, M., Sauza, J.H.C. de, New Developments on the Use of Polymeric Materials in Sheet Metal Forming, Production Engineering Resource Development, 2: 63-72, 2008 [8] Mueller, D.H., Mueller, H., Experiences Using Rapid Prototyping Techniques to Manufacture Sheet Metal Forming Tools, ISATA 2000, Dublin, Ireland, 25-27, 2000 [9] Kim, K.D., Yang, D.Y., Jeong, J.H., Plaster Casting Process for Prototyping of Die Casting Based on Rapid Tooling, International Journal of Advance Manufacturing Technology, 28: , 2006 [10] [11] Bu çalışmada gösterilen parçaların kalıpların üretim sürecine hazırlığına kadar geçen zaman (ilk deneme parça üretimi de dahil olmak üzere) 15 saattir. Kalıp malzemesinin donması ve alçının kurutulması için geçen zamanıda dikkate aldığımızda toplam süre 72 saattir. Geri dönüşümlü düşük ergime sıcaklığına sahip bizmut (Bi) ve kalay (Sn) alaşımı sistemi düşük adetlerde deneysel amaçlı parça üretimi ve prosesin doğrulanması çalışmalarında kullanılmak üzere ihtiyaç duyulan parçaların kısa sürede elde edilmesi için, sağlık açısından problem teşkil etmeyen uygun bir prosestir. Yüksek mukavemetli parçaların üretiminde kullanılamayan bu sistemin aynı zamanda üretilecek parça boyutlarının büyük olması durumunda ilk yatırım maliyetinin oldukça yüksek olması gibi dezavantajları bulunmaktadır.