Malzeme Tasarımı Yönetir
AC-GC Karbon Ürünleri ve Teknolojileri
Tasarım nedir sorusu ile başlayalım. Tasarım üreteceğimiz emtianın mekanik şekillendirilmesi demektir. Bunu yaparken dinamik, mukavemet hesapları yapılır iken kullanılacak olan malzemelerin diğer teknik vasıfları da belirtilir. Tasarımcı gerekli malzemenin teknik özelliklerini belirler ve şekillendirir. Bunu yaparken ya üretilmiş malzemeleri kullanarak boyutlandırır, ya da malzemecilere ben bu tasarımı yaparken gerekli olan bu malzemeyi üretin der. Bu noktadan sonra sorun malzemecilerin sorunu olur. Onlar bu malzemeyi tedarik eder, üretir veya geliştirirler.
Bazen de geliştiremezler ve tasarımcıya malzeme sınırlarını bildirerek, yeniden tasarım yapmasını isterler. Bu gidiş gelişler ile tasarım biter ve iş üreticinin önüne gelir. Üretici bunu üretebilmek için ek malzeme ve donanımlara sahip değilse veya tedarik edemez ise tasarımda revizyon isteyebilir/ister. Bu döngü sayesinde şekillenen üretim planı bu sefer Pazar ve stratejik planlamanın önüne gelir. Fiyat, tedarik, yeni malzeme üretiminin getirileri üzerine bu grubun analizleri sonucunda işe yol verilir veya geriye, yani tasarım ve malzemeci basamağına geri yollanır.
Tasarım konusunda çok güzel yazılımlar var artık. Çizimi, hareketli montaj simulasyonları, ısıl davranışları, mekanik gerilmeler gibi birçok şeyi artık masa başında üç boyutlu tasarlayabiliyoruz.
Bu tasarımlarda bizim sınırlarımızı orada kullanılacak malzemelerin fiziki özellikleri belirler. Kısacası elinizdeki malzemenin kabiliyeti ile sınırlı tasarım yapabilirsiniz. Carl SAGAN bir belgeselde şöyle demişti; “Elinizde sınırsız miktarda çer çöp var ise bununla bir gezegen, evren kurabilirsiniz. Sorun o kadar çer çöpü nereden bulacağız”. Mısır imparatorluğunun, Roma imparatorluğuna yenilmesindeki en temel sebep Mısırlıların çelik yerine bakır ve henüz çelik teknolojisi gelişmemiş demir kullanırken, çelik konusunda başarılar kat etmiş Roma ordusu tarafından rahatlıkla biçilmesidir. Aynı hazin son Amerika kıtası yerlileri ve Avrupalı istilacılar arasında da yaşanmıştı. Amerika’da bu karşılaşma malzemeye dayalı silah teknolojisi ve mikroplarla donanmış ama o mikroplara karşı dirençli insan gücü ile, yani aynı zamanda biyolojik savaş üstünlüğü ile Yerlilerin aleyhine gelişti.
Afrika ile Avrupa ve Asya kıtaları arasında kalkınma tarihine, tarım tarihine bakarsak, orada da ilginç şeyler görürüz. Afrika kıtasında yetişen canlı türlerinin ilginç bir yanı vardır; nerede ise evcilleşen hiçbir yerli hayvan ve bitki türü yoktur. Afrika fili evcilleşmez, Asya fili evcilleşir. Kedisi aslandır, köpeği asla evcilleşmez, kara mandası aslanlardan bile daha fazla insan öldürür, yavru iken bile alıp yetiştirseniz evcilleşmez. En fazla onları yetiştiren bazı insanlara karşı uysallaşır, ama asla evcilleşmez. Bitki türleri arasında endüstriyel tarımda kullanılan bir tür de yoktur. Bu nedenle uygarlık Asya ve Ortadoğu ile irtibatlı Mısır dışında hiçbir yerde uygarlık gelişememiştir.
MALZEME TEKNOLOJİNİZİ BELİRLER
Bu nedenle ilerleme ve tasarım kabiliyetimiz elimizdeki malzeme ile kısıtlıdır. Haliyle yeni bir endüstriyel tasarım yapacaksanız, sınırlarınızı malzeme teknolojiniz belirler. Malzeme teknolojisi konusunda kendimizi geliştirmez isek tasarım ve üretim konusunda da geliştiremeyiz. Stratejik malzemelerin ithal yolu ile karşılanmasını bir çözüm olarak göremeyiz. Malzeme bilimi tasarım teknolojisinden daha zorludur. Malzeme bilim dalı iken, tasarım mühendisliktir, ustalıktır, teknisyenliktir. Mühendislik ve ustalıkta kurallar, hesaplar, planlamaları rahatlıkla yapabilirken, bilimde özellikle malzeme biliminde bu hesaplar çok daha zorludur, çoğu zaman da süprizlerle doludur. Çünkü bilim henüz her şeyi bilemiyor, o yüzden bazı aşamalar deneme yanılma ile geçilemiştir, bazı malzemeler için halen endüstriyel yol bulunamamıştır. Örnek; Grafen ve Karbon Nanotüp.
500 LİBRELİK BOMBA KOVANI
Bir örnekle açıklamak gerekirse, 80’lerin başında, Manisa’da MKE için çalışan bir firmaya, 500 librelik MK serisi uçak bombası kovanı üretimi için çalışmıştım. Elimizde örneği olan bir uçak bombasının dövme kalıbının matematiksel profilinin çıkarılması isteniyordu, çayımla, sigaramla, çerezim, büsküvilerim ile bilgisayarların başında çalışarak 1.5 haftada istenen matematiksel modeli geliştirdim. Ardından üretici firmaya, 5 haftalık stajıma saydırılması kaydı ile daha sonraki aşamalarda da çalışmayı önerdim, kabul ettiler. İlk problem bombanın kanat bağlantı takozlarının kovana kaynatılması idi.
Yüzlerce deneme yaptık, çözemedik, neyse ki kaynak konusunda üstad bir hocamızdan yardım almayı önerdim. Öneriye karşı çıkılma şansı zaten kalmamıştı, sağolsun Selahattin ANIK hocamız yardım talebimizi kabul etti ve gelip sorunu çözdü, çünkü o bizden çok daha fazla bilgili ve çok daha fazla denemeler yapmış ve farklı malzemeleri birbirine kaynaklama konusunda sayısız denemeler yaparak tecrübe kazanmış biri idi.
Bizim yüzlerce denememiz başarısızlıkla sonuçlanmış iken hoca 20 dakikada kaynak tekniği, prosedürleri, akım, tel çaplarına kadar her şeyi çıkarıp önümüze koydu. Sorun burada da bitmedi. O bombanın teknik özellikleri arasında çeliğin mukavemet değerleri karşımıza kondu. Ama kullanılması şart koşulan o ithal çeliğin çekme gerilmesi değerleri istediklerinin üçte biri seviyesinde idi. Tek yol ısıl işlem ile ısıtma, soğutma hızları ve ortamları ile oynayarak o istenen değerlere o malzemeyi getirmekti.
Bu zorlu çalışma insanüstü bir çaba ile 4 hafta sürdü. Nihayetinde ilk uçak bombamızın üretimi için metotlar, prosedürler ortaya çıkmıştı. Carl SAGAN’ın sözlerini duyduğumda da, bu tecrübenin getirdiği birikim bana malzeme biliminin ne kadar önemli olduğunu anlattı. Elimizde o çelik olmasa, kalıplarını yapabilsek bile kanat bağlantı takozlarını kaynatamaz, ısıl işlem ile mukavemet değerlerini istenen noktaya getiremeseydik bugün MK serisi 500 librelik bombalarımız olamayacaktı
Bugün elektronik, kimya veya mekanik bir sistem üzerinde çalışacak iseniz sınırlarınızın malzeme ile önceden çizilmiş olduğunu bilmeniz gerekir. İnşaat demiri seviyesinde bir çelik ile, tank veya uçak yapamayız. Bir rafineri veya kimyasal sentez reaktörü kuracak isek ihtiyacımız olan malzemenin, evlerde kullanılan demir su borusundan farklı olduğunu bilmemiz gerekir. Meşhur F-35B uçaklarının dikine havalanması sorununu çözmekte en büyük sorunda gene malzeme idi.
F-35B’DEKİ HAVALANMA SORUNU
Prensip çok basit. Bir jet motoru yatay eksende hareket üretiyor. Bu hareketi 90 derece açı ile yönlendirecek ve belirli bir hacmin içinde yerleşebilecek bir fan-redüktör/dişli kutusuna takımına ihtiyaç vardı. Devir, güç, fiziksel yerleşim sınırımız belli ise ve “malzemeyi önemsemez” isek, buradaki tasarım mübalağa etmiyorum, birkaç dakikalık iştir. Ama o tasarımı üretebilmek için gerekli malzemeleriniz yok ise, yaptığınız tasarım bir işe yaramaz, üretemezsiniz ve sadece kâğıt üstünde bir saçmalık olarak kalır. Bu tasarımın sorunu, malzeme teknolojisinin uygun malzeme ve diğer komponentlerin geliştirilmesi ile çözüldü. Aslında halen tasarım ve malzeme konusunda çalışmaların devam ettiğinden de emin olabiliriz.
Dişlilerin tasarımında kullanılacak malzemeler, oluşan sürtünmeleri azaltan yağlama malzemesi ve sistemi, oluşan ısıyı uzaklaştıracak soğutmayı sağlarken oluşan momentleri karşılayabilecek dişli kutusunun malzemesi, soğutma sağlarken sesi de bloke edebilecek bir malzeme grupları elinizde yoksa bu malzemeleri geliştirmek zorunda kalırsınız. Bu nedenle tasarımınıza malzeme yön verir.
Yarın yeni bir yağlayıcı, yeni bir kutu teknolojisi, yeni bir dişli malzemesi geliştirilir ise mevcut sistem de değişecektir. Tabii bu arada yenilikçi bir tasarım da her şeyi değiştirebilir. Tabii o yenilikçi tasarım da yenilikçi malzemelerle gerçekleşebilecektir.
TEKNOLOJİNİN EVRİMİ
Teknolojik bir ürün üretmek için üretim sistemlerine, o sistemleri kurmak için malzemeye ihtiyacınız vardır. Bir Japon atasözü konuyu çok güzel özetler; ELİNDEKİ ALET(veya malzeme) KADAR SANATKÂRSIN!
Herhangi bir basit ürünün, üretim süreci içinde kullanılan teknoloji ve burada kullanılan malzeme listelerine bakarsak malzemenin önemini daha iyi anlarız. Basit bir ürünün ihtiyaç listesini bir inceleyelim. Son ürün çivi olsun. Hammaddesi demir cevheri ve karbon/kömür olan bu basit ürünü bile %100 milli üretebilmek için gerekli malzeme ve teknolojileri kendiniz üretebiliyor iseniz, üretemeyeceğiniz hiçbir şey yoktur. Bazılarına bu çok iddialı gelecektir, anlatalım. En basitinden optik sıcaklık okuma sensörlerini üretebiliyorsanız üretemeyeceğiniz sensör ve elektronik komponent yok gibidir.
O basit çiviyi üretebilmek için asit, baz üretimi, membran teknolojisi, nadir toprak elementleri, saf madde üretim teknikleri, refrakter teknolojisi, grafit, alaşım, elektrik ve elektronik teknolojilerini geliştirmek zorundasınız. Bu nedenle son ürünlerden önce malzeme bilimini ve sektörünü geliştirebilirseniz sadece o ürünü değil, sayısız son ürünü üretebilme kabiliyetine kavuşursunuz.
MALZEME VE ARGE SÜRPRİZİ SEVER
Neredeyse 25 senemi karbon, daha ziyade aktif karbon üzerine çalışmakla geçirmeme ve bu yolda ilerlerken karbon nanotüp, grafen, grafit gibi konular hakkında da birçok şey öğrenmişken. Gelen yeni bir ArGe çalışmasına yardım talebi ile karbonun yeni bir tipini duydum. Glassy Carbon denilen yeni bir karbon oluşumu idi.
Karşı taraf da, ben de gerekli temel araştırmaları yaptıktan sonra, bu malzemenin rahatlıkla üretilebileceğini, üretim sırasında karşılaşabileceğimiz en büyük sorunun yüksek sıcaklıkta (30000C) uygulanacak termal kür/şoklama olduğu konusunda hemfikir olduk. Ama o sıcaklık konusunda daha önceki ArGe ve endüstriyel çalışmamızda tecrübemizin olmasından dolayı, bunun zor ama imkânsız bir şey olmadığını belirttik. Aslında yapılacak iş birkaç basamaktan oluşan basit bir prosedürdü.
- İstenilen formu veren bir kalıp yapılacak
- Bu kalıba genel formu belli bir reçine dökülecek ve sertleştirilecek
- Bu reçine ısıtılıp karbonize (DeHidrojenize) edilecek
- Karbonize edilmiş bu malzeme 2500-30000C’de ısıtılıp camsılaştırılacak
Yukarıdaki operasyon basamaklarına bakan her teknokrat 4 numaralı işlemi en zor işlem olarak görecektir. Ama uygulamaya geçtiğimizde birkaç günde biter dediğimiz karbonize işlemini, yapmamız için gerekli termal kür rejiminin haritasını çıkarmak 3 yıla yakın sürdü. Birkaç günde biter dediğimiz süreç ise 3 aya yaklaşan bir termal kür rejimi çıktı.
Yola çıkmadan önce malzeme geliştirmede nelerle karşılaşacağınızı bilemezsiniz. Bunun aksini iddia edenler muhakkak çıkacaktır. Ama onlara şunu söyleyebilirim; ya uğraştığınız şey çok basit, ya da yanlış değerlendirdiniz, arkasındaki teknolojiyi önemsemediniz. Çünkü kolay, basit, faydalı, ucuz, çabuk, güzel, dayanıklı gibi kavramlar asla ve asla bir arada kalmayı sevmez. Hele ki, hepsini bir arada görmeniz neredeyse imkansızdır.
MALZEMEYE ULAŞMAK
Bunun için iki yol vardır. Ya ithal edersiniz, ya da ArGe çalışması yapar üretirsiniz. ArGe masraflıdır, en önemlisi garantisi yoktur. Şayet bir ArGe çalışmasına tarih veya bütçe veriyorsanız büyük ihtimal yanılacaksınız. Çünkü sürecin süresi ve bütçesini hatasız hesaplayabiliyorsanız bu ya ArGe değildir, ya da aşırı abartılmış süreç analizidir. Bir üçüncü ihtimal de çok şanslı olabilirsiniz. Ama siz gene de ArGe için zaman ve bütçe konusunda temkinli olun. En önemlisi de başarılı sonuç garantisi vermeyin
Garantisi olmayan, süresi ve bütçesi sürprizlere açık bir çalışmayı ‘planlamacılar’ pek sevmez. Çünkü bizim planlamacılar ya teknik adam değildir, ya da teknik olmayan ekonomistlerin alt kadrosunda sesini çıkartamayan kişilerdir. Malum, emir demiri her zaman keser bu coğrafyada. Peki garantili yol ile malzemeye ulaşarak başarılı tasarım yapma yolu var mıdır?
Eğer elinizde ArGe süreci yıllara, nesillere yayılmış, zahmetli süreçlerden geçmiş, ciddi bütçeler harcanması ile üretilmiş özel bir malzemeniz varsa ne yaparsınız? Bu malzemeyi, başkalarının sorunlarını çözebilmesi için satmak yerine elinizde mi tutarsınız? Bu bir planlama ve stratejik oyundur. Bazı malzemeler maalesef satılmaz. Satarsa da size tedarik garantisi vermez veya imtiyazlar talep eder. Etmeli de! Bazen de oyunun kuralları süreç içinde değişir, rahatlıkla tedarik edebildiğiniz o malzemeyi tedarik edemezsiniz. Bu o üretim kaleminizin ve ona bağlı sektörlerinizin ölümü demektir.
Bunu bir malzeme için örnekleyelim:
Malzeme adı: grafit
Kullanım alanları: Demir-çelik sektöründe ark ocakları, alaşım sektörü, elektrik motorlarında elektrik iletim fırçaları, kurşun kalem, ve bir sürü ürün….
İthalatı kesilirse ne olur:
- Demir çelik sektörü durur
- İnşaat sektörü durur
- Bazı plastik kalıplar yapılamadığı için plastik üreticilerinden bazıları durur
- Elektrik pano sektöründe kullanılan grafit kullanılan parçalar üretilemez
- Arabalarımızın alternatörleri, marş motorları, devridaim pompalarının keçeleri üretilemez trafik sorunu biter
İthalatın durması ile eldeki stoklar bittiğinde başımıza daha nice sorunlar gelebilir. Peki bunları neden üretmiyoruz? Neden üretemiyoruz? Engelleyen mi var? Soruları sanırım ayrı bir sohbet konusu olabilir. Ama şu atasözümüzü de bu vesile ile hatırlamakta fayda var; “elden gelen öğün olmaz, o da vaktinde bulunmaz”. Bu nedenle hayatımızı ve üretim yeteneklerimizi devam ettirebilmek için süratle temel malzemelerden başlayarak, malzeme üretimi ve ArGe konusuna ağırlık vermeliyiz. Yoksa sadece bir grafit ambargosu ile o konforlu arabanızdan inip eşeğe binmek zorunda kalırsınız.
Malzeme ve ArGe tarihinden ilginç örnekler
Otomobil lastiği: Charles GOODYEAR isimli şahıs uzun çalışmalardan sonra doğal kauçuk ile kükürdün karıştırılıp pişirilmesi ile yaptığı buluşun bugün binlerce buluşa öncü olacağını bilmiyordu. Bugünkü Goodyear firmasının o şahısla sadece saygı ilişkisi vardır, Charles yaptığı hatalı patent başvurusu ile beş kuruş kazanamamış, iflas ederek yoksulluk içinde ölmüştür/1860. Ama geride bıraktığı kükürdün polimerlerle ilişkisi binlerce yeni malzemenin önünü açmıştır.
Flor Elementi: Bu malzeme bilim tarihinin en acılı süreçlerinden biridir. Kayıt altına girmiş 600den fazla ölü ve yaralı araştırmacı bu elementin keşfine kanları ile imza atmıştır. Her ölüm ve kaza bir sonraki araştırmacı için değerli bir veri olmuş ve en sonunda Henri MOİSSAN/1886 da bir gözü bantlı olarak serbet hale getirilmiş saf FLOR elementini sunabilmiştir. Bu florun bulunuş aşamasındaki son sakatlıktı ama ürünün geliştirilmesi sırasında ölen ve yaralananların kayıtlarına ulaşmak maalesef imkansızdır. Şimdi sabahları teflon tavanızda omlet yapıp mideye yuvarlarken, o tavadaki teflonun flor ile yapıldığı için, tavanıza daha bir saygı duyarsınız umarım.
Sakarin: Kimya Laboratuarlarının asla değişmez altın bir kuralı vardır. Bir laboratuarında asla ve asla hiçbir şey içilmez, hiçbir şey yenilmez! Alman asıllı Constantin FAHBERG/1879 bu kurala uymadı. Çok çalışıyor ve yemek yemek için dışarı çıkmaktansa torbasındaki tostu yemeyi tercih etti. Kömür üzerine çalışıyordu, değişik tepkimeleri inceliyordu ve gecenin geç bir saatinde laboratuardan çıkıp yemek yemeye gitmeyi bırakın, ellerini bile yıkamadan o tostu yemeye başladı. Ama peynirli ve jambonlu tostun kenarları reçel gibiydi. Bu sayede belki ölmedi, sakatlanmadı ama normal şekerden 400 kat daha tatlı sentetik şekeri buldu. Şanslıydı!
Mikrodalga fırının icadı: Radarın gelişme döneminde mikrodalga antenleri ile çalışan mühendis ve bilim adamları da henüz mikrodalganın biyolojik etkileri hakkında bir şey bilinmediğinden, o soğuk havalarda mikrodalga sinyalleri yayar antenlerin başında çalışıyordu. O personel ilginç bir olayı fark etti. Antenler çalışırken ceplerindeki cukulatalar eriyordu. Sonuçta bu fenomeni fark edip irdeleyen o bilim insanları bize mikrodalga fırını kazandırdılar. O frekansları üretecek olan seramik, kristal malzemelerin üretimi bize radardan, mutfak eşyasına kadar sayısız ürün kazandıran yolu açmış oldu.
Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz. Yeni bir malzeme geliştirmede bilgi ve hesap yeteneklerimizden çok daha önemli faktör döktüğümüz ter, direnebilme gücü, belki bir o kadar da şans önemlidir. Amacınıza ulaşamasanız bile o süreç içinde bambaşka şeyler bulabilirsiniz. Bunu bazen fark edemeyebilirsiniz, kayıtlarınıza veya atıklarınıza ulaşan bir başka kişi yeni bir şeyler bulabilir. Veya attığınız bir çöpün çok değerli olduğunu seneler sonra öğrenebilirsiniz. Mesela ben, +20000C seviyesinde ısıttığım aktif karbonun grafitize olduğunu bilmeden, grafitin de aslında çok sert bir malzeme olduğunu bilmeden, sırf bir otomobil parasına imal ettirdiğim değirmeni yok etti diye blast etkisine karşı kompozit zırh üretiminde kullanılabilecek bir malzemeyi pide fırınına verip, karşılığında da beleş pide almış biriyim.
Malzeme ile uğraşan şanslı kişiler süprizlere açık olmalıdır. ArGe’yi yöneten makamlar da biraz bilim tarihi okumalılar. Yoksa ihtiyacımız olan stratejik malzemelerin bir üstü bulunana kadar, o malzemeleri ithalat yolu ile tedarik edemeyiz. Ne kadar zahmetli ise o kadar değerlidir.
Ulus veya coğrafya olarak neden malzeme ve teknoloji üretiminde zayıfız? Bu soruya cevap bulmalıyız.
Yazar: Erhan DOĞUDAN
