Üç Senaryo, Tek Çözüm!

Son yıllarda yüksek basınçlı döküm endüstrisinde alüminyum alaşımlarında otomotiv parçaları üretimi giderek artıyor. Döküm alıcılarının günden güne artan kalite talepleri ise dökümhanelerde daha hızlı ürün geliştirme ve üretim süreçlerini zorunlu kılıyor. İlk bakışta olağan bir proje gibi görünen talepler ve beklentiler bir anda zorlu meydan okumalarla dolu bir Everest tırmanışına dönüşüyor. Bu noktada hayatta kalmak için ise doğru zamanda doğru kararlar almayı sağlayacak belirli araçlar gerekiyor.

Çin Halk Cumhuriyeti merkezli Guangdong Wencan Die Casting firması geçtiğimiz günlerde böylesine zorlu bir sipariş için çalışmaya başladı. Hedef alüminyum döküm tekniğiyle üretilecek bir elektronik gaz kelebeği valfinin geliştirilmesiydi. Modern elektronik gaz kelebekleri, içten yanmalı motorların CO² emisyonu yönetmeliklerini karşılayabilmesi için geliştirilen ileri kontrol ve güvenlik sistemlerinde kilit bileşenlerinden biri.

Parçayla ilgili tasarım kriterleri ise şu şekildeydi (bkz. Şekil 1):

Ortalama et kalınlığı 4 mm, maks. 13 mm

3 bara kadar sızdırmazlık ve maksimum 3 cm³/dk sızıntı oranı.

Şekil 1: Alüminyum basınçlı döküm tekniğiyle üretilen elektronik gaz kelebeği kontrol sisteminin geometrisi

Şekil 1: Alüminyum basınçlı döküm tekniğiyle üretilen elektronik gaz kelebeği kontrol sisteminin geometrisi

Bu kriterlerin sağlanması için müşteri tarafından porozite konumları ve boyutlarıyla birlikte parça yüzey kalitesine dair özel spesifikasyonlar iletilmişti.

Yukarıda belirtilen talepler sadece döküm parça kalitesini, üretim verimliliğini, kalıp ömrünü, trim ve işleme süreçlerini etkilemekle kalmıyor aynı zamanda tasarım aşamasında ekipman ve enerji verimliliği gibi ekonomik faktörlerin de dikkate alınmasını gerektiriyordu.

Bu talepleri mümkün olan en kısa sürede karşılamak için Wencan ekibi MAGMASOFT® sanal analiz modülünden faydalanmaya karar verdi ve bu doğrultuda 3 farklı yolluk ve havalandırma sistemi tasarlandı (bkz. Şekil 2.).

Şekil 2: Gaz kelebeği gövdesi için geliştirilen üç farklı tasarım

Şekil 2: Gaz kelebeği gövdesi için geliştirilen üç farklı tasarım

Her bir tasarım farklı avantajlara ve dezavantajları sahipti: İki girişli ve nispeten kısa akış yoluna sahip Tasarım 1, dolum sırasında düşük sıcaklık kayıpları ve iyi besleme özellikleri sağlıyordu. Ancak, sıvı metalin yolluk içerisindeki güçlü dalgalanmaları ve yüksek akış hızları kalıp erozyonuna yol açabilirdi. İki girişin hava cepleri birleştiğinde ise hava sıkışması riski artıyordu. Ayrıca, yolluk girişinin bulunduğu yerde ek işleme mümkün olmuyor ve çok hassas bir trimleme prosesi gerektiriyordu.

Tasarım 2, gaz kelebeğine yanal konumlanan tek bir girişe sahipti. Bu tasarım, yollukta yumuşak bir geçiş sağlayıp türbülansları ve dolayısıyla döküm parçada hava sıkışmasını, oksitleri ve dolumla ilgili diğer kusurların önlenmesini sağlıyordu. Giriş, işleme bölgesinin içinde yer alıyor ve trimleme sürecini oldukça kısaltıyordu. Bununla birlikte, nispeten uzun akış yolu, soğuk birleşme riskini artırıyor ve dolayısıyla besleme üzerinde olumsuz bir etki meydana getiriyordu.

Tasarım 3, gaz kelebeği ekseninde bulunan ancak farklı bir yöne sahip tek bir girişe sahipti. Bu tasarım en kısa akış uzunluğunu sağlayarak; dolum sırasında minimum sıcaklık kaybı ve trimleme için daha düşük efor gerektiriyor, diğer yandan maksimum besleme verimliliğine ulaşıyordu. Ancak, kısa akış uzunluğundan dolayı, bu sistemin dezavantajı, dozaj değişikliklerine karşı hassas olmasıydı. Bu, döküm sistemindeki ergiyiğin konumunun, piston ivmesi sırasında çok olumsuz bir şekilde değişebileceği ve ciddi ölçüde kötü bir dolum profiline yol açabileceği anlamına geliyordu.

Bu nedenle, mühendisler sanal analiz tasarımını buna göre genişletti ve dozaj varyasyonları açısından sağlamlık analizleri gerçekleştirdi. MAGMASOFT®'ta dozaj varyasyonlarını görüntülemek için geçiş noktası ('Switch Over Point') 340 mm ile 350 mm arasında değiştirildi. Spesifikasyonlar nedeniyle, DoE hedefleri, parça için düşük türbülanslı bir dolum ('Smooth Filling') ve minimum hava sıkışması ('Entrapped Air Mass') olarak seçildi.

Şekil 3: Her iki geçiş noktasına bağlı olarak incelenen üç yolluk tasarımı için sıkışan hava kütlesi (‘Entrapped Air Mass’) (tasarım 1-3 340 mm’de ve tasarım 4-6, 350 mm’de)

Şekil 3: Her iki geçiş noktasına bağlı olarak incelenen üç yolluk tasarımı için sıkışan hava kütlesi (‘Entrapped Air Mass’) (tasarım 1-3 340 mm’de ve tasarım 4-6, 350 mm’de)

Her bir tasarım için, dolumun sonundaki geçiş noktasının sıkışan hava kütlesi üzerindeki etkileri Şekil 3'teki gibi oluştu. Bu arada yüksek hava sıkışması oranı da yüksek sızıntı riski anlamına geliyordu.

Sonuçlar mukayese edildiğinde, Tasarım 2'nin (Şekil 3'teki Versiyon 2 ve 5) en düşük sızıntı riskine sahip olduğu ve ayrıca dozaj varyasyonlarına karşı dayanıklı olduğu tespit edildi (mavi: düşük risk, sarı: yüksek hava sıkışması).

Şekil 4: Üç yolluk tasarımında katılaşma prosesinde (üst sıra) kritik noktadaki kalıntı ergiyiğin sıcaklığı ve parçada (alt sıra) ortaya çıkan porozite riski

Şekil 4: Üç yolluk tasarımında katılaşma prosesinde (üst sıra) kritik noktadaki kalıntı ergiyiğin sıcaklığı ve parçada (alt sıra) ortaya çıkan porozite riski

Bir sonraki adımda, yolluklardaki katılaşma davranışları karşılaştırıldı (Şekil 4). Burada odak noktası olarak girişin tamamen katılaştığı nokta esas alındı. O andan itibaren, döküm parçasının üçüncü fazın basıncıyla daha fazla beslenmesi imkansız hale gelmekteydi. Kısa ve sağlam yolluk doğrultusunda Tasarım 3, parça içerisinde en düşük kalıntı ergiyik oranını ve dolayısıyla en düşük çekinti porozitesini sağlamaktaydı.

Karar verme sürecinde ayrıca MAGMASOFT® Değerlendirme Perspektifi araçlarından da faydalanıldı:

Şekil 5: Hava sıkışması için filtrelenmiş kalite kriterleri ile Sanal Analiz DoE’nin paralel koordinat diyagramı: sarı eğri = versiyon 5; mavi eğri = versiyon 2

Şekil 5: Hava sıkışması için filtrelenmiş kalite kriterleri ile Sanal Analiz DoE’nin paralel koordinat diyagramı: sarı eğri = versiyon 5; mavi eğri = versiyon 2

Paralel koordinat diyagramı (Şekil 5), geçiş noktası ve yolluk tasarımı ('Gating Design') değişkenlerini ve ayrıca dikkate alınan tüm kalite kriterlerini gözler önüne seriyor. Veriler incelendiğinde Versiyon 2 (mavi eğri) ve 5 (sarı eğri) için düşük türbülanslı dolum ('Smooth Filling') ve hava sıkışması ('Reduce Air Pressure', 'Entrapped Air Mass') sonuçlarının oldukça benzer olduğu açıkça görülmekteydi. (bkz. Şekil 5'teki daireler). Buradan, geçiş noktasının veya dozaj varyasyonlarının araştırılan kriterler üzerinde sadece küçük bir etkiye sahip olduğu sonucuna varıldı ve diğer sonuçlardaki sapmaların, farklı kalıp dolum sürelerinden kaynaklandığı ve önemli olmadığı kabul edildi.

MAGMASOFT®'a entegre edilmiş ana etki diyagramı (Şekil 6) ayrıca, iki farklı değişken olarak yolluk tasarımı ve geçiş noktasının incelenen kriterler üzerindeki hassasiyetlerini gösteriyordu. Kırmızı veya mavi rengin yoğunluğu, etkilerin gücünü yansıtmaktaydı. Geçiş noktasının, "Düşük türbülanslı dolum" ('Smooth Filling') ve 'Sıkışan Hava Kütlesi' ('Entrapped Air Mass') üzerinde neredeyse hiçbir etkisinin olmadığı görülürken, yolluk tasarımı ise hemen hemen tüm kalite kriterlerini farklı oranlarda etkiliyordu. Sonuç olarak; 'Pürüzsüz Dolum' ('Smooth Filling') en çok yolluk tasarımlarına göre değişim göstermekteydi.

Guangdong Wencan ekibi, sanal analizden elde edilen tüm bilgileri dikkate alarak Tasarım 2'yi tercih etti. Bu versiyon, yalnızca en düşük sızıntı riskini göstermekle kalmıyor, aynı zamanda dozaj değişikliklerine karşı da direnç gösteriyordu.

Şekil 6: Sanal analiz tasarımının ana etkilerine genel bakış. Renk yoğunluğundaki artış, değişken ile ilgili kalite kriteri arasındaki korelasyonun da güçlendiğine işaret ediyor.

Şekil 6: Sanal analiz tasarımının ana etkilerine genel bakış. Renk yoğunluğundaki artış, değişken ile ilgili kalite kriteri arasındaki korelasyonun da güçlendiğine işaret ediyor.

Şekil 7’de, versiyon 2 ile üretilen parça görülüyor. Parça yüzeyinde akışla ilgili veya görünür herhangi bir kusur tespit edilmemekle beraber doğrudan numune üretimine geçildi. Döküm parçası, gerekli tüm özellikleri doğrudan karşıladı ve hatta X-ray ve sızıntı testlerinde müşterinin kalite gereksinimlerinin çok üzerinde performanslar sergiledi.

Çalışma sonucunda geliştirme süresi ve maliyetleri düşürüldü ve ürün sorunsuz bir şekilde seri üretime geçti.

Sonuç: Doğru araçla her türlü zorluk aşılabilir ve artık Everest Dağı artık o kadar da büyük görünmüyor!

Şekil 7: Gaz kelebeği gövdesi döküm parçası - ilk numunede tüm müşteri spesifikasyonlarının fazlasıyla karşılandığı kanıtlandı.

Şekil 7: Gaz kelebeği gövdesi döküm parçası - ilk numunede tüm müşteri spesifikasyonlarının fazlasıyla karşılandığı kanıtlandı.

Guangdong Wencan Die Casting Hakkında

Guangdong Wencan Pres Döküm 1998 yılında kuruldu. Şirket ağırlıklı olarak Ar&Ge faaliyetlerinin yanı sıra otomotiv endüstrisi için alüminyum alaşımlı dökümlerin üretimi ve satışı üzerine yoğunlaşıyor. Şirketin merkezi Çin'in Guangdong Eyaleti, Foshan şehrinde yer alıyor.