MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAK 435-Mekanik Sistem Tasarımı
Doç. Dr. Naci KURGAN
Mekanik Sistem Tasarımı Genel İlkeleri
Hafta-1
MAK 435-Mekanik Sistem Tasarımı
Mekanik Sistem Tasarımı Genel İlkeleri
• Giriş
• Mekanik sistem tasarımı farklı bilimsel, endüstriyel ve sosyal faaliyetlerin kontrol edilen bir hiyerarşi içinde birarada olduğu bir faaliyettir.
• Bu çerçevede uyumlu bir bütünlüğü oluşturan mekanik, sistem ve tasarım
kavramlarının irdelenmesi faydalı olacaktır.
"Mekanik" fizik bilimcilerin, cisimlerin durağan halini veya kuvvet etkisi altındaki hareketlerini inceleyen dalı olarak tanımlanabilir.
Mekanik genel olarak üçe ayrılır:
Rijit cisimlerin mekaniği,
Şekil değiştiren cisimlerin mekaniği,
Akışkanlar mekaniği,
Cisimlerdeki kuvvet-hareket ilişkisi katı, sıvı ve gaz hallerinde farklı fiziksel özelliklerinin
(yoğunluk, ısıl iletkenlik ve genleşme, elastiklik) tanımlanması ve incelenmesini gerektirir.
"Sistem" kavramı ise belli bir uyum içinde birarada olmayı ifade eder. Sistem en geniş
anlamda, birden fazla parça, eleman, fonksiyon ve işlevin uyumlu olarak çalıştığı bir bütün olarak tanımlanabilir.
Sistemin temel özelliği, onu oluşturan her şeyin kontrollü bir etkileşim içinde olduğu ve ancak bu yolla varlığını ve işlevini sürdürdüğüdür.
Mekanik bilimi kapsamında incelendiğinde, binalar, iş makineleri, günlük hayatta
kullandığımız bir buzdolabı ve daha pek çok şey sistem olarak örneklendirilebilir.
"Tasarım" kavramıysa, belli bir fonksiyon veya işleve yönelik insanoğlunun geliştirdiği tüm
düşünsel ve fiziksel aktivitelerin ortaya koyduğu ürün olarak tanımlanabilir.
Belli bir tasarımın geliştirilmesinde temel hareket noktası, istenen bir fonksiyonu veya işlevi önceden belirlenmiş koşullarda yerine getirecek az veya çok sayıdaki fiziksel parçaların düzenli bir biçimde bir araya gelmesinden oluşan bir yapı oluşturmaktır.
Tasarım faaliyeti istenen işleve yönelik sistemin ve alt sistem parçalarının taslak modellerinin boş bir kâğıda çizilmesiyle başlar.
• Bu aşamada başlayan şekillendirme işlemi
nihaiyi hedefe ulaşıncaya dek farklı adımların sistematik olarak atılmasıyla sürer gider.
• İnsanoğlu tarih boyunca değişik ihtiyaçlara yönelik ve farklı koşullar için sayılamayacak sayıda tasarım gerçekleştirmiştir.
• Örneğin bir yerden bir yere gitmek amacıyla değişik tasarım prensiplerini kullanan pek çok araç yapılmıştır. Ancak farklı enerji
kaynaklarını kullanan arabaların tamamında izlenen yöntemler ortaktır.
• Bununla birlikte günümüzde kullanılan
araçlarda mutlaka bulunan içten yanmalı motor, lastikler, kaporta gibi değişik
parçalar bir farklı tasarım grupları
tarafından geliştirilmiş birer alt sistemdir.
• Ancak temel taşıma ( mal veya insan )
işlevi, tüm bu alt sistemlerin bir fabrikada
planlanarak bir araya getirilmesiyle elde
edilir.
1.1. Mühendislik Tasarımı ve Genel İlkeleri
• Mühendislik tasarımı, önceden çözümlenmemiş problemlere çözüm üretmek için ya da önceden başka yollarla çözümlenmiş problemlere yeni
çözümler getirmek için gerekli olan çalışmaların tamamıdır.
• Mühendislik tasarımcısı zekasını; bilimsel
bilgileri kullanmada, piyasada kabul görecek ürün tasarımında ve üreticinin en uygun
yöntemini kullanarak üretimini yapmasını sağlamada kullanır.
• Bir ürün kabul görür derecede performansa
sahip değilse ya da açık bir şekilde belirtilmemiş bir kullanım yöntemi yoksa o ürünün tasarımı
tamamlanmamış demektir. Günümüzde birçok mühendislik tasarımı ileri derecede disiplinli bir takım çalışmasının ürünüdür.
• Geleneksel disiplinler, makina, elektrik,
elektronik, kontrol mühendisliği, inşaat ve hatta kimya mühendisliği arasındaki ayrılıklar ortadan kalkmaktadır. Hatta farklı görünen bu alanlar
birbirleri ile yakın ilişkiye girmeye başladı.
• Örneğin otomobilleri düşünün; yakın bir zaman öncesine kadar sadece makina mühendisliğinin uzmanlık alanıydı. Günümüzde ise,
otomobillerde karmaşık motor işletim sistemleri, ABS fren sistemlerii, süspansiyon sistemleri, 4- tekerlekten çekiş sistemleri, hava yastığı, aktif gergili emniyet kemer sistemi ve benzeri birçok yeni gelişmeler olmuştur.
• Bütün bu sistemler çok karmaşık olup birçok farklı alandaki mühendisin birlikte ideal
tasarımlarını gerektirmektedir.
• Bir Mekanik Sistemin tasarlanması için öncelikle sistemden beklentiler tanımlanmalıdır. Yani
ortada bir ihtiyaç olmalıdır. Burada ihtiyaç ile kastedilen o tasarıma piyasada mutlak bir
talebin mevcut olması değildir.
• Tasarımcının kişisel merakı veya tatmin
duygusu da bir ihtiyaçtır. Bazen ileri görüşlü bir tasarımcı önce ürünü sonra da talebi oluşturur.
• İkinci aşamada sistem kâğıt üzerinde (günümüzde bilgisayar ortamında)
oluşturulmalıdır. Bu aşama proje aşaması olarak anılır.
• Proje aşamasında, sistemi oluşturacak
elemanların birbirleri ile fiziki temaslarının nasıl oluşacağı, hangi malzemelerin hazır elemanlar
olarak temin edileceği, hangi malzemelerin hangi yöntemlerle üretileceği gibi kararlar verilecektir.
• Proje aşamasında tasarımcı görsel öğeleri de dikkate almak zorundadır. Araştırmalar aynı işi yapan, aynı fiyat aralığındaki ürünlerden göze daha çok hitap edenlerinin alıcılar tarafından tercih edildiğini göstermiştir.
• Proje aşamasında tasarlanan sistemin teknik resimleri yeterli düzeyde çizilmelidir.
• İşi tasarlayan ile üreten aynı atölyede ise çoğu zaman taslak resimler ile dahi iş yürüyebilir.
Fakat işi tasarlayan ile üreten bazen çok farklı yerlerde olabilirler veya herhangi bir nedenle işi tasarlayan işten ayrılabilir.
• İşte o zaman detaylı teknik resimlerin önemi
ortaya çıkar. Teknik resimleri mevcut bir sistem kişiye bağlı olmaktan çıkar.
• Bilgisayarlar iş hayatımıza girmeden önce her ciddi tasarım öncelikle bir prototip ile başlardı.
Bir prototip hazırlanır, onun üzerinde
olumsuzluklar belirlenir iyileştirmeler yapılırdı.
• Sistemin son teknik resimleri de prototip aşamasından sonra hazırlanırdı. Bu gün prototip ihtiyacını bilgisayarlar ortadan kaldırdı.
• Pro Engineer, Solidworks gibi programlar ile tasarlayacağınız bir sistemi ekranınızda
çalıştırabilir, varsa hataları size göstermesini isteyebilir, hatta analizler yaptırabilirsiniz.
• Bu gün kurumsallaşmış işletmelerde yeni bir ürünün ortaya çıkmasının belirli aşamaları vardır. Bu aşamalar aşağıdaki gibidir.
1. Öneri
• Yeni bir ürünün başlangıç noktası fikirdir. Bu fikir firma içinden veya müşterilerden talep olarak gelebilir. Bir fikrin araştırılmak için firma yönetimine sunulmasına Proje Teklifi denir.
2. Araştırma
• Projeler firmaların ilgili kişileri tarafından
değerlendirilir. Bu kişiler, üretim ve pazarlama konusunda deneyimli kişilerdir.
• Gerek imalat gerekse pazarlama açısından
öneriler değerlendirilir, yapılabilirlikleri araştırılır.
Öneri uygun bulunursa finansman açısından da değerlendirilir. Üretim, pazarlama ve finansman açısından uygun bulunan öneriler yatırım
planlarına dâhil edilirler. Çoğu zaman bu yeni yatırıma bir yönetici atanır.
3. Ürünün Ana Hatlarının Belirlenmesi
• Önerilen ve yatırım planına alınan ürün için
müşteri beklentileri ve pazar koşulları gibi kısıtlar göz önüne alınarak teknik ve ekonomik özellikler belirlenir.
• Rakiplerinden farklı olması istenen özellikleri de bu aşamada ortaya konur. Bu aşama en bilinen adı ile Ar-Ge aşamasıdır.
4. Tasarım
• Ürünün ana hatlarının belirlenmesi ile tasarım aşaması başlar. Ortaya konan hatlar tasarımcı
için kısıtlamaları oluşturur. Tasarım daha önce de söylediğimiz gibi bilgi ve hayal gücünün çizim
becerisi ile harmanlanması ile ortaya çıkar.
Tasarımcı, tasarımında müşteri beklentileri kadar işletmeyi ve üretim bölümünü de gözetmek
zorundadır.
5. Mühendislik Açısından Değerlendirme
• Bir ön numune yapılmadan önce, hatta bazen tasarım aşamasında gereken mühendislik
hesaplarının da işin içine girmesi gerekir.
Bugün ürünün kullanıcı açısından güvenliği veya garanti süresi çok önemli kıstaslardır.
Güvenlik ve çalışan parçaların ömrü yeterli mühendislik bilgisi ile sağlanabilir.
• Yapılacak prototip üzerinde veya çoğu zaman bilgisayarda CAD dataları üzerinde yapılan
analizler gereken iyileştirmelerin önünü açar.
• Örnek ürünlerin son hali tasarımın da kaderini belirler. Neticede kabul edilen tasarım için
üretim kararı alınır. Gerekiyorsa bu aşamada patent başvuruları da yapılır.
6. Üretim Hattının Revizyonu
• Yeni ürün yeni üretim araçlarına ihtiyaç duyabilir. Yeni tezgâhlar, yeni elemanlar alınabilir. Bazen üretim için fixtürler (iş
kalıpları) hazırlanması gerekir. İhtiyaç varsa üretim kalıpları tasarlanır ve üretilir.
• Dışarıdan tedarik edilecek parçalar için
tedarikçilerle görüşülür yeni tedarikçiler bulunur.
Bazen tedarikçilerin eğitilmesi gerekir. Üretim
planına göre siparişler açılır. Test ve kalite kontrol cihazları belirlenir.
•
7. Üretimin Başlaması ve Seri üretim
• Üretim deneme üretimi ile başlar. Bu aşamada daha önce öngörülemeyen sorunlar ayıklanır.
Kalite belgelendirilmesi için gerekli başvurular yapılır. Ürünler test edilir. Deneme üretimi seri üretimin ilk adımıdır. Seri üretimden çıkan ürün pazara sevk edilir.
8. Ürün-Geliştirme
• Pazara çıkan ürün takip altında tutulur. Müşteri öneri ve şikâyetleri çok önemlidir. Bunlar sürekli değerlendirilir, uygulanabilir öneriler ürüne dâhil edilmeye çalışılır. Şikâyetlerin ise mutlaka
giderilmesi gerekir. Bu süreç aslında bir geri besleme devresidir. Pazardan gelen bu veriler üretimin hangi aşamasını ilgilendiriyorsa o
aşamada üretime etki ederler.
• Tasarımcılar, üretim sorumluları ve pazarlama sorumluları bu değerlendirmeleri birlikte
yaparlar. Bu süreç sürekli tekrarlanır.
• Bizi bu süreçler içinden tasarım ve imalat ilgilendirmektedir. Büyük kurumsallaşmış işletmelerde tasarım ve imalat sorumluları mühendislerdir.
• Bir MYO mezununun bu ortamda kendine yer bulması çok zordur. Ancak ülkemizde imalat
sanayinin sayıca çok büyük kısmı küçük ve orta ölçekli işletmelerden oluşmaktadır. Kendini
yetiştirmiş bir teknisyen KOBİ olarak
adlandırdığımız bu işletmelerde iyi bir yer edinebilir.
• Küçük ve orta ölçekli işletmelerde de ürün gelişimi ve tasarım aynı yolu izler. Sadece bölümlerin
sınırları kesin çizgilerle ayrılmamıştır.
• Bir küçük ölçekli işletmede finansman kaynakları daha sınırlı olduğu için teknik elemanların daha ekonomik ve daha seri çözümler üretmesi beklenir.
• İşte bu nedenlerle Mekanik Sistem Tasarımı hakkında bilgi sahibi olmak önem kazanır.
• Küçük ve orta ölçekli işletmelerde de tasarım teknik personelin görevidir. Bu nedenle
tasarımın temel ilkelerini bilmemiz gerekir.
1.1.1. Tasarım için Genel İlkeler
1. Tasarımcı toplumun töre ve inançlarını göz önüne almak zorundadır. Örneğin Avrupa ve Amerika’da kumbara domuz yavrusu şeklinde simgelenmiştir. Oysa bu şekil bizim
ülkemizde tepki çeker.
2. Tasarım sonucu yapılan ürün toplum
tarafından kullanılacaktır. Bilgi düzeyi yeterli olmayan toplumlar için karmaşık sistemler, kullanamama korkusu ile tepki oluşturur
3. Tasarım konusu sistemin kullanılacağı
yörenin iklimsel koşulları da önemlidir. 70 ve 80 li yıllarda çok kullanılan, motorları hava
soğutmalı Volkswagen arabalar yazın,
ülkemizin kuzeyinde randımanlı çalışırken Akdeniz yöresinde sorunlar yaşamıştı.
4. Tasarımcı, tasarımının çalışma koşullarını yapacağı işe etkileri açısından da göz önüne almalıdır. Örneğin gıda maddeleri üreten bir
sistemde sağlığa uygunluk göz önüne alınmalı, ürün ile temas eden kısımlarda krom gibi uygun malzeme kullanılmalıdır.
• Bu tip makinelerde örneğin yağlama ünitelerinin ürüne teması kesinlikle engellenmelidir.
5. Tasarımcı tasarım sonucu ortaya çıkacak ürünün ekonomik olması gerektiğini bilmelidir.
Ekonomik olma kavramı görece bir kavramdır.
Mutlaka ucuz olma anlamına gelmez.
Benzerleri ile rekabet edebilme anlamında ekonomik olmalıdır.
• Ekonomiklik günümüzde çok önemli bir kavramdır.
6. Bu gün tasarımların çevreye etkileri ve geri dönüşümleri de önem kazanmıştır. Örneğin otomobil fabrikaları boyahanelerinde plastik yerine kâğıt maskeleme elamanlarını tercih etmektedirler.
7. Müşterileri, çalışanları ve toplumu koruyan birçok yasa ve standart vardır. Tasarımcı
bunları bilmek veya araştırmak zorundadır.
• Örneğin çiftel kumandalı olmayan eksantrik preslerin kullanımı ülkemizde yasaklanmıştır.
• Bu durumda eskiden olduğu gibi sadece ayak pedallı bir pres tasarlamak ve yapmak olası bir iş kazasında kusura ortak olmak anlamına gelir. Ayrıca bir imalatçı doğrudan yasaya
karşı çıkmadan da ürününün hataları nedeni ile olabilecek kazalardan sorumludur.
• Bu genel ilkeler dışında tasarımın daha özel kısıtlamaları da vardır. Bu özel kısıtlamalarda tasarımcı daha ziyade işletmenin koşullarını göz önüne almalıdır. Bu özel ilkeleri de
aşağıdaki gibi sıralayabiliriz;
• Tasarım işletmenin ekonomik yapısına uygun olmalıdır. Bir torna atölyesinin araba
tasarlaması hayallerin tatmininden öteye gidemez.
• Tasarım işletmenin teknolojik yapısına da uygun olmalıdır. Hiç olmazsa uzun vadede üretim, mümkün olduğunca işletmenin öz kaynakları ile yürütülebilmelidir.
• Tasarımı yapanın hayal gücü geniş olmalıdır ama bilimsel ilkelere ters düşmemelidir.
• Zorunluluk yoksa büyük hacimlerden
kaçınılmalı, tasarımlar daha küçük ünitelere bölünmeli, nihai ürün bu ünitelerin birleşimi ile ortaya çıkmalıdır. Örneğin, bir fotoğraf banyo makinesi çok büyük tasarlanıp ve üretildiği için, yapıldığı yerden çıkartılamamıştır (çok büyük olduğundan).
• Tasarımda mümkün olduğunca standart parça kullanılmalıdır. Aynı standart parçalarda da az çeşit kullanmakta fayda vardır. Böylece üretim ve bakımda daha az takım kullanılır.
• Tasarımda ürünün bakımı ve buna bağlı olarak sökme takma kolaylıkları da düşünülmelidir.
• Tasarım çevreyi kirletmemelidir, elden geldiğince ses kirliliği de önlenmelidir.
• Her tasarımın sonunda insan ile temas vardır. Bu nedenle ergonomik olmalıdır.
• Makineleri kullananların her zaman ehil kişiler olamayacağı göz önüne alınmalı, kullanıcı
hatalarının mümkün olduğunca önüne geçilmelidir.
