İMALATA GİRİŞ Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, Bölüm 1 9. İMALATA GİRİŞ Mehmet DEMİRKOL 1. İmalat Nedir? 2. İmalatta kullanılan Malzemeler 3. İmalat Yöntemleri 4. Üretim Sistemleri İmalat Neden Önemlidir? Teknolojik olarak, Ekonomik olarak, Tarihi olarak. İmalatın Teknolojik Önemi Teknoloji Toplumun gereksinimlerine ve taleplerine cevap vermek üzere bilimin uygulanışıdır. Teknoloji toplum bireylerinin daha iyi ve rahat hayat sürebilmesi için gerekli ürünleri ortaya koyar. Bu ürünlerin ortak özelliği hepsinin de imal edilmiş olmasıdır. Dolayısıyla imalat teknolojinin uygulanabilir olmasının önemli bir örneğidir. İmalatın Ekonomik Önemi ABD Ekonomisi (2000): İmalatın Tarihsel Önemi Tarih boyunca imalat teknolojisini geliştiren ve kullanan toplumlar daha başarılı olmuşlardır. İmalat devletlerin refah yaratma vasıtalarından biridir. Sektör % GSMH İmalat 20 Tarım, maden, vb. 5 İnşaat 5 Servis sektörü Taşımacılık, bankacılık, iletişim, eğitim vb. 70 Örneğin: Daha iyi ve gelişmiş takımları kullanarak daha iyi el işi imalatı ve silah yapabilen toplumlar daha rahat koşullarda yaşayıp çevre ülkeleri zapt edebilmişlerdir. Belli bir ölçüye kadar medeniyet tarihi insanoğlunun imal edebilme becerisini yansıtmaktadır. 1
Makine Takım Enerji İş gücü İmalat Nedir? İMALAT (manufacture) kelimesi Latince manus (el) ve factus (yapım) kelimelerinden türemiştir. İmalat deyimi 1500 lü yıllardan bu yana el yapımı imalatı (zanaat) da dahil olmak üzere kullanılmaya başlamıştır. Günümüzde imalat operasyonları insanoğlunun kontrol ettiği mekanize ve otomatik ekipmanlar vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Figure 1.1 (a) Teknik bir süreç olarak imalat. Teknolojik Açıdan İmalat İmalat malzemelerin geometrisini, özelliklerini ve görünüşünü değiştirerek parça ve ürün elde edebilmek için fiziksel ve kimyasal yöntemlerden yararlanmaktır. İmalat montaj sürecini de kapsamakta olup daima birbirini takip eden operasyonları içerir. Başlangıç Malzemesi İmalat Yöntemi Mamul (Ürün) Hurda ve atıklar Ekonomik Açıdan İmalat İmalat Sanayi Figure 1.1 (b) Ekonomik bir süreç olarak imalat İmalat şeklini ve özelliklerini değiştirerek malzemelere değer katmaktır. Başlangıç Malzemesi İmalat Yöntemi Süreçteki Malzeme Katma Değer 10 TL 100 TL Mamul (Ürün) Sanayi piyasaya ürün ve servis hizmeti sunan firma ve organizasyonlardan oluşur. Sanayi kuruluşları şu şekilde sınıflandırılır: 1. Birincil Sanayi- Toprak işlemek, maden kaynağı işletmek gibi tabi kaynakları değerlendirenler 2. İkincil Sanayi- Birincil sanayinin ürettiği malzemeleri alıp tüketici için ürüne dönüştürenler (imalat ana faaliyettir) 3. Üçüncül Sanayi- Servis sektörü İmalat Sanayi (devam) İkincil sanayi imalat, inşaat ve enerji üretimini içermektedir. İmalat aynı zamanda bu dersin konusu olmayan tekstil, meşrubat, gıda, kimya gibi sektörleri de içermektedir. Bu dersin kapsamı içinde imalat; katı şekilde çoğunlukla metalden imal edilen parçaların üretimini kapsamaktadır. (örneğin cıvata, somun, dövme parçalar, otomotiv parçaları, uçak parçaları, plastik ve seramik parçalar vb.) Üretim Miktarı, Q Bir firmanın imal edeceği mamulün miktarı (Q) o firma açısından kullanacağı iş gücü, iş yeri, enerji, makine ve yöntemlerin belirlenmesi bakımından önemlidir. Yıllık üretim miktarları şu şekilde gruplanır: Üretim Tipi Düşük Orta Yüksek Yıllık Üretim Miktarı Aralığı 1-100 adet 100-10,000 adet 10,000 milyonlarca adet 2
Ürün Çeşitliliği, P Ürün Çeşitliliği, P Ürün çeşitliliği kuruluşta üretilen farklı ürün ve modellerin sayısını ifade eder. Farklı ürünler farklı özelliklere sahip olup farklı pazarlara yöneliktir. Bazılarında içerdikleri parça sayılarında da faklılık vardır. Kuruluşta üretilen farklı ürünlerin sayısı sayılıp ürün çeşitliliği bu değerle ifade edilebilir. Ürün tiplerinin sayısının fazla olması durumunda kuruluşun ürün çeşitliliği yüksek demektir. Üretim Miktarı ve Ürün Çeşitliliği İlişkisi Düşük Orta Yüksek Figure Üretim 1.2 P-Q Miktarı, Relationship Q Ürün Çeşitliliği (devam) P sayısal bir değişken olmasına rağmen Q dan daha düşük belirginliğe sahiptir. Ilımlı Ürün Çeşitliliği- Ürünler arasında küçük farklılıklar vardır. (Örneğin aynı üretim hattında üretilen araç modellerinde olduğu gibi birçok parça ortak) Keskin Ürün Çeşitliliği- Ürünler önemli derecede farklıdır. (Örneğin küçük bir otomobil ile büyük bir kamyonda olduğu gibi varsa az sayıda parça ortak) İmalat Kabiliyeti İmalat yöntemine, sistemlerine ve iş gücüne sahip imalatçı bir firma; malzemelere değer katarak şekil verip ürüne dönüştürebilme yeteneğine sahip olacak şekilde tasarlanır. Malzeme, imal usulleri ve sistemleri modern imalatın ana unsurları olarak kabul edilir. Bir firmanın imalat kabiliyeti; 1. Teknik açıdan imalat kabiliyeti (proses), 2. Fiziksel sınırlamalar (ürün boyutu), 3. Üretim kapasitesi ile tanımlanır. 1. Teknolojik İmalat Kabiliyeti Kuruluşta mevcut olan imal usulleri uygulama kapasitesi olarak tanımlanır. Bazı imalat yöntemleri bazı malzemelere daha uygundur. Dolayısıyla bazı yöntemlerde uzmanlaşma buna uygun malzemelerde uzmanlaşmayı da beraberinde getirir. Örnekler: Bir atölye çeliği haddeleyemez, Bir haddehane araba imal edemez gibi. 2. Ürünün Fiziksel Sınırlamaları Belli imalat yöntemlerini kullanan bir fabrika veya atölyede imal edilecek mamullerin boyut ve ağırlığına yönelik kısıtlar söz konusudur. Mamulün boyut ve ağırlığı: İmalat sırasında kullanılacak makineleri ile Malzeme taşıma sistemlerinin seçimini etkiler Diğer bir deyişle imalat makineleri ve transport sisteminin seçimi ile işyerinin düzenlenmesi imal edilecek mamullerin ağırlık ve boyutu dikkate alınarak yapılmalıdır. 3
3. Üretim Kapasitesi Endüstriyel bir kuruluşun belli çalışma koşullarında ve belli bir zaman aralığında (ay, yıl) en fazla üretebileceği mamul miktarı olarak tanımlanır. Çalışma şartları olarak vardiya sayısı, vardiyadaki çalışma süresi, işçi sayısı gibi faktörler dikkate alınır. Genellikle fabrikanın üretim miktarı olarak ölçülür (1.000.000 ton çelik/yıl, 100.000 otomobil/yıl gibi) Aynı zamanda firma kapasitesi olarak da tanımlanabilir. İmalatta Kullanılan Malzemeler Mühendislik malzemeleri üç temel gurupta sınıflandırılır: 1. Metaller (Demir, Demir-dışı) 2. Seramikler (Cam, Kristal) 3. Polimerler (Plastik, Lastik) Bu malzemelerin kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri farklıdır. Bu farklılıklar bu malzemelerden imal edilecek ürünlerin imal usullerini de etkiler. Diğer bir deyişle malzemeye uygun imalat yöntemi kullanılır. Figure 1.3 Asal malzemeler ve kompozitler Kompozitler Birden fazla esas malzeme gurubunun birleştirilmesiyle meydana gelirler. İmalat Yöntemleri İmalat iki tür uygulamayla gerçekleştirilir: 1. İmal Usulleri- Başlangıç malzemesini ilk halinden daha gelişmiş bir hale dönüştüren işlemlerdir. Bunlar malzemenin şeklini, özelliklerini ve görünüşünü değiştirir. 2. Birleştirme (Montaj) - Yeni bir parça oluşturmak üzere iki veya daha fazla imal edilmiş bağımsız parçanın birleştirilmesi işlemleridir. (metalürjik, kimyasal, mekanik vb. yöntemlerle) İmal Usullerinin Sınıflandırması Katılaştırma Yöntemleri (Döküm) İmalat Yöntemleri İMALAT İmal Usulleri Birleştirme Usulleri Şekillendirme Özellik İyileştirme Yüzey Kalıcı Birleştirme Toz (Toz Metalürjisi) Mekanik Şekillendirme (Plastik Şekil Verme) Malzeme Uzaklaştırma Yöntemleri (Talaşlı İmalat) Isıl İşlemler Yüzey Temizleme Yüzey Kaplama Yöntemleri Kaynak Lehimleme Yapıştırma Katma değer kazandırmak üzere malzemenin şeklini, görünümünü ve özelliklerini değiştirir. Üç ana kategoriye ayrılır: 1. Şekillendirme- Malzemeyi istenen şekle sokma 2. Özellik Geliştirme- Şekil değiştirmeden fiziksel özellikleri iyileştirme 3. Yüzey - İş parçasının yüzeyini temizleme, işleme ve kaplama. Dişli Bağlama Elemanlarıyla Birleştirme (cıvata-somun) Mekanik Birleştirme Kalıcı Mekanik Birleştirme (perçin) 4
Şekillendirme Yöntemleri 1. Katılaştırma Yöntemleri- Başlangıç malzemesi sıvıdır (veya yarı sıvı) 2. Toz Yöntemleri Başlangıç malzemesi toz halindedir 3. Mekanik Şekillendirme Başlangıç malzemesi genellikle katı halde sünek metaldir 4. Talaş Kaldırma Başlangıç malzemesi sünek veya gevrek katı haldeki malzemedir. Yolluk Katılaştırma Yöntemleri Başlangıç malzemesi ergime sıcaklığının üzerine ısıtılarak malzeme sıvı hale getirilir. Metal döküm, plastik kalıplama vb. Pota Ergimiş Metal Ayırma Yüzeyi Kum Kalıp Düşey ve Yatay Yolluklar Katı Döküm Parça Toz Başlangıç malzemesi metal ve seramik tozlarıdır Tozlar önce preslenerek sıkıştırılır, daha sonra yüksek sıcaklıklarda sinterlenir.(bir çeşit tavlama ısıl işlemi) Mekanik Şekillendirme (Plastik Şekil Verme) Başlangıç malzemesi katı halde büyük basınçlar kullanılarak kalıbın öngördüğü şekil verdirilir Örnek: (a) dövme, (b) ekstrüzyon Toz Presleme İş parçası Talaşlı İmalat Fazla malzeme yüzeyden kesici takımlar kullanılarak kaldırılır ve istenen şekle getirilir. Örnek: a.tornalama, b. delme, c. frezeleme vb. İmalatta Malzeme Kayıpları Parçaya şekil verme sırasında atık malzemenin en aza indirilmesi hedeflenir. Talaşlı imalat en fazla atık malzeme üreten yöntemlerdir. Bazı döküm yöntemleriyle toz metalürjisi en az atık üreten yöntemlerdir., Asgari veya hiç atık üretmeyen teknolojilere (Terminology for minimum waste processes:) Net Şekillendirme Yöntemleri (Hiç işlemeye ihtiyaç bırakmaz) (Net Shape Processes) Nete Yakın ŞekillendirmeYöntemleri (az miktarda işleme gerektirir) (Near Net Shape Processes) 5
Özellik Geliştirme Yöntemleri Parça malzemesinin fiziksel ve/veya mekanik özelliklerini beklenen performansa göre iyileştirmek amacıyla uygulanır. Parçanın şekli değişmez (çarpılma gibi istenmedik durumlar hariç) Örneğin su verme sonrası parçadaki elastik çarpılmalar Örnekler: Metal ve alaşımların ısıl işlemleri (sertleştirme, yumuşatma vb.) Toz metal ve seramiklerin sinterlenmesi Yüzey Temizleme Parça yüzeyini kir, yağ, çapak gibi maddelerden temizlemek üzere kullanılan kimyasal ve/veya mekanik yöntemler (yıkama) Yüzey - Yüzey bilyalama (Shot peening) gibi mekanik, yayınma yardımıyla yüzey sertleştirme gibi termokimyasal işlemler (sementasyon) Yüzey Kaplama- Parçanın yüzeyini metal veya organik bir tabakayla kaplama işlemleri (PVD, boyama) Birleştirme Yöntemleri Yeni bir parça oluşturmak üzere birden fazla parçanın birleştirilmesi işlemidir. Birleştirme Yöntemleri: 1. Metalürjik ve kimyasal yolla birleştirme: Kaynak, sert lehim, yapıştırma, 2. Mekanik Birleştirme: Mekanik elemanlarla birleştirme yöntemleri Cıvata-somun bağlantıları, vidalama, sıkı geçirme, perçin bağlantıları vb. Üretim Sistemleri İşgücü, imalat makinaları ve imalat yöntemlerinden firmalarda imalat aktivitelerini yerine getirmek amacıyla yararlanılır. İmalatçı bir firmanın imalat faaliyetlerini etkin bir şekilde uygulayabilmesi için uygun imalat yöntemleri ve sistemleri olmalıdır. Üretim sistemleri iki kategoride gruplanır: Üretim İmkanları Üretime destek olan sistemler Üretim İmkanları İşyeri, imalat makine ve teçhizatı ile malzeme taşıma sistemleri bir imalatçı işletmenin üretim imkanlarını oluşturur. İmalat makineleri parçaya şekil verir ve bunlar fabrika içine imalat yöntemine uygun olarak yerleştirilir (Plant Lay-out) Donanım genellikle guruplar halinde organize edilerek (imalat sistemleri) fabrikaya yerleştirilir. Örnekler: Otomasyonlu üretim hattı 2 tezgah ve robot içeren hücresel imalat sistemi vb. 6