BÖLÜM-2 MALZEME TASARIMI VE SEÇİMİ Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ Malzeme Seçimi/ 1
Geçmiş 20-30 yıldan bu yana birçok yeni malzeme ve malzeme türleri geliştirilmiştir. Şu an 100.000 in üzerinde mühendislik malzemesi mevcuttur. Buna ilave olarak, çoğu malzemelerin de başarı bir şekilde özellikleri geliştirilmektedir (örn. Çift fazlı çelikler) Malzeme Seçimi/ 2
Malzeme Teknolojisindeki Hızlı Gelişim; Birçok yeni malzeme çeşitleri, Yeni üretim metotları, Var olan malzemelerin geliştirilmiş özellikleri, İleri malzemelerin artan kullanımı, Uygulanabilir yeni tasarım düzenlemeleri, Malzemeler arasında artan rekabet, malzeme seçimini daha hassas ve karmaşık bir sürece yönlendirmektedir. Malzeme Seçimi/ 3
1. Önce en iyi malzeme seçilir 2. Benzer bir parça için kullanılan aynı malzeme seçilir 3. Problem çözümüyle malzeme seçimi: Problemleri artırdığı bilinen bir özellik için, aynı grup içinden yüksek özelliklere sahip uygun bir malzemenin seçimi yapılır 4. Malzeme seçiminin araştırılması:tasarımcı ihtiyaç duyduğu gerekliliklere göre malzeme seçimi yapar. Malzeme Seçimi/ 4
Niçin? Malzeme seçimi; - Mühendislik malzemelerinden tam anlamıyla faydalanmak. - Gereksiz pahalı yapılardan kaçınmak. - Arızalardan ve kötü imalattan kaçınmak. Ne zaman? malzeme seçimi ; - Yeni bir ürün geliştirildiğinde. - Bir ürün modife yada yeniden dizayn edildiğinde. - Arıza yada bozulma olduğunda. Kim? Malzeme seçimi yapar; -Tasarım ve malzeme mühendislerinin işbirliği ile yapılır Nasıl? Yapılır - Bir parça için belirlenen özel gerekliliklere göre. - Gerekliliklerin malzeme özelliklerine aktarılmasıyla. - Özellikleri karşılayan malzeme gruplarının belirlenmesiyle. - Özellikleri karşılayan malzemelerin tek tek belirlenmesiyle. - Özellikleri karşılayan en iyi malzemenin belirlenmesiyle. Malzeme Seçimi/ 5
Çok Parçalı Ürün Tasarımı Malzeme seçimi, ürün tasarım aşamasının ayrılmaz bir parçasıdır. -Basit parça: Bir malzemeden oluşur. -Ürün elemanı: Bir veya daha fazla basit parçadan oluşur. -Ürün: Bir veya daha fazla elemandan oluşur. Malzeme seçimi genellikle bir ürünün bütünü yada elemanları için değil yalnızca basit bileşen parçalar için gerçekleştirilir. Malzeme Seçimi/ 6
Malzeme Tasarımı ve Seçiminde; Malzemeden istenilen fiziksel ve mekanik özellikler? Malzemenin şekillendirme prosesi? Malzeme ve uygulanacak prosesin ekonomikliği? Malzeme veya uygulanan prosesin çevreye uyumu? sorgulanmalıdır. Malzeme Seçimi/ 7
Gündelik hayatımızda çok farklı ürünler kullanmaktayız: bisiklet, mikrodalga fırın, sandalye vb Bunların genel olarak nasıl çalıştığını ve nasıl üretildiğini bilmeliyiz Her ürün spesifik bir şekilde tasarlanmış olarak üretilir; malzeme, proses, ekonomiklik ve estetik gibi özellikleri vardır. Malzeme Seçimi/ 8
Malzeme Tasarım ve Seçiminde; Ürünle ilgili aşağıdaki sorulara cevap bulmalıyız; Ne yapacak? Nasıl yapacak? Nerede (ortam) yapacak? Kim kullanacak? Maliyet ne olmalı? Bunların yanı sıra: Mekanik gereksinimler nelerdir? Ergonomi gereksinimi varmı? Kullanıcı kolaylığı? Piyasa araştırması!!! gibi faktörler de vardır. Malzeme Seçimi/ 9
Fonksiyonu nedir? Tipi neye göre belirlenmeli? Nasıl yapılıyor? Maliyeti nedir? Nasıl gözükmeli? Rengi? Kullanım kolaylığı nasıl tasarlanmalı? Tüm parçalar bir bütünlük içinde nasıl olmalı? Malzeme Seçimi/ 10
2 temel tip ürün vardır: Tek bileşenli Çok bileşenli Malzeme Seçimi/ 11
Malzeme Seçimi/ 12
Bütün sistemi düşünerek başlamalıyız Sistemin tüm bileşenleri uyum içinde olmalı Taslak tasarım yapılmalı Tersine mühendislik le tasarım kontrolü Malzeme Seçimi/ 13
Bazı sorular; Her parçanın (bileşenin) gereksinimleri nedir? Elektrik iletkenliği mi? Mukavemeti mi? Ergonomisi mi? Her bileşenin fonksiyonu nedir? Her bileşen hangi malzemeden üretilmeli? Neden? Her parça üretilmeli mi? Hangi metotlarla niye üretilmeli? Alternatif malzemeler? Daha iyi özellik sunan var mı? Malzeme Seçimi/ 14
Malzeme Seçimi İçin Genel Kurallar Detaylı sorularla ürün bileşenlerinin gereklilikleri formülüze edilmeli. Sonraki aşamaya geçmeden önce, çalışılan aşama bitirilmeli ve kademeli olarak devam edilmeli. Malzeme seçiminde genel yanlış bir yaklaşım, bileşen gerekliliklerinin ilgisiz kişilerce formülüze edilmesidir. Malzeme özelliği verilerinden gerekli bilgileri sağlarken özelliklere göre şartları formülüze etmek esastır. Malzeme seçimi, tasarım ve imalat süreçlerinin bir bütünü olarak dikkate alınmalı. Malzeme Seçimi/ 15
Kola kutusu; Sızdırmaz olmalı Yiyecek standartlarına uygun olmalı Basınca dayanıklı olmalı Estetik olmalı Ürün kimliğini içermeli Kolay açılmalı Kolay taşınabilmeli Kolay saklanabilmeli (depolama) Ucuz olabilmeli Malzeme Seçimi/ 16
Doğru malzemenin seçimi; Tablolar ve verilerden yararlanılmalı veya iki özellik arasındaki ilişkiyi gösteren grafiklerden (Ashby) yararlanılmalı Malzeme Seçimi/ 17
Malzeme Seçimi/ 18
Özellik Tanımları; Yoğunluk: malzemenin kütlesinin hacmine oranıdır ve g/cm 3 (kg/m 3 ) birimleri ile gösterilir. Spesifik (Özgül) Mukavemet: Malzeme mukavemetinin yoğunluğa oranıdır. Yüksek spesifik mukavemetli malzeme güçlü ancak hafif malzemedir. Malzeme Seçimi/ 19
Uygun Proses; En mükemmel malzemeyi seçmek tek başına yeterli olmayabilir. Bu malzemeyi alıp, üretebilmemiz gereklidir. Bu yüzden hangi proses ile hangi şartlarda ne kadara mal ediyoruz sorusu da olmalı En ucuza kaliteli (dayanıklı) üretebilmemiz lazım!!! Malzeme Seçimi/ 20
Örn. Zımbalama Prosesinin Tasarımı Otomobil ve kamyon motorlarının soğutulmasında kullanılan fanların üretim metotlarından biri de soğuk işlenmiş levhaların zımbalanması ve fan parçalarının bir araya getirilmesidir. Soğuk işleme eksenine dik yönde zımbalanan fanların yorulma çatlağına maruz kaldıkları görülmüştür. Problemin nedenleri ile ilgili görüşlerinizi belirtiniz? Numunelerin oryantasyonları Malzeme Seçimi/ 21
ÇÖZÜM Yanlış çelik seçilmiş olabilir. Fanları zımbalayan kalıplar aşınmış olabilir. Parça ve kalıp arasındaki boşluk yanlış olduğu için zımbalama esnasında yorulma çatlağına sebep olacak çatlak başlangıcı sağlanmış olabilir. Hata levhanın anizotropik davranışı sebebiyle oluşmuş olabilir. Numunelerin oryantasyonları Malzeme Seçimi/ 22
Örn. Yorulma Dirençli Şaft Tasarımı 1 psi 0,7 N/cm 2 Şirketiniz yorulma mukavemeti 20000 psi olan binlerce şaft üretti. Bunlar dönerken yüksek eğme yüklerine tabii tutuldu. Satış mühendisleri ilk birkaç şaftın kısa zamanda yorulma nedeniyle kırıldığını haber verdi. Kalan şaftların yorulma kırılmasına maruz kalmaması için yorulma özelliklerini geliştirici prosesleri öneriniz? ÇÖZÜM Şaftların yüzey mukavemetini artırmak şaft ömrünü de artıracaktır. Örnek: karbürleme Şaftların soğuk işlenmesi Şaftların bilyalar ile yüzeylerinin sertleştirilmesi (bilyalama) a) Yüzeyde kalıcı çekme gerilmesi b) Yüzeyde kalıcı basma gerilmesi (yorulma dayanımı artar) Malzeme Seçimi/ 23
Ürün analizi sabit bir yol izler: Ergonomik ve fonksiyon açısından tasarımı düşünmek Performansı sağlayabilecek uygun malzeme seçimi Uygun ekonomik yöntemin seçimi Birçok durumda bu yaklaşım çalışsa da, tasarım gerçekte çok daha karmaşıktır; birçok parametre aynı anda etkindir Aslında tipik olarak müşteri spesifikasyonları (özellikler, şartlar) belirler ve o şekilde bir malzeme ile gelmenizi ister; Tasarımcı bu doğrultuda çalışmalıdır Malzeme Seçimi/ 24
Gerçeklik Ürünümüz, performans tabanlı mı olmalı yoksa ekonomik tabanlı mı? Tenis raketi: Maliyet düşünülecek en son faktör Kola kutusu: Performans düşünülecek en son faktör Birçok durumda şekil ve proses sınırlandırıcı faktördür Aslında tipik olarak ve genellikle malzemeyi seçip, bunu nasıl en ekonomik hale getiririz diye düşünürüz. Malzeme Seçimi/ 25
Malzeme seçimi Performans gereksinimlerini karşılayabilecek mi? Kolay üretilebilecek mi? Uygun estetikliğe sahip mi? Performans : En önemli parametremiz Ne gibi bilgiler gerekli? Yoğunluk Mukavemet Elastik modül... Estetik sebeplere dayanarak yapılan malzeme seçimleri çok yaygın değil, fakat kullanılabilirliği, al-beni si olması önemli Malzeme Seçimi/ 26
Fonksiyonu ne? Dağ? Yol? Sokak? Yarış? Çocuk? Gezi? Ne renk olmalı? Maliyeti ne kadar olmalı? Kullanıcı kolaylığı olmalı Kaç parçadan oluşmalı? Mekanik parçalar nasıl çalışıyor? Birbirleri ile etkileşimi nasıl? Malzeme Seçimi/ 27
Şase Hangi malzemeyi kullanalım? Çelik: Mukavemetli, rijit, ağır, ucuz Aluminyum: Orta mukavemet, hafif, çelikten pahalı Kompozit: Mukavemetli, rijit, çok hafif, pahalı ve üretimi zor Malzeme Seçimi/ 28
Hangi özellikler? Mekanik: mukavemet, elastisite Fiziksel: yoğunluk, ergime noktası Elektriksel: iletkenlik, direnç Estetik: Görünüm, renk Üretilebilirlik: süneklik, kalıplanabilme Ekonomik: maliyet, maliyet, maliyet. Malzeme Seçimi/ 29
Bu bilgilere nereden ulaşabilirim? Kitaplar Bilgi bankaları Üretici firma katalogları Internet Malzeme Seçimi/ 30
Yararlanılan Kaynaklar: 1) Malzeme Seçimi ve Tasarımı, Yard.Doç.Dr. Derya Dışpınar,İst. Üniv. Malzeme ve Metalurji Müh. 2) Materials Selection in Mechanical Design Michael Ashby, Ashby Lecturers, ch3 3) TALAT Lecture 1502, Criteria in Material Selection 4) Tasarımda Malzeme Seçimi Ders Notları Doç. Dr. Şükrü TAKATAK 5) http://wwwmaterials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/default.html Malzeme Seçimi/ 31
Malzeme Seçimi/ 32