FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ / ENDÜSTRİYEL TASARIM MÜHENDİSLİĞİ 5041331 TASARIMDAN ÜRETİME ALIŞILMAMIŞ İŞLEME PROSESLERİ Prof. Dr. Adnan AKKURT 2016
Dersin Değerlendirmesi Ödev, Sınav ve Değerlendirme: Başarı notunun hesaplanmasında, Ara sınav notunun ağırlığı % 40, Final sınavı notunun ağırlığı da % 60 olacaktır. Vize: Alışılmamış imalat yöntemleri içerikli araştırma ödevi verilecektir. Final : Ders planı kapsamında alışılmamış imalat yöntemleri konularını kapsayan yazılı sınav yapılacaktır.
HAFTALIK DERS PLANI Hafta İçerik ve Konular 1. Hafta İleri yüzey işleme sistemlerine genel bir bakış. Mevcut sistemlerle karşılaştırılması. 2. Hafta İşlemlerde kullanılan enerji türüne göre sınıflandırılması. Yöntemlerin işlem prensipleri 3. Hafta Su Jeti ile yüzey işleme sistemleri, özellikleri, çalışma prensipleri 4. Hafta Jet oluşumu ve parametreler, İşlenen yüzey özellikleri ve etkin parametreler 5. Hafta Aşındırıcılı Su Jeti ile işleme sistemleri, özellikleri, çalışma prensipleri 6. Hafta Aşındırıcılı su jeti ile tornalama, frezeleme, delme ve kesmede etkin parametreler 7. Hafta Kimyasal işleme sistemleri, özellikleri, çalışma prensipleri ve parametreler 8. Hafta Elektrokimyasal kesme ve birleştirme sistemleri, çalışma prensipleri ve parametreler 9. Hafta Ezme yöntemi 10. Hafta Elektron Çubuğu ile işleme sistemi özellikleri, çalışma prensipleri ve parametreler 11. Hafta Ultrasonik kesme sistemleri, özellikleri, çalışma prensipleri ve kesme parametreleri 12. Hafta Lazerle işleme sistemleri, özellikleri, çalışma prensipleri ve parametreler 13. Hafta İyon bombardımanı ile işleme sistemleri, çalışma prensipleri ve işleme parametreleri 14. Hafta Farklı yöntemlerle kesilen numunelerin yüzey özelliklerinin araştırılması. 15. Hafta Final Sınavı
Dersin İçeriği İleri yüzey işleme sistemlerine genel bir bakış. Yaygın olarak kullanılan yüzey işleme sistemleri ile karşılaştırılması. İşlemlerde kullanılan enerji türüne göre sınıflandırılması. Yöntemlerin işlem prensipleri ve parametreleri incelenmesi. Su Jeti, Aşındırıcılı Su Jeti, Lazer, Elektron Çubuğu ile işleme, Kimyasal işleme, Elektrokimyasal işleme, İyon bombardımanı ile işleme sistemleri ve Ultrasonik yüzey işleme sistemleri. Farklı yöntemlerle kesilen numunelerin incelenmesi ve yüzey özelliklerinin araştırılması. Dersin Öğrenme Çıktıları İleri yüzey işleme yöntemlerinin verimliliklerini bilerek, uygulamada hangi yöntemin tercih edilmesi gerektiğine karar verebilme bilgi ve becerisine sahip olmak.
ELEKTRON IŞINI İLE İŞLEME DERLEYEN Doç. Dr. Adnan AKKURT
ELEKTRON IŞINI İLE İŞLEME Bilim ve teknolojideki ilerlemeler, elektron enerjisinin geleneksel olmayan imalat yöntemleri içinde, çeşitli alanlarda kullanılmasına imkan tanımıştır. Elektron ile işlemenin ilk çalışmaları 1930 lardan sonra Almanya ve Fransa da başlamıştır.
ELEKTRON IŞINI İLE İŞLEME Bu fiziksel etki nedeniyle, elektron ışınıyla işleme yöntemi, termal enerji prosesleri altında adlandırılır. 1947 yılında ilk prototipi yapılmıştır
Kullanılan Cihazlar Electron Tabancası Yüksek Voltaj Güç Kaynağı Vakum Odası Pompalayıcı Sistem Kontrol Sistemi Elektron Tabancası Manipülatörü
Proses Komponentleri Elektronlar, elektrikle ısıtılan Tungsten filament katod vasıtasıyla oluşturulur Sıcaklık 2500-3000 o C Akım:25-100 ma Yoğunluk: 5-15 Acm -2 Voltaj: 150kV
ELEKTRON IŞINI İLE İŞLEME Fiziksel Temeli; Elektronlar yüksek sıcaklığa ısıtılmış bir flamandan yayılırlar. Elektronlar daha sonra bir elektrik alan içinde ışık hızının yarısına kadar ivmelendirilirler. Elektron ışını iki manyetik alan tarafından kontrol edilir. İlk olarak ışının istenilen çapa odaklanması için sorumlu bir manyetik lens gibi davranırlar. Daha sonra manyetik alan odaklanan elektron ışını imalat tablasındaki istenen işlem görecek materyal üzerine odaklanır. Ortaya çıkan ısı ile, materyal eritilir ve buharlaşır.
Elektron ışını Elektron ışını, bir ışın kaynağından yaklaşık aynı hızla aynı doğrultuda hareket eden elektronların akımıdır. Yüksek vakum içinde katod tüpleri yardımıyla oluşturulur. Kattottan çıkan elektronlar, bir elektrik alanı yardımıyla anoda doğru ivmelendirilir. Elektronların bir katı cisme çarpması ile hızı sıfıra iner ve kinetik enerjisi başka enerji türlerine dönüşür. Benzer prensiple çalışan elektron mikroskobunda ısı soğutma ile uzaklaştırılırken, elektron ışını ile işleme yönteminde bu ısıdan yararlanılır. Elektron ışını ile temin edilen ısının veya gücün yoğunluğu, klâsik kaynak usullerinden yüksektir.elektron ışınlarının güç yoğunluğu, takriben 108W/cm2 dir. Bu güç yoğunluğu ile, tabancadan 1 m uzaklıklara kadar çalışma imkanı ortaya çıkar. Elektron ışınlarının ısı konsantrasyonu, gaz alevi ve elektrik arkındakinin 10.000 katı daha yüksektir.
Elektron ışını Electron ışını ile delme metallerde 0,002-0,060 inch çapında ve diğer iletken metallerde 0,010-0,250 inch inceliğinde delikler açan bir prosestir. Lazer ile delme e benzeyen EB delmede, belirli bir bölgede erimenin olmasını sağlamak için enerji çalışma parçasının üzerine odaklanır ve delikler açılır.
Elektron ışını ile delme Delik açmanın nasıl çalıştığını bir metal levhanın yüzeyine doğrultulmuş bir ışını göz önüne alarak aşağıdaki şekilde görebiliriz. Işın çok küçük bir çapa sahiptir; bu sayede levha yüzeyinde çok küçük çaplardaki bir nokta üzerine odaklanabilir. Işın aynı zamanda çok yüksek bir kinetik enerjiye sahiptir ve bir katı cisme çarptığında bu enerjiyi serbest bırakır. Başarılı bir kaynağın gerçekleştirilebilmesi için serbest bırakılması gereken enerji miktarı l0 kw/mm2 ' ün üzerinde olmalıdır
Elektron ışını ile delme Işının çarpma noktasında metalin sıcaklığı küçük bir alanda hızla yükselir. Metal erir ve bir kısmı da buharlaşır. Erimiş metal kenarlara doğru itilir ve bir krater oluşarak daha önce meydana gelmiş olan küçük banyonun dibindeki kati metal ortaya çıkar. Işın bundan sonra kah haldeki metale çarpar ve böylece biraz daha enerji serbest kalır. Ortaya çıkan yeni metalde de erime oluşturur; yeni bir krater meydana gelir ve bu çevrim, ışın tüm levha kalınlığı boyunca nüfuz edinceye kadar devam eder. Bu aşamada levha kalınlığı boyunca devam eden bir silindirik boşluk veya bir delik oluşur. Bu deliğin cidarı, ışın ekseninden dışarıya doğru zorlanarak atılmış, erimiş metalle kaplıdır. Bu metal, yüzey gerilimi ve delikte mevcut metal buharının basıncı sayesinde yerinde kalır.böylece ışın, çok az bir enerji kaybıyla, delik boyunca ilerleyerek levhanın diğer tarafına ulaşır. Bununla beraber, ışını bir tarafa doğru hareket ettirecek olursak, deliğin cidarına temas eder ve enerjisini salar. Delik geçici olarak uzamış hale gelir. Işının terk ettiği alandan ısı kaybı olur ve deliğin arka cidarındaki metalin bir kısmı katılaşır.
Elektron ışını ile delme Ön taraftan eriyen metal, yüzey geriliminin etkisiyle, dairesel kesiti yeniden oluşturmak üzere deliğin çevresine doğru akar. Işın levha boyunca hareket ederken, bu sıvılaşma ve katılaşma olayları deliğin şeklini üniform halde tutacak tarzda düzenli olarak ilerler. Hareketin tamamlanmasından sonra, ışının hareket doğrultusu ve levha kalınlığı boyunca ince bir döküm metal bandı oluşur. Tanımlanan bu işlemler dizisine "delik açma" adı verilir. Karşılıklı yüzeyleri arasında küçük bir aralıktan başka bir şeyi olmayan bir küt alın bağlantısında, bağlantı çizgisi boyunca ışını hareket ettirerek, delik cidarlarını kaplayan erimiş metal yardımıyla ara yüzeyde bk köprü oluşturduğundan, delik açma kaynağa uygun bk tekniktir. Diğer eritme kaynağı sistemlerinde olduğu gibi, arka cidardaki erimiş metalin sürekli katılaşması bağlantının iki elemanını birbirine birleştirir.
Elektron ışını ile kaynak Kaynak için gerekli ısının, parça yüzeyine yüksek hassasiyette odaklanmış ve yönlenmiş yüksek yoğunlukta elektron demeti ile sağlandığı eritme kaynak yöntemidir. Elektron ışın kaynağında güç değil güç yoğunluğu önemlidir.
Elektron ışını ile kaynak Üstünlükleri: Yüksek kalitede dikişler, derin ve/veya dar profiller Sınırlı ITAB, düşük ısıl distorsiyon Yüksek kaynak hızları Dekapan veya koruyucu gaz gerekmez Eksiklikleri: Yüksek ekipman maliyeti Hassas ağız hazırlığı ve hizalama gerekir Vakum kamarası gerekir Güvenlik konusu: EBW x-ışınları üretir
Elektron ışını ile delik delme İşlemin kabiliyetleri 1. Delik çapı: 0.1-0.4mm (1.4mm maksimum) 2. L/D:15:1 3.Isıl etkilenme:0.025mm 4.Delik çapı toleransı ±0.03mm 5.Delik yakınlığı, çapın iki katı Kısıtlamalar 1.Pahalı tezgah 2.Operatör kalitesi gerekli 3.En fazla 10mm kalınlıklı malzeme 4.Üstten çapak oluşumu Avantajlar 1.Hızlı delik delme 2.Tüm malzemelere delik delme 3.Mekanik ve ısıl deformasyon yok 4.Yüksek hassasiyet 5.Bilgisayarla denetim
Elektron ışını ile şekil verme Uygulama alanları 1.Uzay endüstrisinde: Türbin motorlarının yanma kubbelerine soğutma deliği açılması CrNiCoMoW lu çelik t:1.1 mm Delik sayısı: 3748 Çap:0.9mm Süre: 1 saatten az 2.İzolasyon endüstrisinde: Döner delikli
Televizyon Tüpüne Benzerliği
ELEKTRON IŞIN MAKİNASI Şematik
Normal ve Vakum Ortamı
Sıcaklığın Elektron Hızıyla Artması
Proses Komponentleri Işının odaklanması için manyetik mercekler kullanılır.
Proses Komponentleri Yaklaşık 150 000 voltluk enerji ile elektronların hızı, 200, 000 km/sn üzerine çıkarılır.
Işın, 10~200 mikro metre 6500 GW/mm 2 yoğunluğa kadar odaklanabilir.
Endüstriyel EBM Makinası
Tek Pulsla oluşturulan örnek
Gerekli Puls Sayısına Voltajın Etkisi
Parçanın Yer Değişimi
Delmeye Malzeme Kalınlığının ve Delik Çapının Etkisi
Yüzey Kalitesi
Uygulama
Uygulama
Uygulama
Kesme performansından bazı örnekler. Materyal Tungsten Paslanmaz çelik Paslanmaz çelik Alüminyum Alüminyum (Al 2 O 3 ) Kuvars Çalışma Parçası Kalınlığı (mm) Delik Çapı (mikro m) Delme Zamanı (sn) Hızlandırm a Voltajı (KV) Işın Akımı (mikro A) 0.25 25 <1 140 50 2.5 125 10 140 100 1.0 125 <1 140 100 2.5 125 10 140 100 0.75 300 30 125 60 3.0 25 <1 140 10
EIM da Slot Kesme Örnekleri Materyal Paslanmaz çelik Tungsten Pirinç Alüminyum Çalışma Parçası Kalınlığı (mm) Slot Çapı (mikro m) Kesme Hızı (sn) Hızlandır ma Voltajı (KV) Ortalama Işın Akımı (mikro A) 0.175 100 50 130 50 0.05 25 125 150 30 0.25 100 50 130 50 0.75 100 600 150 200
Uygulama
EBM ile 0.01 mm çapa kadar delikler, seramikler dahil çok çeşitli malzemeler üzerine işlenebilir. EBM uygulaması çok hassas kanallar açmak, gravür ve elektronik sanayiinde film işlemek, küçük çaplı derin delikler (200:1 derinlik: çap oranı) açmak gibi küçük boyutlu fakat hassas işler için uygundur.
Bu özellik EDM, ECM, vb. diğer yöntemlerce sağlanamamaktadır. EBM nin bir diğer üstünlüğü ise elektron ışınının tamamen elektromanyetik alan kontrolü altında hareket ettirilme özelliğidir. Böylece LBM de kullanıldığı şekilde mekanik hareketli optik düzen yerine, mekanik hareket tümüyle önlenmiş olmaktadır.
Özellikle orifis delikleri açmak, tel ve fiber çekme kalıplarının işlenmesi önemli endüstriyel uygulamalardır. Ancak, vakumda işleme zorunluluğu ile maliyet yüksektir. Birçok konuda LBM, EBM ye göre tercih edilen yöntemdir. EBM nin önemli üstünlüklerinden birisi çok küçük boyutlarda (birkaç nm dolaylarında) işleme olanağı vermesidir.
Uygulama
Başlıca Uygulama Alanları Küçük delikleri delmekte Elektron ışını bir malzemeden parça buharlaştırmakta kullanılır.birkaç nanometre boyutundaki delik delinebilir. Daha başka elektron ışını ile delme istenen delik inceliğini işleyebilir. Kesme Elektron ışını temel olarak kesintisiz delik serisini deler. Elektron ışını çok kıvrık ve doğu kesikler meydana getirebilir. Ek olarak elektron ışını küçük yarıklar oluşturmak içinde kullanılabilir.
Başlıca Uygulama Alanları Kaynak Elektron ışını iki parçayı erime sıcaklığına ısıtaraktan metal parçaların birleşmesi için kullanılabilir. Tavlama Elektron ışını artan stresleri azaltmada ve malzemelerin ısısını artırmada kullanılır.bu çoğu zaman bir parçanın tamamlanması için istenen adımların sayısını azaltmak için diğer işlemlerin biriyle birleşimi sonucu yapılır.
Başlıca Uygulama Alanları Şekil ve boyut itibariyle hassasiyet, verim ve hız gerektiren sanayi uygulamalarında kullanılır. Örnek... Uzay araçları, elektronik endüstrisi, tıbbi cihazlar...
Avantajlar&Dezavantajlar EBM vakum altında yapıldığı için, özellikle küçük parçalar üzerindeki işlemler için çok elverişlidir aynı zamanda vakum temiz bir ortam oluşturur...
Welding performance
Avantajlar&Dezavantajlar EBM metodu, küçük delikler ve dar kanallar için çok uygundur. 0.05mm den küçük çapta delikleri delebilir... delik derinliği ile çapı arasındaki oran yüksektir...(~200)
Avantajlar&Dezavantajlar Isının yüzeyle teması esnasında tehlikeli X ışınları oluşur. Bu nedenle, işleme esnasında muhafaza ve iyi eğitilmiş personel kullanılmalı...
Avantajlar&Dezavantajlar Maksimum malzeme kalınlığı? Yüksek kurulum (ekipman )maliyetleri
Avantajlar&Dezavantajlar Malzemede Termal veya mekaniksel çarpılmalar olmaz. Herhangi bir malzeme delinebilir...(kırılgan ve gevrek malzemeler) İş parçası üzerinde bir yük oluşmaz...
Avantajlar&Dezavantajlar Çok yüksek hızlarda işlem yapılabilir... Örneğin, 0.3 mm kalınlığındaki bir tabaka üzerine, saniyede 1500~2000 adet, 100 mikrometre çapındaki delikler delinebilir...
Avantajlar&Dezavantajlar Tezgah hiçbir atık madde üretmez... Çevre dostudur...
TEŞEKKÜRLER