Topoloji Optimizasyonu ile birlikte teknolojik gelişmeler ve rekabetçi ortam, farklı fonksiyonları bir arada barındıran ürünler üzerinde yoğunlaşmaktadır. Kimi ürünler görselliği ile ön plandayken, kimi ürünler de işlevselliği ile ön plana çıkıyor. Özellikle otomotiv ve havacılık sektörleri teknolojinin lokomotifi konumunda bulunmaktadır.
Otomotiv endüstrisi tasarımlarıyla üzerimizde büyüleyici etkiler bırakırken, iç mekanizmalarında oldukça sağlam ve hafif tasarımlara sahip ürünlere ilgi duymaktadır.
Malzeme bilimi de bu çağa ayak uydurmak için her geçen gün ürün gamını genişletirken, en fazla üzerinde durdukları şey, düşük yoğunluklu fakat yüksek teknik özelliklere sahip malzemeler türetmektir. Tabi malzeme bilimi ile birlikte üretim yöntemleri de gelişmekte. Çağın tartışmasız yükselen yıldızı olan 3 boyutlu yazıcılar, enjeksiyon üretim teknolojisinin tahtına sallamaktadır.
Topoloji Optimizasyonu ile 3 Boyutlu Yazıcılar
3 boyutlu yazıcıların en önemli kıstası geleneksel üretim yöntemlerinin kısıtlamalarından (Kalıp çıkış açısına uygunluk, ters açı, maça kısıtlamaları v.b.) arınmış olması. Tasarımları daha özgür kılıyor.
Otomotiv de kullanılan gaz pedalı üzerinde yaptığım çalışmayı sizlerle paylaşmak istiyorum. Geleneksel üretim yöntemlerine uygun tasarımlarla başlayıp, 3 boyutlu üretim yöntemlerine uzanan farklı tasarımları içeriyor. Test yaparken farklı malzeme türlerini de kullandım.
Topoloji Optimizasyonu test sürecinde mesnet noktalarını, yer çekimi ivmesini ve pedala uygulanan basma kuvvetini sabit tutum (400N). Birlikte inceleyelim.
Üstteki resimde mono blok parçanın üzerindeki yükleri gösteriyor. Diğer test aşamalarında da parça üzerine uygulanan yükleri sabit tutum. Resimde gördüğünüz tasarımı rahatlıkla talaşlı imalat ile ürete biliriz. Malzeme seçimini alüminyum 6061 serisi olarak belirledim. Alüminyum serileri özellikle hafiflikleri ile ön plandadır. Otomotiv sektöründe de hafiflik önemli bir kıstas. Tabi ki de parçanın mukavim özelliklerini taşıdığı sürece. Bu koşullar altında parçamız nasıl bir tutum sergilemiş inceleyelim.
Parça üzerindeki renk değişimi gerilim noktalarının noktalarını maksimum ve minimum noktalarını göstermekte. Parçamızın mavi renkte olduğunu görmektesiniz. Bu da bize Topoloji Optimizasyonu ile malzemenin ve parça tasarımın uygulanan kuvvetleri taşıya bileceğini göstermekte. Parçamızın ağırlığı ise 1.579 kg civarında. 1980 öncesi araç tasarımlarında makul bir seviyede karşılana bilecekken, günümüzde ise hiç avantajlı değil.
Topoloji Optimizasyonu ile birde farklı malzeme ve üretim yöntemiyle deneyelim.
Alüminyum yerine PA12 kullanalım. PA12 yüksek mukavemet özellikleri gösteren ve hatta içerisine cam elyaf katkı maddesi eklenerek daha yüksek mukavemet özellikleri göstere bilmekte. Günümüzde kullanımı her geçen gün artıyor. Ön büyük artısı yoğunluğu alüminyuma göre 2.5 kat daha düşük olması. Hatta üretim yöntemini de plastik enjeksiyon yapalım, tasarımımızı da bir tık öteye taşıyalım.
Analiz programımızdan destek alalım. Bize PA12 malzeme özelliklerine göre ve aynı yükler altında minimum malzeme gereksinimi çıkartsın.
Resimde görüldüğü gibi minimum yük gereksinimlerini gösterdi fakat bu tasarımı plastik enjeksiyon yöntemiyle üretmemiz çok zor. Çok ince kesitler var. Kalıp içerisinde malzemenin yürümesini çok zorlaştırır. Ters açılar da mevcut. Bu durumu avantaja çevirmek için analizi referans alıp, data üzerinden enjeksiyon kalıplamaya uygun yeni bir tasarım yapalım.
Kahverengi datayı referans alarak, sarı renkteki tasarımı oluşturdum. Kalıplana bilir bir data oluşturdum. Birde aynı referanslar la bu tasarımı test edelim.
PA12 malzeme ve kalıplama yöntemiyle üretime uygun yaptığımız tasarımda başarılı geçti. Gerilim seviyeleri Alüminyumla yapılan tasarıma göre çok çok yakın. En büyük fark ağırlık 1.579 kg’dan 0.53 kg düştü. Hem malzeme değişimi, hem de topoloji optimizasyon desteği ile hazırlanan tasarım. Parça mukavim özelliklerinden ödün vermeden parça ağırlığının 3 de 1 oranına düşmesini sağladı.
Sonraki Adım
Malzememiz PA12 olarak kalsın. Üretim yöntemimiz 3boyutlu yazıcı da olsun. Tabi ki tasarımımızı da 3 boyutlu yazıcının bize sağladı avantajları göz önünde bulundurarak yeniden yapılandıralım.
Üçgen geometriye sahip mozaik yapıyı tasarımımıza ekledim. Aynı açı değerlerine sahip üçgen piramitler üzerlerine düşen yükleri eşit miktarda aktarmaktadır. Parçanın ataletini bir miktar daha artırmamızı sağlarken, ağırlığının da düşürmesini sağlıyor. Bakalım bu haliyle testimizden geçe bilecek mi?
Grafiğimizi incelediğimizde başarılı bir sonuç aldığımızı görüyoruz. Stres seviyesinde minimum bir artış gözlense de yine de güvenlik çerçevesindeyiz. Ağırlığa bakınca daha güzel sonuçlar ortaya çıkıyor. 0,53 kg’dan 0,42 kg kadar düştü. İlk tasarımımız 1.6 kg bandında gezerken, topoloji optimizasyon çalışmalarımızla bu değeri 0.4 kg kadar zorlaya bildiğimizi gözlemliyorum. Nerdeyse 4 kata yakın bir düşüş. Formula1 araç parçalarında, İnsansız hava araçlarında (dron vb.), yolcu uçak koltuklarının parçalarında bu optimizasyonu sağladığımızı bir düşünün. Ciddi bir hafifletme yapabiliriz. Tasarımlarınızda topoloji optimizasyonu kullanın size büyük avantajlar sağlar.