II. ULUSAL EGE KOMPOZİT MALZEMELER SEMPOZYUMU KASIM 2013

Transkript

1 VAKUM İNFÜZYON YÖNTEMİ İLE KARBON FİBER MOTOR KAPUT ÜRETİMİ İsmail DURGUN TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / Türkiye ismail.durgun@tofas.com.tr ÖZET Otomotiv sektöründe çok farklı kompozit parça imalat yöntemi kullanılmaktadır. Parçadan beklentiler üretim yönteminin belirlenmesinde rol oynamaktadır. Bu yöntemlerden biriside vakum infüzyon yöntemidir. Bu çalışmada otomotiv ürün geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan motor kaputunun vakum infüzyon yöntemi ile imalatı gerçekleştirilmiştir. Üretilen parçalar bir araya getirilerek motor kaputu komplesi oluşturulmuş ve üretilen parça optik tarama ile ölçülerek geometrik doğruluk analizi gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler : Vakum İnfüzyon, Karbon Fiber, Epoksi, Kompozit PRODUCTION OF CARBON FIBER HOOD ENGINE WITH VACUUM INFUSION METHOD ABSTRACT Very different methods are used for the manufacturing of composite parts in the automotive industry. Expected to play a role in the determination of the method of production parts. One of these methods is a method of vacuum infusion. In this study, engine hood part that automotive development process is needed, manufactured by the method of vacuum infusion. Created by bringing together the parts produced engine hood assembly and analysis was performed by measuring the geometrical accuracy of the parts produced by optical scanning. Keywords : Vacuum Infusion, Carbon Fiber, Epoxy, Composite 1.Giriş Bilim ve teknolojinin büyük bir hızla ilerlediği günümüzde her geçen gün yeni ve üstün özelliklere sahip malzeme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu ihtiyaçlar kompozit malzemelerin geliştirilmesi için itici güç olmuştur. Son yıllarda elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretimi ve havacılık, savunma, ev aletleri ve iş ekipmanları, yapı sektörü, gıda sektörü, korozyon dayanımlı ürünler, elektrik ve elektronik, denizcilik, otomotiv gibi çok çeşitli endüstriyel alanlarda kullanımı oldukça artmıştır [1].

2 Kompozit malzemelerin geleneksek malzemelere kıyasla üstün özellikleri, göreceli olarak kolay üretimi ve ürün biçiminin belirlenmesi açısından sağladıkları geniş olanaklar endüstriyel ürünlerde kullanılmalarını arttırmaktadır. Bu alanlarda kullanılan kompozit malzemelerde, tüketim ve satış miktarları açısından, en geniş ölçüde kullanılan takviye malzemesi cam elyafıdır. Cam Elyaf Takviyeli Plastik lerin (CTP) üretim yöntemlerinden el yatırması, vakumlama ve infüzyon yöntemleri imalat aşamasında en çok kullanılan yöntemler olup diğer yöntemlere de temel teşkil etmektedir [2]. Kompozit malzemelerin otomotiv imalatında tampon ve çamurluklar, kaporta parçaları, araç kapıları ve panelleri, makaslar, şaftlar gibi her geçen gün kullanımı artmaktadır [2]. Kullanım alanlarındaki etkisini ve üstünlüklerini ortaya koymak için son yıllarda oldukça fazla çalışma ortaya konulmuştur [3,4,5,6]. Ayrıca kullanımın artması sonucunda oluşabilecek çevre etkileri de inceleme konusu olmuştur [7]. Bu çalışmada, otomotiv ürün geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan motor kaputunun epoksi reçine ve karbon fiber elyaf kullanılarak vakum infüzyon yöntemi ile imal edilmesi incelenmiştir. 2. Vakum İnfüzyon Yöntemi Vakum infüzyon yöntemi 1980 li yıllardan beri başta A.B.D. olmak üzere tüm dünyada, farklı sanayi dallarında uygulanmakta olan bir kompozit imalat yöntemidir. Vakumlanmış ortam içerisinde reçinenin ilerlemesi prensibiyle çalışan bu yöntemde, imalat hazırlıkları tamamlanmış ürünün el değmeden üretimi amaçlanmaktadır [8]. Çoğu zaman karmaşık yapılara sahip kompozit elemanların üretimi için kullanılan bu yenilikçi metotta, malzemelere emdirilen reçinenin uygun viskoziteli olması önemlidir. Dar aralık ölçülerinin ve uzun akış yollarının söz konusu olduğu yerlerde reçinenin mümkün olduğu kadar kısa sürede güçlendirme elyaflarına emdirilmesi gerekmektedir. İnfüzyon yönteminin genel sistemi aynı olmakla beraber uygulama yolları farklılıklar gösterebilmektedir. Sistemin en genel tanımıyla; kapalı ortam içinde reçinenin vakum deliğine doğru ilerlemesi olan infüzyonun genel görünümü Şekil 1 deki gibidir [9]. Şekil 1: İnfüzyonun genel görünümü [8]

3 İnfüzyon yöntemi dört bölümden oluşur: Vakum pompası, vakum tankı (reçine toplama tankı), kalıp ve reçine kovası (Şekil 2). Bu dört bölümün bağlantıları ve şekilleri değişebilir ancak genel sistem mantığı hep aynıdır [2]. Şekil 2. Vakum İnfüzyon Yönteminde Kullanılan Elemanlar [8] İki tip vakum infüzyon prosesi vardır ve bu proseslerde sadece reçinenin kalıba girdiği yer değişmektedir. Şekil 3 de etrafından vakumlanıp ortasından reçine verilen bir ürün imalatı görülmektedir. Şekil 4 de ise aynı ürün farklı bir yolla imal edilmektedir. Bu sefer vakum ve reçine hatları karşılıklı olarak yerleştirilmiş ve ürün imalatı bu şekilde yapılmaktadır. Şekil 3. Etrafından vakumlanıp reçinenin ortadan verildiği vakum infüzyon sistemi (Tip 1) [9]

4 Şekil 4. Vakum ve reçine hatlarının karşılıklı yerleştirildiği vakum infüzyon sistemi (Tip 2) [9] 2.1. 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 püskürtme ile yüzeye uygulanır Üst üste takviye malzemeleri (cam elyaf, karbon elyaf, ) konulur, aralarına kaymamaları için yapıştırıcı püskürtülür. Takviye malzemelerin kenarları kalıba uygun olarak kesilir. Yüzey pürüzlülüğünü sağlayan katman (Peel Ply) tüm kalıp 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 yapabilmesi 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 olmadığı vakum göstergesi ve kaçak detektörü ile kontrol edilir. Reçine geçişini sağlayacak portlar düzenek üzerine bağlanır. Gerekli reçine miktarı hazırlanır, bu miktar hazırlanırken hortum içinde kalacak reçine de hesap edilmelidir. Reçineye gerekli katkı maddeleri eklenir ve karıştırılır. Hortumlar portlara takılarak reçine akışına başlanır. Kalıbın 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 kapatılır.

5 Parça, vakum altında tamamen sertleşene kadar tutulur. Sızdırmaz bant ayrılarak, önce torba kalıptan sökülür ve reçine akış hatları temizlenir. Daha sonra parça kalıptan çıkarılır. Vakum infüzyon yöntemi, karmaşık şekilli parça üretiminde, yat imalatında, tren ve kamyon gövdelerinin imalatında, rüzgar türbin kanatlarının yapımında gibi bir çok alanda kullanılır Yöntemin Avantaj ve Dezavantajları İnfüzyon yönteminin kullanılan diğer kompozit imalat yöntemlerine göre bazı avantajları vardır. Bu avantajları şu şekilde sayabiliriz [1]; Düşük reçine / elyaf karışım oranı, el yatırması yöntemindeki %70 reçine %30 elyaf kullanım oranı, infüzyon yönteminde tam tersine dönüp, %70 elyaf %30 reçine kullanım oranını vermektedir. Bu da malzeme yapısının daha sağlam olmasına ve malzemenin daha uzun ömürlü kullanımına olanak sağlar. Tutarlı reçine kullanımı, infüzyon yönteminde harcanan reçine miktarı, aynı şartlar altında üretilen her üründe için aynıdır. El yatırmasında olduğu gibi kişilere bağlı farklı malzeme tüketimi olmamaktadır. Homojen ürün eldesi, infüzyonla ürün eldesin de reçinenin elyaf yüzeyine dağılımı ve emilimi aynı miktarda olduğundan reçine birikmeleri veya elyaf katlanmaları meydana gelmez bu da malzemenin yapısında ve görüntüsünde homojenlik sağlar. Temiz imalat, vakum naylonuyla üzeri kapatılmış olan elyaf katlarına reçine ilavesi naylonun altından boru yardımı ile yapıldığından, ürün yüzeyine ve çevreye reçine bulaşması gerçekleşmez, reçinenin ve tepkime sonucunda ürün yüzeyinde oluşan gazların da etrafa yayılması engellenir. Tek taraflı bir kalıba ihtiyaç vardır Kalıbın yüksek mukavemetli bir malzemeden yapılmasına gerek yoktur Kalıp ve üretim maliyeti RTM ye oranla daha düşüktür. Büyük parçalar bu yöntem ile üretilebilir El yatırma yönteminde kullanılan kalıplar bu yöntem için modifiye edilerek kullanılabilir Yöntemin dezavantajları ise Diğer basit yöntemlere göre kullanılan ekipman sayısı fazla olduğundan daha yüksek iş gücü gerektirir ve bu sebeple de maliyet artar. İşlem basamakları kısmen karmaşıktır, (Genç 2006). Düşük vizkoziteye düşük reçine kullanımı mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir Reçine ile ıslanmamış bölgeler kalabilir; bu da pahalı atık malzeme demektir.

6 3. Motor Kaputu Üretimi Proje doğrulama çalışmalarında kullanılmak üzere ihtiyaç duyulan motor kaputu komplesi Şekil 5 de de görülebileceği gibi beş parçadan oluşmaktadır. Motor kaputu kilit karşılığı ve motor kaputu menteşe bağlantı ayakları hala üretimi devam eden bir modelde kullanıldığı için bu çalışma için ayrıca üretilmeyecektir. Bu parçaların dışında kalan motor kaputu ç ve dış saclarının epoksi reçine kullanılarak karbon elyaftan üretimleri yapılacaktır. Bu parçaların üretimi için öncelikle kalıpların hazırlama çalışmaları yapılmıştır. Kalıp malzemesi olarak 0.70 gr/cm 3 poliüretan bloklar birleştirilerek işlemeye hazır kütük malzemeler elde edilmiştir. Kütük malzeme kalıp geliştirme yüzeyine uygun olarak freze tezgahında işlenmiştir. Söz konusu parçanın üretiminde ters açılar olmadığı için kalıp tek parçalı düşünülmüştür. Şekil 5. Motor kaput komplesinin detay parçaları Parça kalınlığının bu çalışmada önemli olmasından dolayı öncelikle kullanılması planlanan elyaflar ile epoksi reçine kullanılarak örnek plakalar üretilmiştir (Şekil 6). Üretilen plakalar arasından 0.7 mm kalınlığa en uygun plakanın bir adet 400gr/m 2 ve bir adette 200 gr/m 2 twill karbon elyaf kumaş kullanılarak üretilen plaka olduğu görülmüştür. Şekil 6. Kalınlık plakası üretimi

7 Kullanılacak kumaşlar, reçine ve vakum değerleri tespit edildikten sonra vakum infüzyon yönteminin adımları uygulanarak motor kaputu iç ve dış saclarının üretimleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen parçalar kalıplardan çıkarıldıktan sonra kenar kesim işlemleri gerçekleştirilmiştir. İç ve dış parça yüzeylerinde revizyon işlemleri gerçekleştirildikten sonra mevcut üretimde kullanıldıkları için ayrıca üretimleri yapılmayan motor kaputu kilit karşılığı ve menteşe bağlantı ayaklarının perçin ile motor kaputu iç sacına bağlantıları yapılmıştır. Hazırlanan motor kaputu iç sacı ile motor kaputu dış sacı epoksi reçine kullanılarak birleştirilmiştir. Elde edilen motor kaputu komplesi proje doğrulama faaliyetlerinde kullanılmıştır (Şekil 7). 4.Sonuçlar Şekil 7. Üretilen motor kaput komplesi Üretilen motor kaputu iç ve dış saclarının ATOS marka 3D tarama cihazı le ölçümleri yapılmıştır (Şekil 8 ve Şekil 9). Ölçüm sonuçlarında görülen motor kaputu iç ve dış saclarındaki sapma değerleri dikkate alınarak proje doğrulama faaliyetlerinde kullanılabilecek durumdadır. 9.7 kg olan sac motor kaputu komplesi bu uygulama ile 3.1 kg ağırlığına düşmüştür. Proje doğrulama faaliyetleri için sac malzeme kullanılarak üretilecek motor kaputuna göre bu yöntem kullanılarak üretilecek motor kaputu hem daha ucuza hem de daha kısa sürede üretilmiştir. Bu çalışmada üretilen motor kaputu komplesinden beklenti boyutsal olarak seri imalat için geliştirilen sac motor kaputunun benzeri olmasıdır. Bu motor kaputu müşteriye gidecek araçta kullanım için üretilmemiştir.

8 Şekil 8. Motor kaputu dış sac ölçümü Şekil 9. Motor kaputu iç sac ölçümü

9 5.Kaynaklar [1] Yurttaş, Ç., Afşar, E., 2000, CTP Teknolojisi, 4. basım, Cam Elyaf, 8-44 [2] Poliya Poliester, 2012, Reçine İnfüzyon Uygulaması [3] Cramer, D.R., Taggart, D.F., Hypercar, Inc., 2002, Design and Manufacture of an Affordable Advanced Composite Automotive Body Structure, Proceeding of The 19th Internationel Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition, EVS-19 [4] Sapuan, S.M., Ham K.W., Ng K.M., Woo C.K., Ariffin M.K.A., Baharudin B.T.H.T., Faieza A.A., Supeni E.E. and Jalil N.A.A., 2009, Design of Composite Racing Car Body For Student Based Competition, Seientific Research and Essay Vol.4(11), pp [5] Grujicic, M., Arakere, G., Sellappan, V., Ziegert, J.C., Koçer, F.Y., Schmueser, D., 2008, Multi-Disciplinary Design Optimization of A Composite Car Door For Structural Performance, NVH, Srashworthiness, Durability and Manufacturability, Multidicipline Modeling in Mat. and Str. 4, XX-XX [6] Ning, H., Pillay, S., K.Vaidya, U., 2009, Design and Development of Termoplastic Composite Roof Door For Mass Transit Bus, Journale of Materials and Design 30, pp [7] Deuflou, J.R., De Moor, J., Verpoest, I., Dewulf, W., 2009, Enverionmental Impact Analysis of Composite Use in Car Manufacturing, CIRP Annals, Manufacturing Technology 58, pp [8] Genç, Ç., Arıcı. A.A., 2008, Yat İmalatında Kullanılan CTP Malzeme ve İmalat Yöntemleri Bölüm III: Infüzyon Yöntemi, Gemi ve Deniz Teknolojisi Dergisi, Sayı: 178 [9] Genç, Ç., 2006, Cam Elyaf Takviyeli Plastiklerin Üretim Yöntemlerinin Deneysel Karşılaştırması, Yüksek Lisans, Kocaeli Üniversitesi