MÜH 100 TASARIMA GİRİŞ

İÇİNDEKİLER Tasarıma Giriş Tasarım Nedir Ürün Geliştirme Süreci ve Tasarım Proje Yönetimi ve Tasarım Mühendislik Tasarım Yöntemi Tasarım Projesi Örnek 1: Uzay Mekiği Robot Kolu Tasarım Projesi Örnek 2: Sıfır-Atıklı Araç Sonuç

1) Tasarıma Giriş SpaceShipOne: 100 Km 1) Tasarıma Giriş SpaceShipOne: 100 Km. İrtifaya çıkabilen ilk özel uzay aracı 10 M $ X-Prize Ödülü (04-Ekim-2004) SPACE SHIP ONE: Roket Motorlu Uzay Aracı (14km-100 km) WHITE KNIGHT: Jet Motorlu Taşıyıcı Uçak (<14 km)

SpaceShipOne: 100 Km. İrtifaya çıkabilen ilk özel uzay aracı 10 M $ X-Prize Ödülü (04-Ekim-2004) www.xprize.org/webcast Tasarımcı: Burt Rutan, Scaled Composites Pilot: Mike Melville, Brian Binnie Finansör: Paul Allen Jr. (Microsoft) Uçuş Yüksekliği: 100 Km

Türk Tasarımcıları Murat Güler >>> Ford Focus 2005 Ford Mondeo 2007 Ford SMAX Murat Günak >>> VW Concept C 2006 VW EOS Cabriolet Hasip Girgin >>> Mazda 3

Türk Sanayii TAI A400M Projesi Airbus Military: BAe, DASA, Aerospatiale, CASA, Flabel, TAI M = 0.72; 4-Türboprop Motor, 4*9000 shp Menzil: 2500 nm, 25t/3000 nm, 20t

Türk Sanayii TAI A400M Projesi CATIA Digital Mock-Up (Sanal Model)

2) Tasarım Nedir Tasarım yeni bir araç, donanım, yazılım, veya süreç meydana getirmektir. Tasarım (geniş manada alınırsa) bir ürün geliştirme sürecidir. Tasarım (Ürün Geliştirme Süreci) Kavram/Ön-Fizibilite ile başlar, ürün ömrü sona erinceye kadar devam eder. Tasarım projesi yeni ürün geliştirme sürecinin sistemselleştirilmesidir Kültür, estetik anlayışı, gelenek gibi sosyal faktörler ve sanayi gücü, zenginlik, rekabetçilik gibi ekonomik faktörler etkendir

3) Ürün Geliştirme Süreci ve Tasarım Tasarım (geniş kapsamda) yeni ürün geliştirme sürecidir. Ürün Geliştirme Süreci genel olarak aşağıdaki adımlardan oluşur: Ön-Fizibilite(Kavramsal Tasarım) Fizibilite Tasarım Ön Tasarım Detay Tasarım İmalat Test/Ölçüm Sertifikasyon Kullanıma giriş Bakım/Destek Kullanımdan çıkış

4) Proje Yönetimi ve Tasarım Tasarım projesi ürün geliştirme sürecinin sistemsel yapılmasıdır, bu açıdan tasarımla proje yönetimi arasında bağlantı vardır. Tasarım/veya Ürün Geliştirme Süreci projelendirilirek proje yönetimi disiplini altında icra edilir. Tasarım projesi için proje yönetim kitabı ve ekleri hazırlanır: İnsan gücü, organizasyon, takvim, donanım, yazılım, malzeme, deney, yöntem, yönerge, veri deposu, iletişim, risk, kalite, tescil, finans, maliyet, satınalma, yatırım, satış, destek Project Management Institute (www.pmi.org) gibi kuruluşlardan alınan sertifikalar mühim referans teşkil ederler

5) Mühendislik Tasarım Yöntemi Foundations of Engineering: Ch. 5 Introduction to Design Mühendislik Tasarım Yöntemi: Değişik yaklaşımlar olabilir, katı bir genel formülü yoktur Her tasarım ekibinin veya şirketinin değişik formülasyonu olabilir Ucu açık bir süreçtir, iteratif tarzda kendini tekrar eder Ana Kategorik Adımlar: I) Sentez : Değişik unsurların toplanması/derlenmesi II) Analiz : Değişik opsiyonların performanslarının hesabı III) Uygulama: Planın icrası

İhtiyacın tesbiti/Problemin tanımı I) Sentez İhtiyacın tesbiti/Problemin tanımı Tasarım ekibinin teşkili: Sıralı/Eş Zamanlı Mühendislik Kısıtların tayini ve başarı ölçütleri Çözüm arayışları II) Sentez & Analiz Fizibilite Ön Tasarım Detay Tasarım 5. Potansiyel çözümlerin değerlendirilmesi 6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini 7. Çözümlerin raporlanması 8. İletişim (Tasarım Gözden Geçirme Toplantıları) III) Uygulama 9. Çözümün icrası 10. Ölçme ve Değerlendirme

I) Sentez İhtiyacın tesbiti/Problemin tanımı İhtiyaç yönetim, pazarlama, toplum, hükümet, kurum- kuruluşlar, belediyeler, uluslararası kuruluşlar tarafından konulur, mühendisler problemin tanımına katılır 2. Tasarım ekibinin teşkili: Sıralı Mühendislik >>> yerel eniyi (local optimum) Eş Zamanlı Mühendislik >>> küresel eniyi (global optimum) 3. Kısıtların tayini ve başarı hedef ve ölçütleri: Kısıtlar: Bütçe / Zaman / Eleman / Hukuk / Malzeme / Hazır ürün (off- the shelf) / Rekabet / Üretilebilirlik Başarı Hedefleri ve Ölçütleri: Estetik / Performans / Kalite / Ergonomi / Maliyet (Başlangıç Maliyeti- Ömür Boyu Maliyet) / Güvenlik / Kullanım şartları / Arayüz / Çevre /Lojistik / Güvenilirlik / Bakılabilirlik / Hizmet edilebilirlik /Hazır bulunabilirlik

İhtiyaç ortadan kaldırılabilir mi ? Temel kabulleri sorgula 4. Çözüm Arayışı İhtiyaç ortadan kaldırılabilir mi ? Temel kabulleri sorgula Bilgi edin/araştır Benzerlikleri kullan Problemi kişiselleştir Kritik parametreleri belirle İşlevleri tersine çevir Adımların sırasını değiştir Probleme tersinden bak Sürecin adımlarını sıklaştır İşlevleri ayır İşlevleri birleştir Öngörünü kullan Temel mühendislik ilkelerini kullan

Fizibilite III) Uygulama II) Sentez & Analiz 5. Potansiyel çözümlerin hesap, simülasyon ve çizimleri 6. En iyi çözümü tayini >>> * Değerlendirme Matris Yöntemi * 7. İlerleme raporları 8. Tasarım Gözden Geçirme Toplantıları Fizibilite Basit hesaplamalar, karşılaştırmalar, Excel tabloları, değerlendirme matrisi, mertebe analizleri, kaba çözümler, global raporlama Ön Tasarım Detaylı hesaplar, termodinamik, yapı analizi, akış analizi, simülasyon, 3-boyutlu katı modeller,basit testler Detay Tasarım Son derece hassas hesaplar, malzeme, hassas boyutlar /toleranslar, çizimler, ileri testler III) Uygulama 9. Üretim Prototip imalatı, üretim hattı, malzeme siparişi ve seri üretim 10. Ölçme ve Değerlendirme Sertifikasyon testleri, ürün geliştirme testleri, tasarım modifikasyonları

6) Tasarım Projesi Örnek 1: Uzay Mekiği Robot Kolu 1. İhtiyacın tesbiti/Problemin tanımı: International Space Station (ISS) etrafında uzayda montaj için robot kolu yapılacaktır Robot kolu istasyon içinden joystick kumandalı olacaktır 2. Tasarım Ekibinin Teşkili: Makina/elektrik/bilgisayar/kontrol/endüstri/üretim mühendisleri 3. Kısıtların Tayini Başarı Ölçütleri Kısıtlar Özellik Ağırlık Süre: 1 yıl Hassas tutuş 10 Maliyet: 10 M $ Darbe emniyeti 10 Kütle: 100 lb. Enerji verimi 5 Sıcaklık: -150;+100 C Kütle 5 Çalışma Koşulu: Vakum Güvenilirlik 9 Tam sıcaklık aralığı 5 Vakumda çalışma 7 Maliyet 6 Takvim 6

4. Çözüm Arayışı: Robot Elleri: Çözüm 1: 2 adet yaylı-hareketli parmak Çözüm 2: 2 adet sabit parmak/1 adet hareketli başparmak Eyleyiciler (Actuators): Çözüm A: Pnömatik (Havalı) eyleyici Çözüm B: Hidrolik (Yağlı) eyleyici Çözüm C: Elektriksel eyleyici

5. Potansiyel Çözümlerin Değerlendirilmesi (Fizibilite): Robot Elleri Dezavantaj Avantaj Çözüm 1 Büyük ve küçük Parmaklardaki yaylar ayarlanarak nesneleri zor parçaları tahrip etmez kavrar Çözüm 2 Hareket verici Hem küçük hem büyük çok sıkıp parçaya parçalar tutulabilir zarar verebilir Karar >>> Çözüm 2: Uzay İstasyonu parçaları çok çeşitli boyutlarda olduğu için daha üstün bir tasarım olarak değerlendirilebilir.

Değerlendirme Matrisi 6. En iyi çözümün bulunması (Fizibilite): Değerlendirme Matrisi Eyleyiciler Pnömatik Hidrolik Elektrik Özellik Ağırlık Not Ağ*Not Not Ağ*Not Not Ağ*Not Hassas tutuş 10 10 100 10 100 10 100 Emniyet 10 8 80 1 10 10 100 Enerji verimi 5 1 5 5 25 10 50 Kütle 5 5 25 1 5 10 50 Güvenilirlik 9 3 27 7 63 10 90 Tam sıcaklık aralığı 5 . . Vakumda çalışma 7 . . Maliyet 6 . . Takvim 6 . . . . . . TOPLAM 425 370 630 Karar >>> Çözüm C: Elektriksel Eyleyici

5/6/7/8 Ön-Tasarım >>> Çözüm 2/Çözüm C Parçaların teknik özellikleri/satıcı firmalar, malzeme seçimi, yağlama, kontrol, malzeme işleme, montaj seçenekleri, sayısal model (digital mock-up, virtual reality) 5/6/7/8 Detay Tasarım: Detaylı parça çizimleri (CAD/CAM) toleranslar, montaj resimleri 9. Üretim: Üretim planlama, malzeme ve parça alımı ve testi, robot kolunun atölyede üretimi, montajı 10. Ölçüm ve Değerlendirme: Robot kolunun laboratuvarda test edilerek tasarım ölçütlerine uygunluğunun saptanması, iyileştirmelerin/değişikliklerin yapılması,sertifikasyon kurumu denetimi, alıcı kabulü

7) Tasarım Projesi Örnek 2: Sıfır-Atıklı Araç 1. İhtiyacın tesbiti/Problemin tanımı: Hava Kirliliği Yönergesi 20XX yılında sıfır-atıklı araç yapımını mecbur kılmaktadır/Araç şehir içi trafiği için geliştirilecektir. Yönetim aracın elektrikli olacağını varsaymaktadır 2. Tasarım Ekibinin Teşkili: Proje yönetim/makina/elektrik/kimya/havacılık/üretim mühendisleri 3. Kısıtların Tayini ve Başarı Ölçütleri Kısıtlar Özellik Önem Süre: 1 yıl Estetik 8 Teknoloji: 5 yıl içinde hazır Performans Parçalar: Hazır (off-the-shelf) Şart 1: Menzil 4 Üretim hacmi: 1000/yıl uyumlu Şart 2: İvme 6 Motor: Elektrik varsayımı Şart 3 Tırmanma 3 Bütçe: 1 M $ Ergonomi 2 Fiat 5 Güvenlik 6 İşletme şartları 3 Arayüz 10 Bakım 2 Servis 1 Kullanışlılık 4 Güvenilirlik 4 Lojistik destek 5 Çevre 6

4. Çözüm Arayışı: Elektrik motorları en uygun teknolojik çözüm ancak asıl problem enerji depolama. Seçenekler elektriksel,pnömatik ve mekanik enerji depolama yollarıdır. Petrol atık ürettiği için çözüm olamaz. Fizibilite: 5. Potansiyel Çözümler GravimetrikEnerji Depolama Yoğunluğu (Wh/kg) Maliyeti ($/kWh) Çözüm 1: Akümülatör 35-100 70-300 Çözüm 2: Basınçlı hava 57-77 70-300 Çözüm 3: Ultrakapasitör 5 1000 Çözüm 4: Volan 57 - Çözüm 5: Zemberek 5.7 - 6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini Çözüm 3 kabul edilemez >>> Teknoloji hazır değil Çözüm 4 kabul edilemez >>> Yüksek dönme hızı, güvenilir değil Çözüm 5 kabul edilemez >>> Düşük gravimetrik enerji yoğunluğu

5. Çözüm Seçeneklerinin İncelenmesi Ön-Tasarım 5. Çözüm Seçeneklerinin İncelenmesi Performans şartlarının detaylı mühendislik incelemesi Şart 1: 120-mil Menzil @ 60 mph >>> m_akü = 122-377 kg m_tank = 294 kg Şart 2: İvme 0-60 mph 10 s. >>> P_akü = 71-91 kW P_tank = 85 kW Şart 3: Tırmanma 60 mph,%5 eğim >>> F_itme < F_itme (Şart 2) (Şart 3 kendiliğinden sağlanıyor) Özet: Enerji Toplam Motor (Tablo 5.14) Depo Kütlesi Kütle Gücü (kg) (kg) (kW) Nikel-Metal Hibrid Akü 122 900 71 Sodyum Sülfür Akü 122 900 71 Nikel-Kadmiyum Akü 377 1155 91 Kurşun-Asit Akü 377 1155 91 Basınçlı Hava 335 1072 85

6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini Ön-Tasarım 6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini TABLO 5.15 Avantaj Dezavantaj Nikel-Metal Hibrid Akü Yük. En. Yoğ. Pahalı/Ticari(-) Sodyum Sülfür Akü Yük. En. Yoğ. Yüksek Sıcaklık (T=350) Nikel-Kadmiyum Akü Ticari (+) Zehirli Kurşun-Asit Akü Ucuz Düşük Enerji Yoğ. Basınçlı Hava Sonsuz ömür Orta Enerji Yoğ. Hızlı doldurma

6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini Ön-Tasarım 6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini TABLO 5.16 Değerlendirme Matrisi Nikel Sodyum Nikel Kurşun Basınçlı Met.Hib. Sülfü Kad. Asit Hava Özellikler Ağırl. Not Ağ*Not Not Ağ*Not Not Ağ*Not Not Ağ*Not Not Ağ*Not Estetik 8 10 80 10 80 8 64 8 64 8 64 Performans 4 İnsan Fak. 2 Maliyet 5 Güvenlik 6 İşletme . Arayüz . Çevre Etkisi . Lojistik 5 Dayanıklılık Bakım Güvenilirlik Servis edilebilirlik Hazır bulunma Toplam 583 533 571 631 640

6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini Ön-Tasarım 6. En iyi çözümün/çözümlerin tayini TABLO 5.16 QFD Matrisi Nikel Sodyum Nikel Kurşun Basınçlı Özellikler Not Met.Hib. Sülfür Kad. Asit Hava Estetik 8 . . . . . Performans 4 . . . . . . . . . . . . Lojistik 5 . . . 10 7 Toplam 583 533 571 631 625 Yorum: QFD analiz sonucu yoruma bağlıdır ve görecelidir. Söz gelimi elektrikli aküler evde dahi doldurulabilir, yedeklenebilir, ancak basınçlı hava için güçlü bir kompresör veya servis istasyonu gerekir. TABLO 5.16’da Lojistik için Basınçlı Hava Sisteminin notu 10 değil 7 yapılsa toplam not 625’e düşer ve en iyi ikinci çözüm konumuna gelir.

Notlar: Stanford öğrencileri Lityum-İon’lu 10000 Laptop bataryasıyla çalışan otomobil uygulaması yaptı (www.sabah.com.tr/oto). QFD matrisinde Nickel-Cadmium batarya yerine Lityum-İon bataryası kullanılsaydı toplam notu Sıkıştırılmış Hava sisteminden daha fazla olabilirdi. QFD analizinde yakıt-hücresi (Fuel-Cell) kavramına göre suyla çalışan oto analizi yok, analize bu da ilave edilmeli. Not: Havayla çalışan en yeni model: MiniCats Menzil=50 mil Azami Hız = 70 mil/saat Şarj Süresi = 4 saat Şarj masrafı = 2.5 Dolar (www.sabah.com.tr/oto)

Tasarım Döngüsü/Süreci (devam) 5/6/7/8 Detay Tasarım: Detaylı parça çizimleri, toleranslar, montaj resimleri 9. Üretim: Üretim planlama, malzeme ve parça alımı ve testi, parç üretimi, alt-montaj, son-montaj 10. Ölçüm ve Değerlendirme: Aracın çeşitli laboratuvarlarda ve pistte test edilerek tasarım ölçütlerine uygunluğunun saptanması, iyileştirmelerin / değişikliklerin yapılması,sertifikasyon kurumu denetimi

8) Sonuç Tasarım yeni bir araç, donanım, yazılım, süreç, vb. meydana getirmek olup geniş manada yeni bir Ürün Geliştirme Sürecidir. Tasarım (Ürün Geliştirme Süreci) Kavramsallaştırma /Ön-Fizibilite ile başlar, ürün ömrü sona erinceye kadar proje yönetimi altında devam eder. Mühendislik Tasarım Yöntemi I) yeni teknolojileri sentez etme/kavramsallaştırma, II) kavramsal çözümlerin performanslarının analizi, III) teknolojinin uygulanması adımlarından oluşur. Tasarım süreci; yaratıcılık, teknik bilgi, insan ilişkileri, organizasyon, kültür ve estetik anlayışıyla beraber çok disiplinli iletişim gerektirir: Yöneticiler, yatırımcılar, hukukçular, reklamcılar, satıcılar, siyasetciler sürecin değişik kısımlarında bulunurlar