CAM ELYAFI TAKVİYELİ KOMPOZIT TEKNELERİN SERİ ÜRETİM ŞARTLARINA UYGUN OLARAK DETAYLI TASARIMI VE SMP MODELLERİNİN ÜRETİMİ 1
CAM ELYAFI TAKVİYELİ KOMPOZIT TEKNELERİN SERİ ÜRETİM ŞARTLARINA UYGUN OLARAK DETAYLI TASARIMI 2
ÖZET Kompozit gövdeli yelkenli ve motor yat üretim sürecinde, imalat öncesinde bilgisayar destekli mühendislik tasarım araçlarının etkin olarak kullanılması maliyet ve süre avantajı olarak kendini göstermektedir. Ürün geliştirme sürecinde, birbirleriyle etkileşim içerisinde bulunan ve çok dar alanlarda mekanik paketleme gerektiren tekne bileşenlerinin bir defada doğru tasarlanması ve üretilmesi gerekmektedir. Diğer yandan tasarım süreçlerinde izlenen yol ile sürdürülebilirlik sağlanmalıdır. Bu çalışmada, tekne tasarım ve geliştirme sürecinde seri imalata yönelik detay mühendislik çalışmaları özetlenmekte ve el yatırması veya vakum infüzyon yöntemileri ile üretilen cam elyaf takviyeli kompozit tekne komponentlerinin detay mühendislik tasarımları yapılırken seri imalat şartlarına uygun kalıplama, üretim, montaj detaylarının nasıl göz önünde bulundurlacağına ve tasarımlarında dikkat edilmesi gereken hususlara değinilmektedir. 3
DETAY MÜHENDİSLİK ÇALIŞMA ADIMLARI Ölçüsel Kontroller, Yerleşim ve Paketleme Ergonomi ve Regülasyon Kontrol Analizleri 4
DETAY MÜHENDİSLİK ÇALIŞMA ADIMLARI Sistem Tasarımı 5
DETAY MÜHENDİSLİK ÇALIŞMA ADIMLARI Mekanizma ve Komponent Tasarımı Montaj Sıralaması Belirleme ve Proses Optimizasyonu 6
DETAY MÜHENDİSLİK ÇALIŞMA ADIMLARI Üretim Ekipmanları Tasarımı 7
DETAY MÜHENDİSLİK ÇALIŞMA ADIMLARI Fabrika Lay Out ve Montaj Hattı Tasarımı 8
KOMPOZİT PARÇA TASARIMI - YÖNTEM Final Ürüne Ait Hedefler ve İsterler Alt Ürüne / Parçaya Ait Hedefler Dönemsel üretim miktarı Birim zamanda ihtiyaç duyulan ürün miktarı Birim maliyet Yatırım maliyetleri Kalite Alt Ürüne / Parçaya Ait İsterler Dayanım Ağırlık Geometri Tasarım Kısıtları Laminasyon planı (kalınlık) İmalat yöntemi (el yatırması / vakum infüzyon) Montaj yöntemi (yapıştırma / laminasyon / mekanik birleştirme) Üretim ve/veya montaj amaçlı jig / fikstür / aparat ihtiyacı Geometrik / ölçüsel hassasiyet İhtiyaç duyulan kalıp miktarı 9
KOMPOZİT PARÇA TASARIMI - YÖNTEM Parça tasarım faaliyetleri sırasında dikkat edilen konular şu şekilde sıralanabilir: Üretim ile ilgili konular: Çıkma Açıları Radyuslar (kenar / köşe yarıçapları) Malzeme Kalınlığı Islak Kesim Çok Parçalı Kalıplar ve Ters Flanşlar Kalıp Maçaları Montaj ile ilgili konular Yapısal Yapıştırıcı Seçimi, Kalınlığı ve Tasarıma Etkisi Jig / Fikstür / Aparat Detayları Referans İşaterleri 3D Ölçüm / Kalite Kontrol 10
Çıkma Açıları Parça çıkma yönü prensip olarak, parça geometrisine göre tasarımın ilk safhasında belirlenmeli ve tüm yüzeyler bu prensipte oluşturulmalıdır. Düşük çıkma açıları çoğu zaman ürünün kalıptan ayrılması sırasında, güçlüklere ve deformasyonlara sebep olur. Bu durum uzun standart işçilik süreleri ve ek tamir işçilikleri ile üretimi olumsuz etkiler. İstisnai durumlar haricinde, çıkma açıları oluşturulurken izlenilen yol şu şekildedir: Minimum çıkma açısı 2 dir, özel durumlar haricinde tüm yüzeyler bu açıda tasarlanır. 0,5 m² nin altında yüzey alanına sahip yüzeylerde çıkma açısı 1º e kadar inebilir. Çok küçük yüzeylerde (0,1 m² nin) çıkma açısı 0,5º e kadar inebilir. 11
Radyuslar (kenar / köşe yarıçapları) Oluşturulan 3D modellerde, istisnai durumlar dışında, radyussuz kenar veya köşe bırakılmamalıdır. Parça geometrisinin izin verdiği ölçüde büyük radyus kullanılmalıdır. Kullanılan radyus ölçüleri: 10mm ve üzeri radyuslar: Kalıp ve ürün imalatı açısından en uygun radyuslardır 8 10mm arası radyuslar: Kalıp ve ürün imalatı açısından uygundur. 5 8mm arası radyuslar: Ürün imalatı için sınır radyus değeridir. Ürün imalatı sırasında jelkotun basınçlı tabanca ile atılması önerilir, fırça ile jelkot uygulamalarda, ürünün kalıptan çıkması sırasında yüzey hasarları olasıdır. 5mm ve altı radyuslar: Ürün ve kalıp imalatları için uygun değildir. Kullanılması zorunlu durumlarda imalat aşamalarında bu bölgelere özen gösterilmeli, jelkot sonrası mutlaka tül elyaf veya elyaf örgülü ip kullanılmalıdır. 12
Malzeme Kalınlığı Final ürünün trim hattı boyunca malzeme kalınlığı kadar radyus kullanılarak kalıp flanşının keskin köşe olarak başlatılması trim operasyonları sırasında oluşabilecek operatör hatalarının önüne geçtiği gibi ürünün final görselini minimum seviyede etkileyemektedir. Kalıp Flanşı Ürün 13
Islak Kesim (el yatırması yöntemi için) Dik / yüksek biten uzun yüzeylerde ıslak kesim operasyonları tavsiye edilmektedir. Islak kesim yöntemi, trim operasyon yükünü azalttığı gibi yüksek miktarda toz üreterek iş güvenliği ve işçi sağlığı açısından negatif etki yapan işlemleri de ortadan kaldırmaktadır. Islak kesim operasyonlarında ortaya çıkabilecek en olası problem, yüksek duvarlarda elyafların sarkarak yüzeyden ayrılması ve ürün bitiş kenarında eteklenmelerdir. Bu durumu engellemek için her 3 6 kat dokuma elyaf uygulaması sonrası 300 500 mm genişliğinde MAT bantlar ile dokuma elyafların kalıp flanşlarına bağlanmasıdır. Bu bağlantılar (atkılar) ürün kalıptan çıktıktan sonra kesilmelidir. Görsel olarak önemli olmayan bölge: ıslak kesim Görsel olarak önemli bölge: radyus finiş Kesit Görünüş 14
Çok Parçalı Kalıplar ve Ters Flanşlar Tek yönde çıkmaya izin vermeyen, kapalı geometri oluşturması gereken, montaj aşamasında birleşme flanşlarına ihtiyaç duyulan ve maça kullanımından kaçılmak istenen ürünlerde çok parçalı kalıp ve ters flanş uygulamaları kullanılır. Kalıp birleşim hatları 1:1 model üzerine CNC de işaretlenmelidir. Birleşme flanşlarında mutlaka merkezleyici referanslar kullanılmalıdır. Kalıp birleşim hatlarının bir kenar veya radyüs boyunca uzanması, 3D modelleme açısından zaman kazandırıcıdır. Ancak, bu yöntem final ürünlerin geometrik tutarlılığını tamamen yok eden; müşteri tarafından algılanan geometriyi tamir işçiliğinin kalitesine bağlı kılan, geri dönüşü olmayan bir hatadır. Bunun yerine kalıp ayrım hatları görece dar, düz yüzeylerde uygulanmalıdır. 15
Kalıp Maçaları Kalıp maçalarının tasarımları sırasında, parça tasarımlarında izlenen çıkma açısı ve radyus kuralları takip edilir. Maça malzemesinin seçimi oldukça önemlidir. Malzeme seçerken dikkat edilmesi gereken hususlar: Boyutlar, Ağırlık, Ana parça geometrisi ve mukavemeti, Sıcaklık etkisi, Üretim miktarı ve maça ömrü. Büyük ebatlı maçaların ana kalıba montajı sırasında mutlaka merkezleme pimleri kullanılmalıdır. Merkezleme pimleri ile konumlandırılan maça kalıba ayrıca sabitlenmelidir. 16
Yapısal Yapıştırıcı Seçimi, Kalınlığı ve Tasarıma Etkisi Cam takviyeli kompozit üretiminde yapısal yapıştırıcıların kullanımı son yıllarda giderek artmaktadır. Bununla birlikte, kimyasal tepkimelerin hassasiyeti sebebiyle, yapısal yapıştırıcıların kullanımı imalatçı firmalara ortam şartlarının ve prosesin hassas şekilde kontrol edilmesi yükünü getirmektedir. Bu koşullarda, yapısal yapıştırıcı kullanımına karar verilmesi sonrasında: İmalatçı teknik föylerinden faydalanılarak, gerekli mukavemet değerleri için optimum yapıştırıcı kalınlığı hesaplanmalı, Birbirine yapıştırılacak parçaların malzeme kalınlıkları hassas şekilde hesaplanmalı, Değişken malzeme kalınlıkları 3D modellenerek yapışma flanşları modellenmelidir. Spider Frame 3D Modeli Karina İç Laminasyon Yüzeyi Karina Dış Yüzeyi 17
Jig / Fikstür / Aparat Detayları Cam takviyeli kompozit üretiminde, özellikle büyük ebatlı parçaların birbirlerine montajları için jig, fikstür ve aparat kullanımı önerilmektedir. Kullanılan montaj aparatları sayesinde: Montaj proses süreleri kayda değer şekilde kısalmakta, Ürünlerin tutarlı ve sürdürülebilir olması sağlanmaktadır. Üretimde montaj aparatlarının kullanımı ürün ve kalıp tasarımlarını doğrudan etkilemektedir. Bu durumlarda dikkat edilen hususlar şu şekildedir: Ana parçaya monte edilecek alt parçaların konumları ve geometrileri gözetilerek ana parça kalıbı üzerine aparat merkezleme konikleri yerleştirilir, Monte edilecek alt parçaların ana geometrileri üzerinde mümkünse müşteri tarafından görülmeyen / gizli bölgelere aparatın referanslanabileceği ve monte edilebileceği geometriler oluşturulur, Monte edilecek alt parçanın geometrisi, kullanılacak montaj aparatın hareket yönüne göre düzenlenir. Montaj operasyonu sırasında, montaj yönü boyunca parçaların bir engel ile karşılaşmaması sağlanır. 18
Jig / Fikstür / Aparat Detayları Karina Spider Frame Spider Frame Montaj Aparatı 19
Jig / Fikstür / Aparat Detayları Spider Frame Montaj Aparatı Montaj aparatında spider frame ürünü ile uyumlu refernaslama erkek konikleri bulunmaktadır. Spider Frame - Spider frame ürününde montaj aparatının referanslanacağı ve monte edileceği dişi konik referans yüzeyler ürüne işlenmiştir. - Diğer yandan spider frame geometirisi karina kalıbındaki merkezleme koniklerine dik olarak hareket ettiği sırada ilişkide olduğu diğer parçalara çarpmayacak şekilde düzenlenmiştir. 20
Referans İşaterleri Formlu kompozit parçaların montaj işlemleri sırasında referans ölçü almak, çıkma açıları ve radyusların da etkisi ile oldukça zordur. Bu durumu ortadan kaldırmak için tasarım aşamasında kalıplara ve ürünlerin müşteri tarafından gözlemlenmeyen yüzeylerine referans çizgileri / noktaları eklemek pratik bir yöntemdir. Referans çizgilerinin 1:1 model imalatı sırasında CNC ile oluşturulması zaruridir. Karina kalıp flanşlarına ve spider frame in müşteri tarafından görünmeyen yüzelerine, merkez hattı ve araç merkezine göre her metrede bir referans çizgisi eklenmiştir. Spider Frame in ilgili bölgesine ana makine montaj delik yerleri noktalar ile işaretlenmiştir. 21
3D Ölçüm / Kalite Kontrol Yapılan tüm mühendislik çalışmalarının amacına ulaşması için 3D ölçüm ile oluşturulan 1:1 fiziksel modelin veya kalıbın doğrulanması zaruridir. 1:1 model imalatında kullanılan malzemeler ortam şartlarına göre fiziksel değişime uğrayabilemektedir. Büyük ebatlı modellerin nakliyeleri sırasında oluşan form değişikliklerine de rastlanılmaktadır. Yapılan ölçüm işlemleri öncesi tasarım ekibi krıtik referans noktalarını ve bu noktalardaki toleransları tespit etmelidir. Ölçüm işlemleri için seçilecek ölçüm yönteminin ve ekipmanının ürüne özel olarak belirlenmesi gerekmektedir. 22
CAM ELYAFI TAKVİYELİ KOMPOZIT TEKNELERİN SMP MODELLERİNİN ÜRETİMİ 23
SMP Model İmalatı Hexagon Studio Model ve Prototip İmalat Müdürlüğüne bağlı Model Atölyesi bugüne kadar farklı sektörlere ait farklı geometri ve boyutlarda bir çok kompozit kalıp, model ve ürünün üretimini gerçekleştirmiştir. Model Atölyesinin kompozit imalatındaki önemli yetkinliklerinden biri de SMP kalıp/model imalatıdır. SMP (seamless modeling paste) model imalat tekniği adını, üretilen kalıp/modelin yüzeyini oluşturmada kullanılan epoksi bazlı model macunundan almaktadır. Söz konusu malzeme gerek uygulama kolaylığı (elle ya da makineyle), gerek yüzeyinde hiçbir ek yeri oluşmaması ve gerekse CNC işleme ile elde edilen tasarıma bağlılık ve yüzey kalitesi nedeniyle avantajlı bir malzemedir. Bu metotla bilgisayar ortamında tasarımı yapılan teknelerin imalata aynen aktarılması mümkün olmaktadır. Sunumda örnek imalat senaryosu olarak 13 metre uzunluğundaki bir tekne karinası modelinin Hexagon Studio Model Atölyesi bünyesinde SMP tekniği ile imalatı incelenecektir.
SMP Model İmalatı SMP (seamless modeling paste) model imalatının ilk adımı final ürün datasının incelenmesi ve data üzerinde çalışma yapılmasıdır. Bu aşamada, öncelikle modeli üretilecek olan geometrinin imal edilebilirliği gözden geçirilir. Geometri üzerindeki boşaltmalar, yüzey açıları ve bağlantıları, dip ve köşe bağlantılarındaki radyuslar incelenir. Buna göre modelin tek veya çok parçalı olarak üretilip üretilemeyeceği, hazırlanacak maçalar belirlenir. Geometri incelemesi yapılıp (eğer çok parçalı model olacaksa uygun parçalama yapıldıktan sonra) her modelin yüzeyi etrafına kalıplamada kullanılacak flanş yüzeyleri eklenir.
SMP Model İmalatı Flanş eklemelerinin de yapıldığı final ürün yüzeyi, model tasarımının yapılması için bir sonraki aşamaya hazırdır. Yüzeyin altında kalan hacime sığacak ve tüm yapıyı taşıyacak şekilde çelik konstrüksyonun tasarımı yapılır. Bu tasarım sırasında standart profil boylarına uygun hareket edilmeli, profil eklem yerlerinin desteklenmeyen boylara denk gelmemesine özen gösterilmelidir.
SMP Model İmalatı Çelik konstrüksiyonun tasarımı sırasında dikkat edilmesi gereken bir başka nokta da konstrüksiyon üzerine gelecek ve strafor blokları taşayacak olan kontrplak yüzeylerdir. Ana çerçeveler arasına eklenen destek elemanları arası mesafeler standart kontrplak boyutlarını geçmemelidir ki kontrplak ek yerleri boşluklara gelmesin. Model tasarım aşamasının son adımı strafor hacmin tasarımıdır. İşlenecek yüzey datasını da içine alacak bu hacmin tasarımında kullanılacak strafor bloklarının boyutları ve konumları belirlenir.
SMP Model İmalatı Model tasarımı bittikten sonra gerekli teknik resimler hazırlanıp imalata teslim edilir. Çelik konstrüksiyon imalatı yapılırken eş zamanlı olarak konstrüksiyon üstüne yüklenecek kontrplak tabakaları ve strafor blokların kesimleri yapılarak montaja hazır hale getirilir. Model imalatı devam ederken bir yandan da işlenecek yüzeyin CNC programları hazırlanır.
SMP Model İmalatı İmalatı tamamlanan çelik konstrüksiyon üzerine hazırlanan kontrplak ve straforların yüklemesi yapılır. Kontrplakların üzerine yüklenen strafor blokları arasında oluşabilecek boşlular sprey PU köpük malzeme ile doldurularak kapatılır.
SMP Model İmalatı Kontrplak ve strafor yükleme işlemi biten model, strafor yüzeyin işlenmesi için tezgaha girmeye hazırdır. Strafor normal ürün yüzeyinden içeri doğru 15mm offsetli olacak şekilde CNC model tezgahında işlenir. Bu aşamada uygulanan CNC programlar yüzey kalitesinden çok hacimsel boşaltmaya yöneliktir. Bu aşamanın bir diğer özelliği ise, olası bir tasarım değişikliğinde SMP macun uygulaması öncesi konstrüksiyon ve strafor tasarımına müdahale edilebilecek son adım olmasıdır. Daha sonraki adımlarda yapılacak major değişiklikler işçilik açısından daha zorlu olacaktır.
SMP Model İmalatı Strafor işlemesi biten modelin yüzeyi laminasyon için hazırlanır. Öncelikle strafor yüzeyde işleme sonrası kalan çapaklar temizlenerek, yüzey elyafın yatırılmasına uygun hale getirilir. Daha sonra yüzey geometrisine göre kesilerek hazırlanmış elyaf yaprakları epoksi laminasyon reçinesi ile ıslatılarak el yatırması yöntemi ile strafor yüzeyine yatırılır. Yatırma işlemi yapılırken elyafın iyice ıslanmasına ve dip-köşe bağlantılarını arada boşluk bırakmadan dönmesine ve hava kabarcığı bırakmadan yüzeylere yapışmasına dikkat edilir.
SMP Model İmalatı Laminasyonu tamamlanan model kuruduktan sonra sıra SMP macun kaplama işlemindedir. Öncelikle yüzey zımparalanıp, hava kalan kısımlar yine elyafla tadil edilerek macunun kaplanabilmesine hazır hale getirilir. Bu işlemler yapılmadığı takdirde SMP macun yüzeyinin CNC işlenmesi sırasında ortaya yüzeydeki sürekliliğe etki eden problemler çıkacaktır. Strafor yüzeyi -15 mm offset ile işlenmiş ve üzeri 1-1,5mm kalınlığında elyaf tabakası ile kaplanmış model 25 mm kalınlığında SMP macunu ile kaplanır.
SMP Model İmalatı
SMP Model İmalatı SMP macunun kürlenme süresi yaklaşık 24 saattir. Macun tabakası kürlenmiş olan model CNC tezgahta bu sefer 0mm offsetli olarak, yani orjinal model yüzeyi datası seviyesinde işlenir. Bu işleme sonucunda ortaya çıkan yüzeyde minimum 10mm et kalınlığı olan macun tabakası kalması hedeflenir. Altında bulunan 2 kat laminasyonla beraber fazlasıyla rijit olan bu yüzeyden istenilen kalite ve detayda yüzey sağlanabilir.
SMP Model İmalatı CNC işlemesi biten modelin işleme sırasında üstünde oluşan hatve izlerinin giderilmesi ve gerekliyse ufak tadilat işlemlerinin de yapılabilmesi için tesviyesi yapılır. Tesviye ile yüzey, astarlama işlemi için hazırlanır. Öncelikle astar ile yüzey üzerinde çok ince bir koruyucu tabaka oluşturulur. Daha sonra tekrar ince kum zımparalar ile tesviye yapılarak son kat boya atılır.
SMP Model İmalatı Son kat boya uygulaması sonrası yüzeyin parlatması yapılır. Bu parlatma adımı yüzeyin pürüzsüzlüğünün sağlanması ve buna bağlı olarak modelden üretilecek kalıbın rahatça sökülebilmesi için çok önemlidir. Zaten istenilen tüm detayları taşıyabilecek kadar rijit olan yüzeyin parlatmasının da iyi yapılması modelden alınabilecek kalıp (ürün) sayısını ve bu kalıbın (ürünün) yüzey kalitesini doğrudan etkiler
SMP Model İmalatı Resimde yeşil renkle görünen HS bünyesinde üretilen tekne karina modeli kullanılarak üretilmiş kompozit kalıp, beyaz renkle gözüken ise bu kalıptan alınmış kompozit nihai üründür. Kalıpta ve üründeki yüzey kalitesi açıkça görülmektedir, değişik üretim tekniklerinde ancak bu aşamalarda ortaya çıkabilecek yüzey kusurları SMP tekniğinin sağladığı yüzey kalitesi ve sürekliliği sayesinde ortadan kalkmıştır. Ayrıca söz konusu kalite sadece ilk ürün için değil aynı model/kalıptan alınacak çok sayıdaki ürünler için de geçerliliğini koruyacaktır.
Teşekkür ederiz... www.hexagonstudio.com.tr 38