Bordeaux Üniversitesi’nde, Makine Mühendisliği alanında Yüksek Lisans ve Doktora programlarındaki öğrenciler, özellikle talaşlı imalata odaklanarak ileri imalat süreçleri üzerine çalışmalar yürütmektedir. İlgili program, öğrencilerin kesme operasyonlarının ardındaki fiziksel olguları kavramalarına yardımcı olmak ve mekanik etkiler, kesme kuvvetleri, tork ve enerji tüketimi analizleri aracılığıyla endüstriyel süreçleri optimize etmek amacıyla teoriyi uygulamalı deneylerle birleştirmektedir. CNC takım tezgahlarını enstrümante etmek ve öğrencilere gerçek talaşlı imalat performansı hakkında senkronize, gerçek zamanlı içgörüler sunmak için çeşitli harici sensörlerle birlikte Dewesoft veri toplama sistemleri kullanılmaktadır.
Şekil 1. Test Setup
Giriş
Talaşlı imalat süreçleri, verimliliğin, parça kalitesinin ve sürdürülebilir performansın kesme olgularının, enerji akışlarının ve takım tezgahı etkileşimlerinin derinlemesine anlaşılmasına bağlı olduğu modern imalatın merkezinde yer almaktadır. Üniversiteler açısından, bu süreçlerin etkili bir şekilde öğretilmesi teoriden daha fazlasını gerektirmektedir; öğrencilerin gerçek talaşlı imalat operasyonlarını gözlemleyebilmeleri, ilgili kuvvetleri ve enerjiyi ölçebilmeleri ve gerçekçi endüstriyel koşullar altında süreç davranışını analiz edebilmeleri şarttır.
Bordeaux Üniversitesi ve Teknoloji Enstitüsü (IUT), endüstriyel CNC takım tezgahlarını sistematik olarak enstrümante ederek talaşlı imalat süreçlerindeki uygulamalı eğitim ve araştırmaları güçlendirmiştir.
Makine kontrol verilerini harici mekanik ve elektriksel ölçümlerle entegre eden Bordeaux Üniversitesi, öğrencilere ve araştırmacılara talaşlı imalat sürecinin senkronize bir görünümünü sunmaktadır. Bu teknolojik altyapı; kesme kuvvetlerinin, mekanik gücün ve elektrik enerjisi tüketiminin gerçek zamanlı olarak analiz edilmesini ve bu ölçümlerin kesme hızı, ilerleme hızı, kesme derinliği, takım geometrisi ve işleme stratejisi gibi operasyonel parametrelerle doğrudan ilişkilendirilmesini mümkün kılmaktadır.
Problem
Talaşlı imalat alanındaki eğitim ve araştırmalarda temel zorluk, özellikle İleri Endüstriyelleştirme Yüksek Lisans programı olmak üzere makine mühendisliği programlarının evrimidir. Buradaki asıl mesele, ileri talaşlı imalata ve bunun optimizasyonuna odaklanarak gelecekteki endüstri gereksinimleriyle uyum sağlamaktır. Mekanik enstrümantasyon, kesme eylemlerinin/kuvvetlerinin/torklarının ölçümü ve güç tüketiminin analizi bu noktada elzemdir. Termal alan gibi diğer verilerle entegre edildiğinde bu ölçümler, talaşlı imalat operasyonlarının ve bunların optimizasyonunun derinlemesine anlaşılmasını sağlar. Temel amaç, üretilen parçaların kalitesini artırmak ve çevresel etkiyi azaltmaktır.
Kendine özgü Bordeaux yaklaşımının temelinde, talaşlı imalat optimizasyonu konusundaki derin uzmanlık yatmaktadır. Üniversite, I2M laboratuvarının araştırma faaliyetleriyle yakın işbirliği içinde; kapsamlı bir süreç analizini mümkün kılmak adına kuvvet/tork, elektrik gücü ve termal ölçümleri de kapsayan çoklu fiziksel (multifizik) ölçümleri entegre etmektedir.
I2M Mekanik ve Mühendislik Enstitüsü; katı, akışkan ve enerji mekaniğinin tüm yelpazesini kapsamaktadır. Enstitü, farklı gözlem ölçeklerindeki teorik yaklaşımlardan, ileri deneysel metodolojilerden ve yüksek performanslı hesaplama için sayısal yöntemlerin geliştirilmesinden faydalanmaktadır. Bu ortak yaklaşım, senkronize çok kaynaklı enstrümantasyonun; öğrencilerin Lisans, Yüksek Lisans ve Doktora seviyelerinde talaşlı imalat fiziği, enerji tüketimi ve süreç optimizasyonu arasında nasıl bağlantı kurmalarını sağladığını göstermektedir.
Çalışmalar
Uygulamalı bir yaklaşıma sahip bu çalışmalar, talaşlı imalat sürecine odaklanmakta ve üç temel veri kaynağını kullanmaktadır:
- Mekanik eylemler,
- Mekanik güç ve
- Elektrik güç tüketimi.
Bu odaklanma, kesme işlemi sırasında operasyonel parametrelerin (kesme hızı, ilerleme hızı, kesme derinliği, kesici takım geometrisi, işleme stratejisi vb.) bu enerji değişkenleri üzerindeki
etkisinin belirlenmesini sağlamaktadır. Geleneksel öğrenci eğitimi ve araştırmaya dayalı doktora eğitimi için çeşitli vaka çalışmalarını bu deneysel konfigürasyonlara dayandırılmaktadır.
Makine Mühendisliği üçüncü sınıf lisans ve birinci sınıf yüksek lisans öğrencileri için amaç, endüstriyel CNC takım tezgahlarında işlenen bir parçanın endüstriyelleştirilmesinde deneysel bir yaklaşım benimsemektir: bir CAM aracı kullanarak imalat sürecini tasarlamak, kesme koşullarını geliştirmek, metal bir parçanın imalatına başlamak ve küçük bir seri üretim gerçekleştirmektir.
Bu bağlamda, alınan ölçümlerin amacı, aynı işleme operasyonunu gerçekleştirmek için tüketilen mekanik gücü;
- Farklı matkap ucu geometrileri ile gerçekleştirilen bir senaryo,
- Farklı 3 ve 5 eksenli işleme stratejileri ile gerçekleştirilen senaryo.
karşılaştırılmaktadır.
Yüksek lisans programının ikinci yılında öğrencilerin çalışmaları; örneğin takım tezgahı enstrümantasyonu ve üretilen parçaların analizi yoluyla, enerji tüketimi, yüzey kalitesi ve talaş morfolojisi gibi parametrelere dayalı olarak takım seçimini ve kesme koşullarını optimize etmelerini sağlamaktadır.
Öğrenciler, gerekli talaşlı imalat testlerini Takım Tork Malzeme standardı olan COM NF E66-520-1 ila 8’e uygun olarak gerçekleştirmektedir. Buradaki hedef, çelik bir parçanın tornalanması için en uygun kesme koşullarını belirlemektir. Bu işlemi gerçekleştirmek için, takım tezgahının sayısal kontrol sistemine entegre edilmiş isteğe bağlı AMC3 yazılım modülünü kullanmaktadırlar. AMC3; dahili makine sinyallerinden, harici bir wattmetreden veya bir dinamometreden elde edilen elektriksel ve mekanik veriler dahil olmak üzere farklı türde sensörleri ve ölçümleri desteklemektedir.
Bu kurulum, AMC3’ün tek bir işleme operasyonu sırasında kesme kuvvetlerini ve özgül kesme basıncını tahmin etmesine olanak tanımaktadır. Bu sonuçları karşılaştırmak ve talaşlı imalat sürecine dair anlayışı derinleştirmek amacıyla öğrenciler, bir KISTLER 9129AA dinamometre platformundan ve bir Dewesoft veri toplama sisteminden alınan ölçümleri kullanarak mekanik gücü de değerlendirmektedir. Eşzamanlı olarak Dewesoft, süreç davranışının daha eksiksiz bir analizini sunmak adına ek ölçümlerle birlikte AMC3 tarafından kontrol edilen ve üretilen kesme ve ilerleme hızı verilerini kaydetmektedir.
Şekil 2. Bordeaux Üniversitesi’ndeki öğretim görevlilerinin, bir takım tezgahında kuvvet ve torkun rolüne ilişkin uygulamalı derslere hazırlanırken çekilmiş fotoğrafı. Öğretim görevlileri, Bordeaux Üniversitesi’nde öğretim amacıyla kullanılan ekipman ve makinelere sahiptir.
Doktora öğrencileri için çalışmalar, yüzey kalitesi ve çevresel performansa özel bir önem verilerek genel imalat sürecinin optimizasyonuna odaklanmaktadır. Yürüttükleri araştırmalar; WAAM (Tel Ark Eklemeli İmalat), ısıl işlem ve talaşlı imalat dahil olmak üzere farklı imalat aşamalarında malzeme durumunun nasıl değiştiğini açıklayan modeller geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu modeller, sürece özgü enstrümantasyon ve işlem sonrası (post-process) analizler kullanılarak tanımlanmakta ve doğrulanmaktadır.
Bir diğer önemli araştırma alanı ise talaşlı imalat operasyonlarının dinamik kontrolüdür. İşleme esnasında öğrenciler, imalat gerçekleşirken sistemin anlık durumunu belirleyebilmek adına süreç modellerini gerçek zamanlı olarak tanımlamak için çalışmaktadırlar. Bu bilgilere dayanarak; kesme koşulları değişse veya sistemde bozucu etkiler (pertürbasyonlar) meydana gelse bile, dinamik davranışı ve enerji performansını iyileştirmek amacıyla en uygun kontrol stratejisi gerçek zamanlı olarak ayarlanabilmektedir.
Şekil 3. Üniversitedeki araştırmalarda kullanılan ekipman ve makineler
Test ve Veri Toplama Ekipmanları
Dewesoft veri toplama sistemlerine, OPC-UA iletişimine ve özel mekanik ile elektriksel sensörlere dayalı birleşik bir ölçüm ortamı, hem pedagojik hem de araştırma hedeflerine hizmet edebilmektedir.
Şekil 4, ekipman ile Dewesoft sensörleri arasındaki senkronizasyonu göstererek sensör verilerine dayalı bir ölçüm sisteminin kurulmasına olanak tanımaktadır.
Şekil 4. Sistem kurulumunun şematik diyagramı.
Bir işleme operasyonunda yer alan enerji değişkenlerini karakterize etmek amacıyla talaşlı imalat ekipmanını üç cihazla donatılmıştır. Her bir cihaz, DewesoftX veri toplama yazılımı için profesyonel bir lisans içermektedir.
- DewesoftX OPC-UA İstemci Eklentisi (Client Plugin): OPC-UA İstemci eklentisi, DewesoftX’in herhangi bir third-party OPC-UA sunucusundan veya bir DewesoftX OPC-UA sunucusundan veri toplamasını mümkün kılar. Sistem, tüm verileri asenkron kanallar olarak alır.
- SIRIUSi-8xSTMG ve SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV Veri Toplama Sistemleri: SIRIUS modüler, çok yönlü ve sağlam bir veri toplama sistemidir. SIRIUS, neredeyse her türlü sinyal veya sensör için üst düzey sinyal koşullandırma amplifikatörleri sunmaktadır.
- Dewesoft DS-CLAMP-150DC Akım Penseleri: AC/DC akım penseleridir.
- KISTLER 9129AA Dinamometre Plakası
Senkronize çok kaynaklı ölçümler sunan bu çözüm, öğrencilerin talaşlı imalat fiziğine dair anlayışını pekiştirirken; enerji bilincine sahip, dijital destekli imalat alanındaki ileri düzey araştırmalar için de güçlü bir deneysel çerçeve sağlamaktadır.
Şekil 5.DewesoftX, “Measure” veya “Review” sekmeleri için ekranların özelleştirilmesine olanak tanır. Burada, işleme sırasında kuvvetleri ve torku izler.
Enstrümantasyon ve Ölçüm Kurulumu
İlk bilgi kaynağı, tezgahın CNC ünitesinde barındırılan OPC-UA sunucusudur. Bu sunucu; doğrusal hareket ve iş mili (spindle) rotasyonuna ait her bir eksenin konumu, hızı, ivmesi, torku ve gücü dahil olmak üzere tezgahın anlık durumuna ilişkin veriler sağlamaktadır. Bu ölçüm verileri, OPC-UA istemci eklentisi (client plugin) kullanılarak Dewesoft sistemine entegre edilmektedir.
İkinci ölçüm cihazı, mekanik kesme eylemlerini karakterize etmek için kullanılan 6 bileşenli bir dinamometredir. Bu donanım, 10 kN’a kadar olan kuvvetleri ve 500 Nm’ye kadar olan torkları ölçebilen KISTLER tip 9129AA platformudur. Söz konusu sensör, kendi amplifikasyon (sinyal güçlendirme) sistemiyle eşleştirilmiştir. ±10V aralığındaki voltajları ölçmek için analog modda yapılandırılmış STMG amplifikatörlerine sahip bir SIRIUS modüler sistemi kullanılmaktadır.
Bu iki ölçüm sistemi, kesme işlemiyle üretilen mekanik gücün matematiksel olarak hesaplanmasını mümkün kılmaktadır.
Üçüncü ölçüm sistemi ise dört yüksek voltaj ve dört alçak voltaj analog kanalına sahip “Güç Analizörü” (Power Analyzer) modülü ile modüler bir SIRIUS sistemini bir araya getirmektedir.
Voltaj Ölçümü: Üç yüksek voltaj kanalı, ya doğrudan tezgahın ana güç kaynağına ya da ana iş mili motorunu kontrol eden güç dönüştürücüsünden (power converter) hemen sonrasına bağlanmaktadır.
Akım Ölçümü: Üç adet DS-CLAMP-150DC akım pensesi, üç alçak voltaj kanalına paralel olarak bağlanır.
Bu sayede Güç Analizörü modülü, takım tezgahı tarafından tüketilen toplam elektrik gücünü hassas bir şekilde belirlemektedir.
DewesoftX yazılımı (sürüm 2025.2); mekanik eylemler, konumlar, hızlar, iş mili torku, mekanik güç ve elektriksel güç dahil olmak üzere çeşitli fiziksel büyüklüklere ait değerleri gerçek zamanlı olarak görüntülemektedir. Şekil 6, 7 ve 8’de buna dair spesifik uygulama örnekleri sunulmuştur. Geliştirilen bu konfigürasyon, talaşlı imalat esnasında kesme sürecinin performans karakteristiklerine dair kapsamlı ve senkronize bir genel görünüm sağlamaktadır.
Şekil 6.DewesoftX’te mekanik hareketler ve mekanik kesme gücü.
Şekil 7 Elektrik sinyalleri ve güç
Şekil 8. OPC-UA sunucu sinyalleri, gerçek zamanlı kinematik.
Test Sonuçları ve Veri Analizi
Tornalama süreçlerini içeren uygulamalarda, sinyal toplama analizindeki ilk adım, ölçümlerin kesme işlemine karşılık gelmediği evre boyunca sinyallerin sıfırlanmasıdır.
Şekil 9. Kalibrasyon prensipleri
Analizler daha sonra kesme bölgesine odaklanmaktadır (bkz. Şekil 8). Testler AISI 4140 çeliği üzerinde gerçekleştirilmiştir. Kesici takım, bir TNMG 16 04 08-PR 4225 (SANDVIK) kesici uç ve bir PTGNL 2020K16 (SANDVIK) katerden (uç tutucu) oluşmaktadır. Çalışma koşulları şu şekildedir:
Tablo 1. Test çalışma parametreleri
Sonuçlar, dinamometre güç okumaları ile elektriksel ölçümler arasında güçlü bir korelasyon olduğunu göstermektedir. OPC-UA sunucusundan alınan güç değeri, belirlenen oranın biraz altında kalmaktadır. Bu durumu, ana iş milinin torku ve dönüş hızına dayanarak şu şekilde belirlenmektedir . Tork değerinin kontrolör tarafından sağlanan bir veri olduğunu ve tezgah üreticisi tarafından kalibre edildiğini garanti etmediğini belirtmek gerekir.
Şekil 10. Güç değerlerinin karşılaştırılması.
Daha önce olduğu gibi, frezeleme uygulamalarında da ilk adım, ölçümlerin kesme işlemine karşılık gelmediği evre boyunca sinyallerin sıfırlanmasıdır. Ayrıca, veri toplama esnasında parazit salınımlarına yol açabilen sistemin doğal frekansının filtrelenmesi de gereklidir.
Şekil 11. Kalibrasyon prensibi
Kesme fazı esnasında 6 bileşenli dinamometre kullanılarak yapılan ölçümler (Şekil 12) ve çeşitli iş mili ile eksen motorlarından alınan sinyaller (Şekil 13); mekanik ve elektriksel gücün karşılaştırılmasını (Şekil 14) mümkün kılmaktadır.
Şekil 12. Frezeleme işlemi sırasında dinamometre aracılığıyla uygulanan kuvvet ve tork
Şekil 13. Frezeleme sırasında iş mili ve eksen motorlarından gelen sinyaller
Şekil 14. Elektriksel ve mekanik gücün karşılaştırılması.
Yukarıdaki grafikte elektriksel gücün mekanik güçten daha yüksek olmasının nedeni; takım tezgahının boşta çalışırken ve işleme esnasında tükettiği toplam gücü kapsamasıdır. Ayrıca elektriksel güçte görülen çok sayıda tepe değeri (pik), anlık güç hesaplamasında hesaba katılmayan ardışık motor ivmelenmelerinden kaynaklanmaktadır.
Dolayısıyla, bu iki güç hesaplama yöntemindeki paralel gelişmeler, nihayetinde dinamometre plakasının kaldırılmasına ve işleme esnasında takım tezgahının anlık güç tüketimini hesaplamak için çeşitli iş mili ve eksen motorlarından gelen sinyallerin doğrudan kullanılmasına imkân tanıyacaktır. Elde edilen bu bilgiler, talaşlı imalatta kesme parametrelerinin gerçek zamanlı olarak optimize edilmesini sağlayacaktır.
Eğitim ve Araştırma Platformunun Temel Yenilikleri
Bu eğitim ve araştırma platformu; mekanik, kinematik ve elektriksel ölçümleri tek bir senkronize veri toplama ortamında bir araya getirerek, talaşlı imalat enstrümantasyonuna bütünsel ve entegre bir yaklaşım kazandırmaktadır. OPC-UA protokolü üzerinden erişilen dahili sayısal kontrol (CNC) verilerinin harici kuvvet, tork ve güç sensörleriyle eşleştirilmesi sayesinde sistem; gerçekçi endüstriyel koşullar altında yürütülen talaşlı imalat operasyonlarına dair kapsamlı ve çoklu fiziksel (multifizik) bir perspektif sunmaktadır.
Geliştirilen kurulum
- OPC-UA tezgah verileri
- Harici dinamometre
- Elektriksel güç ölçümü
- Birleşik Dewesoft ortamı
- Pedagojik ve araştırma odaklı entegrasyon
gibi bileşenleri bir araya getirmektedir.
Bu çalışmanın literatüre ve uygulamaya sağladığı temel katkılardan biri, mekanik kesme gücü ile elektriksel güç tüketiminin doğrudan karşılaştırılmasıdır. Yürüten bu ikili analiz, hem öğrencilerin hem de araştırmacıların doğrudan kesme işlemi için harcanan net enerji ile tezgahın toplam enerji tüketimi arasındaki farkı ayırt etmesini sağlamakta; makine dinamiklerinin, yardımcı sistemlerin ve geçici rejim (geçiş) çalışma safhalarının süreç üzerindeki etkisini açıkça ortaya koymaktadır. Sistem aynı zamanda, kontrol ünitesi verilerinden türetilen güç tahmin modellerinin doğrulanması için de güvenilir bir deneysel altyapı teşkil etmektedir.
Platform, sonraki aşamalarda girişimsel enstrümantasyon ihtiyacının kademeli olarak azaltılmasını desteklemektedir. Mekanik ve elektriksel göstergeler arasındaki korelasyonlar doğrulandıktan sonra, kesme gücü ve enerji tüketimi değerlerinin doğrudan tezgâh ile motor sinyalleri üzerinden tahmin edilmesi mümkün hale gelecektir; bu durum, üretim hatlarına doğrudan müdahale gerektirmeyen (non-intruzif) ve endüstride kolayca uygulanabilen proses izleme çözümlerinin önünü açmaktadır.
Geliştirilen bu yaklaşımın en ayırt edici yönlerinden biri; lisans, yüksek lisans ve doktora düzeyindeki eğitim ve çalışmaların tamamında tek bir deneysel çerçevenin kullanılmasıdır. Sağlanan bu akademik süreklilik, beceri odaklı öğrenimi pekiştirmekte ve eğitimi süreç modelleme, enerji verimliliği ile gerçek zamanlı kontrol alanlarında yürütülen aktif araştırmalarla doğrudan ilişkilendirmektedir. Sistemin modüler mimarisi, tornalama ve frezeleme işlemlerinin ötesinde diğer imalat süreçlerine de kolayca uyarlanabilmesine imkân tanımaktadır. Bu sayede platform; günümüzün dijital imalat ve sürdürülebilirlik vizyonuyla tam uyumlu, ölçeklenebilir ve enerji bilincine sahip talaşlı imalat analizlerinin gerçekleştirilmesini desteklemektedir.
Sonuç
Yukarıdaki uygulamalardan elde edilen çalışmalar ve bulgular, talaşlı imalat operasyonları esnasındaki güç tüketimine yönelik tahmine dayalı modeller geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Bu veriler aynı zamanda, kesme sürecindeki fiziksel olguların anlaşılmasına ve sürecin temelinde yatan fiziksel prensiplerin tanımlanmasına yardımcı olmaktadır.
Böylelikle kesme parametrelerinin (kesme hızı, ilerleme hızı, talaş derinliği, kesici takım geometrisi) ve işlenen malzemenin çeşitlendirilmesiyle, analizlerin daha geniş bir operasyonel parametre yelpazesine yayılması ve örneğin yağlama etkilerinin incelenmesi mümkün hale gelmektedir.
Geliştirilen bu deneysel düzenek, öğrencilerin yetkinliklerine uygun yöntemlerle öğretim süreçlerinin tasarlanmasını sağlamaktadır. Sistem, tek bir yazılım ortamında birden fazla fiziksel büyüklüğün karşılaştırılmasını kolaylaştırarak hem öğrenim sürecini desteklemekte hem de ileri düzey araştırmaların yürütülmesini teşvik etmektedir.
Yürütülen bu çalışmalar; gerçek zamanlı süreç izleme ve entegre veri toplama altyapısı sayesinde uygulamalı talaşlı imalat eğitimine, enerji verimliliğine sahip CNC talaşlı imalata ve Endüstri 4.0 üretim vizyonuna önemli katkılar sağlamaktadır.