Pil Kapağı Tasarım ve Üretimi

Uydu Sistemleri için Pil Kapak Tasarımı ve Prototip Üretimi

Defne Mühendislik Ltd. Şti. 2005 yılında beri ürün tasarımı ve ürün geliştirme çalışmaları  gerçekleştirmekteyiz. Savunma, havacılık, otomotiv, beyaz eşya, medikal sektörler başta olmak üzere, farklı sektörlere 7000 den fazla ürün tasarımı,  ürün geliştirme, geriye dönük mühendislik, benchmark (kıyaslama) projelerini başarı ile tamamladık.

Farklı  sektörlere daha önce çalışmamış olduğumuz alanlarda yeni projeler gerçekleştirmek; hem başarı hikayesi oluşturmamızda hem de mesleki tatminkarlığımızın arttırmamızda yardımcı olmaktadır. Bu tip çalışmalar; firmamızın yaratıcılık gelişimine ve projelerimize değer kazandırdığı için bizlere ciddi bir motivasyon kaynağı olmaktadır.

Çok farklı sektörlerden değişik projeler gerçekleştirmenin bir avantajı da yeni yapılacak olan geliştirme projelerinde kullanılacak yaratıcı fikirlerin tecrübeye dayanmasını sağlamasıdır.

Defne Mühendislik olarak 2020 yılı  içerisinde uydu sistemlerinde kullanılacak olan Li-Ion şarjlı piller için kapak tasarımı, geliştirme, optimizasyon, test, prototip üretim çalışması gerçekleştirildi.  Prizmatik geometriye sahip Li-Ion şarjlı pil için yapılan bu tasarım ve geliştirme çalışmaları gerek uzay çalışmalarında gerekse elektrik ile çalışan ulaşım araçları, şarjlı olarak yeniden doldurulabilen pillerin kullanıldığı elektronik, medikal, savunma gibi farklı sektörlerin enerji depolamalarını daha güvenli ve kontrol edilebilir kılmaktadır.

Şekil 1: Prizmatik Li-Ion pil görselleri

Ürün tasarım projesinin ana kriterleri çevre şartları uzay ortamında olduğundan kullanılacak malzemelerde, bu malzemelerden üretilen ürünlerde, imalat ve montaj prosesi başta olmak üzere uyulması gereken standartlar mevcuttur. Bu standartlar European Cooperation for Space Standardization (ECSS) ve National Aeronautics and Space Administration (NASA) kurumları tarafından tanımlanmıştır. Bu çalışma şartlarına ek olarak ürün, alt parçaları ile beraber fonksiyonunu yerine getirmesi esnasında oluşabilecek ilave basınç, sıcaklık, kimyasal maddeler ve elektriksel ortamda dayanıma sahip olması şarjlı pil için bir zorunluluktur.  Seçilecek malzemelerden, üretim yöntemine ve son ürünün sağlaması gereken tüm kriterler bu iki kurumun tanımladığı ana standartları ve onların alt şartlarını sağlamak zorundadır.

Pil kapağı üzerinde ana plaka, anot ve katot kutup, mekanik akım kesici sistemi (CID), acil durum emniyet valfi olarak tanımlanan Ventil ve sızdırmazlık elemanlarından oluşmaktadır. Kapak ve alt parçaları için yapılan çalışmaların ana başlıkları ve aşamaları şu şekildedir :

Ürün tasarımı çalışmalarında proje başlangıcında detaylı bir proje planı oluşturulmuştur. Mevcut plan projenin ilerleyen aşamalarında güncellenip detayları üzerinde revizyonlar gerçekleştirilmiştir. Ana plana sadık kalınarak projenin zamanında ve en yüksek kalite de teslimi bu sayede sağlanmıştır.

Şekil 2: CID mekanizması araştırması

Yüksek teknoloji ürünlerinin kullanıldığı özellikler de uydu sistemleri gibi çalışma ortamı uzay olan ürün tasarım çalışmalarının içeriğinde bilimsel çalışmalar ve yeni yaklaşımlar kullanılması fiziksel testler ile doğrulaması gereklidir. Ürünün ve alt parçalarının üzerinde daha önce yapılan mekanik tasarımlar ve bu parçaların mekanik özellikleri ile üretim yöntemleri için uluslararası bilimsel makaleler araştırıldı. Hem ürünlerin fonksiyonlarını gerçekleştirdiği mekanik sistemler hem de bu ürünlerin üretim proseslerinin geliştirilmesi günümüzde bilimsel çalışmalara ve makalelere yön vermektedir. Özellikle Çin başta olmak üzere yayınlanan makale ve patentler bu konunun üzerinde halen geliştirmelerin sürdüğünü göstermektedir. Tasarım çalışmasının ilk aşaması olan patent araştırması; hem uluslar arası alınan patentlerin hem de bu konuda yayınlanmış bilimsel makalelerin incelenmesi, sınıflandırılması ve yorumlanmasını gerçekleştirilmiştir.

Mekanik akım kesici (CID) mekanizması, Ventil ve kutup başları ile ilgili kullanılacak pil ebatlarına uygun olarak konseptler oluşturulmuştur. Kavramsal tasarım aşamasında oluşturulan bu konseptlerin içerisinden seçilen bir kaç model için mekanik detaylar içerecek şekilde tasarımlar şekillendirilmiştir. Bu aşamada üretim yöntemleri  alternatifleri ile beraber oluşmaktadır.

Pil kapağında kullanılacak tüm malzemeler NASAnın tanımladığı standartlarda ve ortam  şartlarına onaylı olması gerekmektedir. Bunun yanı sıra bazı alt parçaların malzemelerinin mekanik olarak görevlerini yerine getirebilmesi için gerilme ve uzama grafiğinde lineer olmayan bölgedeki davranışı esas alınmıştır. Malzemenin bu davranış bölgesinde fonksiyonunu yerine getirmesi ancak kopma sınırından da uzak olması gerekmektedir. Bu tip bir malzeme her üretim paketinde aynı mekanik özellikleri belirli toleranslarda göstermektedir. Projemizde kullanılacak malzemelerin mekanik özellikleri üretim paketlerindeki farklılıklardan etkilenmemesi için tek seferde üretilen malzemeler tedarik edilerek test ve üretimde kullanılmıştır. Bazı malzemeler içinde ek olarak özel ısıl işlemler uygulanarak istenilen mekanik davranış profiline yaklaştırıldı. Aynı malzemeler Kosgeb ve üretici firmalarda çekme testine tabi tutularak gerilme-şekil değiştirme (stress- strain curve) profilleri elde edildi. Bu profiller yapılacak olan lineer olmayan yapısal simülasyon çalışmalarında kullanılarak gerçeğe en yakın sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Bu sonuçlara göre malzeme geometrik özellikleri çalışma şartlarını sağlayacak şekilde optimize edilmiştir.

Şekil 3: Çekme deneyi toplu sonuçları

Her bir bileşen tek olarak fonksiyonunu yerine getirecek şekilde çalışma ortamında bilgisayar simulasyonuna tabi tutulmasının yanı sıra tüm sistem de non-linear analiz ile bütünleşik ürünün ortam testlerine olan cevabı incelenerek yapısal optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu optimizasyon malzeme özellikleri, üretim ve üretim prosesleri göz önüne alınarak seri üretime uygun olacak geometrik ve mekanik tasarım geliştirilmiştir. Böylece tedariği çok zor olan veya üretimden gelecek ölçüsel tolerans sapmaları ile üretim prosesi esnasında oluşabilecek olumsuzluklar bu aşamadaki optimizasyon çalışması ile en aza indirilmiştir.

Optimizasyon çalışmasında üretim proseslerinin detayları alt parçalarda üretimden olayı oluşabilecek tolerans birikmeleri gibi hataların önüne geçilmeye çalışılmıştır. Üretim aşamasında yapılan test üretimleri ve aparat-fikstür tasarımları ile üretimdeki fire oranı en aza indirilmeye çalışılmıştır. Üretim proses optimizasyonu ile alt parçaların üretimindeki fire oranları %70 e varan oranda iyileştirilmiştir.

Şekil 4 : Lineer olmayan analiz ile alt sistem incelemesi

Her bir parça seri üretim makinalarında ve şartlarında tekrarlanabilirliği de göz önüne alarak çoklu adetlerde üretilerek ECSS standarlarını karşılayacak şekilde önce basit  atölye testlerine ve daha sonra bağımsız test kuruluşunda ortam testlerine tabi tutulmuştur. İlk testlerde yüzde altmış oranında başarı elde edilmiştir. Üretim proseslerinin ve ortamlarının iyileştirilmesi sayesinde parça bazlı testlerde %90 oranında başarı ile onay alınmıştır.

Elektriksel direnci, kimyasal dayanımı ve mekanik özelliklerinden dolayı Polifenilen Sülfit (PPS) malzeme sızdırmazlık elemanı olarak seçilmiştir. PPS in aluminyum ile yüksek basınç ve sıcaklıkta sızdırmaz olarak kalabilmesi için γ-aminopropyltriethoxy silane bazlı birleştirici madde kullanarak plastik enjeksiyon yöntemi ile bilimsel bir çalışma da bu proje esnasında gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın yan kazanımı da yerli imalat ile elde edilen PPS ürününün geliştirilen proses ile kullanılması halinde ECSS testlerinde istenilen başarıyı sağlamış olmasıdır.

Şekil 5: PPS – Aluminyum kimyasal bağlantısı şematik gösterimi

Pil kapağı ile beraber jelly roll olarak adlandırılan lithum hücre ve kutusu bir ünite pili oluşturmaktadır. Bu ürün ECSS-E HB-32-26A standartlarında FRF (Frekans Cevap Analizi PSD (Rastsal Titreşim Analizleri)  SRS (Şok Cevap Spektrumu Analizi) sonlu elemanlar analizi ile simulasyon testlerine tabi tutulmuştur. Tüm sistemin montajlı halinin de kritik değerlerden çok uzak olduğu, Gerçek testlerden rahatlık ile geçmesi gerektiği şeklinden raporlama oluşturulmuştur.

Şekil 6 : Li-Ion tüm pilin FRF ve SRS sonuçları

Bu testlerden elde edilen tecrübeler ile tüm ürünün aparat, fisktür, kalıplarının tasarımları ve prosesleri gözden geçirilerek iyileştirilmeler yapılarak, geliştirilmiş ve üretilmiştir. Pil kapak parçasında 11 adet alt parça ve 33 den fazla proses mevcuttur. Kapak ürünün alt bileşenlerinin fiziksel ortam testlerini başarı ile tamamlamasını müteakip montajlı üretim gerçekleştirilmiştir. Montajlı üretimi ECSS startlarında testlere tabi tutulmakta ve geliştirme işlemleri devam etmektedir.

Şekil 7: Prototip ön seri üretimi

Ön seri üretimi başarı ile tamamlanan pil kapağının geliştirme ve iyileştirme çalışmaları devam etmektedir. Farklı bir sektörde de olsa başarı ile tamamlanan bu projenin sağladığı kazanımlar ile yeni çalışmalarımızda çok daha yaratıcı ve kaliteli sonuçlar elde etmemizi sağlayacaktır. Bir mükemmellik merkezi yaklaşımı ile çalışmalarına devam eden firmamız ülkemize yeni kazanımların sağlanması için gelişen kadroları ile hizmet vermeye devam edecektir.