KOMPOZİT MALZEMELERİN KESİLMESİNE DAİR BİR İNCELEME

Transkript

1 KOMPOZİT MALZEMELERİN KESİLMESİNE DAİR BİR İNCELEME S. Gordon ve M. T. Hillery Department of Manufacturing and Operations Engineering, University of Limerick, Plassey, Limerick, Ireland Özet : Kompozit malzemelerin kullanımlarının artışı, bu malzemeleri kolayca işleme ihtiyacının artmasına yol açmıştır. Metallerin ve alaşımların işlenmesiyle kompozit malzemelerininki arasında belirgin farklılıklar vardır çünkü kompozitler işleme sürecinden önce anizotropik, homojen olmayan ve genellikle tabakalı formda hazırlanmışlardır. Çoğu durumlarda halen geleneksel metal kesme takımları ve teknikleri kullanılmaktadır. Metal kesim işlemi üzerine yıllardır yapılmakta olan araştırmalara kıyasla, kompozit malzemelerin kesimi üzerine daha az araştırma yapılmıştır. Bu çalışma, fiber(lif) takviyeli polimer(ftp) kompozitlerin ve orta yoğunluklu fiber levhaların(mdf) kesimi üzerine yapılan araştırmaların özet bir incelemesini sunmaktadır. Yayınlanan araştırmaların birçoğu, tek yönlü FTP malzemelerde talaş oluşumu işlemi ve kesme kuvveti tayini üzerinde odaklanmıştır. Ayrıca son zamanlarda MDF için kesme kuvvetleri tayini üzerine yapılan bazı araştırmaların bir özeti de sunulmuştur. Anahtar Kelimeler : işleme, fiber takviyeli polimer, orta yoğunluklu fiber levha, kompozitler 1. GİRİŞ 1.1 Kompozit Malzemeler Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile makro seviyede bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzemeye kompozit malzeme denir. Birleşen malzemeler kendi aralarında çözülemezler. Bu bileşenler genellikle bir matrise emdirilmiş bir takviye fazıdır. Takviye fazı, fiber(lif), parçacık yada pul formunda olabilir. Odun ve kemik, doğal kompozitlerdir. Gelişmiş kompozitler, geleneksel malzemelerden daha iyi performans sergilediklerinden genellikle havacılık ve uzay sanayinde kullanılır. Bunlara örnek olarak grafit/epoksi, aramid/epoksi ve bor/aluminyum kompozitleri sayılabilir. Cam fiber/polyester kompozitler denizcilik ve otomotiv sanayinde geniş kullanım alanına sahiptir. Odun unu doldurulmuş polimer malzemelerde ve sentetik bir reçine yada uygun bir bağlayıcı kullanarak odun liflerinin birbirlerine bağlanmasıyla oluşturulan orta yoğunluklu fiber levhalarda(mdf) olduğu gibi, doğal malzemeler sentetiklerle birleştirilebilir.

2 1.1.1 Fiber Takviyeli Kompozitler Fiber takviyeli kompozitlerde, yükü taşıyan ana bileşen fiberdir. Kesintili fiberlerin kullanıldığı yerlerde, fiberler gelişigüzel yada istenen bir oryantasyon sağlamak için matris malzemesiyle birleştirilebilirler. Sürekli fiberler, genellikle şeritler gibi tek yönlüdür ve bir kumaşa ortogonal düzende örülü yada bir malafaya sarılmıştır. Fiber takviyeli kompozitlerin makro düzeyde mekanik özellikleri, matris ve fiberin özelliklerine bağlıdır. Genelde, fiberler yüksek katsayıya, yüksek mukavemete ve kırılganlığa katkı sağlarken, reçine tokluğa, düşük yoğunluğa, düşük mukavemete, düşük rijitliğe, yüksek ısıl genleşmeye ve düşük ısıl kararlılığa katkı sağlar. Polimer matris kompozitler, fiber kırılmasını, fiberin matristen çıkmasını, matrisin plastik akmasını, delaminasyonu vb. içeren geniş bir hata modu yelpazesi sunar. Bu hasar mekanizmalarının bazıları, kompozitin gevrek kırılmasını andırırken bazıları da sünek hasarı andırır Fiber Takviyeli Polimerler Fiber takviyeli polimerler(ftp) kompozitlerin önemli bir grubudur ve bunların işlenmesi üzerine literatürde hatırı sayılır miktarda araştırma yapılmaktadır. Geleneksel metal ürünlerinde gerekli olan işlemlere ihtiyaç duymadan istenen şekle kolayca kalıplanabilir ve kürlenebilirler. Genellikle, nete yakın biçim de üretilmiş kalıpların bitirme işlemindeki gibi işlenirler. Yekpare malzemelerle karşılaştırıldığında, FTP kompozit malzemeler yüksek katsayıya ve mukavemete sahiptir böylece ağırlık azaltılabilir. FTPlerin anizotropik yapıları bir dezavantaj olabilir ama en verimli oldukları yer olan uçaklarda takviye elyaflarını yönlendirerek fiyattan ve ağırlıktan tasarruf elde edilebilir. Bu kategoride sıklıkla işlenen malzemeler cam fiber takviyeli polimer ve karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerdir. Literatürdeki araştırmaların çoğu da bunların üzerinde yapılmaktadır MDF(Orta yoğunlukta lif levha) MDF, tabaka ürün elde etmek için parçacıklardan yada cilalardan ziyade ahşap fiberlere dayanan ahşap bazlı bir kompozit malzemedir. Üre formaldehit yada izosiyanat bazlı reçinelerle birleştirilen lignoselülozik fiberlerden imal edilir. Tabakalar, 496 ila 801kg/m³ yoğunluklara kadar sıkıştırılmıştır. Fiber arası tüm bağ yapıştırıcıyla oluşturulur. Genellikle panel formunda üretilir ve mobilya, kabin ve döşeme imalatında kullanılır. Kolay işlenebilir ve taşlanarak pürüzsüz bir yüzey elde edilebilir.

3 2. KOMPOZİTLERİN İŞLENMESİ 2.1 Fiber Takviyeli Polimerler Metallerin ve alaşımların işlenmesiyle kompozit malzemelerininki arasında belirgin farklılıklar vardır çünkü kompozitler işleme sürecinden önce anizotropik, homojen olmayan ve genellikle tabakalı formda hazırlanmışlardır. Matris, metallerle ve çoğu inorganik malzemelerle karşılaştırıldığında düşük bir sıcaklık iletkenliğine sahip olduğundan işleme sırasında oluşan ısı, problem olabilir. Bir kompozit malzemenin işleme sırasındaki davranışı, fiber ve matrisin çeşitli özelliklerine, fiber oryantasyonlarına ve matris ile fiberlerin bağıl hacmine dayanır. Kesme takımı sürekli olarak, işlemeye verdikleri tepkileri çok değişebilen, farklı matris ve fiber malzemelerle karşılaşır. Talaş oluşumu işlemi, fiber oryantasyonu ve takım geometrisine bağlı olarak, çatlağa, kaymaya yada her ikisine de dayanabilir. Aşındırıcı fiberlerin yüksek hacimli kesimi, takımın hızlı aşınmasına neden olabilir. İmkan olan yerlerde PCD takımları tavsiye edilir. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin işlenmesinde birkaç problemle karşılaşılır. Anizotropi dereceleri ve değişen malzeme özellikleri, malzemenin kesim esnasındaki davranışlarının tayininde zorluk çıkarır. Kompozit malzemede hasara neden olanlar aşağıda verilmiştir: (a) Fiber ile matrisin rijitliklerinin farklı olmasından kaynaklanan lokal dinamik yüklemeden dolayı delaminasyon(tabakalar arası ayrılma) (b) Kesikten çıkışta malzemenin parçalanması, kırılması ve delaminasyonu (c) Çıkmış yada ezilmiş fiberlerden kaynaklanan tüylenme (d) düşük sıcaklık iletkenliğinden kaynaklanan yanma Aşındırıcı fiberler tarafından kesici takımların kesme kenarları, erkenden yuvarlaklaşarak zarar görebilir. Fiber ve matrisin sertlikleri arasındaki fark, takımın kenarlarının kırılmasına neden olabilir. Bunun yanında, kesici takım eriyen matris malzemesiyle tıkanabilir. 3. KOMPOZİT MALZEMELERİN İŞLENMESİ ÜZERİNE ARAŞTIRMALAR 3.1 FTP Malzemeler Everstine ve Rogers Modeli FTP malzemelerin kesilmesi üzerine ilk teorik çalışma Everstine ve Rogers tarafından yapılmıştır. Sürekli ortamlar mekaniği yaklaşımına dayalı, 0 oryantasyon açılı paralel fiberler için bir minimum kesme kuvvetinin tayini modeli formüle etmişlerdir. Oxley tarafından önerilen metallerin kesimi için kalın bölge modeline benzer talaş bölgesi için bir deplasman alanı tavsiye etmişlerdir. Talaş ayrılırken oluşan çekme yüklemesi sebebiyle çalışma malzemesinin takım ucunun ilerisindeki bölgesinde

4 bir kırışıklık oluştuğunu ileri sürmüşlerdir. Malzeme özellikleri, takım geometrisi ve tahmin edilen deformasyon cinsinden ana kesme kuvveti, F c 'nin belirsiz bir tahminini önermişlerdir. Bununla birlikte, varsayılan deformasyon modeli deneysel tasdikten yoksundur ve bu yüzden diğer deformasyon biçimlerinin mümkün olduğunu kabul etmişlerdir Koplev in Çalışması Yaklaşık 10 yıl sonra, Koplev tek ağızlı takım ve şekillendirme takımı kullanarak karbon fiber takviyeli polimer(kftp) kompozit malzeme üstünde ortogonal kesme deneyleri uygulamıştır. Talaş oluşumu işlemi ve tek yönlü bir malzemenin kesiminde işlenen yüzey üzerinde çalışmıştır. Deneyler, kesme yönü fiber oryantasyonuna dik ve paralel konumdayken yürütülmüştür. Takım ucunun yakınındaki ve önündeki talaş oluşma işlemini incelemek için acil durdurma aygıtı kullanılmıştır. Şekil 1. Bir makrotalaşın şematik çizimi Bu çalışmanın yenilikçi tarafı, kesme işleminde oluşan birçok küçük talaşı ele almak ve üzerinde çalışmak için Makrotalaş yöntemi(macrochip method) olarak adlandırılan yöntemin kullanılmasıdır. Bu yöntem aşağıdaki gibi tanımlanır: 1- İş parçası yüzeyi, kurumaya bırakılan ince bir lastik esaslı yapıştırıcı tabakasıyla kaplanmıştır. 2- İşleme gerçekleştirilir, sonra tüm talaşlar yapıştırıcıya yapışır. 3- Yapıştırıcı üzerindeki talaşlar, bir sonraki inceleme için uygun bir taşıyıcıya(ör. Çift taraflı yapıştırıcı bant) aktarılır. 4- Gerekirse araştırmayı kolaylaştırmak için ayrık talaşları ayırırken makrotalaş gerdirilebilir. Makrotalaşın şematik bir çizimi Şekil 1 de verilmiştir. Koplev, üretilen yüzeyin kalitesi ve çeşitli fiber oryantasyonlarında talaş oluşumu mekanizması üzerine bir çok gözlem yapmıştır.

5 Yüzey Kalitesi : Kesme yönü fiber yönüyle paralel olduğunda elde edilen yüzeyin en yumuşak yüzey olmasından yola çıkarak, işleme boyunca yüzey kalitesinin fiber oryantasyonuna bağlı olduğunu bulmuştur. Üzerine baskı uygulayan takımdan kaynaklanan sürtünme kuvvetinin, fiberlerin çekme yenilmesine neden olduğuna dikkat çekmiştir. Dik yönde işleme, hem matrisin hem de küçük fiber parçacıklarının bulunduğu yüzeyde, bir tabaka bozulmuş malzemeden dolayı daha yüksek yüzey pürüzlülüğüne neden olmuştur. Yüzeyin altında, çatlakların yüzeye hem paralel hem de dik gittiği çatlak bir malzeme tabakası vardır. Inoue ve Ido nun bir tabaka üzerine çalışması, bu hasarlı bölgenin derinliğini fiber oryantasyon açısıyla ve takımın kesici kenar yarıçapıyla ilişkilendirmiştir. Talaş Oluşumu : Makrotalaş incelemesi, talaşlarda plastik deformasyon izi olmadığından talaşların kısmen bozulmamış olduğunu göstermiştir. Talaşların, fiberlerle matrislerin gevrek bozulmalarından dolayı oluştuğunu ortaya atmışlardır. Koplev, her fiber yönü için talaş oluşumunu şöyle açıklamıştır: 1- Fiberlere Dik Olarak İşleme : Fiberlere dik işleme sırasında takım ucunun yanında iki ayrı etki oluşur. Takım ileri hareket ettiğinde, önündeki kompozite bastırarak kompozitin kırılmasına ve talaş oluşmasına neden olur. Aynı zamanda, takımın altındaki kompozitte çatlak oluşturan aşağı yönde bir basınç oluşmaktadır. 2- Fiberlere Paralel İşleme : Kompozit fiberlere paralel olarak işlendiğinde, takım aynı zamanda numune üzerine bastırarak talaş oluşmasına neden olur. Bununla beraber, takım ucunun önünde bir sonraki talaşın başlangıcını gösteren bir çatlak oluşur. Yüzey çatlaması, fiberlere dik işlemedeki kadar derin değildir. İki mekanizma Şekil 2'de gösterilmiştir. Şekil 2. Koplevin çalışması olan 0 ve 90º fiber oryantasyonlarındaki talaş oluşumu

6 Başka bir çalışmada Koplev, talaş oluşumu mekanizması ve takım geometrisi ile kesme kuvvetleri arasındaki ilişki üzerinde durmuştur. Esas kesme kuvvetinin kesiğin derinliği ile orantılı olduğunu ve talaş açısındaki artışla yavaşça azaldığını bulmuştur. Bununla beraber, freze bıçağının arka yüzü ile kesilen parça arasındaki açı 3 ila 15º arttığında, çekiş gücünde büyük bir azalma olduğunu bulmuştur. kuvvetin, takım ve iş parçası arasındaki temas bölgesiyle orantılı olmasından kaynaklandığını ileri sürmüştür. Aynı zamanda, takımın malzemeye dalmamasından dolayı kesme kuvvetinin takım aşınmasından bağımsız olduğunu ve arttırılan kesme kuvvetinin, takım ile iş parçası arasındaki sürtünme kuvvetinin artmasından ve çekiş gücünden kaynaklandığını ileri sürmüştür. 4. SONUÇLAR 1- Kompozit malzemelerin işlenmesi; kesme kuvvetleri ve talaş oluşumu nedenlerinden dolayı metal kesiminden belirgin bir şekilde farklıdır. Buna rağmen halen, kompozitlerin kesimlerinde büyük oranda metal kesme takımları ve teknikleri kullanılmaktadır. 2- Literatürdeki araştırmaların çoğunluğu fiber takviyeli yada karbon fiber takviyeli kompozit malzemelerin ortogonal kesimleri üzerine odaklanmıştır. Bu çalışma, fiber oryantasyon açıları önceden ayarlanmış tek tabakalı yada çok tabakalı malzemelerle ilgilidir. Kaynak : A review of the cutting of composite materials - S. Gordon ve M. T. Hillery