Polimer Kompozit Taşıt Gövdesi Üretiminde Kalıp Malzeme Kullanımı

  • Makale
  • Ziyaret: 3535
  • uzay, kompozit, havacılık
  • Son Güncelleme: 9-04-2015
  •  
    Share on Tumblr       

Assistant Prof. Dr. / Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören / Makina Mühendisliği Bölümü - Dokuz Eylül Üniversitesi
Yusuf Can Arslan Assistant  / 4. Sınıf Lisans Öğrencisi - Makina Mühendisliği Bölümü -  Dokuz Eylül Üniversitesi


Özet

Günümüzde kompozit üretimi savunma, havacılık ve uzay sanayi başta olmak üzere, otomotiv, enerji, denizcilik, inşaat gibi birçok sektörde önemli yer tutmaktadır. Kompozitlerin tercih edilmesinde; yüksek mukavemetlerine karşın metallere oranla hafif bir yapıya sahip olmaları ve korozyona karşı dayanıklı olmaları en önemli etkenlerdendir. Bu makalede kompozit üretimin ilk aşaması olan kalıp üretimine değinilmiştir. Üretime uygun kalıp yönteminin belirlenebilmesi için gerekli bilgilere yer verilmiştir. Yapılan incelemede Dokuz Eylül Üniversitesi Solaris Güneş Arabaları Ekibi’nin 2015 World Solar Challenge-Avustralya yarışı için özel olarak tasarlanan; 4 tekerlekli, tek kişilik, Güneş enerjisiyle çalışan yarış aracı Solaris-8’in üretim yöntemi ele alınmıştır. Ayrıca aracın gövde üretiminde tercih edilen vakum torbalama kompozit üretim tekniği de anlatılmıştır.

 

Giriş

Kompozit yapıların üretilmesinde, kalıp yapımı temel adım olarak göze çarpmaktadır. Ürünün bir kez mi, yoksa birden çok kez mi üretileceğine göre uygun bir kalıp yöntemi seçilmelidir. Prototip üretiminde genellikle köpük kalıplar ve modeller tercih edilir. Köpüğün diğer malzemeler karşısında öne çıkmasında; piyasada uygun maliyetli ve erişim kolaylığı, işleme kolaylığı, taşınmasının kolay olması etkili nedenlerdir. Kalıp üretimi tercihlerinde basit olarak aşağıdaki sorulara yanıt aranmalıdır:

1. Kalıptan yalnızca bir veya birkaç ürün mü yoksa seri üretim için ürün mü alınacak?

2. Kalıptan ürün alınırken, kalıba dışarıdan ısı verilmesi gerekiyor mu?

3. Kalıba dışarıdan basınç ve kuvvet uygulanacak mı?

Bir ya da birkaç ürün alınması durumunda, uygun boyuttaki köpükten dişi ya da erkek bir kalıp üretmek uygun bir teknik olarak değerlendirilebilir. Ancak birden fazla ürün alınması söz konusu ise, yine köpükten ama erkek bir model üretimi gerçekleştirilip, daha sonra bu model üzerinden lif olarak cam elyaf, matris olarak da epoksi ya da polyester reçinesiyle daha mukavim yapıda bir kalıp elde edilebilir. Bu yöntemde, polyester reçinesinin maliyetinin daha düşük olması sebebiyle ön plana çıktığı bilinmektedir. Fakat epoksi reçinesi kadar yüksek mekanik özelliklere sahip değildir. Erkek modelden üretilen dişi kompozit kalıba ısı ve basınç da uygulanarak seri üretime daha uygun kalıpların üretilmesi mümkündür. Ancak dişi köpük kalıp kullanılarak yapılan üretime göre daha uzun prosesler içerdiği ve daha çok malzeme sarf edilmesi gibi dezavantajlar içerdiği için durum değerlendirilmesi iyi yapılmalıdır. Diğer sorulara yanıt ararken ise üründen beklenen mukavemet özelliklerine göre seçim yapılmalıdır. Yüksek mukavemet özellikleri için üretim esnasında ya da daha sonrasında ortam koşullarının üstünde sıcaklık ve basınç uygulanabilir. Bu işlemi gerçekleştirebilmek için kalıbın uygulanacak sıcaklık ve basınca dayanıklı olması beklenmektedir.


Solaris-8 Güneş Enerjili Araç için Kalıp Üretim Aşamaları

Solaris Ekibi tarafından Ocak ayında S-8 aracının üretimine başlanmıştır. S-8’in üretiminin Mayıs ayında tamamlanması planlanmaktadır. Üretim için dört ay süreli bir hedef konulması, üretim sürecinin kısa tutulması anlamına gelmektedir. Bu yüzden kalıp hususunda daha az işçilik gerektiren, tek ürün ve prototip üretimine daha uygun olan dişi köpük kalıp üretimine karar verilmiştir. S-8 üretiminin ilk aşamasında 20 kg/m3 yoğunluktan daha yoğun köpüklerden 3 eksenli bir CNC yardımıyla dişi kalıpların işlenmesi yer almaktadır. S-8’in boyutu yaklaşık olarak 4500mm, genişliği de 1800mm’dir. Dolayısıyla; bu boyutta bir köpük kalıp üretebilmek için öncelikle daha küçük boyutlu köpükler birbirine yapıştırılmaktadır.

 

Şekil 1’de aracın alt gövdesinin üretileceği kalıp için yapılmış tasarım bulunmaktadır. Araç ve kalıp tasarımlarında Solidworks ve CATIA yazılımları kullanılmıştır. Kalıp tasarımları sonucu gerekli köpük miktarları hesaplanabilmiş, köpüklerin yerleşim düzeni belirlenebilmiştir. Araçtaki 4 adet tekerlek koruması ve pilot kabini araç gövdesinden daha aşağıda bulundukları için bu bölgelerin altına fazladan köpük bloklar eklenmiştir. Kalıp için hazırlanan köpükler Şekil 1’deki gibi yapıştırılarak bir bütün haline getirildikten sonra CNC yardımıyla işlenerek Şekil 2’deki hali almaktadır. Üretimde uygulanacak vakum ve reçinenin jelleşmesi sırasında ortaya çıkan ısı etkisiyle kalıbın şekil değiştirmemesi için kalıptaki en küçük et kalınlığına 150 mm’lik değer uygun görülmüştür.

 




Aracın üst gövdesi için de yine Solidworks programı yardımıyla gerekli köpük hacmi hesaplanmıştır. Ancak üst gövde kalıbında, alt gövde kalıbında olduğu gibi aracın yüzeyinden çok daha derin bir yüzey olmadığı için blok eklenmesine gerek duyulmamıştır. Hesaplanan boyuta uygun şekilde daha küçük köpükler birbirine yapıştırılarak kalıp için gerekli köpük boyutu bütün olarak elde edilecektir. Köpüklerin işlenmesinin ardından Şekil 3’te verildiği gibi araç üst gövde kalıbı elde edilecektir.

 


Şekil 3. Köpüklerin CNC’de işlenmesinin ardından üst gövde kalıbının perspektif görünümünün 3 boyutlu tasarımı

 Aracın gövde üretimine kolaylık sağlamak ve üretim sonrasında da aracın tekerleklerine erişimi kolay kılabilmek amacıyla tekerlek korumalarının çıkarılabilir olması ve gövdeden bağımsız olarak üretilmesi amaçlanmıştır. Bu yüzden aracın 4 adet tekerlek korumasının farklı kalıplarda üretilmesi uygun görülmüştür. Tekerlek koruması kalıpları için yapılan tasarımlar Şekil 4’te gösterilmiştir.



Şekil 4. Tekerlek koruması kalıplarının CNC’de işlenmesinin ardından perspektif görünümünün 3 boyutlu tasarımı

 

Tablo 1’de köpüklerin işlenmeden önce ve işlendikten sonra meydana gelen ağırlık ve hacim farklılıklarına değinilmiştir. Tablodaki değerler dikkate alınarak gerekli köpük ihtiyacı ve CNC tezgâhın yaklaşık olarak çalışma süresi bulunabilir.

 

Tablo 1. Köpüklerin kalıp getirilmeden önce ve kalıp haline getirildikten sonra ağırlık-hacim değerlerinin

karşılaştırılması

Köpüklerin işlenmesinin ardından üretime başlamadan önce kalıp yüzeyine farklı işlemler uygulanabilir. Kalıp yüzeyinin yüksek ısı ve basınca karşı dayanıklı olması istenen koşullarda, son yıllarda kalıp macunlarının tercih edildiği görülmektedir. Kalıp yüzeyi olması gerekenden daha derinde işlenerek (Örneğin 5mm), kalıp yüzeyi daha kalın bir kalıp macunuyla kaplanır (Örneğin 10mm). Daha sonra kalıp yüzeyi gerçek boyutunda tekrar işlenerek kullanıma hazır hale getirilir. Fakat bu yöntemde kalıp macunu maliyeti, CNC tezgahının 2 kat daha uzun süreyle çalıştırılması gibi dezavantajlar yer almaktadır. Dolayısıyla; bir kez ürün alınacak bir kalıp yapımında çoğunlukla tercih edilmemektedir. Diğer bir işlem olarak ise kalıp yüzeylerinin gerçek boyutunda işlenmesinin ardından, tüm yüzeylere jelkot uygulanmasıdır. Jelkot sürülen yüzeyler pürüzsüze yakın hale getirilmeye çalışılır. İstenilen yüzey kalitesi elde edilene kadar yüzeye sırasıyla jelkot ve zımpara işlemleri yapılır. Genelde birkaç kat jelkot sürülmesi yeterli olmaktadır.

 

Jelkot uygulanması konusunda dikkat edilmesi gereken hususlardan biri de; kullanılan jelkotun kalıp köpüğünün malzemesine uygun olmasıdır. Aksi takdirde kalıp yüzeyinin erimesine ve bozulmasına yol açabilir. S-8 üretiminde kullanılan köpük malzemesi EPS (Genleştirilmiş Polistren) olduğu için jelkot tercihi de poliüretan esaslı jelkottan yana yapılmıştır. Şekil 5’te 2013’te üretimi yapılan S-7 aracına ait dişi köpük kalıpların, yüzeylerine jelkot uygulanmış görselleri bulunmaktadır. Jelkot işleminden sonra kalıp, üretime hazır hale getirilmiştir.



Solaris-8 Güneş Enerjili Araç Gövde Üretimi ve Malzeme Seçimi

Aracın gövdesinde epoksi reçinesi matrisli, karbon lif kumaşı takviyeli kompozit malzeme kullanılması planlanmıştır. Karbon fiber kumaşı olarak Tablo 2’de özellikleri verilen kumaş, reçine olarak ise Tablo 3’te özellikleri verilen epoksi reçine kullanılacaktır. Malzeme seçiminde, yapılan analizler ve planlanan üretim yöntemleri etkili olmuştur.

 


Kompozit üretiminde farklı teknikler kullanılabilmektedir. Bu tekniklerden bazılarını basitçe açıklayacak olursak:

1. Elle yatırma: Kalıp içine serilen kumaşın, fırça ya da rulo yardımıyla reçineyle ıslatılması işlemidir. En temel kompozit üretim yöntemi olarak bilinmektedir.

2. Vakum torbalama: Elle yatırma işlemine ilave olarak kalıbın vakuma alınarak, yüzeydeki fazla reçinenin emilmesidir. Bu sayede lif/reçine oranı artarken yüzeyde de daha homojen bir reçine dağılımı elde edilir.

3. VARTM Prosesi: Kalıp yüzeyine kumaş yatırıldıktan sonra, kalıbın bir tarafına vakum hattı, diğer tarafına ise reçinenin verileceği besleme hattı yerleştirilir. Kalıba vakum sağlanmasının ardından besleme hattındaki vanalar yardımıyla reçinenin belirli bir hızda kumaşın üzerinde akması sağlanır. Mekanik özellikler bakımından vakum torbalama yöntemiyle benzerlik gösterirler. Seri üretim için çok uygun bir prosestir.

4. Otoklav: Genellikle prepregler (reçine emdirilmiş kumaşlar) için kullanılan bir yöntemdir. Preperegler ısı ve basınca dayanıklı kalıplar içerisine yerleştirildikten sonra otoklav adı verilen yüksek basınç ve ısı verebilen fırınlar içine yerleştirilir ve kürlenmeye bırakılır. En yüksek mekanik dayanıma sahip kompozit malzemeler bu yöntemle üretilmektedir. S-8 aracının gövde üretim sürecinde vakum torbalama yönteminin uygulanması düşünülmektedir. Köpük kalıplarda vakum uygulanması sırasında, kalıbın yapısından dolayı bir miktar kaçak olduğu önceki araç üretimlerinden tecrübe edilmiştir. İnfüzyon metoduyla üretim yapılması durumunda kalıptan hava kaçırılması sırasında, karbon fiber kumaşta reçinenin temas etmediği yüzeyler meydana gelecektir. Bu durum gövdenin mukavemetini olumsuz yönde etkilediği gibi homojen bir lif-reçine yapısının oluşmasına da engel olacaktır. Ayrıca tekerlek koruması ve pilot kabini gibi kalıp yüzeyinden daha derin yüzeylerde, reçine geniş yüzeylere göre daha zor ilerlemektedir ve vakum %100 sağlanamadığı takdirde bu bölgelerde fazla reçine birikimi gerçekleşmektedir. Köpük kalıplardan genellikle tek seferlik üretim yapılabileceği için infüzyon sisteminde farklı vakum ve besleme hatları tasarımlarının denenme ve dolayısıyla geliştirilme şansı bulunmaması da bir dezavantajdır. Ancak vakum torbalama yönteminde bu dezavantajlar daha aza indirilebilmektedir.

 

Vakum torbalama yönteminde aşağıdaki adımlar izlenecektir.

1. Kalıp yüzeylerinin ürün alınmayacak olan kenar kısımları vakum macunu adını verilen sızdırmazlık sağlayan bantla çevrilir.

2. Kalıp yüzeyinin vakum macunu içinde kalan kısmı, ürünün kalıptan rahatça çıkarılabilmesi için kalıp ayırıcı sıvıyla birkaç kez silinir. Tüm yüzeyin kalıp ayırıcı sıvıyla kaplanması sağlanır. Özellikle derin ve kıvrımlı yüzeylerde bu işlem dikkatle takip edilmelidir. Aksi takdirde ürün kalıba yapışabilir ve ürünün çıkartılabilmesi için kalıbın parçalanması gerekebilir.

3. Karbon fiber kumaşı kalıp yüzeyine serilmeden önce, kumaşın kaymasını engellemek için kalıp yüzeyine belli aralıklarla fırça yardımıyla reçine sürülür. Daha sonra kumaş yer yer reçineyle ıslanmış kalıp yüzeyine serilir. Kumaşın tamamına fırça ve rulolar kullanılarak reçine emdirilir.

 

4. Reçineyle takviye edilmiş kumaşın üzerine hem pürüzlü bir yüzey elde edebilmek hem de üstüne serilecek diğer tekstil ürünlerinden karbon fiber kumaşın ayrılmasını sağlamak amacıyla soyma kumaşı yerleştirilir.

5. Reçinenin geçişini arttırmak amacıyla soyma kumaşı üzerine delikli folyo serilir.

6. Vakuma alınması sonucu üst yüzeye doğru çıkan reçinenin emilmesini sağlayan vakum keçesi, delikli folyonun üzerine yerleştirilir.

7. Vakum torbası, kalıbın bir kenarından başlanarak vakum macununa yapıştırılır. Kalıpta vakum uygulanacak bölgelere vakum hatları döşenir. Bu işlemin ardından vakum torbasının tamamının kalıp yüzeyini kaplaması sağlanır.

8. Kalıba vakum uygulanarak kumaş üzerindeki fazla reçinenin vakum keçesinde emilmesi gerçekleştirilir. Böylece lif/ matris oranı arttırılmış olur ve daha sert ve kırılgan bir yapıya sahip ürün yerini tokluğu ve sünekliği arttırılmış daha iyi bir ürüne bırakır.

Sonuç ve Tavsiyeler

Bu makalede son yıllarda Türkiye’deki üniversitelerde prototip üretimleri artan; insansız hava araçları, alternatif enerjili araçlar, rüzgar türbinleri vb. gibi kompozit yapıların üretimine dair izlenebilecek alternatif yollar ele alınmıştır. Ar-Ge projelerinde süre kısıtlaması bulunduğu için, prototip üretimine en uygun ve maliyeti en düşük yöntemlerden biri olan dişi köpük kalıp üretimi üzerine tespitlerde bulunulmuştur.

 

1. Dişi köpük kalıbı üretimi birçok tasarım için uygun bir çözümdür. Tasarım sırasında, kalıpların işleneceği CNC tezgâhın özellikleri dikkate alınmalıdır. S-8’in kalıplarının üretiminde kullanılan 3 eksenli CNC’nin özellikleri gereği araç tasarımında bulunan ters açılı yüzeyler düzeltilmiştir.

2. Ürünün kalıptan kolay çıkabilmesi için tasarım esnasında belirli bir draft açısı verilmelidir. Genellikle 2-3 derecelik bir

draft açısının yeterli olduğu tecrübe edilmiştir.

3. Kalıp yüzeyine jelkot sürülmesi ve sonrasında zımpara yapılması işlemlerinin titizlikle yapılması gerekmektedir. Kalıp malzemesi köpük olduğu için yüzeye bastırılması halinde ezilmeler meydana gelebilir. Son kat jelkotu yüzeye sürüldükten sonra, pürüzlü yüzey bırakmamak için zımpara yapılmamalıdır.

4. Reçinenin jelleşmesi sırasında sıcaklığın arttığı ve ekzotermik

bir reaksiyona girdiği bilinmektedir. Bu yüzden reçinenin jelleşmesi sırasında dışarıdan uygulanabilecek bir ısıyla kalıpta erimeler meydana gelebilir. Dolayısıyla ısı vererek ürünün kürlenmesi işleminin reçine jelleştikten sonra yapılmasında fayda vardır.

5. Üretim esnasında steril bir ortamda çalışılmalıdır. Vakum torbaları hassas bir yüzeye sahip oldukları için yüzeylerinde oluşacak en ufak bir delik ya da açıklık, istenen vakum düzeyine erişimi engelleyecek ve ürünün kalitesini etkileyecektir.

 

Kaynaklar / References

[1] "Warm-curing epoxy system based on Araldite LY 564 / Hardener XB 3486 / Hardener XB 3487”, Datasheet, Huntsman, 2004. [2] "3K A-38”, Technical Datasheet, DowAksa, 2013.

[3] Gören A., Ataş C. "Manufacturing of polymer matrix composites using vacuum assisted resin infusion molding”, Archives of Materials Science and Engineering, Volume 34, Issue 2, December 2008, Pages 117-120.

[4] Goren A. Güneş Enerjisi ile Çalışan Araçlar için Polimer Kompozit Gövde Tasarımı ve İmalatı, Putech&Composites , Ekim-Kasım-Aralık 2014, Pages 40-48.

[5] Turgut T., Kayran A., Alemdaroğlu N., Ceylan M., "Vakum Torbalama Yöntemi ile Kompozit Malzemeden Yapı Üretimi Örnek Bir Havacılık Uygulaması”, "Mühendis ve Makina ”, Cilt 48, Sayı 566, 2006.

[6] "Vacuum Bagging Techniques”, 002-150, Gougeon Brothers Inc., 7thEdition, April 2010.