İmalat

Cilt: 55Sayı: 650Mühendis ve Makina 23

mühendislerin sürekli olarak yenilik-çi yöntem ve proses arayışına yönlen-dirmektedir. Araştırmalar sonucunda yapılan geliştirmeler ise, ilk olarak prototip imalat alanında uygulanmak suretiyle endüstriyelleştirilmektedir. Fiziksel doğrulama ve fonksiyonel test gerektiren ürünler için bu işlemler, seri üretim öncesi, düşük hacimli / prototip imalat teknikleri kullanılarak imal edi-len parçalar üzerinde yürütülmektedir. Otomotiv sanayiinde metal ve plastik malzemeler daha yoğun kullanıldığın-dan, sac şekillendirme ve plastik parça imalat yöntemleri, prototip süreci ile birlikte, esnek imalat yöntemlerine du-yulan ihtiyaç bakımından da ön plana çıkmaktadır.

Plastik prototip parçaların, düşük ta-kım maliyetleri barındıran (soft too-ling) yöntemlerle, malzeme özellikleri benzeştirilecek şekilde imal edilmesi, düşük kalitede malzemeler ve daha ba-sit mekanizmalardan faydalanabilme dışında farklı bir avantaj sunmamakta-dır. Dolayısıyla bu yöntemler, zaman ve maliyet yönünden değerlendirildiğinde, düşük adetli üretimler için uygun olma-maktadır.

Geleneksel polimer parça imalat yön-temleri ise, ısıtma-şekillendirme-so-ğutma teknolojilerini bir arada gerek-tirdiğinden, zaman ve yatırım maliyeti açısından düşük adetli imalat ihtiyacını karşılamada yeterli olamamaktadır. Bu

faktör de esnek imalat sistemlerinin ge-rekliliği ortaya çıkmıştır.

Sayısal kontrollü şekillendirme yön-temlerinin, sadece çelik saclar için de-ğil; farklı alaşımlar ve polimerik mal-zemeler için de uygulanabilir olduğu, yapılan çalışmalar sonucunda tespit edilmiştir [1,2].

Bu yöntem, sac üzerinde lokal defor-masyonlar oluşturarak şekil verme esasına dayanmaktadır. Yöntemin uy-gulanmasında takım rijit malzemeden (HSS) olabildiği gibi su jeti kullanıla-rak yapılan şekil verme çalışmaları da mevcuttur. Ayrıca takımın yarım-küre formunda sabit uç şeklinde olduğu ya da uç kısımda yataklanmış, serbest ola-rak dönebilen küre formunda olduğu farklı takım yapıları çalışmalarda kul-lanılmıştır [3]. Martins ve ark. [4] yap-tıkları çalışmada konvansiyonel CNC freze tezgahı kullanmak suretiyle, beş farklı plastik malzemede duvar açıları-nı arttırarak konik formlar şekillendir-mişlerdir. Kalıpsız uygulanan bu işlem sonucunda, derin plastik parçaların söz konusu yöntemle şekillendirilebilir olduğunu ve yöntemin plastikler için kullanım potansiyelinin bulunduğunu bildirmişlerdir. PE ve PA malzemeler, çalışmada kullanılan diğer polimerlere göre daha sünek olduğundan, geniş açı değerine sahip cidarların şekillendiril-mesine daha uygun olduğu saptanmış-

1 6-7 Aralık 2013 tarihlerinde Makina Mühendisleri Odası tarafından Bursa’da düzenlenen 7. Makina İmalat Teknolojileri Kongresi’nde bildiri olarak sunulmuştur.2 TOFAŞ A.Ş. Yeni Yalova Yolu Caddesi, Osmangazi, Bursa - ali.sakin@tofas.com.tr3 TOFAŞ A.Ş. Yeni Yalova Yolu Caddesi, Osmangazi, Bursa - ismail.durgun@tofas.com.tr

Küresel rekabet ortamında zamansal ve finansal baskıların giderek artması, ürün geliştirme süreçleri dâhil olmak üzere birçok aşamada süreç iyileştirme çalışmalarını beraberinde getirmektedir. Yenilikçi imalat yöntemleri de konvansiyonel yöntemlere göre zaman, maliyet, sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sağlamaktadır. Sayısal kontrollü yöntemlerle plastik parça imalatı, geleneksel olarak nitelenebilecek ısıl şekillendirme (thermoforming) veya enjeksiyon yöntemlerine göre önemli avantajlar sunmaktadır.

Yürütülen bu çalışmada, araç torpidosu üzerinde bulunan kaplama parçasının imalatı, polietilen (PE) ve poliamit (PA) levhalardan, sayısal kontrollü şekillendirme tekniğiyle ve konvansiyonel bir dik işleme merkezi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Prototip olarak imal edilen parçalar optik yöntemle taranıp, matematik modelle karşılaştırılmış ve geometrik sapmalar analiz edilmiştir.

Sayısal Kontrollü Artımlı Şekillendirme Tekniği ile Plastik Parça Üretimi1

Ali Sakin 2, İsmail Durgun 3

1. GİRİŞ

Küresel rekabetin gereği olarak bir ürü-nün pazara erkenden girip, kısa sürede mevcut ürünlerin yerini alması yönünde duyulan ihtiyaç ve gelen talepler, ürün geliştirme süreçleri üzerinde zamansal ve finansal baskıya yol açmakta; bu da

Cilt: 55 Sayı: 650 Mühendis ve Makina 24 Cilt: 55

Sayı: 650Mühendis ve Makina 25

proseslere göre daha küçük olmakta-dır.

• Parça ebatları, tezgâhın limitleri ile sınırlıdır.

• İyi bir yüzey kalitesi elde edilebilir.

SPIF yönteminin dezavantajları:• Konvansiyonel derin çekme operas-

yonlarına göre daha uzun şekil ver-me süresi gerekmektedir.

• İmalat süresinin uzun olması, düşük adetli üretim ihtiyaçlarını karşılar-ken seri üretimde kullanımını kısıt-lamaktadır.

• Dik açılı duvarlara, form verilebil-mesi için çok-kademeli şekil verme stratejileri kullanılmalıdır.

• Oluşan geri yaylanma, düzeltici al-goritmaların kullanımı ile önlenebil-mektedir.

• Dış bükey radyus ve büküm kenar-larında, geometrik doğruluk daha az olmaktadır [11].

3. PLASTİK PARÇA ÜRETİMİ

Sayısal kontrollü şekillendirme yönte-minin polimer levhaların şekillendiril-mesindeki performansının analizi için Şekil 2’de gösterilen Yeni Linea aracı torpidosu üzerinde bulunan sol kapla-ma parçası, CNC dik işleme merkezi li-mitlerine ve parça geometrisine uygun olmasından dolayı seçilmiştir.

Sol kaplama parçasının matematik mo-deli kenar konturlarından başlayarak,

bilmektedir. Bu uygulamada döküm po-liamit (Kestamid) malzeme, etki eden kuvvetlerin küçük olması ve çeliğe göre daha hızlı işlenebilir olmasından dolayı tercih edilmiştir.

Plastik parça üretimi 3 mm kalınlığın-da, PE ve PA olmak üzere iki farklı mal-zeme için gerçekleştirilmiştir. İmalat esnasında kullanılan polimer levha me-kanik özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Plastik parça üretimi için oluşturulan geometri üzerinde minimum radyus analizi yapıldığında, minimum iç bükey radyus değerinin 5 mm değerinden bü-yük olduğu dolayısıyla çap 10 mm küre karbür takım kullanımının, parça yüze-yi üzerindeki tüm detayların oluşturul-masında yeterli olacağı belirlenmiştir.

Polimer levhanın, sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi kullanılarak imalatı için takım yolu UG NX CAM yazılımında Z level profile takım yolu stratejisi kullanılarak oluşturulmuştur. Bu algoritma duvar temizleme algorit-ması olarak da bilinmekte ve yukarıdan

ise temas noktası iki olabilmektedir. Bu yöntemlerden ilki SPIF(Single Point Incremental Forming) tek noktada kon-tak esasına dayanan, kalıp veya destek gerektirmeyen yöntemdir.

Bu çalışmada tek nokta temas ile ger-çekleştirilen kalıpsız sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi kullanılmıştır. Tek nokta ile form verme işlemi, sı-vama (spinning) ve gerdirmeli form (stretch forming) verme tekniklerinin kombinasyonuna ilave olarak eksenel simetrisi olmayan parçalara da form verilebilmektedir [8]. Levha malzeme, detayları Şekil 1’de gösterilen metal karkas üzerine, tutucu plaka ile sabitle-nir. CNC dik işleme merkezinde, küre uçlu takım kullanılarak, polimer levha, oluşturulan takım yoluna göre şekillen-dirilir.

SPIF prosesinin avantajları [10]:• Parçanın CAD dosyası kullanılarak,

üretime direkt olarak başlanılabilir.• Erkek veya dişi kalıp kullanılmadan

parça şekillendirilebilir.• Tasarım değişiklikleri kolay ve hızlı

bir şekilde uygulanabilir.• Yöntem konvansiyonel CNC freze

tezgahında uygulanabilir. • Dikey ilerlemenin küçük adımlarla

yapılmasından dolayı, proseste mey-dana gelen kuvvetler, konvansiyonel

sayısal kontrollü şekillendirme de kul-lanılacak polimer levha kenar kontur-ları arasında yüzey geliştirme işlemleri UG NX yazılımı kullanılarak tamam-lanmıştır (Şekil 3).

Şekillendirme işlemi için dik işleme merkezinde kullanılan ve polimer lev-hanın sabitlendiği aparat Şekil 4’te gösterilmiştir. Aparatı oluşturan 20 mm kalınlığındaki iki plaka çelik veya po-limer gibi farklı malzemelerden yapıla-

tır. PVC malzemede daha az geri yay-lanma olduğu ve geometrik olarak daha hassas parça üretiminde bu malzeme-nin kullanılabileceği belirtilmiştir. Po-lioksimetilen (POM-Delrin) malzeme ise denenen malzemeler içinde en kötü performansı göstermiş olup, yüksek kırılganlık ve geri yaylanma değerleri nedeniyle sayısal kontrollü şekillendir-me yöntemi için uygun bir malzeme ol-madığı sonucuna varılmıştır. Le ve ark., [2] ise, sayısal kontrollü şekillendirme yönteminin termoplastik malzemelere uygulanabilirliğini incelemişlerdir. Ta-kım çapının termoplastik malzemelerin şekillendirilebilirliği üzerinde önemli etkisinin olduğu; aynı zamanda adım ve takım çapı ya da takım çapı ve iler-leme değerlerinin şekillendirilebilirliği önemli derecede etkilediğini belirtmiş-lerdir. Ayrıca, iş mili devrindeki artışın da şekillendirilebilirliği önemli ölçüde arttırdığı saptanmıştır. Franzen ve ark. [5] düşük adetli üretimler için yüksek kalitede polimer levhadan plastik parça üretiminin sayısal kontrollü şekillendir-me ile yapılabileceğini yürüttükleri ça-lışma ile göstermişlerdir. Bu çalışmada, konvansiyonel bir ticari CNC freze ile prosesin ana parametrelerini değiştire-rek şekillendirilebilirlik sınırlarını de-ğerlendirmişlerdir. PVC levhanın oda sıcaklığında, sayısal kontrollü şekil-lendirme yöntemi ile şekillendirilebile-ceği; ileriye dönük olarak da karmaşık yapılı polimer malzemeden üretilen levhaların yüksek derinlik değerlerinde imalatı için gelecek vaat ettiğini vur-gulamışlardır. Silva ve ark. [6], sayı-sal kontrollü şekillendirme prosesinde PVC levhalardan üretilebilecek parça-ların düşük maliyetli ve düşük adetli üretimler için uygunluğunu ve önemli proses değişkenlerini analiz etmişlerdir. PVC malzemenin şekillendirilebilirlik özelliğini değerlendirmek amacı ile farklı açılarda koni şekillerini çalışmış-lar ve PVC levhaların oda sıcaklığında, derin parçaların sayısal kontrollü şekil-lendirme potansiyelinin olduğunu tespit etmişlerdir. Sac parçaların, düşük adetli üretimleri için günümüze kadar birçok alternatif yöntem geliştirilmiş olmakla

birlikte plastik parçaların düşük adetli üretimleri için çok sayıda alternatif ge-liştirilmemiştir [7].

Sayısal kontrollü şekillendirme yönte-minin plastik parçalara uygulanması, kalıp maliyetlerinin olmaması, takım yolu oluşturularak parçanın direk ola-rak üretilmesi avantajını sunmaktadır. Çalışmada plastik levhadan sayısal kontrollü şekillendirmeye uygun bir parçanın takım yoluyla üretilmesi ve geometrik doğruluğu analiz edilmiştir.

2. SAYISAL KONTROLLÜ ŞEKİLLENDİRME YÖNTEMİ

Sayısal kontrollü şekillendirme yön-temi, birçok farklı proseste kullanıl-maktadır. Bu yaklaşımda, malzeme deformasyonu lokal ve artımlı olarak yapıldığından, şekillendirme kuvvetleri konvansiyonel proseslere göre oldukça küçüktür.

Sayısal kontrollü şekillendirme yakla-şımında kullanılan malzeme (sac, titan-yum, plastik...), takım (HSS rijit takım, su jeti...) ve temas durumuna (tek nokta kontak, iki nokta kontak...) bağlı ola-rak farklılıklar göstermektedir. Sayısal kontrollü şekillendirme prosesinde çe-şitli unsurlardan biri, malzemeye temas eden nokta sayısıdır. Tek takım kulla-nıldığında temas sayısı tek, karşı takım veya destek, alt kalıp kullanıldığında

Şekil 1. SPIF – Ekipman Kesit Görünüşü [9]

Şekil 2. Torpido sol kaplama parças

Şekil 2. Torpido Sol Kaplama Parçası

Şekil 3. Plastik Parça Üretimi İçin Oluşturulan CAD Model

Şekil 4. Plastik Parça Üretim Aparatı

Polimer Yoğunluk (kg/m3)

Elastisite Modülü (MPa)

Akma Gerilmesi (MPa)

ISO 1183 ISO 527 ISO 527

PA 6 1140 3300 80

PE 500 960 1300 28

Tablo 1. PA ve PE Malzemelerin Mekanik Özellikleri [12]

Cilt: 55 Sayı: 650 Mühendis ve Makina 26 Cilt: 55

Sayı: 650Mühendis ve Makina 27

lınlığındaki polimer levhalar, belirtilen takımyolu parametreleri ve stratejisi kullanılarak şekillendirilmiştir. Şekil-lendirme sonrası parçalar aparattan alınmadan ATOS GOM cihazı ile optik olarak taranarak, CAD data ile arasında oluşan geometrik sapmalar analiz edil-miştir. Şekil 7’de PE ve PA levhaların şekillendirilmesi sonucunda elde edi-len ölçüm sonuçları gösterilmiştir.

Plastik parçanın şekillendirilmesi es-nasında, PE levhanın, PA levhaya göre geometrik sapmalar açısından daha iyi bir performans sağladığı sonuçlardan açıkça görülmektedir. PE levha ile elde edilen geometride yüzey noktalarında geçekleşen sapma değerleri 2 mm’nin altında gerçekleşirken, PA levha için bu değer 2 mm’nin üzerinde olmaktadır.

Şekillendirme sonrasında parçanın apa-rattan alınması ve kesim hattına göre kesildikten sonra havalandırma ızgara-ları montajı yapılmış durumu Şekil 8’de verilmiştir.

PE ve PA levhaların aparata bağlanarak, dik işleme merkezinde şekillendirilme-si işlemi her iki durumda da başarı ile herhangi bir yırtılma meydana gelme-den gerçekleştirilmiştir. Yapılan optik ölçümler sonucunda her iki durum için

imalat toleranslarının üzerinde sapma değerlerinin olduğu tespit edilmiştir.

5. SONUÇLAR

Sayısal kontrollü şekillendirme tekni-ği; takım yollarının oluşturulma stra-tejisi açısından katman tabanlı, üretim yöntemi açısından hızlı prototipleme ve düşük adetli üretim proseslerine ör-nek olarak gösterilebilir.

Yöntemde, CAD dosyasından direk olarak faydalanılması, hiçbir kalıp ta-sarımı veya ara üretime gerek duyul-maması, zaman ve maliyet açısından, prosesin en önemli avantajlarından biridir.

İki farklı polimer levhanın aynı takım yolunun kullanılarak şekillendiril-mesi sonucunda, PE ve PA levhaların geometrik doğruluk açısından farklı özellikler gösterdiği tespit edilmiştir. Otomotiv sektörü açısından değerlen-dirildiğinde, geometrik sapma değerle-rinin yüksek olması, test parçası gerek-liliklerini karşılamamaktadır.

Sayısal kontrollü şekillendirme yön-temi ile araç havalandırma ızgarası kaplamasının yırtılmadan üretilmesi, prosesin plastiklerin şekillendirilmesi konusunda gelecek çalışmalara açık

olduğunu göstermektedir. Geometrik sapma değerlerinin farklı polimer mal-zeme kullanımı ve farklı takımyolu parametreleri kombinasyonları çalışı-larak daha iyi sonuçların elde edilmesi gelecek çalışmalarla sağlanabilir.

Yöntem ilk aşamada sac şekillendirme tekniği olarak tanıtılmasına rağmen plastik levhaların da şekillendirilebile-ceği ve yöntemin bu alanda da geliştiri-lebileceği görülmektedir.

İleri malzeme teknolojisi ve ileri üretim yöntemlerinin gelişimine bağlı olarak, sayısal kontrollü şekillendirme yöntemi gelecekte daha fazla uygulamada yer alacaktır.

KAYNAKÇA

1. Fan, G., Sun, F., Meng, X., Gao, L., Tong, G. 2010. “Electric Hot Incre-mental Forming of Ti-Al-4V Titani-um Sheet,” International Journal of Advanced Manufacturing Technol-ogy, vol.49, pp. 941-947.

2. Le, V.S., Ghiotti, A., Lucchetta, G. 2008. “ Preliminary Studies on Single Point Incremental Forming for Thermoplastic Materials,” Jour-nal of Material Forming, vol.1, pp. 1179-1182.

haların şekillendirilmesinde kullanılan takımyolu parametreleri verilmiştir.

Şekil 6’da sayısal kontrollü şekillen-dirme yöntemi ile polimer levhanın şekillendirilmesi dik işleme merke-zinde aparat ile birlikte gösterilmiştir. 1750x760x660 mm işleme limitleri olan Mazak VTC 300 dik işleme mer-kezi şekillendirme işleminde kullanıl-mıştır.

4. İMALAT PARÇASI VE 3D DATA KARŞILAŞTIRMASI

CNC dik işleme merkezinde 3 mm ka-

başlayarak, parça profilini takip ederek, belirlenen Δz adımları ile aşağı yönde ilerleme işlemi gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada polimer levhaların şekil-lendirilmesinde kullanılan takımyolu Şekil 5’te gösterilmiştir.

Sayısal kontrollü şekillendirme yönte-minde, araştırmacılar koni ve piramit gibi analitik formları kullanarak farklı malzemeler için şekillendirilebilirlik analizlerini gerçekleştirmişlerdir. Anali-tik formlar üzerinde kullanılan spiral ta-kımyolu, en üst düzlemden en alt düzle-me kadar yanal yüzeyde spiral adımlarla inerek, şekillendirme işlemini ideal ola-rak gerçekleştirmesine karşın bu yöntem serbest yüzey formları içeren asimetrik parçaların tümünde uygulanamamakta-dır. CNC dik işleme merkezinde, plastik parçaların polimer levhalardan şekil-lendirilmesi işlemi 1 saat 53 dakikada tamamlanmıştır. Tablo 2’de polimer lev-

Şekil 5. Polimer Levhaların Şekillendirilmesinde Kullanılan Takımyolu

Parametre Değer

İlerleme (mm/dak) 2500

Devir (dev/dak) 500

Δz (mm) 0.2

Takım Yolu Stratejisi Z Level profile optimized

Tablo 2. Takımyolu Parametreleri

Şekil 6. Polimer Levhanın Aparata Tespiti ve Dik İşleme Merkezinde Şekillendirilmesi

Şekil 7. Optik Tarama Sonucunda CAD Data Referans Alınarak Elde Edilen Geometrik Sapmalar, (a) PE Levhadan İmal Edilen Parça, (b) PA Levhadan İmal Edilen Parça

Şekil 8. Sayısal Kontrollü İmalat Sonucunda Elde Edilen Parçalara Havalandırma Izgaralarının Montajı, (a) PE Levhadan İmal Edilen Parça, (b) PA Levhadan İmal Edilen Parça

Cilt: 55 Sayı: 650 Mühendis ve Makina 28

3. Durante, M., Formisano, A., Lan-gella, A. 2011. “Observations on the Influence of Tool-Sheet Contact Conditions on an Incremental For-ming Process,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20(6), p. 941-946.

4. Martins, P.A.F., Kwiatkowski, L., Franzen, V., Tekkaya, A.E., Kle-iner, M. 2009. “Single Point Incre-mental Forming of Polymers,” Ma-nufacturing Technology, vol.58, p. 229-232.

5. Franzen, V., Kwiatkowski, L., Martins, P.A.F., Tekkaya, A.E. 2009. “Single Point Incremental Forming of PVC,” Journal of Mate-

rial Processing Technology, vol.209, p. 462-469.

6. Silva, M.B., Alves, L.M., Martins, P.A.F. 2010. “Single Point Incre-mental Forming of PVC: Experi-mental Findings and Theoretical Interpretation,” European Journal of Mechanics A/Solids, vol.10, p. 557-566.

7. Souza, J. H. C., Liewald, M. 2010. “Analysis of the Tribological Beha-viour of Polymer Composite Tool Materials for Sheet Metal Forming,” Journal of Wear, vol.268, p. 241-248.

8. Sakin,A., Durgun, İ.,“Sac Parça

Plastisite teorisi gelişen uçak ve uzay endüstrilerinin ihtiyaçları nede-niyle mühendislik uygulamaları ve tasarım bakımından büyük önem kazanmıştır. Modern hava taşıtları, füzeler ve uzay araçlarının olabil-diğince hafif ve yük/ağırlık oranı maksimum olacak şekilde projelen-dirilmeleri gerektiği açıktır. Ayrıca etkili, verimli, başarılı tasarımlar günümüzdeki uygulamalar için zorunlu hale gelmiştir.

Bu kitap, yazarlarından Prof. Dr. Levon Çapan’ın İTÜ Makine Fakül-tesi ile Fen Bilimleri Enstitüsü’nde uzun yıllar vermiş olduğu Metalle-re Plastik Şekil Verme ve Plastik Şekil Verme Teorisi dersleri ile Yrd. Doç. Dr. E. Asım Güven’le birlikte Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nde verdikleri derslerde edindikleri deneyimlerin ürünüdür.

Elastisite ve plastisite konularını kapsayan, kitabı mesleki araştırmanın hizmetine sunuyoruz.

MMO/610256 sayfa, Kocaeli 2014

Plastisite Teorisi

Üretiminde Sayısal Kontrollü Şekil-lendirme Yönteminin İncelenmesi,” Mühendis ve Makina Dergisi, c.52 (615), s. 62-68.

9. Durgun, I. 2013. “Evaluation of Ge-ometric Accuracy and Thickness Va-riation in Incremental Sheet Forming Process,” Materials Testing, vol.5, p. 386-395.

10. Jadhav, S., Goebel, R., Homberg, W., Kleiner, M. 2003. “Process Op-timization and Control for Incremen-tal Forming Sheet Metal Forming,” Proceeding of the International Deep Drawing Research Group Conferen-ce, IDDRG, Bled, Slovenia, p. 165-171.