3D YAZICI İLE OTOMOBİL ARKA AYDINLATMA GRUBU

17. Uluslararası Makina Tasarım ve İmalat Kongresi 12 Temmuz – 15 Temmuz 2016, Bursa, Türkiye

3B YAZICI SİSTEMLERİ İLE OTOMOBİL ARKA AYDINLATMA GRUBUNUN GELİŞTİRİLMESİ

İsmail DURGUN, ismail.durgun@tofas.com.tr TOFAŞ A.Ş., 16369, Bursa
Davut BAŞARAN, davut.basaran@arti90.com, +90, 41470, Kocaeli
Utku DEMİRKAN, utku.demirkan@arti90.com, +90, 41470, Kocaeli

ÖZET
Otomobil ürün geliştirme sürecinde her ne kadar sayısal analiz yöntemi ve sanal gerçeklik programları geliştirilmiş olsa da hala fiziki doğrulamalara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu doğrulamalardan birisi de geliştirilen özellikle plastik parçaların araç gövdesi üzerinde geometrik doğrulama ve monte edilebilirliğinin fiziki olarak yapılmasıdır. Bu doğrulama aşamasında doğrulanacak plastik parçaların kalıpları olmadığı için prototip yöntemleri ile imalatları yapılmaktadır. Doğrulamada istenilen ölçüsel hassasiyet ve malzeme özellikleri, sertlik değerleri ve saydamlık-esneklik değerlerine göre uygun prototip üretim yönteminin seçilmesi gerekmektedir. Bazen bir parça için tekbir üretim yöntemi yeterli olamamaktadır. Bu durumda da parça birden fazla üretim yöntemiyle hibrit olarak kullanılarak üretilmek zorundadır. Bu çalışmada bu tür parçalardan biri olan arka aydınlatma grubu komplesinin farklı imalat yöntemleri ile detay parçaları üretilmiş ve bu parçalar bir araya getirilerek komple arka aydınlatma grubu elde edilmiştir. Ayrıca bu parça estetik olarak ta doğrulama çalışmalarında kullanılabilecek şekilde üretilmiştir. Elde edilen bu komple parça için ölçüsel sapma değerleri de verilmiştir.

Anahtar Kelimeler: 3B Yazıcı, FDM, SLS, PolyJet, Silikon Kalıplama

DEVELOPMENT OF CAR REAR LIGHTING GROUP WITH RAPID PROTOTYPING METHODS

ABSTRACT
Automotive product development process, although numerical analysis methods and programs have been developed, though there is still a need for physical verification. This verification from someone in, especially developed plastic parts geometric verification and assemblability on the vehicle body is carried out in physical. In this validation phase, the plastic parts to be verified are performed with the prototypes manufacturing methods, because it is not mold. It must be selected appropriate prototype methods, according to the material hardness and the required dimensional accuracy. Sometimes a piece of one production method is not sufficient. In this case, the parts must be produced using multiple production processes. In this study, complete rear lighting group that one of such parts are produced by different manufacturing methods and assembly of these parts are taken together to rear lighting group was obtained. In addition, this part is manufactured to be used in aesthetic validation study. Deviation values that dimensional for the obtained part has the complete are given
Keywords: 3D Printer, FDM, SLS, PolyJet, Silicone Molding

1. GİRİŞ
Günümüzün üretim dünyasında ürünün pazara sürüm süresinin kısaltılması firmaların rekabetçi kalabilmeleri için önemlidir. Bu sürecin kısalmasının yanında, pazara sunumdan sonra gerekecek sorun giderici tasarım gereksinimlerinin de minimize edilmesi hatta sıfırlanması bir diğer önemli, tamamlayıcı koşuldur. Küresel rekabetle birlikte ürünlerin pazardaki yaşam sürelerinin kısalması, ürün geliştirme süreçlerinin sıklaşmasını sağlamıştır. Her sektörde olduğu gibi üretim sektöründe artan teknolojik olanaklar ile ürün geliştirme sürecinin kısalmaya devam ettiği gözlenmektedir [Delikanlı, Sofu, Bekçi, 2005]. Bu noktada 80’li yılların sonundan itibaren gelişmeye başlayan 3B Yazıcı çalışmaları üretim sürecinin kısalmasına en önemli desteklerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır.

Genel olarak 3B Yazıcı sistemleri, bilgisayar ortamında hazırlanan üç boyutlu CAD çizimlerinden doğrudan olarak fiziksel prototip modelleri üretmemizi sağlayan imalat teknolojileri olarak tanımlanabilir. İlk olarak 1987’de 3D Systems isimli bir Amerikan firması tarafından ticarileştirilmiştir [Society of Manufacturing Engineers, 2004]. 3B Yazıcı cihazlarında fiziksel prototiplerin eğer 3B modelleri var ise saatler içerisinde imal edilebilmeleri mümkün olmuştur. Çok sayıda yöntem geliştirilmiş olmakla birlikte 3B Yazıcı yöntemlerinin ortak noktası fiziksel modellerin tabandan başlayarak katman katman yüzeylerin üst üste eklenmesiyle parçayı oluşturmasıdır. Bu nedenle eklemeli imalat teknolojileri (Layered Manufacturing) olarakta adlandırılmaktadırlar. Ayrıca literatürde 3D Printing (3DP), Solid Freeform Fabrication (SFF), Free Form Fabrication (FFF), Advanced Manufacturing, Rapid Manufacturing, Rapid Tecnologies, Rapid Tooling, Additive Manufacturing (AM), Additive Fabrication (AF), Autofabrication, Automoted Fabrication (AF) gibi isimler de verildiği görülmektedir [Çavdar, Filiz, Doğan, 2006].

Üretilmiş olan 3B Yazıcı cihazlarının çalışma prensibindeki ortak yön, bilgisayarda 3D CAD ortamında oluşturulan parça STL formatında hazırlanıp prototip makinesinde katmanlar halinde inşa edilmesidir (Şekil 1). Fakat katmanların oluşturulma tekniği ve inşa hammaddesi olarak kullanılan malzemenin özelliği çok farklı olabilmektedir. Bu sistemlerin bize sağladığı teknoloji ile 3D CAD tasarımı yapılan numunelerin tasarımdaki hatalarını görmek veya kullanıma uygunluğunu tespit etmek için hızlı imalat teknolojisi sonucu oluşan prototip üzerinde inceleme fırsatı doğmuştur.

Parçaların katmanlar şeklinde üretilmesi edilmesi esasına dayanan 3B Yazıcı teknolojileri, çok faklı isimler ile ticarileştirilmişlerdir. Fakat genel sınıflama, kullanılan prototip malzemesine veya parça oluşturma tekniğine göre olmak üzere ikiye ayrılır. Özellikle otomotiv sektöründe kullanılan doğrudan dijital imalat yöntemleri; SLA (Stereolithography), FDM (Fused Deposition Modelling), SLS (Selective Laser Sintering), PolyJet, Silikon Kalıplamadır.

Bugün kullanılan 3B Yazıcı sistemleri PoliKarbonat (PC), ABS, ULTEM, PolifonikSülfon (PPSF) gibi termoplastik malzemeler, fotopolimer özelliği gösteren reçine esaslı malzemeler, toz esaslı poliamid malzemeler, döküm kum ve farklı metal tozları (Fe, Al, Ti, Co-Cr, Cu alaşımları, Ni-esaslı süper alaşımlar,…) kullanılabilmektedir. Fakat unutulmamalıdır ki her geçen gün kullanılan bu malzemelere yenileri eklenmekte ve cihazların hassasiyetleri de iyileşmektedir. Her sistemin artı ve eksi yönleri mevcut olduğu için elde edilecek parçadan istenen özelliklere bağlı olarak üretim yöntemi belirlenmelidir.

2. HIZLI PROTOTİPLEME YÖNTEMLERİ
Çok sayıdaki üretim yöntemlerinden bu çalışmada kullanılacak olanların kısa tanıtımı yapılmıştır.

2.1. Eriyik Yığma Tekniği (Fused Deposition Modeling-FDM)
FDM, filaman halindeki termoplastik malzeme eritilerek oluşturulan tabakanın üstünde yeni bir katmanın oluşturulmasına dayanan bir sistemdir [Çelik, Karakoç, Çakır, Duysak, 2013]. FDM’de işlemlere üretilecek parçanın, 3D CAD datasının katı model formundayken makinenin işlem gördüğü STL formatına çevrilmesiyle başlanır. Ardından parçanın mukavemet ve esneklik gibi özelliklerini etkileyen malzeme seçimi yapılır ve üretim oryantasyonu belirlenir. 0,127-0,330 mm arasında uygun katman kalınlığı seçilerek katı model özel yazılımı kullanılarak katmanlara ayrılır. Sistem üzerindeki kafa her defasında bir katmanın konturunu çizecek ve içini dolduracak şekilde x ve y eksenlerinde; eş zamanlı olarak üretimin yapıldığı tabla da z yönünde hareket eder. Bu proses, sıcak yapıştırıcı tabancasının eriyik yapıştırıcı damlacıklarını sermesini andırır. Sıcaklık kontrollü ekstrüzyon kafası, yarı-eriyik mertebesine ulaşıncaya kadar ısıtılmış termoplastik model malzemesi ile beslenir. Kafa, model ve destek malzemesini yönlendirerek hassas bir şekilde makine üretim tablasına ince katmanlar halinde serer. Katman katman serilen malzemenin soğuyarak katılaşması ile üç boyutlu model oluşturulur (Şekil 2). Parça üretimi sırasında farklı geometrilerde destek malzemesine ihtiyaç duyulabilir. FDM teknolojinde kullanılan destek malzemeleri el ile sökülen ve sulu çözeltide çözünen malzemeler olmak üzere 2 çeşittir. Üretimin ardından bu destek yapısı parçadan temizlenir ve parça hazırlanır.

2.2. Yüzey Pürüzlülük İyileştirme Çalışması (Vapor Smooting)
FDM yöntemi ile üretilen parçaların yüzeylerindeki katman kalınlık izlerini yok edilerek enjeksiyon kalıplarında üretilmiş parçalara benzer bir yüzey kalitesi elde edilebilmesi için yapılan işlemdir [http://www.stratasys.com, 2016]. Bu işlem FDM makinalarında üretilen ABS esaslı malzemelere başarı ile uygulanabilmektedir (Şekil 3).

2.3. Seçici Lazer Sinterleme (SLS, Selective Laser Sintering)
Bu yöntemde toz halindeki malzemenin ısıtılarak bir lazer ışını ile birleştirilmesiyle üç boyutlu parçalar oluşturulur (Şekil 4). Modelin oluşturulacağı haznenin üzerine kolayca eriyebilen ince toz tabakası serilmekte daha sonra ısıtılan toz CO2 lazer ile parça kesitine uygun olarak taranmaktadır. Lazerin toz ile etkileşimiyle tozun sıcaklığı ergime noktasının üzerine çıkmakta ve ergiyen toz kısa sürede katman oluşturmaktadır. Bu işlem eritme veya sinterleme olarak tanımlanır. Katman tamamen oluşunca yardımcı bir mekanizma ile ek toz tabakası taranan katmanın üzerine serilmekte toz tabakası tekrar lazer ile taranarak yeni katmanların oluşturulması işlemi model tamamlanıncaya kadar devam etmektedir. Tüm tabakalar şekillendirildiğinde bitmiş parça serbest toz kalıbı içerisinde gömülü durumdadır.

2.4. PolyJet
1. PolyJet Teknolojisi mürekkep püskürtmeli baskı ve Streolitografi 3 boyutlu baskı tekniklerini kombine eden bir teknolojidir. Model, tabla üzerine katman katman foto polimer reçine püskürtülerek ve UV ışığı ile kürlenerek oluşturulur (Şekil 5). Özel kimyasal içeriklere sahip PolyJet malzemeleri UV ışığı ile çok kısa bir sürede sertleştirildiğinden modellerin hızlı bir şekilde üretimine imkân sağlamaktadır. Polyjet teknolojisinin en önemli avantajı çok düşük katman kalınlığı ile (16 mikron) bir çok malzemeyi bir arada kullanabilmesidir. Örneğin, sert-esnek ve şeffaf malzemeler istenilen sertlik değerlerinde bir arada üretilebilirler. Bu malzemeler farklı sıvı kartuşlarından istenilen miktarlarda çekilerek 96 nozülü olan bir başlıkla zemine çok hassas bir şekilde püskürtülmektedir, ardından UV ışığıyla bu malzeme sertleştirilir [http://www.prototip.org, 2016].

2.5. Silikon Kalıplama
Silikon Kalıplama üretim teknolojisi, parçaların düşük adetlerde eşdeğer fiziksel ve kimyasal özelliklerle prototiplerinin üretilmesini sağlayan ve kalıp malzemesi olarak silikonun kullanıldığı bir üretim yöntemidir (Şekil 6). Günümüzde sadece üretim adetlerinin çok yüksek olduğu durumlarda büyük kalıp yatırımları kabul edilebilir seviyelerde çıkmaktadır. Özellikle düşük adetli parça talepleri söz konusu olduğunda, daha çok, üretim için gerekli kalıpların ne kadar hızlı ve düşük yatırım maliyetleriyle yapılabilmesi çok büyük önem taşır hale gelmiştir [Çalışkan, Durgun, 2011]. Silikon Kalıplama yönteminde parça dökümü için bir vakum sistemi kullanılmalıdır. Enjeksiyon baskıda yüksek sıcaklık ve basınç ile elde edilen kalıba malzeme doldurma işlemi bu yöntemde vakum altında malzemenin kendi ağırlığıyla dökülmesi ile gerçekleşmektedir.

3. ARKA AYDINLATMA GRUBUNUN GELİŞTİRİLMESİ
Otomobil ürün geliştirme çalışmaların sırasında boyutsal ve estetik doğrulama faaliyetlerinde ihtiyaç duyulan arka aydınlatma grubunun geliştirme çalışmalarına öncelikle alt detay parçalarının özelliklerini ve bu parçalardan beklenen özelliklerin anlaşılması ile başlanılmıştır (Şekil 7). Bu özellikleri belirlemek için testleri yapacak mühendisler her bir parça için aşağıdaki özellikler hakkında bilgilendirmede bulunmuşlardır.
1. Parçaların fonksiyon hareket yönleri
2. Olası montaj yükleri ve yönleri
3. Montaj ara yüzleri ve parçaların bağlantı şekilleri
4. Fonksiyon ya da görseli ciddi bir şekilde etkileyecek kritik parça bölgeleri
5. Estetik testler için görsel yüzeyler

Bu beklentiler 3D yazıcıların kabiliyetlerine dönüştürülmek istendiğinde birçok teknolojinin bir arada (hibrit) ve teknoloji özelinde farklı parça konumlandırması ile üretim değerlendirmesi yapılmıştır. Bu nedenle tek bir 3B Yazıcı yöntemi ile üretilmesi mümkün olmamıştır. Ayrıca bu parça komplesine gelecek değişikliklerin süreç içerisinde parçaya işlenebilmesi için de tıpkı bu parçanın seri üretimindeki gibi detaylandırılarak üretilmesi de istenilmiştir. Tüm bu kriterlerin göz önünde bulundurulması ile her bir parça için aşağıdaki gibi üretim yöntem seçimi yapılmıştır.

FDM teknolojisi seçimi; gövde, bezel, çerçeve, kapak gibi parçalar ölçü hassasiyetleri, uygulanacak yüzey işlemleri ve malzeme özellikleri nedeniyle FDM teknolojisinde üretilmiştir. Gövde ve bezel parçalarının geometrisi itibariyle parçanın atıklık olmaksızın doğru formda üretilmesi ürün genel montajı da göz önüne alındığında ciddi bir önem teşkil etmektedir. FDM teknolojisi gerek mühendislik malzemeleri özellikleri gerekse de proses olarak termal kontrollerinin çok iyi olması nedeniyle form-boyut bağımsız çok iyi çıktılar verebilmektedir. İlaveten, gövdenin iç kısmında yer alan prizmatik yüzeylerin net elde edilebilmesi için +z yönünde parça konumlandırması ve 0.123 mm katman kalınlığı ile üretim yapılmıştır. Krom kaplama ardıl işlemin öncesindeki vernik kurutma ara prosesinde de yüksek sıcaklık dayanımı beklentisini de FDM teknolojisinin gerçek mühendislik malzemesi ABS-M30 karşılayabilmektedir. Bezel parçasının bir kısmına uygulanacak olan krom efekti nedeniyle bu parçaların yüksek sıcaklığa dayanması ve yüzey kalitesinin iyi olması gerekmektedir. FDM teknolojisinde düşük katman kalınlığında ve yüksek hassasiyet ile bu gereksinimler yakalanabilir.

Polyjet teknolojisi seçimi; Polyjet teknolojisi endüstriyel parça üretiminde 16 mikron katman kalınlığı ve yüksek x-y çözünürlüğü (600 dpi) sayesinde çok hassas ve detaylı çıktılar verebilmektedir. Bu çalışmada üzerinde desenler ve prizmatik yüzeyler olan lens parçalarının master model (silikon kalıp için model parça) üretimleri detay kaybı olmaması adına Polyjet teknolojisi ile üretilmiştir. Elde edilen hassas ürün ve iyi yüzey kalitesi ardıl işlemlerde de kolaylık sağlamakta ve yüzey detaylarının kaybolma riskini ortadan kaldırmaktadır. Ürün üzerindeki esnek contalar da gereken farklı shore A sertlik değerleri nedeni ile Polyjet teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. İlaveten, Polyjet teknolojisinin aynı anda birden çok malzeme ile üretim yapabilme ve montaj datalarını tek parça haline üretme özelliğinden yararlanılarak yan kapağın kırmızı bölümü esnek, siyah bölümü ise sert malzemeden tek seferde üretilmiştir.

SLS teknolojisi seçimi; bağlantı elemanı, tıpa ve benzeri parçalar ve arka kapak gerek küçük ebatlı olması gerekse de çok fazla tırnaklı yapı içermesi nedeniyle SLS teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Büyük parçalarda ve görsel alanlarda tercih edilmeyen bu teknoloji küçük yapılardaki esnek tırnak detaylarının çalışabilmesi için oldukça elverişli bir yöntemdir.

Silikon Kalıplama tekniği seçimi; far modelinin en önemli parçaları olan lensler silikon kalıplama yönteminde akrilik esaslı poliüretan malzeme ile üretilmiştir. Bu malzemenin recraftiv indeksi seri üretimde kullanılan PoliKarbonat malzemeye oldukça yakındır. Bu sayede estetik denemelerin yanı sıra bu parçalarla optik ölçüm sonuçları da alabilmek mümkündür. Bu yöntemde malzeme bir kalıba dökülerek elde edildiği için yüzey kalitesi, parlaklık ve pürüzlülük oldukça iyi seviyede elde edilmiştir.

Üretimleri farklı 3B Yazıcı yöntemleri ile üretilen detay parçalar komple hale getirmek için hazırlanan aparatların kullanımı ile bir araya getirilmiştir. Başlangıçta montaj planlaması yapılmış ve parça modellerinde olmasa bile komple hale getirmede özellikle ölçüsel doğruluğu yakalayabilmek için parçalar üzerine ilaveler yapılmıştır.

4. SONUÇLAR
Komple olarak elde edilen parça ölçülerek sapma değerleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Komple parçanın otomobil ürün geliştirme aşamasında özellikle boyutsal doğrulama faaliyetlerinde kullanılacağını düşündüğümüzde Şekil 8’de verilen sapma değerleri istenilen tolerans değerleri içerisindedir. ±0,5mm üzerindeki sapma değerleri silikon kalıplama ile üretilen lens parçaları üzerinde görülmektedir. Lens parçadaki bu sapma değerleri de estetik değerlendirme toleransları içerisindedir.

3B Yazıcı yöntemleri ve yetkinlikleri her geçen gün iyileşmek ile birlikte bu çalışmadaki parça gibi çok sayıda bir birinden farklı özelliklerde alt parçalardan oluşuyor ise tek bir yöntem ile üretilmeleri mümkün değildir. Bu nedenle bu tür bir parçayı üretebilmek için mevcut 3B Yazıcı yöntemlerinin yetkinlikleri bilinerek gelişmeler takip edilmelidir.

KAYNAKÇA
1. Delikanlı, K., Sofu, M.M., Bekçi, U., (2005), “Üretim Sektöründe Hızlı Direkt İmalat Sistemlerinin Yeri Ve Önemi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, Sayı.4, Sf. 33-39
2. Society of Manufacturing Engineers, (2004), “User’s Guide to Rapid Prototyping”
3. Çavdar, F., Filiz, İ.H., Doğan, C., (2006), “Bir Hızlı Prototipleme Makinesi Tasarımı”, Tasarım İmalat Analizleri Kongresi, Balıkesir
4. Campbell, T., Williams, C., Ivanova, O., Garrett, B., (2011), “Strategic Foresight Report”, Atlantic Council, pp. 1-14
5. Çelik, İ., Karakoç, F., Çakır M.C., Duysak, A., (2013), “Hızlı Prototipleme Teknolojileri ve Uygulamaları” Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, s. 31, ISSN 1302-305
6. https://fused-deposition.wikispaces.com/Fused+Deposition, (2016)
7. http://www.stratasys.com/3d-printers/finishing-touch-smoothing-station, (2016)
8. http://www.relspec.com/applications/vapor-polishing.html, (2016)
9. Baş, H. ve Yapıcı, F., (2015), “Ergonomik Tasarım ve Üretimde Hızlı Prototipleme Teknolojisi”, Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi s. 3, sf. 199-204, ISSN: 1308-6693
10. Çelik, i., Karakoç, F., Çakır, M.C., Duysak, A., (2013), “Hızlı Prototipleme Teknolojileri ve Uygulama Alanları”, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Sayı 31, ISSN – 1302 – 3055
11. Çalışkan, Ö.U. ve Durgun, İ., (2011), “Silikon Kalıplama Üretim Teknolojisinin Otomotiv Ürün Geliştirme Sürecindeki Uygulamaları”, 12. Otomotiv ve Üretim Teknolojileri Sempozyumu