Polimer Esaslı Kompozit Malzemeler ve Ürün Tasarımında Kullanımları...
Ayhan Enşici / Araştırma Görevlisi / İTÜ Edüstri Ürünleri Tasarımı BölümüReçine Transfer Kalıplama RTM / Reçine Enjeksiyonu;
Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM yöntemi çoğunluk jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir.
Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80ºC’ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözeneksik bir ürün elde edilebilir. Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır.
Profil Çekme/pultruzyon (pultrusion)
Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 ºC’ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır.
Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir.
Hazır Kalıplama/conmpression molding (SMC,BMC)
Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC, BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzüde kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür.
Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır. Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır;
Hazır Kalıplama Pestili/SMC (sheet moulding composites)
SMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ile dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan pestil biçiminde malzemedir. Sürekli lifler, 25-50 mm kırpılmış olarak ve kompozitin toplam ağırlığının %25-30 oranında kullanılır. Genellikle 1m genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir.
Hazır Kalıplama Hamuru/BMC (bulk moulding composites)
BMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir.
Hazır kalıplama bileşimlerinin avantajları;
• Çok geniş tasarım esnekliği
• Düzgün yüzey
• Kolayca laklanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi
• Geri dönüştürülebilme ve hazırlığında geri dönüşmü malzeme kullanabilme
• Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı
• Yüksek alev dayanımı
• Sıcaklık dayanımı
• Soğukta kırılgan olmamaenjeksiyon kalıplama (injection moulding)
Bu yöntem RTM’ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp dışarısında karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Sadece düşük viskoziteye sahip termoset reçineler bu yöntemde kullanılabilir. Diğer yöntemlere göre daha hızlıdır. Çoçuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir.
Vakum bonding / vakum bagging
Kompozit malzeme (genellikle geniş sandöviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine 1 atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging yöntemi kullanılmaktadır.
Otoklav / autoclave bonding
Termoset kompozit malzemelerin performanslarını artırmak için elyaf/reçine oranını artırmak ve malzeme içinde oluşabilecek hava boşluklarını tamamen gidermek gerekmektedir. Bunun sağlanması için malzemeyi yüksek ısı ve basınça uygulayarak sağlanabilir. Vakum bagging yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat 1 atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir bir basıncın uygulanbilmesi için dışsal basınca ihtiyaç duyulur. Bu uygulama için, otoklav yönteminde de uygulanan ve kompleks şekillerde en çok kontrol edilebilen metod, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir.
Otoklav kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vacuum bbagging yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanaır ve daha pahalıdır.
Preslenebilir Takviyeli Termoplastik/glass mat reinforced thermoplastics (GMT)
Keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde preslenebilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini tanımlamaktadır. GMT nin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstruderden çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde silidirlerinin arasından geçirilir. Sertşleşen plakalar kasilerek preslenmeye hazır duruma getirilir.
Kompozit Malzeme Kullanım Alanları;
Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit malzeme gelişimleri son dönemde yeni bir çok sektörde birçok farklı amaç için kullanılmaktadır.
Havacılık Sanayi;
Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Komposite malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde sadece içi mekan değil yapısal parçalarınıda polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır.
• B2 bombardıman uçağı gövde panelleri; karbon fiber+epoksi
• A380 yolcu uçağı kanat panelleri ve flapler; karbon fiber+epoksi
• A380 yolcu uçağı burun bölümü (radome); CTP
• A380 yolcu uçağı dikey stabilizer; Aramid fiber+epoksi
• Zemin Plakası; Airbus 300/600 uçaklarında kullanılan karbon takviyeli Polieterimid
• Uçak EAPS kapağı; (Karbon Elyafı+PEEK)
Denizcilik Sanayi;
• Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile kaplanması
• Yat, Tekne Arkası Platform
• Basamaklar; CTP
• Yelken Direği; Kevlar+Epoksi Spor Araçları
Kompozit malzemelerin popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve gereçleri her geçen gün daha da öne çıkmaktadır. Özellikle ağırlığın azalması, dolayısıyla hareket kabiliyetinin artması, ve dayanıklılığın artmasına neden olan cam ve karbon elyafı takviyeli kompozitler kullanılmaktadır. Kompozitler kano, sörf ve yatlar için çok önemli olan malzeme yorgünlüğü ve darbe dayanımı konusunda üstün özelliklere sahiptirler. Dağ bisikletleri en iyi katılık/ağırlık oranı ve en düşük ağırlık özellikleri kazanmak için karbon elyafı ile üretilmektedir. Korozyona dayanım, şok emme ve sağlamlık gibi üstün özellikler kazandırmaktadır. Ayrıca golf sopası, tenis raketi gibi spor ürünlerinde ağırlığı düşürmek için karbon elyafı takviyeli kompozit malzemelerden üretilmektedirler.
• Su kayağı; Termoplastik prepreg
• Kar kayağı; Ahşap üzerine sarılmış karbon, aramid, cam elyafı karışımı+epoksi
Kano küreği; (%33 Cam+Poliftalamid)
• Su kaydırakları: CTP
• Sörf Tahtaları:; CTP
• Bisiklet; (Karbon+Poliamid 6),yaklaşık 1kg ağırlığında
• Reebook Spor Ayakkabı; termoplastik poliüretan, petek (honeycomb)
• Golf Sopası; Karbon Fiber+Epoksi
• Tenis Raketi; Aramid (Kevlar)+Epoksi
• Zıpkın Gövdesi; Karbon Fiber+Epoksi
• Palet; Karbon Fiber+Epoksi
Korozyona Dayanıklı Ürünler;
• Su tankı; CTP
• Mazgal Olukları; CTP
• Yeraltı Boruları;
• Marketlerde Dondurulmuş Gıda Reyonu Kaplaması; CTP
• Rasathane Kubbesi; CTP
• Açık Saha Dolapları: CTP
• Çit; CTP
• İlan Panoları; CTP
Sağlık;
• Tekerlekli sandalye; Cam veya Karbon Elyaf takviyeli Polyester
• Tıbbi Tetkik Cihazları Dış Muhafazaları; CTP
Ulaşım;
• Traktör Kaporta
• Kabin
• Oturma Birimi; SMC
• Toplu Taşıma Araçları Oturma Birimi; SMC
• Konteyner Tabanı; GMT
• Otobüs Havalandırma Kanalları
• Port Bagaj Parçaları
• Gösterge Paneli; CTP
• Açık Alan Servis (Golf Arabası) araçları kaporta, tavan; CTP
• Teleferik; CTP, Maçka teleferiği
• Tren; Kompozit prepreg ve dokuma malzemeler türleri artan oranlarda tren konstrüksiyonunda maliyet ve ağırlık düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. İskelette ağırlığın düşürülmesi enerji tasarrufu sağlamakla beraber daha hızlı araçların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.
Ayrıca trenlerde malzemelerin yüksek katılığa sahip olmaları iskeletin desteklenmesine gerek olmaması anlamına gelmaktedir ki böylece yolcu taşıma bölümü ayrılan mekan artırılabilmektedir. Tren konstruksiyonunda kolay ve hzılı değişebilen genellikle prepreg levhalar kullanılır. Böylece tekil zarar gören paneller hızla değiştirilebilmektedir.
Otomotiv;
Otomobil firması müşterilerinin ihtiyaçlarına karşılık vermek çevresel şartların baskısı altında daha hafif otomobiller üretmektedirler. Hafif otomobiller daha çabuk hızlanabilen, daha çabuk durabilen ilerlemek için daha küçük bir motora ve daha az benzine ihtiyaç duyan araç anlamına gelmektedir.
• Cam Sileceği; %30 Cam+PBT
• Fitre Kutusu; Mercedes, %35 Cam+Poliamid 66
• Pedallar; %40 Cam+Poliamid 6
• Dikiz Aynası; %30 Cam+ABS
• Far Gövdesi; BMW, %30 Cam+PBT
• Hava Giriş Manifoldu; BMW, Ford, Mercedes, %30 Cam+Poliamid 6
• Otomobil Gösterge Paneli;GMT
• Otomobil Spoiler; CTP
• Otomobil Yan Gövde İskeleti; Ford, CTP
• Otomobil kaporta; Corvette, SMC CTP
FORMULA 1 Arabaları;
Formula 1 arabalarının yapımına ait düzenlemeler çok özeldir ve titizlikle uygulatılmaktadır. Arabanın tüm ağırlığı 605 kilogramı aşmamalıdır. Tasarım mühendisleri en az ağırlıkla en sağlam çözümü bulmak durumundadırlar. Daha önceleri yarış arabalarında hafif bir metal olan alüminyum kullanılmaktaydı artık kompozit malzemeler çok daha düşük ağırlıklarla sertlik ikiye katlanabilmektedir. Ayrıca karmaşık parçaların kompozit malzemelerle üretilebilmesi F1 otomobillerin üretiminde gerekli parça sayısı azaltılabilmektedir. Alümninyumla 200’den fazla parçayla üretilen gövde ve saşe beş parçaya düşürülmüştür.
Kompozit malzemeler metal çivatalar gibi bağlantı parçaları ile birleştirilmek yerine epoksi reçimesi ile birbirlerine bağlanmaktadır. F1 arabalarında aşağıda belirtilenlerle beraber birçok parça kompozit malzeme kullanılmaktadır.
• Motor kaplaması
• Burun kapağı
• Ön ve arka kanatlar, spoiler
• Ana gövde, Mühendislik
• Elektrik dağıtım Panoları; CTP
Müzik Aletleri;
London College of Furniture ve diğer bazı yerlerde ileri kompozit malzemelerle müzikal enstrümanlar yapılması üzerine çalışmalar bulunmaktadır. İleri kompozit malzemelerle yapılan yaylı sazlarda boyun kısmının tellerin gerilmesinden dolayı deforme olması karşılaşılan temel sorunlardandır.
• Keman; Karbon Fiber+Epoksi
• Gitar; Karbon lamine tabakalar arası polimer köpük
• Akustik Gitar; Grafit-Epoksi
• Çello; Karbon + Epoksi
Kaynaklar;
• Olcay Y., Akyol M., Gemci R., 2002, Polimer Esaslı Lif Takviyeli Kompozit Malzemelerin arabirim Mukvemeti Üzerine Farklı Kür Metodlarının Etkisinin İncelenmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık fakültesi, Cilt 7, Sayı 1, Bursa
• Philips N. L.,1989, Design with Advance Composite Materials,Springer-Verlag, The Design Council, Great Britain Younnossi O., Kennedy M., Graser J. C I., 2001, Military Airframe Costs The Effects of Advanced Materials and Manufacturing Processes, Project Air Force, RAND, Pittsburg, USA
• Cam Elyaf, 1997, Bülten Sayı 6, Cam Elyaf Sanayi A.Ş.,
•www.science.org.au/nova/059/059key.htm > Putting it together – the science and technology of composite materials
•
www.fibersource.com > FiberSource: The Manufactured Fiber Industry
•
http://plastics.about.com/library/weekly/aa060297.htm> Composites / Plastics - What's a Composite?
•www.geocities.com/CapeCanaveral/1320 > Vince Kelly's Carbon Fiber Homepage
•
www.fibreglast.com > Fiberglass, Carbon Fiber - Fibre Glast Developments Corp.
•
www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/stef/img23.htm > Peel Joint: FE Model
(Alıntıdır
http://www.emomakinemarket.com/haber_detay.asp?id=124 )
Gönderen
Konu: Polimer Esaslı Kompozit Malzemeler ve Ürün Tasarımında Kullanımları... (Okunma sayısı 6195 defa)
Hızlı Yanıt