cam elyaflı takviyeli kompozit teknelerin seri

cam elyaflı takviyeli kompozit teknelerin seri

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 İsterler
• Dayanım
• Ağırlık
• Geometri
Alt Ürüne / Parçaya Ait Hedefler
• Dönemsel üretim miktarı
• Birim zamanda ihtiyaç duyulan ürün
miktarı
• Birim maliyet
• Yatırım maliyetleri
• Kalite
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
Spider Frame
Karina
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 ürününde montaj aparatının referanslanacağı ve
monte edileceği dişi konik referans yüzeyler ürüne işlenmiştir.
Spider
- Diğer yandan spider frame geometirisi karina kalıbındaki
Frame
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