Tasarım Metodolojisi 6 Üretim yöntemi seçimi yapılırken şu etkenler göz önünde bulundurulmalıdır : Ürünün temel şekil ve büyüklüğü, Malzemenin türü ve gerekli mukavemet değerleri, Maliyet ve kalite yönünden ekonomiklik, Üretim zamanının uzunluğu ve Üretimde kullanılacak araç-gerecin (ekipmanların) firmada mevcut olup olmaması gibi hususları dikkate alınmalıdır. Konu: Doç.Dr. Ahmet DEMIRER Üretim Yöntemleri ve Karakteristikleri: Üretim yönteminin seçiminde, öncelikle söz konusu tasarımın şekli, malzemesi ve üretimi yapacak olan işletmenin sahip olduğu olanaklarla yakından ilgilidir. Ürünün şekli ve boyutları, çalışma koşulları, Malzemenin şekil alma kabiliyeti, üründen beklenen performans (dayanım, korozyon direnci, elektrik iletkenliği vb.) özellikleri, İşletmenin üretim olanakları (teknolojik bilgi birikimi ve teknik eleman durumu, makina parkı, dışa bağımlılık, malzeme teminindeki darboğazlar vb.) gibi faktörlerin olumlu olması, üretim yönteminin seçimi konusunda tasarım mühendisine karar verme esnekliği sağlayacaktır. Tüm bu hususlar göz önünde bulundurulduğunda makine yapımı alanında başvurulabilecek üretim yöntemleri, geniş anlamda, şu dört grup içinde sınıflandırılabilir; Talaş kaldırma yöntemi ile üretim, Sac malzemelerin elde şekillendirilmesi veya preslenmesiyle üretim, Döküm, dövme veya toz metalurjisi ve sonrasında gerekiyorsa makinalarla işleyerek üretim. Birleştirme (perçinleme, kaynak yapma, lehimleme, yapıştırma vb.) yöntemleriyle üretim. 1-Talaş kaldırma yöntemi İle üretim: Üretim yöntemleri içinde en sık başvurulan bir yöntemdir. Ürün şeklinin talaş kaldırma yöntemi ile işlenmeye elverişli olması ve bu iş için stokta uygun malzeme bulunması durumunda tercih edilecek bir yöntemdir. Ancak bu yöntem çok sayıdaki parça üretimi için yavaş ve pahalı olduğundan genelde uygun görülmez. Bu üretim yönteminin tercih edilebilmesi için, imalatın yapılmasında kullanılacak malzemelerin hazır (yarı mamul) çubuk veya boru şeklinde elde hazır bulunması ve gerekli kesme, delme, frezeleme veya tornalama gibi işlemleri yapacak olan tezgahların mevcut olması gerekir. Aksi taktirde avantajlı değildir. Bu malzemeler kullanılarak küçük parçalar istenen sayıda kolayca üretilebilir. Cıvata üretiminde altıgen şeklindeki çubukların torna tezgahında işlenmesi buna tipik bir örnek teşkil eder. 1
2-El ile veya presleme yöntemi ile üretim (Sac metal kalıplama): El ile şekillendirme işleminden insan gücünün kullanılması (sıvama yöntemi vb), preslemede ise bu işin bir makina ve kalıpla yapılmasıdır. Sac malzemeler; ince cidarlı ve kutu biçimli yapılarda (örneğin motorlu taşıtların kaportası; çamaşır makinası, buzdolabı vb. beyaz eşyaların kabinleri) ve kalınlıkları ince olan parçaların elde edilmesinde (örneğin rondela, sac dirsek, raf, boru kelepçesi vb.) kullanılmaktadır. Bu üretim yöntemi; diğer ince parça üretim yöntemleriyle kıyaslandığında hem daha hızlı üretim olanağı sağlar hem de çok fazla makina işçiliği gerektirmez. 2-El ile veya presleme yöntemi ile üretim (Sac metal kalıplama): Dikkatli bir çalışma ile üç boyutlu parçaların üretiminin de bu yöntemle yapılabilmesi mümkündür. Ancak döküm, toz metalurjisi veya makinalarda işleyerek elde edilebilecek kadar karmaşık yapıya sahip parça şekli elde edilmesi mümkün değildir. Burada dikkat edilmesi gereken önemli bir husus, malzemenin, soğuk şekillendirme esnasında çatlayıp bozulmayacak düzeyde sünekliğe sahip olmasıdır. Az sayıda veya büyük boyuttaki parçaların el ile, çok sayıda veya küçük boyutlu parçaların ise presleme yöntemi ile kalıpta üretimi daha uygundur. Büyük parçalar (örneğin taşıt kaportası), genellikle birkaç küçük parçanın kaynakla birleştirilmesi yoluyla elde edilirler. Eksantrik pres, Apkant ve zımbalama (Punch) makinası 3-Döküm, dövme veya toz metalurjisi yöntemi ile üretim: Döküm, dövme ve toz metalürjisi yöntemleri alternatif üretim seçenekleri arasında çok önemli bir yer tutar. Ürün şekli ve istenen hassaslık, makinada işleme kapasitesine bağlı bir olaydır. Örneğin iyi tasarlanmış bir kokil kalıba döküm işlemi sonunda parça çok düzgün bir yüzeye sahip olup ya hiç yada çok az miktarda makinada işlenmeyi gerektirir. Ancak kum kalıba dökümde veya dövme işleminde hemen hemen her zaman makina işçiliğine ihtiyaç duyulur. Burada amaç, makina işçiliği pahalı ve zaman alıcı olduğundan daima makina işçiliği gerektiren unsurlardan kaçınmak veya bunu en aza indirgemek olmalıdır. Yüksek mukavemetli bir dövme ürünü veya kritik kısımları olan bir parçanın yüksek doğruluk değerinde (dar tolerans sınırlarında) üretimi söz konusu olduğunda işlemeyi yapacak makinanın kendisinin ve işçiliğinin daha pahalı olacağı unutulmamalıdır. Toz metalurjisi (P/M): metal ve/veya metal olmayan küçük toz parçacıklarının istenen bileşimde harmanlanıp katıştırıldıktan sonra, istenen geometriyi alacak şekilde bir kalıbın içinde sıkıştırılması ve sonra fırında uygun sıcaklıkta ısıtılarak (sinterleme) toz parçacıklarının birbiriyle bağ kurmasının sağlandığı imalat yöntemidir. Toz metalurjisi ile ürünler genellikle ilave işlemlere gerek olmayacak şekilde (talaşlı işlemelere ihtiyacı ortadan kaldıracak son şekil veya son şekle yakın) seri olarak üretilebilir. Genellikle yüksek boyutsal hassasiyete sahip küçük, karmaşık parçaların seri üretiminde tercih edilir. Malzeme kaybı azdır. (tozun yaklaşık % 97 si mamule dönüştürülür.) Toz Metalurjisi (T/M) işlemi ilk olarak geleneksel döküm, sıcak ve soğuk presleme ve talaş kaldırma üretim yöntemlerine alternatif olarak geliştirilmiştir. 20 kg kadar büyük parçalar üretilebilir, fakat yaygın olarak 2 kg dan küçük parçalar üretilir. 2
Gözenekli filtreler Kesici takımlar Dişliler, burçlar, özel parçalar Kendinden yağlayıcılı yataklar 3-Döküm yöntemi ile üretim: zincir dişlisi, tespit elemanları, Sprocket: zincir dişlisi 3
Döküm Yöntemi ile Şekillendirme Model adı verilen bir parçanın bir kalıp içinde oluşturduğu boşluğa dökülen ergimiş metalle gerçekleştirilen üretim şekline genel olarak döküm adı verilir. Üretilen parçadaki delik ve çıkıntılar için modelin oluşturduğu boşluğa maçalar yerleştirilir. Günümüzde kum kalıba döküm, metal kalıba (kokil) döküm, kuyumcu (hassas) dökümü gibi birçok döküm çeşidi vardır. 13 Döküm Yöntemiyle Şekillendirme Bunlardan en eskisi olan kum kalıba dökümde kalıp, sıkıştırılmış kumdan yapılır. Kokil dökümde ise, kum yerine çelik kalıp ve çelik maçalar kullanılır. Çelik kalıplarla birlikte kum maçalar kullanılırsa buna yarı kokil döküm adı verilir. Sürekli kokil, püskürtme ve savurma (santrifüj) dökümler de esas itibariyle bir kokil dökümdür. Kuyumcu veya hassas dökümde model, alçak ergime noktalı mum, plastik gibi malzemeden yapılır. Kalıp yapıldıktan sonra ısıtılıp mum model eriyerek kalıptan dışarıya akıtılmak suretiyle kalıbın içerisinde arzu edilen boşluk ortaya çıktığından bu döküm şekline ergime döküm adı da verilmektedir. 14 Döküm Yöntemi (Santrüfüj döküm) Döküm Yöntemi (Hassas döküm) 15 16 4
Döküm Yöntemi (Hassas döküm) Döküm Yöntemiyle Şekillendirme 17 Dökülecek parçanın şekli, boyutu, ağırlığı ve düşük maliyeti bakımından kum kalıba dökümün sınırı yoktur. Ancak diğer döküm yöntemlerinin buna göre iki önemli üstünlüğü vardır: a)daha hassas yüzeyler ve bunun sonucunda daha az işleme payları gerektirmesi, b)üretim gücünün çok yüksek olması (seri üretim olanağı). Buna karşılık bu yöntemler, özellikle parça boyutları ve ağırlıkları bakımından, sınırlı kalırlar. Döküm yoluyla şekillendirilecek parçaların üretiminde aşağıdaki prensiplerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. 18 Plastik Teknolojisi (Plastik Enjeksiyon Yöntemi) Plastik enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretim: Şekil.Bir plastik enjeksiyon makinasının çalışma prensibi 1-Granül haldeki plastik malzeme 2-Sonsuz vida tahrik dişlisi 3-Enjeksiyon basınç göstergesi 4-Enjeksiyon konum kumanda şalteri 5-Sevk eden karıştıran sonsuz vida 6-Elektrikli silindir ısıtıcısı 7-Makina silindiri 8-Enjeksiyon makina memesi (lülesi) 9-Enjeksiyon kalıbı a) Sonsuz vida, hidrolik bir pistonla ileri doğru itilir, bu esnada erimiş malzeme kalıba dolar. b) Eriyik haldeki plastik malzeme son bir basınçla (tutma-ütüleme basıncı) kalıbı doldurur. c) Kalıp açılarak parça düşer ve yeni bir çevrim için eriyik malzeme silindir ön haznesine dolar. 5
Plastik enjeksiyon ve şişirme kalıplama yöntemi ile üretim: Plastik Şişirme kalıplama yöntemi: Plastik Ekstrüzyon kalıplama yöntemi: 4-PERÇİN, KAYNAK, LEHİM, YAPIŞTIRMA YÖNTEMLERİYLE ÜRETİM: Çeşitli kalınlıktaki sac malzeme, ekstrüzyon ürünü (kalıpta çekilmiş metal malzeme), makinalarla işlenerek elde edilen parçalar vb. elemanlar bu yöntemlerle birleştirilerek daha büyük parçalar elde edilebilir. Karmaşık şeklinden dolayı diğer birçok yöntemle üretimi mümkün olmayan veya zor olan ve üretim programında döküm, dövme vb. yöntemler için yeterli zamanın ayrılamadığı durumlarda bu birleştirme yöntemleri ön plana çıkmaktadır. Bu üretim yöntemlerinde her şeyden önce malzeme için uygun olan birleştirme yöntemi seçilmeli ve ürün tasarımı aşamasında, gerek zorlanma esnasında sorunlara gerekse korozyon vb. olaylara zemin hazırlamaması bakımından, birleştirme yerleri doğru seçilmelidir. 6
ÜRETİM YÖNTEMİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER: Üretim yöntemi seçilirken, üründen beklenen işlevlerin en iyi şekilde yerine gelebilmesi açısından birçok etken göz önünde bulundurulmalıdır. Üretim yöntemlerinin kendine özgü prensiplerine de bağlı kalmak koşuluyla bu konudaki önemli etkenler aşağıda özetlenmiştir. Bütün diğer koşullara rağmen daima en iyi ve en ekonomik üretim yönteminin, firmanın sahip olduğu olanaklarla yapılacak olan üretim olduğu unutulmamalıdır. a) Üretim şekli, doğruluk ve boyutlar: Döküm işleminde ergimiş metal kullanıldığından çok karmaşık şekiller dahi kolayca ve oldukça yüksek doğruluk derecesinde (ölçüsünde) üretilebilirler. Yine karmaşıklığın derecesine ve doğruluğa (toleranslara) bağlı olarak döküm yoluyla oldukça büyük boyutlarda ürün elde edilebilir. Parça için gereken boşluklar kolay elde edilebildiğinden hemen hemen her boyuttaki parça için kum kalıba döküm yapmak mümkündür. Burada tek sınırlama, ergimiş metalin kalıba dökülmeden önce kalıp içinden modelin çıkarılması işlemidir. Diğer döküm yöntemleri ile kıyaslandığında burada elde edilen ürünün doğruluk yönünden çok kaliteli olmadığı görülür. Bu nedenle parçaların genellikle ikinci bir işlem olarak talaş kaldırma yöntemiyle işlemesi gerekebilir. ÜRETİM YÖNTEMİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER: a) Üretim şekli, doğruluk ve boyutlar (devam) Kum kalıba döküm yöntemine benzer diğer bir döküm yöntemi de kokil kalıba dökümdür. Burada kalıplar kumdan değil metaldendir. Bu sayede daha kaliteli ve doğruluk derecesi daha yüksek döküm ürünlerinin elde edilmesi mümkündür. Metal kalıplarda parçaya verilecek şekil daha sınırlıdır. Çünkü kum kalıpta kum dağıtılarak parça dışarı alındığı halde metal kalıptan doğrudan ve kalıp bozulmadan alınmak durumundadır. Ergimiş metal belli bir basınç ile kokil kalıp içindeki boşluğa gönderilirse doğruluk derecesi daha yüksek ve kaliteli döküm ürünler elde edilir. Ancak bu yöntem ile içi boş parçalar üretilmemeli ve ürün kalıptan hızlı çıkarılmalıdır. Bu nedenle genellikle küçük ve orta boyutlardaki parçaların üretimi için uygun bir yöntemdir. Karmaşık ürünlerin döküm yoluyla elde edilmesinde kalıp maliyeti artmaktadır. Toz metalürjisi ile küçük fakat istenen doğruluk ve kalitede ürün elde etmek mümkündür. Bu yöntemle üretilen parçaların şekli sınırlı olmak durumundadır. Çünkü toz metalin akışı kolay ve yeterli olmazsa kalıp içinde istenilen malzeme yoğunluğu sağlanamayacak olup elde edilen ürün de beklenen kalitede olmayacaktır. Dövme yöntemi kullanılarak küçük ve orta büyüklükteki parçalar üretilebilir. Ancak katı haldeki metali şekillendirmek kolay olmadığından basit şekilli parçalar tercih edilmelidir. Boşluklu parçaların dövme yöntemi ile üretilmesi yoluna gidilmemelidir. Dövme, döküm veya toz metalurjisi gibi yöntemlerle üretilmiş parçaların son ve doğru şekli, genellikle, makina ile işlenerek elde edilir. b) Ürünün Mukavemet Değeri Mukavemetin önemli olduğu durumlarda yüksek dayanım sağlaması nedeniyle dövme yolu ile şekillendirme en iyi yöntemdir. Döküm yoluyla üretilen parçaların mukavemet değerleri pek yüksek değildir. Toz metalurjisi ile üretilen parçaların mukavemeti ise düşüktür. Ancak iyi bir tasarım ve uygun malzeme seçimi ile döküm veya toz metalurjisi yöntemleriyle üretilen parçalarda da yeterli mukavemet değerleri sağlanabilir. Makina ile işlenerek (talaşlı üretim) elde edilen ürünlerin mukavemet değeri için, genellikle, kullanılan malzemenin mukavemet değerleri esas alınır. Derin çekme, kaynaklı birleştirme vb. yöntemlerle yapılan üretimde elemanın bir ısıl işleme (gerilme giderme tavlaması) tabi tutulması uygun olacaktır. c) Ürünün yapıldığı malzeme: Malzemenin ürün şeklini alabilmesi için sahip olması gereken fiziksel ve mekanik özellikler (üretim özellikleri bakımından) aynı zamanda elde edilen ürünün çalışma esnasında göstereceği performansa da (elemanın görev özelliği) uygun olmalıdır. Diğer en önemli hususlardan birisi de; gerek görev özelliği bakımından gösterdiği performansın yeterli olması gerekse ekonomiklik açısından uygun bulunmasına karşın malzemenin üretimde bazı sınırlamalara sebep olmasıdır. Çünkü bazı malzemeler özel bir üretim yöntemi gerektirdiği gibi bazı üretim yöntemleri de ancak bazı özel malzemelere uygulanabilmektedir. Örneğin kokil kalıba dökümde malzemenin düşük ergime noktasına sahip olması istenir. Çünkü metal kalıbın preste işlenebilmesi için kendi malzemesinin sünek bir yapıya sahip olması gerekir. d) Gerekli üretim miktarı: Üretim miktarı işin ekonomik boyutunu ilgilendiren bir husustur. Az sayıdaki üretimde el işçiliği ile üretim yapılır (otomasyonsuz üretim ) Ancak sayı arttıkça alternatif üretim yöntemleri araştırılır ve en uygun olana karar verilir. Özellikle döküm ve toz metalurjisi gibi üretim yöntemleri oldukça pahalı bir yol olup ancak belli bir sayının üstünde üretim yapılacaksa tercih edilmelidir. En ekonomik üretim yöntemi, firmanın sahip olduğu imkanlarla yapılmasıdır. 7
ÜRETİM YÖNTEMİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER: e) Gerekli üretim maliyeti Amaç kaliteli olanı en ucuza üretmektir. Özel şekle sahip parçaları pahalı olan özel döküm yöntemleriyle üretmek gerekebilir. Bazen iki veya daha fazla parça, değişik bağlama yöntemleri ile tek parça haline getirilebilir. Alternatif Üretim Yöntemlerinin Değerlendirilmesi Üretim için son karar verilmeden önce alternatifler birbirleriyle kıyaslanmalıdır. Örneğin bir krank mili bir takım yöntemlerle yapılabilir. Benzinli hava aracı için Büyük motorlar için Krank mili Milin tornada işlenmesi Dövme veya döküm yöntemi Dövme yolu ile üretimde; Krank mili daha mukavemetlidir. Ancak daha pahalıdır (nedeni donanım ve kalıp imali) ve son işlemde önemli miktarda talaş alma işçiliği vardır. Döküm yolu ile üretimde; Krank mili daha zayıf mukavemetlidir. Ancak daha ucuzdur. Ve son işlemde çok az miktarda talaş alma işçiliği vardır. Dövme Kalıbı Toz metalurjisi Kokil Kalıbı ÜRETİM YÖNTEMİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER: Alternatif Üretim Yöntemlerinin Değerlendirilmesi Son karar, mukavemet ve maliyet değerleridir. Dökümde parça şekli karmaşıksa hassas döküm kullanmak mümkün değildir. Bunun yerine Kum döküm veya kokil kalıba döküm tercih edilmelidir. Parça sayısına bağlı değildir. Hassas değildir, Son işlem olarak talaş kaldırma gerekir. Parça sayısına bağlıdır (kalıp maliyeti) Hassasdır. Yüksek ergime noktalı malz. uygun değildir. Son işlem olarak talaş kaldırma gerekmez. Sonuç olarak Üretim yönteminin seçiminde : 1)malzeme türü 2)ürün sayısı 3)ürünün doğruluk derecesi (beklenen hassasiyet) ve 4)görünüm gibi faktörler referans alınarak karar verilmelidir. Küçük parçaların üretiminde toz metalürjisi yöntemi, düşük ve yüksek ergime noktalı malzemeler için de uygun olduğundan, kokil döküme alternatif oluşturabilir (uygun olmayan tek metal alüminyumdur). Ürünün hassasiyeti, üretim hızı ve parça sayısına bağlı olarak ekonomiklik açısından hemen hemen kokil kalıplama ile aynıdır. Ancak özel bir malzeme ve şekil için, toz metalürjisinde eleman mukavemeti diğer yöntemlere nazaran daha düşük olur. Alternatif Üretim Yöntemlerinin Değerlendirilmesi: Acil durumlarda ve az sayıda ürün için hazır malzeme kullanımı en uygun yöntemdir. Çünkü hazır malzemeden makina ile işleyerek ürün elde edilmesi döküm işlemine göre çok daha hızlı olacaktır. Eğer dış görünüm de önemli değilse fabrikasyon üretim (ekstrüzyonla elde edilmiş hazır profilli malzeme) dökümden çok daha ucuza mal olacaktır. Üretim Yönteminin Ayrıntı Tasarımı ile İlişkisi: Tasarım ürününde özel şekillendirme ve buna bağlı olarak özel üretim yöntemleri uygulanması gerekiyorsa ayrıntıların alternatifleri tartışılmalı ve uygun yönteme karar verilip ürüne son şekli verilmelidir. Bu işlem üretimde oluşacak problemlerin minimuma indirilmesi bakımından son derece önemlidir. 8
Kaynaklar: 1-CÜRGÜL İsmail, SINMAZÇELİK Tamer, YETİŞTİREN Hülya, ZEREN Adalet, Makine Tasarımı ve Şekillendirme Tekniği, Birsen Yayınevi, İst. 2012. 2-DEMİRER Ahmet, Polimer Teknolojisi Ders Notları, SAÜ. 2013. 3-DEMİRER A., İmal usulleri Ders notları SAÜ. 2014. 9