Design, development and performance evaluation of a three-axis miniature machining center

Medikal, biyoteknoloji, enerji, tüketim ve uzay gibi endüstrilerden yüksek doğrulukta minyatür parçalara olan talep artmaktadır. Metal, polimer, seramik ve kompozit gibi malzemelerin üzerine üç boyutlu geometrileri işleyebilme özelliğine sahip mekanik mikro-işleme yöntemi mikro-işleme için oldukça uygun bir yöntemdir. Minyatür takım tezgahları prosesin doğruluğunu ve verimliliğini arttırdıkları için geliştirilmekte ve mekanik mikro-işlemede kullanılmaktadırlar. Minyatür takım tezgahlarında üretilen ürünün kalitesi en iyi kesme şartlarının seçilmesine bağlıdır. Fakat, mikro-işlemenin sahip olduğu potansiyelin tamamı prosesin tekrarlanabilirliğini azaltan bazı problemlerdendolayı kullanılamamaktadır. Bu problemlerin en önemlilerinden bir tanesi elde edilen ürünün kalitesinin takım tezgahının titreşimleri yüzünden düşmesidir. Bu master tezi 3-eksenli bir minyatür işleme merkezinin geliştirilmesini, geliştirilen işleme merkezinin mikro-frezeleme performansının değerlendirilmesinive geliştirilen takım tezgahının dinamik davranışının deneyler ve sonlu elemanlar yöntemiyle karakterize edilmesini amaçlamaktadır.Tez kapsamında takım tezgahı tasarlanır ve 3-eksenli pozisyonlama kızakları, minyatür yüksek hızlı motorlar, minyatür kuvvet dinamometresi ve mikroskop kullanılarak yapılır. Tasarlananan minyatür işleme merkezinde motorun bulunduğu kısmın statik ve dinamik karakteristiklerini elde etmek için sonlu ele-menlar yöntemi ile üç boyutlu simülasyonlar gerçekleştirilir. Motorun merkezineher üç yönde 20N kuvvet uygulandığında, tasarlanmış olan mekanik parçaların üzerinde maksimum 0,256 µm'lik bir statik deplasman elde edilir. Dinamik sonlu elemanlar analizi mekanik parçaların ilk üç doğal frekansını 700 Hz, 828 Hz ve1.896 Hz olarak tahmin eder; dolayısıyla bu frekanslara karşılık gelen motor hızları başarılı bir mikro-işleme için kaçınılmalıdır.Bu master tezinde geliştirilen mikro-işleme tezgahının üç boyutlu mikro geometrileri işleyebilme yeteneğini göstermek amacıyla; mikro-frezeleme, Poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) adlı polimer mikro-iğnelerin yapımı için orjinal bir yöntem olarak önerilir. PMMA vePLGA'in mikro-işlenebilirliği, 3 mm boyunda ve 100 µm derinliğindeki kanalların 50.000 devir/dk ve 100.000 devir/dk dönme hızlarında ve farklı ilerleme değerlerinde (5, 10, 15, and 20 µm/kesmeucu) kesilmesiyle incelenir. Mikro-işllenebilirliğin incelenmesi sonucunda PLGA'in işlenebilirliğinin daha iyi olduğu gözlemlenir. Ayrıca, 50.000 devir/dk ve 20 µm/kesmeucu kesme parametrelerinin en iyi ürün kalitesini verdiği gözlemlenir. Bu parametreler kullanılarak farklı geometrilerdeki iğneler PMMA ve PLGA polimerlerinden başarılı bir şekilde üretilir. Bu çalışma esnasında, polimer iğnelerin kesme kuvvetleri ve titreşimden dolayıeğildikleri ve bunun da boyutsal hatalara sebep olduğu gözlemlenir.Ürün kalitesinin kesme kuvvetlerinden ve yüksek hızla dönüşten kaynaklanan titreşimden dolayı azalmasını engellemek amacıyla, geliştiirilmiş olan makinenin titreşimleri özellikle motorun bulunduğu kısma odaklanarak motorun eksenden kaçıklığının ölçülmesi ve modal analiz ile deneysel olarak incelenir. Elde edilen sonuçlar sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan üç boyutlu simulasyonlaın sonuçlarıyla karşılaştırılır. Bu inceleme göstermektedir ki, geliştirilmiş olan minyatür işleme merkezi, havalı motorla mikro-işleme için başarılı bir şekilde kullanılabilir Öte yandan, bu tasarım ile elektrikli motor kullanıldığı zaman belirlihızlarda çalışmak oldukça risklidir. Çünkü tasarımın doğal frekanslarının çoğu elektrikli motorun çalışma aralığı içindedir.Motorun ekseninden kaçık dönmesinin ölçülmesii lazer dopler titreşim ölçererler kullanılarak, deneysel modal analiz de darbe çekici ve ivmeölçe kullanılarak gerçekleştirilerek motorun bulunduğu kısmın dinamiklerinin elde edilmesi amaçlanır. Yüksek hızda seramik rulmanlı elektrikli motorun üzerinde yapılaneksenden kaçık dönme ölçümleri hem bu kaçıklığın şeklinin hem de büyüklüğünün motorun hızıyla değiştiğini gösterir. Motorun hızıyla senkronize olan eksen kaçıklığının 15.000 devir/dk dönme hızında maksimum değer olan 1,65 µm'ye ulaştığı görülür. Motorun hızıyla senkronize olmayan eksen kaçıklığının 40.000 devir/dk ve 50.000 devir/dk dönme hızları arasnda önemli olduğu ve 45.000 devir/dk'da maksimum değer olan 0.21 µm'ye ulaştığı görülür.Deneyler ve sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleştirilen simülasyonlar geliştirilen makine için bir çalışşma frekansı seçme rehberi sağlar. Bu rehbere göre titreşimle ilgili problemleri engellemek için iki farklı dönme hızı aralığı (15.000- 25.000 devir/dk ve 40.000-50.000 devir/dk) sakınılmalıdır. Buna ek olarak, butez kapsamında elde edilen deneysel veriler baz alınarak yapısal modi ? kasyonlar yapılabilir ve tasarım daha da iyile¸stirilebilir. Elde edilen deneysel veriler makinenin matematiksel modelini elde etmek için ve kararlılık limitlerini elde edipverimliliğini arttırmak için de kullanılabilirler.En genelde, gelitirilmiş olan minyatür işleme merkezi üzerinde test edilen mekanik mikro-işleme yöntemi, mikro-işlemede ulaşılabilecek kalite ve aralığı ortaya koyar.