1.0 Giriş
Bilgisayar Destekli Sayısal Kontrol (CNC) işleme, imalat sektöründe en yaygın kullanılan prototipleme süreçlerinden biridir. CNC ile prototipleme, pratik ve işlevsel prototipler oluşturmak için bilgisayarların kullanılmasından başka bir şey değildir. Bu yöntem, geleneksel prototipleme yaklaşımlarının yerini tamamen almıştır. CNC prototip işleme, bir takım tezgahının bilgisayar tarafından kontrol edildiği bir işlemdir; bu kontrol, makineye girilen sayısal verilere dayanır. Genellikle CAD/CAM yazılımı kullanılır ve makine kullanıcılarının uygun tasarımları geliştirmesine ve bilgisayarın takımın hareketlerini kontrol etmesine olanak tanır.
Mühendisler, 1980'ler ve 1990'larda prototipler oluşturmak için yönlendirme makineleri, şekillendirme makineleri, dikey freze tezgahları ve merkez torna tezgahları kullandılar. Prototip üretiminde CNC makinelerinin kullanılmasının en önemli avantajlarından biri, prototip işlemenin otomasyonu ve manuel operatörlerin büyük ölçüde ortadan kaldırılmasıdır.
Geleneksel prototip üretiminde insan gücüne ihtiyaç duyuluyordu ve bu da uzun vadede maliyetli oluyordu. Prototip üretiminde ise CNC prototip makinelerinde tüm prototip sürecini tek bir operatör yürütebiliyor. Sonuç olarak, işlevsel prototipler oluşturma söz konusu olduğunda, çoğu üretici hassasiyet, verimlilik ve hız açısından harika bir alternatif olduğu için CNC prototiplemeyi tercih ediyor.
CNC prototip işleme gerektiren sektörlerden bazıları havacılık, metal işleme, askeriye, elektronik, silah sanayi, inşaat, otomotiv, diş hekimliği ve tarımdır.
1.1 Aşırı parça hassasiyeti gerektiren uygulamalar
Ticari ve özel uçaklardan gezegenler arası uzay araçlarına kadar, havacılık ve uzay sektöründe hassasiyet kritik öneme sahiptir. Havacılık ve uzay CNC prototip işleme hizmetleri çeşitli uygulamalara hizmet vermektedir.
Motor.
Uçağın dış işleyişi için en önemli bileşendir ve yakıtı sızıntı veya bileşen arızası olmadan işleyip yakmalıdır. CNC prototipleme, motorun verimliliği için hayati önem taşıyan en karmaşık elemanlarının üretiminde yardımcı olur.
Kokpit bileşenleri.
Kokpit iç bileşenlerinin tasarımında CNC prototipleme çok önemlidir. Pilotlara gerçek zamanlı yönlendirme sağlayan navigasyon sistemi, birbirine bağlı en küçük parçalardan oluşmaktadır. CNC prototipleme, periyodik olarak ince ayar ve ayarlama gerektirebilecek bu küçük havacılık parçalarının üretiminde yardımcı olur. CNC ile üretilen parçalar son derece hassas ve uzun ömürlüdür, arıza olasılığını neredeyse ortadan kaldırır.
Uzay Aracı Parçaları.
CNC prototipleme, robotik kollar, elektrokimyasal sistemler, borular ve muhafazalar gibi yüksek performanslı uzay aracı bileşenleri oluşturmak için kullanılır. Uzay araçlarında kullanılan her bileşen, uzayda bulunan aşırı sıcaklık ve radyasyona karşı hafif, sağlam ve dayanıklı olmalıdır.
Dış Bileşenler.
Uçakların dış yüzeyinde kanat flapları, ışıklar, sensörler ve dış paneller bulunur. Bu bileşenler, hava ve uzay uçuşunun zorlu koşullarına dayanacak şekilde, CNC prototipleme teknolojisi kullanılarak kolayca üretilebilen yüksek mukavemetli, hafif malzemelerden yapılmıştır. CNC prototipleme ayrıca, maksimum aerodinamik performans için dış panellerin ve yüzeylerin kusursuz bir şekilde bir araya gelmesini sağlar.
Koşucular.
Motorun karşılıklı emme sistemleri, hava kanalları ve boru hatları aracılığıyla havayı motor bloğuna yönlendirir. Bu sistemler için hassas kanallar, CNC prototip işleme kullanılarak son derece dar toleranslarla tasarlanır ve üretilir.
Konutlar.
Elektronik ve hassas ekipmanlar, radyasyondan, sıcaklık değişimlerinden ve manyetik modülasyondan korunmak için muhafazalara yerleştirilir. CNC prototipleme, üreticilere hassas bileşenleri istenmeyen girişimlerden koruyan, daha verimli muhafazalar geliştirmelerinde yardımcı olur.
Fren Sistemleri ve Parçaları.
Havacılık ve uzay araçlarının fren sistemleri, fren pedalları, silindirler, kaliperler, pistonlar, fren pabuçları, hatlar ve hortumlar gibi hassas CNC üretimi parçalara büyük ölçüde bağlıdır; bunlar, uçak ve uzay araçlarının yerde iken hızlarının düzenlenmesine yardımcı olur.
Şanzıman Parçaları.
CNC prototipleme işleme, dişliler, çubuklar, miller ve gövdeler gibi şanzıman bileşenlerine fayda sağlar. Uçak ve uzay araçlarının şanzıman, direksiyon ve diğer önemli sistemleri sorunsuz ve verimli bir şekilde çalışır.
2.0 CNC Prototipleme Prosedürleri
CNC prototipleme sürecindeki aşamalar aşağıdaki gibidir:
· 3B Dosyalarının Oluşturulması:
CNC üretiminde CAD tasarımları gibi 3 boyutlu veriler kullanılır. Sonuç olarak, seçilen tasarımlar 3 boyutlu bir dosyaya dönüştürülür. 3 boyutlu dosyalar, nihai ürünün boyutunu, özelliklerini ve estetik standartlarını belirler.
· Üretim Sırasının Belirlenmesi:
Her bir özellik için işleme tekniği, 3D dosya hazırlandıktan sonra belirlenir. Prototipi oluşturmak için kusursuz bir CNC işleme döngüsü kullanılır. CNC ile işlenmiş prototip üretimi, CNC yönlendirme, CNC tornalama, CNC kesme, CNC frezeleme ve CNC delme dahil olmak üzere çeşitli üretim yöntemlerini içerebilir.
· CNC Programlama:
CNC programı, CNC makinesini üretim süreçleri ve takım çalıştırma talimatları dizisi boyunca yönlendirir. Hesaplanan değerler, bir CNC programı oluşturmak için G kodlarına veya M kodlarına yerleştirilir. G kodları ve M kodları, CNC makinesine hangi takımın kullanılacağını, takımın ne kadar hareket etmesi gerektiğini, ne kadar hızlı ilerlemesi gerektiğini ve ne kadar derinlikte kesmesi gerektiğini bildirir. Tüm talimatlar CNC yazılımına dahil edilmiştir ve bu da üretim ihtiyaçlarına göre CNC hızlı prototipleme otomasyonuna olanak tanır. İlerleme hızları, kesme derinlikleri, çalışma sayısı ve takım hareket mesafesi, programlama süreci boyunca hesaplanır.
· Prototipleme;
Ardından CNC programı, CNC makinesinin sayısal kontrol paneline yüklenir.
Sorunsuz CNC işleme süreci, iş parçasının takıma yerleştirilmesi ve makinenin çalıştırılmasıyla başlar. İş parçası üzerinde gerçekleştirilen çeşitli CNC işleme prosedürleri ile hedeflenen ürünün prototipi oluşturulur. Bir maket veya tamamen işlevsel, gerçeğe çok benzeyen bir prototip kullanılabilir.
3.0 CNC prototipleme türleri
3.1 CNC Frezeleme Prototipleme
Prototip üretimi için en uyarlanabilir yöntem frezeleme yöntemidir. Prototipin karmaşıklığına bağlı olarak, bazen 5 eksenli bir CNC makinesi gerekebilir. Ek hareket eksenleri, önemli ölçüde daha hassas kesim ve gelişmiş parça üretimine olanak tanır, ancak daha yüksek bir maliyetle birlikte gelir. CNC frezeleme, bilgisayar kontrollü bir takım başlığı ile daha büyük bir malzeme bloğundan nihai prototipin kesilmesini içerir. CNC frezeler, yüksek hassasiyet (yaklaşık 0.001 inç toleranslar) ve çok çeşitli şekil ve malzemelerle çalışma yeteneği ile en yaygın CNC prototip makinesi türüdür.
3.2 CNC Tornalama Prototipleme
Tornalama makineleri, genellikle torna tezgahı olarak bilinir ve bir bloğu yerinde tutarak hızla döndürürken, bir aletin CNC bilgisayar kodu kullanarak orijinal malzemeden parçalar kesmesiyle dairesel parçalar üretir. Çok yönlü CNC prototip uygulamalarının sınırlı olması nedeniyle, torna tezgahları dairesel orta bölümlere sahip nesnelerin prototiplenmesi için uygundur.
3.3 CNC Router Prototipleme
CNC routerlar, CNC frezelerle benzer şekilde çalışır; ancak makinenin boyutuna göre çalışma alanını optimize etmek için portal tasarım kullanılarak oluşturulmuş, daha az karmaşıklığa sahip, daha ucuz versiyonlardır. Routerlar ahşap, plastik ve alüminyum gibi yumuşak metaller için daha uygundur ve karmaşık metal kesimine odaklanmayan bireyler ve küçük işletmeler için daha idealdir. Genellikle üç eksen kullanırlar, bu da fiyatına göre iyi bir karmaşıklık sağlar, ancak CNC frezelere kıyasla hassasiyetten yoksundurlar. Alet ve makineye dayalı CNC dosyaları oluşturmak yine de büyük bir öğrenme eğrisi gerektirir.
3.4 CNC Lazer Kesici Prototipleme
Küçük firmalar, alüminyum, plastik ve akrilik gibi metalleri, tekstilleri kesmek ve ahşap CNC prototipleri üretmek için daha güçlü lazer kesiciler kullanabilirler. Çok fazla para harcamadan çeşitli prototipler üretmek isteyen küçük stüdyolar, bu makinelerin uyarlanabilirliğinden faydalanabilirler. Bununla birlikte, lazerin ısısı prototip üzerinde "yanık" izleri bırakabilir ve çoğu CNC lazer kesici yalnızca iki eksende çalıştığı için karmaşıklık genellikle sınırlıdır.
4.0 Havacılık sektöründe CNC prototipleme için kullanılan malzemeler
Uçak üretiminde, aşağıda belirtilenler de dahil olmak üzere çeşitli malzemeler kullanılmaktadır.
i. Hafif Metaller
Havacılık ve uzay firmaları tarafından kullanılan CNC işleme malzemeleri, mukavemet ve ağırlık olmak üzere iki temel özellik tarafından belirlenir. Çelik gibi metaller sağlam olsalar da, aşırı ağırlıkları nedeniyle çoğu bölüm için uygun değildir; bu da daha az yakıt verimli (ve dolayısıyla daha pahalı) uçaklara yol açar. Bu nedenle, sektör titanyum ve alüminyum alaşımları gibi güçlü ve hafif metalleri tercih etmektedir.
CNC işleme yönteminde kullanılan her iki metal malzeme de kullanımı kolaydır. Örneğin titanyum, çeliğe göre yaklaşık %30 daha güçlü ve %50 daha hafiftir ve yüksek ısıya ve korozyona karşı oldukça dayanıklıdır. Bu da onu uçakların fonksiyonel bileşenleri ve dış elemanları için mükemmel kılar.
Öte yandan alüminyum, titanyumdan daha hafiftir ancak mukavemeti yaklaşık olarak onun yarısı kadardır. Bu son derece işlenebilir metal, titanyuma kıyasla daha ucuzdur ve ayrıca çok çeşitli havacılık bileşenleri için de uygundur.
ii. Yüksek Performanslı Plastikler
Uçakların fonksiyonel mimarisinde metal bileşenlerin daha yaygın uygulamaları olmasına rağmen, birçok iç bileşen polimer bazlı malzemelerden üretilmektedir. Metallere kıyasla bu malzemeler çok daha hafiftir. İç duvar panelleri, havalandırma kanalları, uçak kapıları, kablo kanalları, rulmanlar ve diğer parçalar bunların yardımıyla üretilir. Bunlar, hafif, sağlam ve yangına dayanıklı havacılık sınıfı polimerlerden yapılmıştır.
Havacılık sektörü için, havacılık CNC işleme yöntemi, sağlam, hafif ve karmaşık plastik parçalar üretir. Bu parçaların yapımında PEEK ve diğer yüksek performanslı polimerler gibi malzemeler kullanılır. Metal işleme gibi uçak prototipi işleme yöntemleri, polimer bazlı havacılık uygulamaları için gereken yüksek hassasiyeti sağlar.
5.0 Havacılık ve Uzay Sanayinde CNC Prototiplemenin Faydaları
Havacılık sektöründe çeşitli prototip üretim prosedürleri izlenmektedir. CNC işleme ise sunduğu sayısız avantaj sayesinde en iyilerinden biridir. İşte CNC işleme prototiplerini kullanmanın sağlayabileceği bazı avantajlar:
I. Gerektiği kadar tasarım yapabilme yeteneği.
Prototip üretimi, küçük bileşenlerden karmaşık montajlara kadar uzanır ve yeni tasarımlara, malzemelere ve üretim yöntemlerine olan güvenin geliştirilmesinde kritik öneme sahip olabilir. Bileşen veya montaj seviyesinde prototip üretimi, genellikle bir üretim hattı kurulmadan önce yapılabilir ve havacılık işletmeleri için alternatif tasarım konseptlerini test etmenin, değerlendirmenin ve takas etmenin ucuz bir yolu olabilir. Nihai stratejiye karar verilmeden önce genellikle birkaç prototip oluşturulur.
II. Ürünün şeklini, uyumunu ve işlevini doğrulayın.
Havacılık ve uzay bileşenlerinin güvenli bir şekilde çalışabilmesi için hassas boyut, malzeme ve işleme özelliklerini karşılaması gerekir. Prototip üretimi, bileşenleri, alt yapıları ve montajları test etmek ve şekil, uyum ve işlevi (bir parçayı veya montajı tanımlayan ve karakterize eden özellikler) neredeyse hata payı olmadan değerlendirmek için kullanılabilir. Doğru prototip, konsept ile üretim arasındaki süreyi ve üretim başladıktan sonra mühendislik değişiklikleri yapma ihtiyacını azaltabilir; bu da maliyetli ve zaman alıcı bir işlem olabilir.
III. Ulaşılamayan bilgilere ulaşın
Havacılık ve uzay sistemleri, hafiften şiddetliye kadar değişen aerotermal yükler altında çeşitli ortamlarda çalışır. Önemli yapılar ve sistemler, çok çeşitli ortamlara dayanmak zorundadır; bu nedenle tasarım sürecinin çeşitli aşamalarında tasarımların test edilmesi ve değerlendirilmesi kritik önem taşır. Havacılık ve uzay prototipleri, kuruluşların yapısal, termal ve çevresel testler de dahil olmak üzere çeşitli bileşenleri tam ölçekte ve gerçekçi ortamlarda inşa etmelerine ve test etmelerine olanak tanır.
IV. Daha az para harcanır; daha çok bilgi edinilir.
İyi planlanmış bir prototip programı, havacılık sisteminizin zamanında ve uygun maliyetli bir şekilde geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Maketler ve küçük ölçekli prototipler, geliştirme sürecinin başlarında dış kaynaklardan fon bulmanıza ve seçeneklerinizi daraltmanıza yardımcı olabilir. Geliştirme aşamasının ilerleyen safhalarında tam ölçekli alt montajların ilgili çevre koşullarında test edilmesi, riski azaltmaya yardımcı olabilir. Prototip gereksinimleri projeye bağlı olarak değişecektir. Sonuç olarak, prototip bütçenizden en iyi şekilde yararlanmak için her durumu ayrı ayrı değerlendirmek çok önemlidir.
V. Hassasiyet ve Tolerans
CAD dosyanızdaki boyut ve şekil özelliklerini takip ederek, gerekli çıktıyı elde etmek için bir üretim prosedürü uygulamak isteyeceksiniz. İstenen sonucu elde etmek için yüksek hassasiyetli bir makine gerekecektir. Boyutlar modelinkilerle eşleşmese bile, gerçek değer sapması son derece küçük olacaktır. Bu, CNC işlemenin geleneksel prototip yöntemlerine göre daha yüksek bir tolerans seviyesine sahip olduğu anlamına gelir. Bu hassas toleranslar, Raymer'ın şu sözleriyle belirttiği gibi, iniş takımı gibi bölümlerde özellikle önemlidir: "Bir uçak tasarımında tanımlanması gereken birçok iç bileşenden iniş takımı genellikle en çok sorun çıkaran kısımdır."
VI. İnsan müdahalesini azaltın
CNC işleme sayesinde üretim sürecinde insan müdahalesi azalır. Bu sayede operatör hataları büyük ölçüde azalır ve üretim hataları önemli ölçüde düşer.
Sonuç olarak, bir model tasarlamanız gerekiyorsa, CNC makinesi uzun süre çalışabilir.
VII. Tekrarlanabilirlik
CNC makineleri, Boeing, Lockheed-Martin, Vickers ve diğerleri gibi şirketlerin taleplerini karşılamak ve bileşenlerin kusursuz kopyalarını doğru bir şekilde üretmek için en iyi alternatiftir.
Tamamen insan kontrolünde olan manuel frezelemenin aksine, kopyalar arasındaki farklılıklar çok büyüktür; oysa CNC frezeleme her seferinde nesnenin birebir kopyasını sağlar. Bilgisayar Destekli Tasarımın (CAD) CNC frezeleme makinelerine entegre edilmesi, performansı artırır ve her seferinde kusursuz kopyalar üretilmesini sağlar.
Üretim öncesinde, herhangi bir parça gerektiği gibi tasarlanabilir, değiştirilebilir veya yeniden dökülebilir. CAD tasarımı kolayca değiştirilebilir, bu da tasarımı CNC makinesine yerleştirmeden önce birden fazla program geliştirilmesine olanak tanır ve freze makinesinin parçanın fiziksel bir kopyasını üretmesini sağlar. Bu, hızlı ve basit prototiplemeye yol açabilir.
6.0 Sonuç
Havacılık sektörü, en son teknolojiye sahip özellikler ve sektör yönergelerine sıkı sıkıya uyulmasını beklemektedir. Uçak ve uzay araçlarının hassas yapısı nedeniyle yüksek kaliteli bileşenlerin kullanımı kritik öneme sahiptir. Havacılık CNC işleme, mühendisler için değişiklikler yapmak ve testler gerçekleştirmek açısından çok daha zaman verimlidir ve ayrıca yüksek doğruluk ve tolerans sağlar.
CNC işleme, hassas toleranslara ulaşmaktan kesme döngüsü sürelerine kadar eksiksiz bir çözüm sunar. Dahası, havacılık sektöründeki mevcut inovasyon seviyesi göz önüne alındığında, CNC prototipleme, performans, estetik ve üretilebilirlik konularının kapsamlı bir şekilde incelenmesi için gerekli tüm işleme aşamalarını sağlar.
