Topoloji optimizasyonu ile cam ambalaj üretiminde optimum tasarım ve analizi
Optimum design and analysis in glass packaging production with topology optimization
Yazar: HASAN ÜTEBAY
Danışman: PROF. DR. SERVET SOYGÜDER
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve  Dinamiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam ambalaj = Glass packaging ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Topoloji = Topology

Özet:
Ambalaj sektörü son yıllarda çok farklı malzemeler kullanarak ve çok farklı şekillerde tasarlanarak önemli gelişmeler kaydetmiş ve gelişmiştir. Cam ambalajın kimyasal ve fiziksel özellikleri gereği tasarım aşamasında son derece dikkatli ve tecrübeli olmak gerekmektedir. Cam kadar sert ve esnek olmayan bir malzemenin tasarımında özellikle darbe ve fiziksel mukavemet durumlarına karşı özel tasarımlar gerekmektedir. Müşteri cam ambalaja koyacağı ürününü en iyi şekilde sergileyecek bir yandan da fiziksel ve kimyasal olarak güvende olacağı bir cam ambalaj tasarımı beklemektedir. Cam ambalajın üretiminde ki en büyük maliyetlerden hammadde ve enerji giderlerini en aza indirgemek için cam ambalajın tasarımının optimum cam ağırlığında yapılması gerekmektedir. Ayrıca cam ambalaj üretiminde kullanılan kalıpların son derece pahalı olması ve termin sürelerinin uzun olması yeni tasarımı yapılan cam ambalajların deneme üretimlerinin de maliyetini arttırmaktadır. Cam ambalajın mühendislik ve matematik açısından son derece karmaşık olan tasarımı klasik yöntemde bazı kabuller doğrultusunda yapılabilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi ise klasik kabullerin aksine geniş bir sistemi sonlu elemanlar denen daha küçük bileşenlere ayırır. Ayrılan her bir bileşene uygulanan sınır ve yük değerleri ile problem çözüme kavuşturulur. Klasik yöntem ile tasarlanan ürünün sonlu elemanlar analizi sonuçları ile ürünün fiziksel testleri karşılaştırılarak, sonlu elemanlar yönteminde elde edilen sonuçların fiziksel testlere olan yakınlığı öğrenilebilir. Daha sonrasında ise geleneksel tasarımın sonlu elemanlar analizlerinde elde edilen sonuç verileri ile topoloji optimizasyonu yapılarak geleneksel tasarımda yapılacak olan hafifletmenin ve şekil revizyonunun en optimum değerde veya bu değere çok yakın olarak final tasarımın yapılması mümkündür. Başka bir ifade ile topoloji optimizasyonu, istediğimiz sınır ve yükler altında belirlenen bölgede malzeme dağılımını optimize eden ve böylelikle tasarımın optimize edilmesine yardımcı olan yeni bir yaklaşımdır. Bu sayede birçok alternatif çizim yapılması yerine mevcut tasarımın en optimum tasarıma dönüştürülmesinin daha hızlı ve kolay olacağı öngörülmektedir. Bu tez içerisinde örnek olarak geleneksel yöntemle tasarımı ve üretimi yapılarak fiziksel kontrolleri tamamlanmış bir tasarımın sonlu elemanlar analizi yapılarak elde edilen sonlu elemanlar analiz sonuçlarının doğruluğu kontrol edilmiştir. Daha sonrasında geleneksel tasarım topoloji optimizasyonu ile optimize edilerek tekrardan sonlu elemanlar analizi yapılarak yeni tasarımın istenilen sınır şartlarındaki dayanımı incelenmiştir. Optimize edilen tasarımda ürün ağırlığı %8, maliyet ise %8.49 yaklaşık olarak azaltılmıştır. Ayrıca topoloji optimizasyonu ile optimum tasarımın çevreye daha duyarlı ve sürdürülebilir üretime katkısı açıklanmıştır.

Abstract:
The packaging industry has made significant progress and developed in recent years by using very different materials and designed in very different ways. Due to the chemical and physical properties of glass packaging, it is necessary to be extremely careful and experienced in the design phase. In the design of a material that is not as hard and flexible as glass, special designs are required, especially against impact and physical strength. The customer expects a glass packaging design that will exhibit the product that he will put in the glass packaging in the best way, while being physically and chemically safe. In order to minimize the raw material and energy costs, which are the biggest costs in the production of glass packaging, the design of the glass packaging should be made with an optimum glass weight. In addition, the fact that the molds used in glass packaging production are extremely expensive and the lead times are long increase the cost of trial production of newly designed glass packaging. The design of glass packaging, which is extremely complex in terms of engineering and mathematics, can be made in the classical method in line with some assumptions. The finite element method, on the other hand, divides a large system into smaller components called finite elements, contrary to classical assumptions. The problem is solved with the limit and load values applied to each separated component. By comparing the finite element analysis results of the product designed with the classical method and the physical tests of the product, the closeness of the results obtained in the finite element method to the physical tests can be learned. Afterwards, by making topology optimization with the result data obtained from the finite element analysis of the traditional design, it is possible to make the final design at or very close to the optimum value of the lightening and shape revision to be made in the traditional design. In other words, topology optimization is a new approach that optimizes the material distribution in the specified region under the desired limits and loads, thus helping to optimize the design. In this way, it is foreseen that it will be faster and easier to transform the existing design into the most optimal design instead of making many alternative drawings. In this thesis, as an example, the accuracy of the finite element analysis results obtained by performing the finite element analysis of a design whose physical controls were completed by design and production with the traditional method was checked. Afterwards, the traditional design was optimized with topology optimization and finite element analysis was performed again and the resistance of the new design at the desired boundary conditions was examined. In the optimized design, the product weight was reduced by 8% and the cost by 8.49%. In addition, the contribution of topology optimization and optimum design to more environmentally friendly and sustainable production is explained.