Enjeksiyon Kalıplarında Soğutma ve Üretken Tasarım Mühendislerin Yükünü Hafifletiyor
Enjeksiyon kalıplama karmaşık şekillerdeki plastik parçaların seri üretiminde çok önemli bir yere sahiptir. Yüksek kalitede ürünleri düşük maliyetlerle bu yöntemle üretmede öncelik, kalıplar içerisinde açılacak gelişkin soğutma kanallarının tasarımına verilir. Ancak ergimiş malzemenin kalıbın farklı noktalarındaki katılaşma zamanını özdeş kılmak ürün kalitesinde çok kritik bir rol oynadığı için, işinin ehli mühendisler zor ve zaman alıcı bir tasarım süreciyle baş başa kalırlar. Peki enjeksiyon kalıplarındaki soğutma kanallarının tasarımını otomasyona geçirmek, mühendislerin bu zorluğu aşmalarına destek olabilir mi, dersiniz?
İşte Japon Panasonic firması çatısı altındaki Life Solutions Company’nin kendisine misyon edindiği mesele de tam olarak bu sorunun cevabını temel alıyor. Bu amaçla dünyanın ilk 3B hibrid metal yazıcısı LUMEX Avance-25’i kullanan Şirket, öncelikle enjeksiyon kalıplarındaki soğutma suyu kanalları için yeni bir imalat yöntemi geliştirmiş. Katmanlı imalat ile frezelemenin bir araya geldiği bu imalat sürecinin sonunda ürünlerin şekliyle uyumlu, yani kalıplama yüzeyinden özdeş uzaklık ve ölçülerde soğutma kanallarına sahip bir soğutma sistemi elde edilmiş. Sonuçta da Şirket, kanalların doğrudan kalıp içinde delindiği geleneksel yöntemlere kıyasla soğutma sürelerinde yüzde 20 oranında azalma sağlamış. Bu da, elbette ki, maliyet tasarrufu anlamına geliyor.
Söz konusu yenilikçi tasarım uygulamasının arkasındaki kişilerden biri, Life Solutions Company’de kalıpların tasarlanıp üretildiği İmalat Mühendisliği Merkezi’nin araştırmacılarından Seiichi Uemoto. Kalıp tasarımı üzerine dersler de veren Uemoto, bu merkezde kalıp tasarımına yönelik ileri tekniklerin uygulanmasında kullanılan bilgisayar destekli mühendislik (CAE) becerilerinin geliştirilmesi üzerine çalışıyor.
Uemoto, 2014 InterMold fuarında da sergilenen ve kutu şeklindeki metal kalıplarda kullanılacak soğutma devrelerinin tasarımlarını mümkün en uygun yapıya getirme hedefiyle yola çıkmış. Japon araştırmacı, bu amaçla, kalıplanmış ürünler üzerinde yapılan ölçümlerden elde ettiği şekil bozukluğu verilerini kullanarak soğutma kanalları arasındaki boşlukların tetkikini gerçekleştirmiş. Onun bu tetkikler sonucu elde ettiği veriler metal kalıpların tasarımlarını otomasyona geçirme konusunda cesaretlendirici olmuş.
“Doğru ayarları baştan yapmak kaydıyla, üretken tasarım yönteminden yararlanarak kalıp soğutma kanallarının modellenmesi sürecini otomasyona geçirebileceğimi düşündüm,” diyor Uemoto. Bu düşünceden hareket eden araştırmacı, nihayetinde üretken tasarımın yapısal analiz yoluyla daha düşük ağırlığa sahip kalıp formlarını etkili bir şekilde ortaya çıkarabildiğini gözlemlemiş.
“Kalkış noktanız kalıp anatomisini en uygun forma ulaştırmak olursa, sisteme girilen koşullar temelinde yalnızca bir çözüm üretebiliyorsunuz,” diyen Uemoto sözlerine şöyle devam ediyor: “Bu şekilde, pürüzsüz hatlara sahip parçalar elde etmek zor. Ancak doğası gereği üretken tasarım ile daha pürüzsüz şekiller ortaya çıkarabilmek mümkün. Ben bu gerçekten hareketle, üretken tasarım yöntemini kullanarak, imalat prensiplerini hesaba katan çok sayıda konsepti, etkili bir şekilde üretebileceğimizi fark ettim.”
Üretken Tasarım İle Desteklenen İş Akışı
Bir sonraki adımda kalıplara üretken tasarım yöntemini uygulayan Uemoto, böylelikle yeni kalıp formları ortaya çıkarmayı ve tasarım sürecini otomasyona geçirmeyi hedeflemiş. Bugün şirketin son derece yetkin tasarımcıları çeşitli endüstriyel ürünleri onun temellerini attığı yolda, Autodesk Moldflow yazılımından destek alarak geliştiriyor. Söz konusu yazılım ile gerçekleştirilen kalıplama benzetimleri sayesinde tasarımlar çok daha hassas çıktıların üretilmesine olanak veriyor. Uemoto, “Tasarımcıların kendi başlarına ortaya koyamayacakları fikirleri geliştirmek üzere tasarım sürecini otomasyona geçirirsek, bu onlara çalışmalarında daha fazla özgürlük tanır diye düşündüm,” diyor.
Panasonic, bunu başarmak için İngiltere’nin Birmingham şehrindeki Autodesk Advanced Consulting ekibiyle işbirliğine giderek ortak bir proje geliştirdi. Proje, kalıplar içerisine açılan soğutma suyu kanallarının geliştirilmesinde, üretken tasarımdan yararlanmayı öngörüyordu. Proje ekibi bu amaçla karmaşık şekilli parçaları temel alan testler gerçekleştirmeye karar verdi. Ekip, yapıların havalandırma kanallarında da bulunan ve halihazırda seri üretimi yapılan aspiratör (fan) kanatlarını yapılacak testlerde kullanacağı ürün olarak belirledi.
Bu küçük fan kanatları karmaşık bir geometrik forma sahipti. Proje kısıtları çerçevesinde, uzman bir tasarımcı, fan kanadının ilk şekli için gerek duyulan teknik kısıtlamaları ortaya koydu. Ayrıca hem üretilecek su kanalları için ihtiyaç hissedilen bir dizi koşul hem de kanal yollarının kalıplanmış ürünün ince ayrıntıları üzerinde olumsuz bir etkide bulunmasını önlemek üzere gerekli olan sınırlamalar belirlendi.
Üretken tasarım sürecinde, ürünün şekli, geride yalnızca ihtiyaç duyulan su kanallarını oluşturmak için gerekli unsurlar kalana kadar çok sayıda yinelemeye tâbi tutuldu. Panasonic mühendisleri kalıpları zaten oldukça hassas biçimde tasarladıklarından, Uemoto yazılım ile orijinal tasarımın verimliliği üzerinde ilave bir fark yaratmanın zor olabileceğini düşünüyordu. Ancak Uemoto’nun da altını çizdiği gibi, “Moldflow ile otomasyon temelinde oluşturulan nihai modellerde alınan sonuç gerçekten etkileyici olmuştu.”
Su kanallarının kalıplardaki yerleşimlerinde sağlanan gelişim daha da şaşırtıcıydı. Tasarımın bir kısmı, kalıbın dış katmanı boyunca uzanan ve bir noktadan sonra benzersiz şekilde dallanan karmaşık kanallar barındırıyordu. Buna rağmen, Uemoto’nun bile beklentilerini aşan sonuçlara ulaşıldı. Japon araştırmacı, sürecin başarısına yönelik düşüncesini, “Üretken tasarım sürecinin sonunda elde ettiğimiz kalıp formları, herhangi bir insanın tasavvur edip yapabileceği şeyler değildi,” şeklinde özetliyor.
Becerisini Üretimde Kanıtlıyor
Tasarım sürecinin ardından dört farklı kalıp örneği üretildi: deneyimli bir mühendis tarafından tasarlanan, halihazırda imalat sürecinde kullanılan orijinal parça olan Örnek B; orijinal parçayı temel alarak otomasyona geçirilmiş üretken tasarım süreciyle üretilen Örnek C; şekil açısından daha serbest kısıtlamalara tâbi tutularak üretken tasarım yöntemiyle üretilen Örnek D; ve Örnek C ile aynı tasarıma sahip ancak ilave su kanalları bulunan Örnek E. Üretim aşamasının ardından, her bir kalıbın performansını değerlendirmek amacıyla o kalıplarla imal edilen ürünlerin hassas ölçümleri gerçekleştirildi.
Kalıplanan ürünler üzerinde yapılan ölçümler, deneyimli mühendisin kalıp tasarımıyla, otomasyon yoluyla üretilen soğutma kanallarını kullanan kalıp arasında çok az performans farkı olduğunu gösteriyordu. “Ürünü şekillendirmede nasıl bir tasarım hesabı yapıldığını kalıp içindeki sıcaklık değişimlerini izleyerek görebiliyordum,” diyen Uemoto, sözlerine şöyle devam ediyor: “Gerçekten fevkalade bir sonuç elde ettik. En nihayetinde, otomasyon temelli bir tasarımla çalışma hedefimize ulaşmış ve pürüzsüz hatlar içeren CAM [bilgisayar destekli imalat] verileri elde etmiştik.”
Şurası bir gerçek ki, deneyimli bir mühendisin bir kalıp tasarlaması yaklaşık sekiz saat alabiliyor ve ne kadar vasıflı uzman kullansanız da bu süreci kolaylaştırmanın bir yolu bulunmuyor. Buna rağmen, Life Solutions Company tarafından gerçekleştirilen projenin elde ettiği büyük başarı, Uemoto’ya, mühendislerin tasarım için harcadıkları uzun sürelerin yakında kısalabileceğinin ve mühendislerin üzerlerinden önemli bir tasarım yükünün alınacağının müjdecisi olarak görünüyor.
“Bu müthiş bir gelişme,” diyor Uemoto. “Bu gelişme yakın bir gelecekte bir paket yazılımın parçası haline gelirse, hem işleri hızlandıracak bir çözümün ortaya çıkmasını sağlayabilecek hem de bizlere sıcaklığın kontrolüne daha fazla odaklanan programlar geliştirme olanağı tanıyabilecek. Bu da çok farklı alanda çalışan kullanıcıların ve uygulamanın bu gelişmelerden fayda sağlaması anlamına gelecek.”