Cilt: 55 Sayı: 649 Mühendis ve Makina
59
İsmail Durgun, Onur Vatansever, Rukiye Ertan, Nurettin YavuzMAKALE
Cilt: 55
Sayı: 649
58
Mühendis ve MakinaEXPERIMENTAL COMPARISON OF COMPOSITE PART
MANUFACTURING PROCESSES USED IN AUTOMOTIVE INDUSTRY
İsmail Durgun*Dr.,
TOFAŞ AR-GE, Bursa ismail.durgun@tofas.com.tr Onur Vatansever Uludağ Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa onur_23002@hotmail.com Rukiye Ertan Yrd. Doç., Dr., Uludağ Üniversitesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa rukiye@uludağ.edu.tr Nurettin Yavuz Prof. Dr., Uludağ Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa nyavuz@uludag.edu.tr
OTOMOTİV SEKTÖRÜNDE KULLANILAN KOMPOZİT
PARÇA İMALAT YÖNTEMLERİNİN DENEYSEL OLARAK
KARŞILAŞTIRILMASI
ÖZET
Günümüzde lüks araçlar hariç otomobil imalatında karbon fiber kompozit parça kullanımı sınırlı se-viyededir. Fakat elektrikli araç üretimindeki artış, üreticileri kompozit parça kullanımı konusunda zorlamaktadır. Kompozit parça üretiminde kullanılan üretim yöntemleri parçanın mekanik ve fiziksel özellikleri üzerinde büyük etkiye sahiptir. Bu bakımdan beklentilerin doğru bir şekilde karşılanması için malzeme kombinasyonu kadar uygun üretim şeklinin seçimi de önemlidir. Bu çalışmada kompo-zit parça üretim yöntemlerinden vakum torbalama ve vakum infüzyon detaylı olarak incelenmiştir. Bu yöntemler ile karbon elyaf ve epoksi reçine kullanılarak deney plakaları üretilmiştir. Üretilen deney plakalarından elde edilen numuneler ile çekme ve eğme deneyleri gerçekleştirilmiş ve yöntemler kar-şılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Vakum torbalama, vakum infüzyon, karbon elyaf, epoksi
ABSTRACT
Nowadays, carbon fiber component usage is limited except for luxurious vehicles. But, the increase of electricity vehicle manufacturing obliges producers to use composite components. The methods used in producing composite parts have big effects on mechanical and physical properties. Therefore, selection of the method is important as material combination to meet the expectations correctly. In this study, composite manufacturing methods vacuum bagging and vacuum infusion have been exa-mined. Through these methods, using carbon fiber and epoxy resin, test plates have been produced. The tensile and bend tests have been done with the test specimens and manufacturing methods have been compared.
Keywords: Vacuum bagging, vacuum infusion, carbon fiber, epoxy
* İletişim yazarı
Geliş tarihi : 21.01.2014 Kabul tarihi : 14.02.2014
Durgun, İ., Vatansever, O., Ertan, R., Yavuz, N. 2014. “Otomotiv Sektöründe Kullanılan Kompozit Parça İmalat Yöntemlerinin Deneysel Olarak Karşılaştırılması,” Mühendis ve
Makina, cilt 55, sayı 649, s. 58-63.
1. GİRİŞ
O
tomotiv, havacılık, uzay ve savunma gibi endüstri-deki hızlı teknolojik gelişim ve artan rekabet, yük-sek performansa sahip ürünlerin tasarlanmasına, bu durumda da hafif ve yüksek mukavemetli malzemelerin ge-rekli kılmıştır. Bu ihtiyaca cevap vermek üzere, 1950 yılından itibaren kompozit malzemeler üretilmeye başlanılmış ve gün geçtikçe kullanım alanları giderek yaygınlaşmıştır [1]. Kompozit malzemelerin tarihsel gelişimine bağlı olarak oto-motiv sektöründe de kompozit malzemeler hızla metal esaslı malzemelerin yerini almıştır. Bunun başlıca nedeni kompozit malzemeler kullanımından doğan, metal esaslı malzemelere nazaran ağırlığının daha düşük olmasından kaynaklanmıştır. Araçlarda yakıt tasarrufu, ivmelenme, doğayı daha az kirlet-me konuları çok önemli konular olduğundan araçları nasıl daha hafif hale getirebiliriz konusu hiç bir zaman önemini yitirmeyecektir [2].Kompozit malzemeden yapısal sistemlerin üretilmesi için çok çeşitli üretim metotları mevcuttur. Bu üretim metotlarından bazıları çok ciddi üretim maliyetleri gerektirmektedir. Örne-ğin lif sargılama yöntemi ile kompozit yapı üretimi, otoklav kullanarak kompozit malzemeden yapısal sistem üretimi, ya da pultrüzyon uygulaması ile üretim altyapısı gerektiren ve teknik olarak da uygulamaları zor olan üretim yöntemleridir. Ancak bazı kompozit üretim yöntemleri ise, az bir altyapı ma-liyeti ile kolaylıkla uygulanabilir hale getirilebilmektedir. Ör-neğin, vakum torbalama yöntemi ile kompozit malzemeden yapısal sistemlerin üretilmesi çok sık uygulanan ve maliyet etkin bir üretim metodudur [3].
Literatürde karbon fiber içerikli kompozit malzemeler konu-sunda yapılan çalışmaların sayısı sınırlı olmakla birlikte ge-nellikle karbon fiberin örgü şekli ve kullanılan reçine tipinin mekanik özellikler üzerindeki etkisi araştırılmıştır [4], [5]. Bu çalışmada otomotiv sektöründe parça
üretiminde kullanılan vakum torbalama ve vakum infüzyon metotları incelenmiş. Üre-tilen deney numuneleri ile yapılan testler ile de yöntemler karşılaştırılmıştır.
2. VAKUM TORBALAMA
Vakum torbalama üretim tekniği esas itiba-ri ile lifli kompozit kumaş malzemenin bir kalıp içerisine elle yatırılması ve reçinenin elle kalıp içine dağıtılması sürecinden son-ra devreye alınan bir uygulamadır. Vakum torbalamadaki negatif basınç uygulaması, kompozit kumaş ve reçine arasındaki ha-vanın dışarı çekilmesini sağlamakta ve bu
sayede hava kabarcıklarından arınmış bir katmanlı yapı ima-latı mümkün olmaktadır. Ayrıca vakum uygulaması sayesinde reçinenin bütün katmanlar içine tam olarak nüfuz etmesi sağ-lanabilmekte ve bu sayede tüm bölgelerin reçine ile ıslatılmış olması garanti edilebilmektedir. [3].
Vakum torbalama için gerekli adımlar şunlardır; • Üretilecek parçanın kalıbı hazırlanır.
• Kalıp önce işlemlere ait atık ve kalıntılardan temizlenir. • Kalıp yüzeyine iki kat kalıp ayırıcı ince bir tabaka halinde
sürülür.
• Kalıp ayırıcı sürülmüş yüzeye bir kat jelkot sürülür. • Hazırlanan reçine karışımı ilk kat olarak kalıbın yüzeyine
sürülür.
• Elyaf kumaş reçine üzerine yatırılır ve üzerine fırça yardı-mı ile reçine sürülür. Bu işlem kaç kat takviye malzemesi varsa o kadar devam eder.
• Elyaf kumaşının üzerine pürüzlülük katmanı ve delikli naylon yerleştirilir.
• Delikli naylonun üzerine de hava çıkışını sağlayan ve fazla reçineyi tutmaya yarayan bir kumaş yerleştirilir.
• Kalıbın kenarlarına çift taraflı bantlar yapıştırılır.
• En son olarak da vakum torbası sistem hava almayacak şe-kilde bantların üzerine yerleştirilir.
• Vakum hortumları sisteme bağlanır.
• Daha sonra bir vakum pompasından faydalanılarak vakum-lama işlemi başlatılır ve reçinenin elyaf kumaş tarafından tamamen emilmesi sağlanır.
• Reçine emildikten sonra vakum kesilir ve parça kürleşme-ye bırakılır.
• Parça kürleştikten sonra kalıptan çıkarılır.
Şekil 1. Vakum Torbalama Prosesi
Vakum Pompası
Vakum
Pompası Vakum BasınçGöstergesi
Kumaş Tabakası Reçine Emici Katman Pürüzlülük Katmanı Kalıp Delikli Film Çift Taraflı Bant
Cilt: 55
Sayı: 649
60
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina61
Cilt: 55Sayı: 649Otomotiv Sektöründe Kullanılan Kompozit Parça İmalat Yöntemlerinin Deneysel Olarak Karşılaştırılması İsmail Durgun, Onur Vatansever, Rukiye Ertan, Nurettin Yavuz
3. VAKUM İNFÜZYON
Vakumlanmış ortam içerisinde reçinenin ilerlemesi prensibiy-le çalışan bu yöntemde, imalat hazırlıkları tamamlanmış ürü-nün el değmeden üretimi amaçlanmaktadır. Vakum infüzyon prosesi, vakum pompası, vakum tankı (reçine toplama tankı), kalıp ve reçine kovası olmak üzere 4 kısımdan oluşur [6]. Vakum infüzyon ile malzeme üretim aşamaları;
• Kalıp yüzeyinde çizik, toz ya da yağ türü yabancı maddeler bulunmamalı ve kalıp daha önce kullanılmışsa üzerindeki kalıp ayırıcı kalıntılarından da arındırılmalıdır.
• Temizlenen kalıp yüzeyine kalıp ayırıcı uygulanır. • Çalışma ortamına uygun seçilmiş jel kot fırça veya
püs-kürtme ile yüzeye uygulanır.
• Üst üste takviye malzemeleri (cam elyaf, karbon elyaf,…) konulur, aralarına kaymamaları için yapıştırıcı püskürtü-lür. Takviye malzemelerin kenarları kalıba uygun olarak kesilir.
• Yüzey pürüzlülüğünü sağlayan katman (Peel Ply) tüm ka-lıp üzerine serilir ve yapıştırıcı ile takviye malzemelerinin üzerine yapıştırılır.
• Kalıbın çevresine göre reçine hatları ve vakum hatları ayarlanır, infüzyon macunu kalıbın etrafını çevreleyecek şekilde yapıştırılır ve vakum tankları hatlara bağlanır. • Kumaşın üzerine delikli bir tabaka yerleştirilir.
• Vakum torbası kalıp üzerine yeterli derecede baskı yapa-bilmesi için kalıba göre kesilir, özellikle derin kalıplarda elyaf yüzeyine tam olarak basması gerektiğinden derinlik hesaba katılarak kesilmelidir. Kesildikten sonra infüzyon macunu ile kalıp etrafına sızdırmaz şekilde yapıştırılır. • Vakum infüzyon düzeneğine vakum göstergesi bağlanır ve
vakum pompası açılır. Vakum torbasında kaçak olup
ol-madığı vakum göstergesi ve kaçak dedektörü ile kontrol edilir.
• Reçine geçişini sağlayacak portlar düzenek üzerine bağla-nır.
• Gerekli reçine miktarı hazırlanır, bu miktar hazırlanırken hortum içinde kalacak reçine de hesap edilmelidir. Reçine-ye gerekli katkı maddeleri eklenir ve karıştırılır.
• Hortumlar portlara takılarak reçine akışına başlanır. Ka-lıbın her noktası reçine ile ıslanana kadar işleme devam edilir. En son kalıbın köşe noktaları ıslanır. Tüm noktalar ıslandıktan sonra tüm reçine besleme hatları klemp ile ka-patılır.
• Parça, vakum altında tamamen sertleşene kadar tutulur. Sızdırmaz bant ayrılarak, önce torba kalıptan sökülür ve reçine akış hatları temizlenir. Daha sonra parça kalıptan çıkarılır.
4. NUMUNE HAZIRLAMA
Çekme ve eğme deneylerinde kullanılacak numunelerin ge-nişlik ve uzunluk ölçüleri plastik malzemeler için çekme standardı olan ISO 527-2 ve eğme standardı olan ISO 178’e göre belirlenmiştir (Şekil 3). 5 adet çekme numunesi ve 5 adet
Kalıp
Takviye Reçine Girişi T- Bağlantıları Çift Taraflı Bant
Vakum Çıkışı Sarmal
Borular
Şekil 2. Vakum İnfüzyon Prosesi [6]
Şekil 3. Deney Numuneleri, a) Çekme Deneyi b) Üç Nokta Eğme Deneyi
a
b
eğme numunesi elde edilebilecek plaka boyutları da 130 mm x 245 mm olarak belirlenmiştir.
Numuneleri elde etmek için, plaka üretiminde 200 gr/m2
kar-bon elyaf ve epoksi reçine kullanılmıştır. Bu malzemelerin kullanımı ile plaka imalatında vakum infüzyon ve vakum tor-balama (Şekil 4) yöntemleri kullanılmıştır.
Plaka üretimi gerçekleştirildikten sonra standartlara göre belirlenen ölçülerde her bir üretim yöntemi ile üretilen pla-kalardan 5 adet çekme numunesi ve 5 adet eğme numunesi olmak üzere toplamda 20 adet deney numunesi su jeti ile ke-silerek elde edilmiştir.
5. DENEYLER
Çekme deneyi, malzemelerin statik yük altındaki mekanik özelliklerini belirlemek ve malzemelerin özelliklerine göre sınıflandırılmasını sağlamak amacıyla uygulanan bir me-kanik deneydir. Bu deney, meme-kanik özellikleri belirlemek amacıyla bir deney parçasının, genellikle kopuncaya kadar, gerilmesini kapsar. Çekme deneyi ile; elastisite modülü (E),
elastiklik sınırı, akma gerilmesi, çekme dayanımı (maksi-mum gerilme), uzama (%) ve kesit daralması (%) gibi özel-likler belirlenebilir [6].
Eğme deneyinde ise eğilen bir çubuğa etkiyen yük ve elastik deformasyon arasındaki ilişkiyi göstermek amaçlanır. Sabit veya değişken yükleme şartlarında, elastik deformasyon sa-hasında çubuğun dayandığı maksimum eğilme yükü bulunur. Bir çubuk, eğme yüküne maruz bırakıldığında, elastiklik mo-dülünün ve kesit atalet momentinin etkisi belirmeye başlar. Eğme deneyi, iki mesnet üzerine yerleştirilmiş ve konsantre bir kuvvetle yüklenmiş bir çubuğu inceler. Deney yapılır-ken, çubuğun maksimum izin verilebilir yükünün bilinmesi önemlidir. Şayet malzemenin akma gerilmesi (σak) aşılırsa,
çubuk kalıcı olarak deforme olacak ve artık kullanım için uy-gun olmayacaktır. Maksimum eğme gerilmesi (σemaks),
çubu-ğun merkezinde (ortasında) meydana gelir [7].
Üretimi gerçekleştirilen numuneler Zwick/Roell Z010 marka cihazda çekme ve eğme deneylerinde (Şekil 6) kullanılmış-lardır.
a) b) Şekil 4. Plaka üretimleri, a) Vakum İnfüzyon b) Vakum Torbalama
Cilt: 55
Sayı: 649
62
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina63
Cilt: 55Sayı: 649Otomotiv Sektöründe Kullanılan Kompozit Parça İmalat Yöntemlerinin Deneysel Olarak Karşılaştırılması İsmail Durgun, Onur Vatansever, Rukiye Ertan, Nurettin Yavuz
a) b) Şekil 6. Deney Sırasında Çekilmiş Fotoğraflar: a) Çekme Deneyi b) Eğme Deney
(a) (b)
(c) (d)
Şekil 7. Vakum Torbalama ve Vakum İnfüzyon Yöntemiyle Üretilmiş Numunelerin Mekanik Test Sonuçları Üretim Yön-temine Bağlı Olarak (a) Çekme Gerilmesi, (b) Elastisite Modülü, (c) Eğme Gerilmesi ve (d) Eğme Modülü Değişimleri
6. SONUÇLAR
Bu çalışmada vakum torbalama ve vakum infüzyon yönte-miyle üretilen karbon elyafı-epoksi reçine esaslı kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini karşılaştırmak amacıyla çekme ve üç nokta eğme testleri yapılmıştır. Elde edilen test sonuçları Şekil 7’de üretim yöntemine bağlı olarak gösteril-miştir.
Maximum çekme gerilmesi açısından karşılaştırıldığında va-kum infüzyon yöntemiyle üretilen numunelerin % 2,5 daha yüksek dayanım sergiledikleri saptanmıştır (Şekil 7-a). Bu üretim yöntemiyle elde edilen elastisite modülü de vakum torbalamaya göre %8,2 daha yüksek elde edilmiştir (Şekil 7-b). Vakum infüzyon yönteminde vakum torbalamaya göre daha az hava boşluğu kaldığı için ürün çok daha sıkı ve rijit olur. Ayrıca kalınlık değişimi de tüm parça boyunca homojen olup süreksizliklere daha az rastlanır. Daha az reçine kullanıl-masını sağladığı için de daha yoğun ve mukavemeti yüksek numuneler elde edilir.
Üç nokta eğilme deneyi sonucunda malzemelerin sergiledik-leri özellikler çekme deneysergiledik-leri ile benzer olmuştur (Şekil 7-c) ve (Şekil 7-d). Vakum infüzyon yöntemi ile üretilen numune-lerin vakum torbalamaya göre eğme gerilme değeri %26,7, eğme modülü ise %15,6 daha yüksek elde edilmiştir. İnfüz-yon yönteminde, reçine elyaf içine tam olarak nüfuz ettiğin-den dolayı eğme ettiğin-deneyi sonuçları daha yüksek çıkmıştır.
SEMBOLLER
σak : Malzemenin Akma Gerilmesi
σemaks : Maksimum Eğme Gerilmesi
E : Elastisite Modülü
TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın başlangıcından bitimine kadar geçen süre bo-yunca çalışmaya desteklerini esirgemeyen Tofaş Ar-Ge biri-mine teşekkür ederiz.
KAYNAKÇA
1. Türkmen, İ., Köksal, N.S. 2013. “Cam Elyaf Takviyeli
Pol-yester Matrisli Kompozit Malzemelerde (CTP) Elyaf Tabaka Sayısına Bağlı Mekanik Özelliklerin ve Darbe Dayanımının İncelenmesi,” C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi, s.17-30.
2. Altınışık, F. 2007. “Doğal Kompozit Malzemelerin
Otomo-tiv Sanayinde Kullanılması,” Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin.
3. Turgut, T., Kayran, A., Alemdaroğlu, N., Ceylan, M.,
2007. “Vakum Torbalama Yöntemi İle Kompozit Malzeme-den Yapı Üretimi Örnek Bir Havacılık Uygulaması,” Mühen-dis ve Makina, cilt 48, sayı:566, s.1-8.
4. Ermel, R., Beck, T., Vöhringer, O. 2004. “Mechanical
Pro-perties and Microstructure of Carbon Fibre Reinforced Car-bon Materials Produced by Chemical Vapour Infiltration,” Materials Science and Engineering, A 387–389, p. 845–851. 5. Yu, T., Wu, C.M., Chang, C.Y., Wang, C.Y., Rwei, S.P.
2012. “Effects of Crystalline Morphologies on the Mecha-nical Properties of Carbon Fiber Reinforcing Polymerized Cyclic Butylene Terephthalate Composites,” Polymer Let-ters, vol.6, no.4, p. 318–328.
6. Genç, Ç. 2006. “Cam Elyaf Takviyeli Plastiklerin Üretim Yöntemlerinin Deneysel Karşılaştırması,” Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli. 7. Yıldızlı, K. 2011. “Çekme/Eğme Deney Föyü,” Basılmamış
kitap taslağı, Ondokuz Mayıs Üniversitesi Makina Mühen-disliği Bölümü, Samsun.
