Malzemenin Tasarımdaki Rolü

Malzeme Nedir?

Belirli bir amaç için kullanılabilir ürünler üretmek amacı ile doğal ya da yapay olarak üretilmiş maddelere malzeme denir. Günlük yaşamımızda kullandığımız her ürün bir malzemeden üretilmiştir. Bu sebeple malzemelerin hayatımızdaki önemi oldukça fazladır. Günümüzde birçok malzeme çeşidi bulunmaktadır, malzemeler kullanılış amaçlarına ve özelliklerine göre farklı şekillerde sınıflandırılabilmektedir.

Malzemelerin Sınıflandırılması

Malzemeler çeşitli maddelerden meydana gelmektedir. Bu maddelerin farklı mukavemetleri ve fiziksel, kimyasal özellikleri bulunur. Bir ürün üretilirken kullanılış amacı göz önünde bulundurularak malzeme seçimi yapılmaktadır. Günlük hayatta kullandığımız malzemelerden örnekler verirsek; metaller, kompozitler, seramikler, polimerler, yarı iletkenler vb. olarak sıralayabiliriz.

Malzemeleri temelde madensel ve madensel olmayan malzemeler olarak iki ana gruba ayırabiliriz.

-Madensel malzemeler, tabiatta bulunan bütün metalleri kapsar. Biçimlendirilebilmeleri, ağır oluşları, ısı ve elektriği iyi iletmeleri, her metalin kendine özgü renginin olması, oda sıcaklığında katı durumda bulunmaları, kristalik yapıya sahip olmaları metallerin ortak özelliklerindendir.

-Madensel olmayan malzemeler, madenî malzemelerin dışındaki tüm malzemelerdir.

Malzeme Çeşitleri

Tasarımda Malzeme Seçiminin Önemi

Malzeme seçimi, tasarım için çok önemli bir konudur. Günlük hayatta karşılaştığımız ve sıklıkla kullanılan araçlarda çok sayıda parça kullanılabilmektedir. Kullanılan her bir parçayı ayrı ayrı saydığımızda bir traktörde 15-20 bin, bir otomobilde 20-25 bin, bir tankta 40 bin, bir denizaltıda 120 bin ve bir uçakta 2-6 milyon adet parça bulunmaktadır. Çok sayıda parçanın bir araya getirildiği bu karmaşık sistemlerin her biri önemli görevleri yerine getirmektedir.

Mekanik bileşenler; bir ağırlığa sahiptir, yük taşırlar, belirli şekilleri vardır, aşınmaya maruz kalırlar (korozyon, sürtünme). Tasarımı yapılan bu parçalar için kullanım koşuluna göre malzeme seçimi çok önemlidir. Burada parçalar için performans, üretilebilirlik, idame edilebilirlik, ekonomik olma gibi problemler karşımıza çıkar. Tasarımcı bu problemler arasında bir denge kurmalıdır. Bu nedenlerle tasarımcının iyi bir malzeme bilgisinin olması gerekir. Malzeme Seçimi ve Tasarımı; bütün bunlar arasındaki ilişkileri tanımlar ve bu doğrultuda seçim yapılır ve ürün tasarlanır. “Amaca uygun en iyi malzeme nasıl seçilecek?” sorusunun cevabı tasarım için de tasarım sonrası analiz için de çok kritik bir sorudur. Malzeme seçimi; malzemenin işlenebilir, dökülebilir, kaynaklanabilir, ısıl işlem gibi yeteneklerine bağlı olarak üretim prosesini de etkiler. Malzemelerin tasarımı sınırlayabilecek özellikleri vardır, bu yüzden bazen malzemeyi değiştirmek bile gerekebilir.

Üç Boyutlu Tasarım Programında Malzeme Seçim İşlemi

Tasarım İşlemi

Bir ürün (ev, araba, alet vs.) üretmek istiyorsanız önce onu tasarlamanız gerekmektedir. Tasarım var olmayan bir ürünü bir amaca göre düşünüp, hayal edip ortaya koymaktır. Bu başlıkta bahsedeceğimiz konu ‘Mekanik Tasarım’dır.

Tasarım metodolojisinde iki temel madde vardır: malzeme seçimi ve ürün tasarımı. İstediğimiz fonksiyonu yerine getirecek ürün tasarımı yapılır, bu ürüne malzeme tanımlanır ve maruz kalması öngörülen gerilmeler, momentler vb. için yaklaşık gerilme analizi gerçekleştirilir. Eğer malzeme yapılan yüklemelere, momentlere, gerilmelere fazla sehim yapmadan ya da hasara uğramadan dayanabiliyorsa tasarım ilerleyebilir. Eğer malzeme yetersiz kalırsa ya yeni bir malzeme seçilir veya ürün tasarımı değiştirilir. Ya da her ikisi gerçekleştirilerek hasarın üstesinden gelinir. Daha sonra ürün test edilebilir. Tasarım aynı zamanda ekonomik üretim yapılabilmesi istenilen kavramdır. Üretim ve fabrikasyon yöntemi de çoğunlukla malzeme seçimi ile belirlenir. Malzeme ve üretim yöntemi aynı zamanda ürün fiyatını belirleyecektir. Eğer maliyet çok yüksek olursa alternatif bir üretim yolunu içeren yeni bir malzeme veya ürün tasarımını değiştirmek düşünülebilir.

Tasarım için doğru malzeme seçimi, önemli bir basamaktır, çünkü malzeme seçimi üç boyutlu tasarımı ve yapılacak analiz sonuçlarını etkileyecek önemli bir karardır.

Malzemenin Seçimi

Endüstride malzeme seçiminin tasarım ile yakın bir ilişkisi vardır. Tasarımı yapılan ürünün üretilebilmesi için malzeme seçimi yapılması gerekmektedir. Herhangi bir ürünün tasarımında ilk önce iş yapmaya uygunluk, fayda sağlama etkenleri ve emniyet faktörleri göz önüne alınır. Sertlik, dayanım, korozyon direnci, elektrik ve ısı iletkenliği, dövülebilme, dökülebilme, ergime, elastik ve plastik şekil değiştirme ve başka birçok özellik bir malzemenin kullanma alanında yeterli olup olmadığını açıklayan temel bilgilerdir. İmalatın kolaylığı ve üretimin ekonomik şartlara uygunluğu gibi faktörler de değerlendirilmelidir. İmalata uygunluk; bir malzemenin talaş kaldırma, kaynak ile birleştirme, haddeleme, döküm gibi yöntemlerle imalat yapılmasına uygunluğu demektir.

Malzemenin aynı standartta farklı yerlerden bulunabilmesi önemlidir. Malzeme şekil, miktar, ölçü bakımından istenildiği her zaman bulunabilmelidir. Malzeme teminindeki aksama, bir işletmenin düşük kapasite ile çalışmasına yol açar. Malzemelerin kullanılacakları yere ve yükleme şartlarına uygun olacak şekilde seçilmesi gereklidir.  Yanlış seçilen malzeme, tasarım tekrarına ve gereksiz maliyetlere yol açar. Yanlış seçilen bir malzeme, üretim maliyetine ekleme yapar ve ürünün fiyatını gereksiz yere artırır. Malzeme seçimi için malzeme seçim diyagramları veya malzeme seçimi için tasarlanan programlar kullanılabilir.

Malzeme Seçim Diyagramı Örneği

Malzeme Seçiminde Genel Olarak Dikkate Alınacak Faktörler

Malzeme seçiminde dikkate alınması gereken bazı temel faktörler bulunmaktadır. Birçok uygulama, bütün bu faktörlerin olmasını gerekli kılmaz. Ama bazı uygulamalarda da ek faktörlerin devreye girmesi bile gerekebilir.

Mukavemet; bu malzeme çalışma esnasında uygulanan yüke ve doğacak gerilmeye dayanır mı?

Süneklik; bu malzemenin çalışma esnasında ne kadar sünek olması gerekir?

Tasarım-Yorulma; bu malzeme çalışma esnasında neden bu kadar çabuk yoruldu? Tasarımda bir yanlışlık mı var?

Bulunabilirlik, İmal edilebilirlik; bu malzeme kolay mı yoksa zor mu bulunur? Sadece tek bir yöntemle mi imalatı söz konusudur?

Elde edilebilirlik; bu malzeme kolay mı yoksa zor mu üretiliyor? İstenilen parça sayısı az mı çok mu?

Korozyon direnci; bu malzeme çalışma koşullarında korozyona karşı dirençli mi?

Maliyet; bu malzemenin fiyatı tasarladığımız ürün için uygun mu?

Tasarım Araçları

Doğru tasarımı gerçekleştirebilmek için bilgisayar destekli tasarım programlarını, sonlu elemanlar araçlarını kullanabiliriz. Bilgisayar destekli tasarım programları ürün tasarımın verimliliği arttırır, zamandan tasarruf sağlar ve kolayca daha fazla tasarım denemeye izin verir.

Sonlu Elemanlar Analizi (FEA), Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) adı verilen sayısal tekniğin kullanıldığı herhangi bir fiziksel olgunun simülasyonudur. Mühendisler, daha iyi ürünler geliştirmek için fiziksel prototip ve testlerin sayısını azaltmak ve bileşenleri tasarım aşamasında optimize etmek için bu yöntemi kullanırlar. Tasarım geometrisinde malzeme değişikliklerinin tasarımdaki etkisini görmeye ve minimum ağırlık veya maksimum performans elde etmek için boyut, şekil veya formun optimizasyonuna izin verir.

Tasarım, analiz ve imalat birbirinden ayrılmaz bir bütündür. Bu üçü birlikte olmadan sağlıklı bir AR-GE düşünülemez. Tasarımı, sonlu elemanlar programı ile analiz etmeden önce bazı teknik detayların düşünülerek tasarımlar yapılması gerekir.  Her analiz için temelde izlenecek yol;

1. İçe aktarma modeli veya modelin oluşturulması
2. Yapının ayrıştırılması
3. Malzeme uygulama
4. Yük ve sınır koşullarının uygulanması
5. Analiz
6. Çözücü ve Sonuç

Sonlu Elemanlar Analizi Uygulanmış Üç Boyutlu Model

Sonlu Elemanlar Analizi ile belirlediğimiz malzemede, belirlediğimiz noktalarda gerçekleşecek olan gerilme türleri, sıcaklık değişimi, ısı transferi gibi olguların sonuçlarını daha net bir yaklaşımla elde etmiş oluruz. Tahmin edilemeyecek ince detaylar analizlerde ortaya çıkar ve bu da tasarımcıyı tasarım değişikliğine götürür. Sonuç olarak doğru malzeme kullanımı tasarımı iyi bir şekilde temsil eder ve yaşatır.

Yazıyı Makine Yüksek Mühendisi Fettah GÜVENTÜRK’ün veciz sözüyle bitirmek istiyorum;

İlim ilerler, teknik malzemeyi bekler.

Kaynakça

• KURGAN N., ‘Mekanik Sistem Tasarımı Ders Notları’, OMÜ
• ‘Malzeme Tasarımı ve Seçimi Ders Notları’, BARTIN ÜNİVERSİTESİ
• AKTAŞ B., ‘Makine Mühendisliğinde Malzeme Seçimi Ders Notları’, HARRAN ÜNİVERSİTESİ