Tasarımda Malzeme Seçimi ve Önemi TASARIM METODOLOJİSİ Tasarımda Malzeme Seçimi ve Önemi 0950D26001 Murat ÇOLAK Doç.Dr. Ahmet DEMİRER

İçerik Özet Giriş Ürün Tasarım Sistematiği Tasarımda Uygun Malzeme Seçimi ve Önemi Malzeme Seçimi Adımları Malzeme Seçimini Etkileyen Faktörler Malzeme Seçimi Yöntemleri Bilgisayar Destekli Malzeme Seçimi Klasik Yöntemle Malzeme Seçimi Örnek Malzeme Seçimi Uygulaması Sonuç Kaynaklar

Özet Günümüzde farklı tasarım isteklerini karşılayabilecek ve tasarımcının yararlanacağı özelliklere sahip 100 bini aşkın malzeme arasından seçim yapmak çok önemli ve bir o kadar da zordur. Malzeme seçimini yapabilmek için malzemelerin yapısı ve yoğunluk, ergime noktası, ısıl uzama katsayısı, çekme dayanımı, akma dayanımı, % uzama, elastiklik modülü, sertlik gibi özellikleri hakkında yeterli bilgiye sahip olmak gerekmektedir. 1-Kitaplardaki malzeme özellikleri tablolarını kullanımı 2-Malzeme özelliklerinin depolandığı bilgisayar sistemlerinin kullanımı

Giriş Tasarım, öngörülen veya öngörülebilecek gereksinimleri karşılamak amacıyla, yeni ve mevcut ürün ve/veya üretim sistemlerini, Tüketici gereksinimleri doğrultusunda, Bilimsel veriler ışığında, Günün ulaşılmış teknik ve teknolojik düzeyi çerçevesinde, Üreticinin ve tüketicinin geçmiş deneyimlerini gerçekleştirmeyi hedefleyerek, tasarımcının özgünlüğünün de katkısıyla problemin çözümüne yönelik analiz, sentez, malzeme seçimi, ölçme ve kontrol yöntemlerini de kullanarak, yürütülen faaliyetlerdir. Makine mühendisliğinde tasarımın amaçlarından biri, bir parçanın boyutlarını ve fonksiyonunu kabul edilebilir düzeyde yerine getirecek özelliklere sahip malzemenin belirlenmesidir.

Giriş Tasarımcılar 100 bin civarında malzeme ve bin civarındaki üretim yönteminden birine karar vermek zorundadır. Burada bir bilgi yönetim sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Klasik tasarım prosedürlerine ek olarak son yıllarda bilgisayara dayalı malzeme ve üretim yöntemi seçimi alanında tasarım mühendislerinin ihtiyaçlarına yakın sistemler geliştirilmiştir. Bu gelişme, malzeme ve üretim yöntemleri veri tabanlarının yapılandırılması ve çok faktörlü seçim için malzeme ve üretim yöntemlerini karşılaştıracak sistematik metotların geliştirilmesi alanlarında olmuştur. Bunların amacı yapılacak tasarım için maliyeti de göz önüne alarak en optimum malzemenin seçimi konusunda karar vermesine yardımcı olmaktır.

Ürün Tasarım Sistematiği Genel anlamda mühendislik tasarımı; herhangi teknik bir sistemin ödevinin kesin olarak belirtilmesi, fiziksel prensiplerin saptanması, bu prensipleri sağlayan elemanların seçimi, bunların montaj ve parça resimlerinin hazırlanmasına kadar geçen bütün faaliyetleri kapsamaktadır.

Tasarımın ilk aşamalarında problem çözüm yöntemi

Tasarım akım şeması Pazarın ihtiyaçları ile başlayan, kavramsal tasarım aşaması ile ilerleyen, taslak şeklindeki kaba tasarım ve teknik resimlerin oluşturulduğu ayrıntılı tasarım ile gelişen ve sonunda bir ürünle sonuçlanan tasarım aşamalarını göstermektedir. Yeni tasarım üstten başlayıp aşağıya doğru devam eder. Tasarımı yeniden ele almak aşağıdan başlar çevrimler yaparak yukarıya doğru ilerler.

Kavramsal Tasarım Aşaması Kavramsal tasarım öncelikle ; Fonksiyonel istekler ve tasarım sınırlamalarını içeren tasarım konseptlerini oluşturur. Bu tasarım konseptlerinden farklı malzemeler kullanılarak fiziksel yapılar oluşturulur. (Bazı malzemeler, gerekli fonksiyonları tümüyle karşılayacakları için tasarımın ilk aşamasında belirlenmeleri gerekir.) Tasarıma dâhil edilen malzemeler öncelikle özel nitelikleri ile ilgili olarak seçilirler. Seçilen bir veya daha fazla malzemenin görevlerinde farklılıklar olabileceğinden, farklı malzemeler seçilebilir. Bu nedenle tasarımın ilk aşamalarında “malzemenin seçimi”nden ziyade “malzemenin belirlenmesi”nden bahsedilebilir.

Malzeme ile ilgili tasarım faaliyetlerinin ideal proses akışı Şekilde mühendislik tasarım prosesi boyunca malzeme ile ilgili tasarım faaliyetlerinin proses akışını göstermektedir.

Tasarımda Uygun Malzeme Seçimi ve Önemi Her malzemenin kullanımı, önemsiz olsa bile, bazı seçim elemanlarını gerektirir ve bu mühendislikte ürün tasarımının en önemli aktivitelerinden biridir. Malzeme seçimi işlemi bir problem çözme aktivitesi olarak ele alınabilir ve problem çözme geniş bir bilgi akışını gerektirir. Günlük hayatta karşılaştığımız bir traktörde 15-20 bin, bir otomobilde 20-25 bin, bir tankta 40 bin, bir uçakta 100 bine yakın malzeme bulunduğunu düşünürsek mevcut problemin çözümünün önemi ve zorluğu daha iyi anlaşılabilmektedir.

Malzeme Seçimi Adımları 1- Problem analizi (Malzemelerin gerekli özelliklerin analizi) 2- Alternatif çözümlerin formülasyonu (Aday malzemelerin seçimi) 3- Alternatiflerin geliştirilmesi ( Adayların geliştirilmesi) 4- Karar (Gerekli özelliklere en iyi uyan malzemenin seçimi)

Malzeme Seçimini Etkileyen Faktörler Malzemenin Teknik Özellikleri Ekonomik Faktörler Mekanik Fiziksel Teknolojik Maliyet Temin Edilebilirlik Mukavemet Rijitlik Sertlik Süneklik Bileşim Yapı Özgül Ağırlık Isı İletim Kabiliyeti Isıl Genleşme Katsayısı Özgül Isı Elektrik İletkenliği Korozyon Direnci Talaşlı Şekillendirmeye Uygunluk Plastik Şekillendirmeye Uygunluk Döküm Kabiliyeti Kaynak Kabiliyeti Satın Alma Maliyeti Üretim Maliyeti Kullanım Maliyeti Fiyatı Kolay Temin Etme Özel İmalat

Günümüzde otomobil sayısındaki artış yakıt verimliliği, emisyon ve küresel ısınma gibi sosyal ve çevre ile ilgili sorunlara neden olmaktadır. Bu nedenle otomobil endüstrisi emisyon ve yakıt harcamalarını azaltma konusunda baskı altındadır. Taşıtların ağırlıklarının azaltılması yakıt verimliğine ulaşmanın yollarından biridir, her 56.69 kg ağırlık azalması sonucunda km başına 0.09-0.21 litre yakıt ekonomisi sağlanabilir. Otomobil gövdesi ve iç kısmının ağırlığının araç ağırlığının yaklaşık % 40’ı olduğu hesaplanmıştır. Bundan dolayı otomobil gövdesi ağırlığının azalması otomobillerin yakıt ekonomisini geliştirmenin bir yolu olarak görülür.

Alüminyum ile çeliğin karşılaştırılması

Malzeme Seçim Yöntemleri Tasarım prosedüründeki isteklerin farklılığı kadar mühendislerin yararlanabileceği çok sayıda malzeme ve üretim yönteminin olması seçim probleminin güç olmasının ana nedenidir. Malzeme seçim yöntemlerini temelde iki kategoriye ayırmak mümkündür; 1- Klasik yöntemle malzeme seçimi 2- Bilgisayar destekli malzeme seçimi

Bilgisayar Destekli Malzeme Seçimi Malzeme seçimini yapabilmek için tüm malzeme sınıflarının özelliklerini içeren binlerce veriye ihtiyaç vardır. Klasik yöntemle malzeme seçiminde olduğu gibi kitaplardaki malzeme özellikleri tablolarını kullanmanın, veri tabloları tam olmaması ve güncellenme zorluklarından dolayı bazı dezavantajları vardır. Malzeme özelliklerinin depolandığı bilgisayar sistemlerinin kullanımı bu dezavantajı ortadan kaldırmaktadır. Bilgisayarların gelişmesi çok miktarda bilginin hızlı bir şekilde işlenmesini ve mühendisin sabrını zorlamadan seçim prosedürünün yapısına uygun olarak yeteri kadar ve hızlı bir şekilde seçim metotlarının uygulanmasını sağlamıştır.

Klasik Yöntemle Malzeme Seçimi Malzemenin seçimi için tasarım mühendisine yardımcı olan birçok seçim sistemi sunulmuştur. Bunların en basiti tasarım mühendislerinin kitaplardaki malzeme özellikleri tablolarını kullanmalarıdır. Mühendisler tasarımlarında kullanacakları malzemelerin fiziksel özellikleri ve performans karakteristiklerini malzeme üreticileri, tedarikçileri ve standartlardan elde edebilirler. Üreticiler bu bilgileri kataloglarında tablolar halinde yayınlarlar ve seçim bu tablolardan karşılaştırma yöntemiyle yapılır.

Organ Protezleri için malzeme seçimi ve adımları Protez, eksik olan vücut uzuvlarını taklit edecek şekilde yapılmış aygıtların genel adıdır. Yaralanmalar, tümör cerrahileri, kangren, iltihap ve benzeri organ hasarları sonucu vücudun geri kalanının sağlığını korumak amacı ile hasar gören organ çıkartılır. Bu organ fonksiyonunu ve şeklini taklit eden protezler bu organdan geriye kalan vücut boşluğuna yardımcı materyaller kullanarak takılır.

Organ Protezleri için malzeme seçimi adımları 1- Malzemelerin gerekli özelliklerin analizi:   dayanımı yüksek olmalı kolay şekil verilebilmeli korozyon dayanımı yüksek olmalı (paslanmamalı) biyo uyumlu olmalı ucuz olmalı 2- Aday malzemelerin seçimi: plastik (PVC, PMMA, PE ) metal (paslanmaz çelikler, Ti-alaşımları, Co-alaşımları)

Organ Protezleri için malzeme seçimi adımları 3- Adayların geliştirilmesi: Organ protezleri aday malzemeleri ve puanlaması. 4- Gerekli özelliklere en iyi uyan malzemenin seçimi: Tablodan görüldüğü gibi, organ protezleri için beklenen performansı en iyi sağlayan ve böylece en çok puanı (43p) alan paslanmaz çelikler en uygun malzemelerdir. Paslanmaz çelikler yüksek dayanımları, kolay şekil verilebilme ve yüksek korozyon dirençlerinden dolayı en fazla puanı toplamışlardır.

Sonuç Günümüzde metalik malzemeler, polimerler, elastomerler, seramikler, kompozitler ve yeni prosesler önceki yıllara nazaran çok hızlı olarak geliştirilmektedir. Bu yüzden çağımızın ileri malzemeler çağı olduğu göz önüne alınarak tasarım yapılmalıdır. Birçok mühendislik çalışmaları gibi malzeme seçimi de bir problem çözme işidir. Malzeme seçimini yapabilmek için birçok seçim sistemleri geliştirilmiştir. Bunların en basiti tasarım mühendislerinin kitaplardaki malzeme özellikleri tablolarını kullanmalarıdır. Günümüzde malzeme özelliklerinin depolandığı bilgisayar sistemlerinin kullanımı tasarımcıya daha hızlı ve geniş kapasiteli malzeme verilerine kolayca ulaşabilmeyi sağlamaktadır.

Kaynaklar 1. F. Fındık, Malzeme Seçimi ve Uygulamaları, Sakarya Yayıncılık, Sakarya 2008. 2. F. Fındık, Malzeme Seçiminin Temelleri, Metal Dünyası, Sayı 189, Şubat 2009. 3. F. Fındık, Malzeme Seçimine Genel Bakış, Mühendis ve Makina, Cilt 50, Sayı 591, Nisan 2009. 4. M.Kıyak, İmalatta Bilgisayar Destekli Tasarım Ders Notları, Y.T.Ü. Makine Fakültesi, Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalı, İstanbul 2004. 5. A. Zeren, H. Yetiştiren, Tasarımda Malzeme Seçimi, Metal- Makina Dergisi, Sayı 175, Ocak- Şubat 2009. 6. M. F. Ashby, Y. J. M. Bréchet, D. Cebon, L. Salvo, Selection strategies for materials and processes, Materials & Design, Volume 25, Issue 1, Pages 51-67, February 2004. 7. M. Erdoğan, Hafif Alaşımlı Metaller ve Kullanım Yerleri, Metal- Makina Dergisi, Sayı 175, Ocak- Şubat 2009.