Her gün yeni bir teknolojik terimin üretildiği ve piyasaya sürüldüğü bir dönemde yaşıyoruz. Öyle ki çoğunluğu İngilizce olarak ortaya atılan yeni terim ve kavramları anlayıp, kapsam alanını belirleyip, içselleştirip, Türkçeleştiremeden yenileri çıkmakta ve takip etmekte son derece zorlanmaktayız. Yeni olmasa da tam Türkçe karşılığını bulamadığımız kavramlardan biri de İngilizcede “roll forming” olarak anılan makaralar veya merdaneler kullanılarak sac şeritten (dikişli) boru, tüp, kapalı veya açık profil bükme işlemidir. Bu işlem sac şerit kalınlığında bir değişikliğe yol açmadığı için haddelemeden (rolling), genellikle düz parçalar yapımında kullanıldığı için de silindir makinasında kıvırma (roll bending) işlemlerinden farklıdır (Şekil 1). Türkçede yerleşmiş ve yaygın kabul görmüş bir terim bulunmadığı için bu yazımızda piyasada yaygın kullanılan “roll form” terimini tercih edeceğiz.
Şekil 1: Tipik bir açık profil örneğinde roll form işleminin şematik gösterimi
Roll form teknolojisi “yeni” veya “ileri” şeklinde niteleyemeyeceğimiz kadar “eski” teknoloji. İlk kullanımı iki Dünya savaşı arasına denk düşüyor, ancak sac ve şerit metallerin kalitesi iyileşip üretimi arttıkça bu teknolojinin kullanımı da giderek artıyor. Esas olarak sabit kesitli ve kalınlıklı tüp, boru ve profillerin [1] yüksek hacimde imalatı için geliştirilmiş bu yöntem başka işlemlerle bir arada kullanılarak beyaz eşya gövdelerinden [2] çelik kapı ve kasalarına [3], özel paslanmaz çelik mobilya profillerinden [4] mobilya ray ve kızaklarına [5] ve depolama rafları ve ayaklarından çatı (kaplama) panellerine [6] kadar çok geniş bir kullanım alanı buluyor. Bununla da kalmayıp gelecekte yaygınlaşması beklenen uygulamalarında bilgisayar denetimli makara eksen kontrolü ile sadece sabit kesitli değil, değişken kesitli açık profillerin imalatında da kullanımı mümkün.
Roll form işlemini cazip kılan en önemli avantajlar arasında yüksek üretim hacmi, düşük işgücü kullanımı, pek çok işlemle bir arada kullanılabilirlik, yüksek yüzey kalitesi ve düşük boyutsal toleranslar, çok sert veya sünekliği düşük metallerin artırımlı bir süreç içinde başarı ile şekillendirilebilmesi, boyalı, metal, polimer vb. kaplamalı sac levhaların işlenebilmesi ilk akla gelenler. Temel kısıtlamalar ise göreceli olarak yüksek makine ve makara (merdane, röle) yatırımı, sabit parça kesiti ve cidar kalınlığı ve geometrik karmaşıklık arttıkça artan paso sayısı sebebiyle uzunlamasına büyüyen makine sayılabilir. Sonuç olarak son on yılda Almanya’da çelik tüketimi istikrarlı biçimde azalırken roll form yöntemi ile imal edilen ürünlerin kilo cinsinden miktarı sürekli artmaktadır.
Tablo 1: Geleneksel roll form tezgâhlarının çalışma aralığı
Şerit Genişliği (mm)
5 - 2.000
Şerit Kalınlığı (mm)
0,15 - 10
Kesit toleransı (mm)
±0.38
Açı toleransı
±1 - 2°
Hat hızı (m/dk)
30 - 100
Üretim hacmi (m/8 saat)
7600 - 12200
Bu teknolojinin en kritik yönü proses ve dolayısıyla makara tasarımıdır. Roll form işlem adımlarının tasarımı çiçek şeması (flower diagram) adı verilen bütün bükme pasolarının üst üste gösterildiği bir şekil üzerinde geliştirilir (Şekil 2). Çiçek şeması elle veya bir bilgisayar destekli tasarım (BDT) programı kullanılarak çizilebilir. BDT programlarının sanayide günlük kullanımının başladığı ilk zamanlardan beri roll form makaralarının tasarımında kullanılmıştır. Amerika ve Avrupa’da pek çok makine-makara yapımcısı kendilerine özel proses ve makara tasarım programları geliştirmişler veya yazılım firmaları ile anlaşarak yaptırmışlardır.
Şekil 2: Bir açık profil ve boru imalatında kullanılan iki örnek çiçek şeması
Bunun yanında geliştirilip ticari olarak pazarlanan roll form tasarım programları da mevcuttur. Bunlar arasında en çok tanınan birkaçı Baran Software (Amerika) [7], Delta Engr. (Kanada) [8], Ubeco (Almanya) [9] ve Copra (Almanya)’dır [10]. Roll form programlarının hepsinde temel amaç makara tasarımını kolaylaştırmak ve makaraların teknik resimlerini süratli ve sağlıklı bir biçimde elde etmektir. Bu yazılımların henüz olmadığı veya yaygınlaşmadığı dönemlerde çiçek diyagramı önce sert teller bükülerek tel model yapılır, daha sonra iğneleme tezgâhında (nibbler) sac plakalardan makara modelleri yapılırdı. Daha sonra üniversal torna tezgâhı üzerinde işlenen makaraların boyutsal olarak doğruluğu bu plaka modeller ile eşleştirilerek sağlanırdı. Makara takımı üzerinde deneme aşamasında yapılan her türlü değişiklik plaka modeller üzerine aynen işlenir, zaman içinde aşınan makaraların yüzey geometrisinin taşlama ve/veya kaplama sonrasında plaka modellerin aynı olması sağlanırdı.
Süratle gelişen BDT ve BDİ (Bilgisayar Destekli İmalat) teknolojileri ile makara tasarımları tamamen elektronik ortama taşındı, makara imalatında ise sayısal denetimli (CNC) torna ve taşlama tezgâhlarının kullanımına geçildi. Bu durumda roll form makara tasarımına özel geliştirilmiş BDT programlarının da önemi çok arttı. Makara takımının imalatından sonraki deneme-sorun giderme sürecinin kısaltılması ise gerek yüksek geliştirme maliyeti, gerekse pazara çıkış süresindeki kısıtlamalarla zorunlu hale geldi.
Verilen bir sac profil kesitinin şekillendirilmesi için gerekli makara takımının tasarımı ilk başta basit bir iş gibi görünür. Ancak makaralar tornalandıktan sonra istenen toleranslar çerçevesinde kusursuz bir profil elde edene kadar uzun, zahmetli ve masraflı bir deneme-iyileştirme süreci gerekebilir. İşlenen sac şerit üzerinde oluşan aşırı şekil değişimi, pekleşme ve artık gerilmeler açılma, burulma, çarpılma ve ondülasyon vb. çeşitli kusurlara yol açabilir. Bunlar giderilene kadar makine atıl kalır. İlave makara takımları (pasolar) gerekirse iş daha da zorlaşır, çünkü yeni makara yatakları (redüktörler vb.) ile makinenin uzatılması gerekebilir. Bütün bu zorluklar roll form yönteminin tecrübeye dayalı bir zanaat olarak ele alınması sonucunu doğurmuştur. Bu yaklaşımı ancak giderek güçlenen ve deneysel olarak doğrulanmış bilgisayar destekli tasarım ve analiz yöntemleri ile aşmak mümkün olmuştur.
COPRA® RF gibi yazılımların amacı roll form yöntemi ile açık ve kapalı profil imalatının her aşamasını desteklemektir. Çiçek şeması ile kademeli olarak bükme işleminin tasarımından başlayarak bütün teknik dokümantasyonun (makara teknik resimleri, parça listeleri, CNC parça programları) sağlanması ve işletme sırasında makara ve diğer takımların kalite kontrollerinin ve bakımlarının takibi bu programlar ile mümkündür. Bunlardan COPRA® programı ayrıca makara profilinin ölçümü ile teknik resimlerin kıyaslanması ile boyut hatalarını ve asgari torna pasosu ile makaranın istenen profile kavuşturulmasını sağlayabilmektedir.
Çiçek şeması çizilip roll form prosesi tasarlanırken en önemli faaliyet işlem sırasında sac şerit üstünde oluşan deformasyonun kısa süre içinde hesaplanarak işlem basamakları (pasolar) arasında olabildiğince homojen dağıtılması ve böylelikle özellikle boylamasına yönde aşırı şekil değişimi ile oluşabilecek geometrik kusurların önlenmesidir. Süratli bir birim şekil değişimi hesabı pasolar arasında havada asılı duran sac şeridin geometrisini analitik veya yarı-ampirik modellerle yaklaşık ifade eden ve hesaplayan bir bilgisayar programı ile mümkündür. Böylesi modellerden literatürde ayrıntılı olarak tanıtılanlar vardır. Ticarî programlardan COPRA® doğrusal, polinomyal, trigonometrik ve Hauschild türü modellerle hesaplama imkânı sunmakta ve Şekil 3’tekine benzer görüntüler ile malzeme türüne, sac kalınlığına, makara geometrisine bağlı olarak (elastik ve plastik ) birim şekil değişimi ve gerilme gibi değerlerin dağılımını göstermektedir. Böylesi ekran görüntülerini değerlendiren tasarımcı gerektiğinde çiçek şemasında değişiklikler yaparak belirli pasolar arasında sınır değerleri aşan şekil değişimine izin vermemektedir. Çiçek şemasında yapılacak değişiklik teknolojik olarak daha gelişmiş boru ve tüp işlemede tam veya yarı-otomatik yapılabilirken, açık profillerde tamamen manüel olarak yapılmak durumundadır. Bu hesaplamalar ile tasarımcı hem profil bükme pasolarının sayısı, türleri ve geometrileri yanında makaraların çapları, köşe radyusları ve kenar pahları vb. ayrıntıların etkilerini öngörebilmektedir. Böylelikle deneme-iyileştirme aşamasında ortaya çıkacak kusurların riski azaltılmakta ve bu aşamadaki zaman, malzeme ve işçilik kaybı en aza indirilebilmektedir.
Şekil 3: COPRA® DTM (Deformation Technology Module) ile roll form işlemi sırasında boylamasına yönde oluşan birim şekil değişiminin dağılımı
Çiçek şeması ve makara takımının ayrıntıları tespit edildikten sonra makaraları işlemek için gerekli teknik dokümanlar (parça malzeme listeleri, imalat teknik resimleri ve CNC parça programları) oluşturulur ve makaralar sırayla işlenir. Bazı makaralar sadece ince paso tornalama ile yapılabilirken, bir kısmı taşlama, yüzey sertleştirme veya krom vb. kaplama gerektirmektedir. Ardından roll form tezgâhı üzerine monte edilen takımlar yavaş ilerleme (jogging) modunda denenir. Çiçek şeması geliştirilirken optimize edilmemiş makara takımları işte bu aşamada büyük sorunlar çıkarabilir ve en azından bir kısmının düzeltilmesi veya bazen en baştan yapımı gerekebilir.
Seri üretimde kullanılacak makaralar işlenmeden önce yapılabilecek daha ayrıntılı ve hassas hesaplama sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılır. Yukarıda kısaca anlatılan analitik veya yarı-ampirik matematik modelleme yerine sonlu elemanlar analizi daha kapsamlı ve gerçeğe yakın değerleri göreceli olarak çok uzun hesaplama zamanı içinde verebilir. Literatürde statik kapalı veya dinamik açık sonlu eleman modelleri içinde katı ve kabuk elemanlar kullanılarak geliştirilmiş çeşitli yöntemler mevcuttur. Yakın zamana kadar üniversite ve enstitülerde bir araştırma konusu olmaktan öteye gidemeyen bu yaklaşım, donanım ve yazılım teknolojilerindeki gelişmeye paralel olarak 2002 yılından sonra roll form makara tasarımında da günlük endüstriyel kullanıma uygun hale gelmiştir. COPRA® ticarî programına ek olarak satılan modülünde ünlü MSC-MARC sonlu elemanlar programı ile özel bir arayüzü oluşturulmuş ve endüstriyel uygulamaya uygun kolay kurulan ve süratli bir model ile roll form proses simülasyonu (benzetim) mümkündür (Şekil 4). Bu model statik kapalı integrasyon altında katı elemanlar kullanarak doğrusal olmayan elastik-plastik malzeme akış benzetimi yapmaktadır. Söz konusu endüstriyel sonlu elemanlar analizi modülünün COPRA® içinde çalışır hale getirilmesi on iki yıl süren bir çalışma sonucu ortaya çıkmıştır [10].
Kabaca 1000 kadar elemanın kullanıldığı (akademik modellere göre basitleştirilmiş) bu modelde sonlu elemanlar ağı oluşturulurken veya sınır ve proses koşulları ve hesaplama parametreleri belirlenirken kullanıcının doğrudan müdahalesi gerekmemekte, hesaplamanın her türlü ön-hazırlığı (pre-processing) COPRA®FEA tarafından otomatik olarak yapılmaktadır. Standart bir kullanıcı çiçek şemasını programın kullanıcı arayüzü olarak çalışan AutoCAD içinde çizmekte, malzeme özellikleri, sac kalınlığı, makara detayları gibi bilgiler ile yetinirken, usta kullanıcı bütün sonlu eleman hesap parametrelerini belirleyebilme imkânına sahiptir. Hesaplama sonucunda sadece teorik elastik-plastik birim şekil değişimi, eşdeğer gerilme ve artık gerilme dağılımı değil, geri esneme sonrası parça geometrisi bilgisayar ekranında açıkça gözlenebilmektedir. Hesaplanan parça geometrisi dikkatle incelenirse çarpılma, burulma, kambur, kenar ondülasyonu, orta çukurlaşması vb. her türlü kusur rahatlıkla öngörülebilmektedir (Şekil 5). Bu kusurlar iyi proses tasarımı ve optimizasyonu ile sonlu elemanlar benzetiminde önlendiğinde, ilk makaraların işlenmesinden sonra yapılan roll form denemelerinde sorun çıkma riski çok daha azalmaktadır.
Sonuçlar:
Roll form teknolojisini kullanan firmalar bazen otomotiv, mobilya, uçak-uzay, inşaat, boru vb. sektörlerin dev ana sanayi kuruluşlarıdır, bazen de bunların küçük-orta ölçekli tedarikçileridir. Bu firmalar arasında yılda bir yeni profil geliştirenler olduğu gibi, yılda birkaç yüz yeni geometrinin seri üretimini gerçekleştirenler vardır. Az sayıda profil üzerinde çalışan firmalar makara takımı geliştirme işini danışmanlık alarak çözebilirken, roll form ürün tedarikçisi durumundaki firmalar uluslar arası rekabet ortamında kendi tasarım teknolojilerini geliştirmek durumundadırlar. COPRA® ve benzeri yazılımlar özellikle ikinci grup firmalar için güçlü birer teknoloji geliştirme aracıdırlar. Böylesi programlar roll form işlemi gibi karmaşık şekillendirme proseslerini tecrübeye dayalı bir zanaattan (Amerikalıların deyimiyle “black art”) analitik olarak çözümlenebilen bir teknolojiye dönüştürmekte ve ekonomik gücünü yükseltmektedir.
Şekil 4: COPRA FEA modülü ile roll form işleminin sonlu elemanlar yöntemi ile simülasyonu ve profil bacakları üzerinde elastik-plastik şekil değişiminin dağılımı
Şekil 5: Büyük çaplı boruların kafes sistemi roll form tezgâhında şekillendirilmesi
Kaynaklar:
Elmaksan Ltd., Küçükyalı, İstanbul, http://www.elmaksan.com.tr/
Hidrotam Ltd., Sarıgazi, İstanbul, http://www.hidrotam.com/
EAE Makine, İkitelli, İstanbul, http://www.eaemachinery.com/
Dreistern GmbH, Schopfheim, Almanya, http://www.dreistern.com/
Gürcan Metal Makina, Kaynarca, İstanbul, http://www.gurcanmetal.com/
Profiilikeskus Oy, Kempele, Finlandiya, http://www.profiilikeskus.fi/ve Rollsett-Machine Oy, Kuopio, http://www.rollsett.com/
Baran Southwest Inc. Scottsdale AZ, A.B.D., http://www.baransouthwest.com/
G. Halmos, Delta Engıneerıng Inc., Kanada, http://www.roll-forming.com/
Ubeco, Iserlohn, Almanya, http://www.ubeco.com/
Copra: data-M Software GmbH, http://www.datam.de/ ve http://www.roll-design.com/, Almanya
