Tasarım Metodolojisi-5 Konu: MALZEME SEÇİMİ Haz.: Doç. Dr. Ahmet DEMİRER 1 Malzeme seçiminde karşılaşılacak ilk problem; Elemanların çalışma esnasındaki performansı ile ürün şeklini alabilme kabiliyeti için sahip olması gereken özellikler olarak karşımıza çıkar. İkinci problem; Malz. diğer karakteristik özellikleri ve temin edilmesi hususunda karşılaşılabilecek sorunlardır. Ürünün şekli ve üretim yöntemleri de en az performans ve ömür kadar önemlidir. 2 1
Malzeme Seçimini Etkileyen Faktörler: 1.Malzemenin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Malzeme özelliklerini, Fiziksel; (yoğunluk, ısıl genleşme, elektrik iletkenliği, mıknatıslanma vb.) ve Mekanik; (çekme-basma dayanımı, sertlik, süneklik, tokluk vb.) özellikler olarak iki şekilde tanımlayabiliriz. Fiziksel özellikler, genellikle malzemeye zarar vermeden yapılan testlerle saptanır. Bunun yanında korozyon direnci, malzemeye zarar vermeden saptanamaz fakat genelde fiziksel bir özellik olarak görülür. Mekanik özellikler ise malzemeye zarar veren testlerle saptanır. Örneğin bir malzemeye fiyat belirlenirken, bazı mekanik özelliklerin (çekme dayanımı, süneklik, sertlik gibi) malzeme kalitesi hakkında bilgi verdiği tezinden hareket edilmektedir. Fiziksel ve mekanik özelliklerin daha detaylı bilgileri ve üretimle ilgili olan diğer karakteristikler üretici firmalar veya çeşitli malzeme kurumlan tarafından belirlenir. 3 4 2
Gerilme (Mpa) 15.12.2015 5 Tokluk (kj/m 2 ) 6 3
Basma dayanımı (Mpa) 15.12.2015 Yoğunluk (kg/m 3 ) 7 Örnek ürün ve malzeme türleri 8 4
9 Malzeme Seçim Kriterleri 10 5
Makine Malzemelerinin Gruplandırılması Makine imalatında doğrudan veya dolaylı kullandığımız malzemeleri metaller, metal dışı malzemeler ve kompozit malzemeler diye üç grupta toplamak mümkündür 11 Yeni Malzemeler: beklentileri ileri malzemeleri şu şekilde sınıflandırabiliriz: 1.İleri metalik malzemeler 2.İleri seramikler 3.İleri polimerik malzemeler 4.Kompozitler: a.polimer bazlı kompozitler b.metal bazlı kompozitler c.seramik bazlı kompozitler 12 6
2.Maliyetler: İşlenmemiş bir malzemenin fiyatı, teknik özellikleri belirleyen kurumlarca (örneğin ISO, TSE vb.) değerlendirilemez. Çünkü bu kurumlar sadece kalitenin kontrolü ile ilgilenmektedirler. İnsan gücü maliyetlerinin değişiklik göstermesi, kurlardaki farklılıklar, ulusal politikaların sürekli değişikliği, arz ve talep gibi nedenler maliyetin değişken unsurları olup sürekli farklılıklar göstermektedir. Bu nedenle cari maliyetler, üreticiler ve market (pazar) raporları doğrultusunda belirlenir. Yüksek mukavemet, ısıl karşı direnç, paslanmaya karşı direnç gibi özelliklere sahip alaşımlar genellikle pahalıdır. Bunun nedeni alaşım katkılarının saflaştırılması ve alaşım proseslerinin yüksek maliyetidir. Alaşımlar sadece başka bir çözüm olmadığı durumlarda kullanılmalıdır. Bunun dışında, özellikli ve dikkatli tasarımlar yapılarak maliyeti daha düşük malzemeler kullanılabilir. Örnek olarak bir ürünün ağırlığının ve boyutlarının büyütülmesi bir sakınca teşkil etmiyorsa, daha iyi mukavemet değerine sahip pahalı malzeme kullanmak yerine, elemanların boyutlarını arttırarak mukavemet özelliklerini iyileştirmek suretiyle ucuz ürün elde etmek mümkündür. 13 2.Maliyetler: Benzer şekilde korozyon direnci yüksek fakat pahalı bir malzeme kullanmak yerine, yüzeyde yapılacak ve maliyeti daha düşük bir işlemle (örneğin kaplama, boyama vb.) düşük maliyetli ürün elde etmek mümkündür. Malzemenin maliyeti; döküm, dövme vb. işlemler sırasında ürün yapısının karmaşıklığına, belirlenen tolerans değerlerine, üretilecek toplam miktara ve ham madde fiyatına bağlıdır. Bu maliyet genellikle sipariş durumu ve diğer siparişlerle olan finansal anlaşmalardan etkilenir. Bir elemanın yapılacağı malzeme seçilirken toplam üretim maliyeti göz önüne alınmalıdır. Toplam maliyet, bütün bitiş operasyonlarını (makinada işleme, montaj, kontrol çalışmaları vb.) içerir. Eğer toplam maliyet beklenenin altında ve kesinlikle gerekli ise daha pahalı bir malzeme kullanımı yoluna gidilebilir. Bir elemanın yapılacağı malzeme seçilirken toplam üretim maliyeti göz önüne alınmalıdır. Toplam maliyet, bütün bitiş operasyonlarını (makinada işleme, montaj, kontrol çalışmaları vb.) içerir. Eğer toplam maliyet beklenenin altında ve kesinlikle gerekli ise daha pahalı bir malzeme kullanımı yoluna gidilebilir. 14 7
3. MALZEMEDEN BEKLENEN ÖZELLIKLER: Malzemelerin sahip olduğu teknolojik özellikleri ve maliyetlerinin yanında kullanma şartları ve satış koşulları nedeniyle de bazı beklentiler vardır. Bunların en önemlileri, malzemenin sahip olması gereken görev ve üretim özellikleridir. Bu özellikler malzemenin teknolojik (fiziksel ve mekanik) özellikleri ve ekonomik yönleriyle birleştirilerek incelenmeli ve malzeme seçimi bu doğrultuda yapılmalıdır. a)görev özellikleri Malzemenin görev özellikleri; bazı mekanik özellikleri (sertlik, tokluk, aşınma direnci, ısı direnci vb.) ve bazı fiziksel özelliklerin (ısı iletkenliği, elektrik iletkenliği, korozyon direnci vb.) var olmasını şart koşar. Ancak beklenen özelliklerin tamamını aynı malzemede bulmak mümkün olmayabilir. Örneğin bir malzeme hem çok sert hem de çok tok olamaz. Genelde birisinden ödün vermek gerekebilir. Bu durumda ya düşük tokluk (ürün tasarımı buna göre yapılarak) kabullenilir veya malzeme uygun ise yüzey sertleştirme işlemi yapılarak hem sert hem de tok malzeme elde edilir. Ayrıca malzemenin üretim yöntemi ve proseslerine uygun olarak gerekli şekli alabilmesi görev özelliğinin temelini teşkil etmektedir. 15 3. MALZEMEDEN BEKLENEN ÖZELLIKLER: b) Üretim özellikleri: Malzemelerin üretim özellikleri olarak; bazı fiziksel (örneğin döküm için düşük ergime noktası ve akışkanlık gibi) ve bazı mekanik (kesici takımların kullanımına uygun düşük sertlik, soğuk şekillendirmede yırtılmama, yüksek uzama kabiliyeti gibi) özelliklere sahip olması istenir. Ayrıca kolay kaynak edilebilme ve ısıl işlem yardımıyla mukavemet arttırmaya uygunluk özellikleri de malzemeden beklenen diğer karakteristik özelliklerdendir. 16 8
Alternatif Malzemelerin Değerlendirilmesi Kullanılacağı yer ve koşulları tamamen belli olan bir cihaz veya makinanın malzemesinin seçimi genellikle bir sorun teşkil etmez. Ancak arzu edilen veya gerekli olan her özelliğin tek bir malzemede bulunma olasılığının çoğu kez mümkün olmayabileceği unutulmamalıdır. Mukavemeti yüksek ve korozyon direnci iyi olan bir malzeme hem ağır hem de pahalıdır. Yine elektrik iletkenliği iyi olan bir malzemenin çekme dayanımı düşüktür. Bazen hem hafif ve ucuz hem de korozyon direnci yüksek bir malzeme gerekebilir. Bu gibi durumlarda malzeme seçimi yapılırken birçok seçeneğin gözden geçirilmesi yararlı olacaktır. O halde malzeme seçimi için vazgeçilemez koşullar ilk sıralarda yer almak üzere mükemmelleştirici tüm özellikler bir liste halinde sıralanır. Bu listeye karşılık olarak yine vazgeçilemez koşulları yerine getirebilen (malzeme özellikleri, fiyat vb.) ve beklenen diğer özellikleri belirli oranlarda temin eden diğer malzemeler listeye karşılaştırmalı olarak yerleştirilir. Böylece söz konusu ürün için değişik alternatifleri olan bir malzeme seçeneği ortaya çıkar. Bu durum tasarım mühendisine malzeme seçimi ve karar verme konusunda oldukça geniş hareket sahası sağlamış olur. 17 Malzeme Seçimi Örnekleri Aşağıdaki örneklerde, malzeme seçimi yapılırken, görev ve üretim özelliklerinin nasıl dengelendiğini ve ekonomik değerlendirmenin son seçimi nasıl etkilediğini açıkça görmek mümkündür. a)orta sınıf bir otomobil için kaportası için malzeme seçimi: Kaporta malzemesinden beklenen özellikler: -Kaza sırasında içindekileri koruması, -Yolcuları ve içinde bulunan eşyaları atmosfer etkilerine, hava akımına, diğer araçların egzost gazlarına, yoldan gelebilecek taş, toprak, yıkıntı, enkaz vb. şeylere karşı koruması, -Aracın içinden düşebilecekleri önlemesi, -Hırsızlık olaylarına karşı aracı ve içindekileri koruması, -Aerodinamik bir yapıya sahip olması, -Üreticinin satabileceği sitilde ve müşterinin beğenisine uygun olması, şeklinde sıralanabilir. 18 9
Malzeme Seçimi Örnekleri Burada uygun mukavemet ve güzel dış görünüm malzemenin görev özelliğidir, Malzemenin mukavemeti sertlik, yüksek aşınma ve darbe direnci, yüksek korozyon direnci gibi özelliklere, dış görünümün mükemmel olması ise malzemenin iyi şekil alma özelliğine sahip olması ile mümkündür. Metalin düşük ağırlıkta olması için düşük yoğunlukta olması şartı yoktur. Ancak gövde; minimum dış boyutları ile maksimum yolcu ve bagaj kapasitesini içerecek şekilde ince sac malzemeden yapılmalıdır. Kaportanın metal sac malzemeden ve belli büyüklükte parçalardan oluşacak bi bütün oluşturması için kullanılacak en ucuz yöntem presleme ile şekillendirmedir Soğuk şekillendirme yöntemiyle yapılan bu üretim esnasında gövdenin tam ölçüsünde elde edilmesi ve astar boya, boya gibi son işlemlerden önce temiz v düzgün bir yüzey elde edilmesi mümkündür. 19 Malzeme Seçimi Telefon: Alexander Graham Bell'in yirminci yüzyllin başlannda icat ederek insanların kullanımına sunduğu telefonun gelişimine bir bakacak olursak, çok enteresan gelişmeler görürüz: 1900 yılında dış yüzeyi tahtadan ve elektrik nakleden kısımların ise metalden yapıldığı telefonun dış yüzeyi, 1930'lu yıllarda ise dökme demir ve pirinç ile değiştirilmiştir. Daha sonra, 1970'li yıllarda telefonun dış yüzeyinde polimer malzemeler kullanılmıştır. Saç kurutma makinesi: Saç kurutma makinasıda bir tasarım ve malzeme evrim sürecini geçirmiştir. Şöyle ki; 1925 li yıllarda gücü 100 watt olan makinenin gövdesi ağır birer malzeme olan çelik veya çinkodan yapılmıştır. Bu makine hem ağır ve hem de büyük idi. 1970 li yıllarda ise saç kurutma makinesinin gövdesinde polimer malzemeler kullanılarak, makine hem hafif ve hem de estetik hale getirilmiştir. 20 10
Malzeme Seçimi (Karşılaştırma) 21 Malzeme Seçimi Önemi 22 11
Malzeme Seçimi Önemi 23 Malzeme Seçimi Önemi 24 12
Malzeme Seçiminde Adımlar 25 Malzeme Seçiminde Adımlar 26 13
Malzeme Seçiminde Adımlar 27 Malzeme Seçiminde Adımlar 28 14
Malzeme Seçiminde Dikkate Alınan Faktörler 29 Endüstriyel Malzemelerde İstenen Özellikler Jet uçakları: Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler Otomobiller: hafiflik ve ucuzluk Bilgisayar: yüksek hızda işlem ve bilgi-depolama özelliği, Spor malzemeleri: hafiflik, estetik 15
Ticari gaz depolama tankı için uygun malzeme seçimi (14 MPa- 2000psi) Seçenekler Dayanım Şekillendirme Maliyet Şekil 1. Doğru malzemeyi seçmek için izlenen yol Şekil 2. Doğru metal alaşımı seçmek için izlenen yol. Şekil 3. Havacılıkta endüstrisinde doğru malzeme sistemini seçmek için izlenecek yol. Şekil 4. Havacılıkta yüksek basınç kap malzemesi olarak Doğru kompozit sistemini seçmek için izlenecek yol. Şekil 5. Bu amaç için aramit filamentlerden imal edilen tanklar. 16
Yiyecek ve içecek uygulamaları için Dekoratif Foil Kese Gıda : aranan özelliklerdir. yüksek korozyon direnci, yeterli dayanım, sızdırmazlık, kolay şekillendirilebilirlik 1XXX saf aluminyumu. Özellikleri; Kolay şekil verilebilirlik, korozyona karşı dayanım, elektrik iletkenliği. Elektrik, ve kimyasal uygulamalar için elverişli. yüksek dayanım aranan uygulamalara elverişli değil.. 1XXX; bu uygulamada kullanılabilir. Kaynaklar: 1-CÜRGÜL İsmail, SINMAZÇELİK Tamer, YETİŞTİREN Hülya, ZEREN Adalet, Makine Tasarımı ve Şekillendirme Tekniği, Birsen Yayınevi, İst. 2012. 2-FINDIK Fehim, Malzeme Seçimi, Sakarya, 2011. 3-DEMİRER A., Konstrüksiyon Sistematiği Ders Notları, SAÜ TF. 2014. 4-Görseller 5-BABALIK F., Makine Müh. Giriş, yayınları, 2014. 6-Çev.:DİKİCİOĞLU Adnan, Introduction to Materials Science for Engineers, James F. Shackelford, McMillan Pub. Co. 1992 17