Döküm Simülasyon Programı Üzerine Bir Değerlendirme

Günümüzde bilgisayar teknolojilerindeki hızlı gelişmelere bağlı olarak döküm proseslerinin modellenmesi ve döküm parça tasarımının yoğun mühendislik becerilerine ve deneme yanılma yöntemine gerek kalmadan yapılması mümkün hale gelmiştir.

Döküm simülasyon programları kullanımı, özellikle yüksek kaliteli döküm parça üreten firmalarda her geçen gün artmaktadır. Piyasada birçok döküm simülasyon programı mevcuttur. Bu programların temel amacı döküm sonunda parça üzerinde oluşacak hataları ve bazı yapısal özellikleri tahmin edebilmesidir. Bütün programların birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları mevcuttur.
Bu çalışmada; döküm simülasyon programları genel olarak incelenerek bu programlarla tanımlanabilen döküm özellikleri, ne tür döküm yöntemlerinin modellenebildiği, elde edilen sonuçlar ve faydaları hakkında bir derleme yapılmıştır.

DÖKÜM SİMÜLASYONUNA GİRİŞ

Döküm; üretilmek istenen nihai şeklin sıvı metale doğrudan verilebilmesi sayesinde çok eskilerden beri kullanılan üretim yöntemlerinden biridir. Üretim yöntemleri arasında, esnekliği, ucuzluğu ve çeşitliliği gibi birçok özelliğinin yanı sıra sıvı metalle istenen nihai şeklin elde edilmesini mümkün kılmasından dolayı çok avantajlı bir üretim yöntemidir. Ne var ki yeterli bilgi ve teknoloji kullanılmadığında veya yetersiz kaldığında bu avantajlı yönü dezavantaja dönüşebilmektedir. Özellikle karmaşık geometri ve farklı kesit kalınlıklarına sahip döküm parçaların yolluk besleyici tasarımı oldukça zordur ve yoğun mühendislik bilgi ve becerisi gerektirmektedir. Fakat bilgisayar teknolojilerindeki hızlı gelişmelere bağlı olarak döküm proseslerinin modellenebilmesi, döküm mikro ve makro yapılarının önemli ölçüde tahmin edilebilmesini döküm simülasyon programları sayesinde sağlamaktadır. Döküm proseslerinin modellenmesi, bilgisayarın kalıp doldurulurken ve doldurma yapıldıktan sonra kalıp içerisinde neler olduğu hakkında hızlı ve doğru tahmin yapabilmesi için gerekli bir matematiksel yöntemdir.

Döküm simülasyon programları; yeni bir teknoloji olarak döküm kalıplama tasarımını kolay, ekonomik ve doğru yapabilmeye olanak sağlayarak deneme ve yanılma maliyetini ortadan kaldırmaktadır. Bütün tasarım ve analizlerin bilgisayar ortamında yapılması ile model ve kalıp hazırlama ve boşuna hurda malzeme üretmeye gerek kalmaksızın dökümhane ortamında deneme-yanılma yapmayı ve gereksiz sakathurda döküm üretmeyi ortadan kaldırmaktadır.

Simülasyon kullanarak 3 boyutlu katı model üzerinde, kaç tane ve hangi ebatta besleyicinin gerekli olduğunu ve nereye yerleştirileceği belirlenerek, yolluk-besleyici tasarımı bilgisayar üzerinde yapılabilir. Tasarımı yapılan parçanın simülasyonu yapılarak bilgisayarda döküm, katılaşma ve çekinti oluşumu gibi birçok sonuç görülebilir. Bu sonuçlardan faydalanarak gerekiyorsa tasarımda mümkün olan en iyi ve en ekonomik döküm için revizyon yapılabilir. Ayrıca parça tasarımında optimizasyon sistem tarafından optimum kalite ve verim elde edilecek şekilde otomatik olarak yapılabilir. Tüm bunların hepsi çok kısa zamanda yapılabilmektedir. Yani model, kalıp ve ilk döküm yapıldığında yüksek oranda başarı ve yüksek oranda verim elde edilir. Böylece müşterilere; gecikmesiz teslimat, tek seferde başarılı üretim ve döküm parça servis süresince daha yüksek kalite ve daha düşük maliyet sağlanabilir.

Döküm simülasyon programları; dökümle ilgili kişiler için yüksek kaliteli döküm parçaları üretmek konusunda başarının anahtarı durumundadır. Günümüz yoğun rekabet ortamında, döküm üreticileri kaliteyi arttırmak, maliyeti düşürmek ve teslimat gecikmelerini önlemek zorundadır. Bu sebeplerden dolayı özellikle yüksek kaliteli parça üreten dökümhanelerde simülasyon programlarının kullanımı her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Literatürde döküm simülasyon programlarıyla tasarımı yapılarak çok iyi sonuçlar alınmış birçok çalışma mevcuttur.

Döküm proses modellemesini yapmak için gerekli işlem basamaklarını sıralamak gerekirse sırasıyla;

•Malzeme ve özelliklerinin seçimi

•Döküm ve kalıp modeli oluşturma

•Modelin meşlenmesi ve simülasyon

•Sonuçların değerlendirilmesi şeklindedir.

Sonuçları inceledikten sonra isteğe bağlı olarak veya gerekiyorsa revizyon ve tekrar simülasyon yapılabilir. Simülasyon tekrarlanabilen bir işlem olduğundan istediğimiz parametreyi değiştirerek simülasyona devam edebiliriz ve optimum tasarımı kısa zamanda masrafsızca belirleyebiliriz[1-3].

Döküm Simülasyonlarında Tanımlanan Parametreler Döküm simülasyon programlarında neredeyse bütün alaşımların dökümü modellenebilir ve dökümhane ortamındaki herşey birebir programda tanımlanabilir. Başarılı sonuçlar elde edilmesindeki en önemli etken gerçek dökümhane şartlarının simülasyon programında tam ve doğru olarak girilmesine bağlıdır. Çünkü döküm ve katılaşma işlemi bu parametrelerden etkilenmektedir ve bunların modelleme esnasında eksik girilmesi yanlış sonuçlar verebilir. Döküm Simülasyon programlarında sınır şartları olarak tanımlanan bazı önemli parametreleri maddeler halinde incelenecek olursa[2-7];

1.Kullanılacak derece boyutları ve döküm boşluğunun koordinatları,
2.Dökülecek alaşım malzemesi ve özelliklerinin seçimi,
3.Yolluk sistemi kesiti ve akış parametreleri,
4.Kalıp Malzemesi içinde ısı akışını kontrol eden özellikler,
5.Kalıp malzemesi seçimi, kum, kokil vb.,
6.Döküm yöntemi seçimi, gravite, alçak basınç, yüksek basınç, hassas dökümvb.,
7.Kalıplamada kullanılan soğutucular, yalıtım ve ekzotermik gömlekleri,
8.Kokil kalıplarda soğutma ve ısıtma kanalları,
9.Kaplamalar; ısı iletim katsayıları ve kalınlıklarıyla birlikte,
10.Kokil kalıplarda çevrim sayısı ve ön ısıtma değerleri,
11.Yolluk ve meme bağlantılarının yerleri,
12.Filtreler ve akış ölçerler,
13.Döküm sıcaklığı,
14.Termokopullar ve bağlandıkları yerler,
15.Cüruf Partikülleri,
16.Isı transfer katsayıları şeklinde olduğu görülmektedir. Bunların arasında malzeme ve özellikleri seçimi oldukça kapsamlıdır ve genellikle aşağıdaki maddeleri kapsar. Bunlar;

•Kalıp Malzemesi içinde ısı akışını kontrol eden özellikler

–Isıl iletkenlik katsayıları
–Özgül ısı değerleri
–Yoğunluk (özgül ağırlık) değerleri
–Başlangıç sıcaklığı (döküş sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, kalıp öntav sıcaklığı)
•Döküm Alaşımları;
–Katılaşma aralığı (liküdüs ve solidüs sıcaklıkları)
–Ergime gizli ısısı
–Katılaşma eğrisi
–Hacimsel değişim (çekinti) eğrisi değerleri de program tarafından bizlere verilebildiği gibi isteğe bağlı olarak manuel
larak değiştirilmesi mümkündür.
•Isı Transfer Katsayıları Malzemeler Arası Isı Akışını Kontrol Eder
–Kalıp kaplamaları
–Hava boşlukları (air-gap)
–Soğutma kanalları (su soğutma, hava soğutma vb.)
–Yayınım, ışınım değerleri[2-7] Hangi Döküm Yöntemleri Modellenebilir? Döküm simülasyon programları yardımıyla neredeyse dökülebilen tüm alaşımların aşağıda sıralanan döküm yöntemleriyle modellenmesi mümkündür.

1-Kum kalıba döküm
2-Kabuk kalıba döküm
3-Kokil kalıba döküm
4-Alçak basınçlı döküm
5-Hassas döküm
6-Yarı-katı döküm
7-Devirmeli döküm (tilt pour)
8-Disamatik ve sinto kalıplama dökümleri
9-Stropor döküm
Döküm Simülasyonlarıyla Belirlenebilen Özellikler Modelleme sonucu döküm parça üzerinde neredeyse istenilen bütün özellikler belirlenebilir. Bunları sıralayacak olursak;

1-Kalıp dolumu esnasında sıvı metalin hızı, basıncı, yönü, türbilanslar, soğuk birleşme bölgeleri vb.,
2-Döküm parçanın katılaşma süresi,
3-Döküm parça üzerinde oluşan sıcak noktalar, beslenmesi gereken noktalar ve modülleri,
4-Besleyici yeri ve boyutları,
5-Parça üzerinde oluşan çekinti (makro porozite),
6-Niyama ve FCC gibi kriterlere göre mikroporozite tahmini,
7-Döküm parça kesitleri üzerinde soğuma süresince sıcaklık-zaman analizleri,
8-Döküm paça kesitleri üzerinde katılaşma zamanı analizi,
9-Döküm parçanın herhangi bir bölgesindeki sertlik ve çekme mukavemeti değerleri,
10-Döküm mikroyapısı,
11-Döküm parça üzerinde oluşan gerilme (stres) analizi,
12-Sıcak yırtılma riski taşıyan bölgeler,
13-Segregasyon analizi,
14-Yönlenmiş katılaşma analizi,
15-Doldurma ve Katılaşma esnasındaki sıcaklık dağılımı,
16-Herhangi bir zamandaki sıvı faz, katı faz, kritik katı oranları,
17-Döküm parçada oluşan kritik katı oranına ve katıya bağlı sıcak nokta oluşumları,
18-Döküm parça hacim ve ağırlıkları, olarak sıralanabilir ve bunlar aynı zamanda hareketli görüntü formatlı video olarak oluşturulabilir. Görüntü sayısı, görüntü hızı ve gösterilecek veri aralığı kontrol edilebilir. Bu videolar Windows’un standard AVI formatında kaydedilerek, bilgisayarlarda fazladan bir yazılım ya da donanıma ihtiyaç duymadan izlenebilir[2-7].

Döküm Simülasyonlarını Kullanım Faydaları
Döküm simülasyon programlarının kullanım faydalarını genel olarak özetlemek gerekirse;

1.Döküm parça tasarımını; deneme yanılma yönteminde olduğu gibi, modeller, kalıplar hazırlamaya ve gereksiz hurda malzeme üretmeye gerek kalmadan bilgisayarda yapmaya olanak sağlaması,
2.Tasarım aşamasında, kaç tane ve hangi ebatta besleyicinin gerekli olduğunu ve nereye yerleştirilmesi gerektiğinin belirlenmesi,
3.Döküm için en uygun yolluk sisteminin seçilmesi,
4.Tasarımı yapılan parçanın simülasyonu yapılarak bilgisayarda döküm, katılaşma ve çekinti oluşumu gibi birçok sonucun görüntülenmesi,
5.Simülasyon sonucu elde edilen sonuçlardan faydalanarak gerekiyorsa tasarımda mümkün olan en iyi ve en ekonomik döküm için revizyon yapılabilmesi,
6.Döküm parça tasarım süresinin kısalması ve tek seferde başarılı üretim,
7.Yüksek kaliteli ve düşük maliyetli parçalar üretmek,
8.Teslimat gecikmelerini önleyerek müşteri ilişkilerini iyileştirmek ve pazar payını geliştirmek,
9.Teknik personelin eğitimi (tasarım aşamasında muhtemel hataları bilgisayar üzerinde deneyerek gördüğünden her bir parçada yeni bir şeyler öğrenmektedir),
10.Döküm hatalarını henüz tasarım aşamasında görebilmek[2-7].

Sonuçlar Ve Öneriler

Döküm simülasyon programları; döküm yöntemiyle üretilmek istenen parçanın henüz sipariş değerlendirme aşamasında en uygun ve en ekonomik biçimde üretilebilmesi için deneme yanılma sürecinin bilgisayarda yapılmasına olanak sağlayan araçlardır. Bu sebeple özellikle yüksek kaliteli parça üreten dökümhanelerde kullanımı her geçen gün yaygınlaşmaktadır.

Günümüz yoğun rekabet ortamında dökümhanelere kaliteli ve ekonomik parça üretme konusunda sağladığı kolaylıklar bu programları dökümhaneler için başarının anahtarı haline getirmiştir. Özellikle karmaşık kesitli ve büyük kütleli parçaların dökümünü yapan dökümhanelerde bu programın kullanılması çok faydalı olacaktır, çünkü hata sonucu doğan zarar maddi anlamda çok fazla olabilecektir. Piyasadaki mevcut simülasyon programları; dökümhanedeki gerçek döküm şartlarının doğru ve eksiksiz olarak programda tanımlanmasıyla yaklaşık olarak aynı sonuçları vermektedir. Bu programların birbirine göre avantaj ve dezavantajları mümkündür.