II. ULUSAL EGE KOMPOZİT MALZEMELER SEMPOZYUMU KASIM 2013

Transkript

1 OTOMOBİL GELİŞTİRME SÜRECİNDE EL YATIRMA YÖNTEMİ İLE KOMPOZİT PARÇA ÜRETİMİ İsmail DURGUN TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / Türkiye ismail.durgun@tofas.com.tr ÖZET Otomobil geliştirme sürecinde prototip araç ihtiyacı sanal analizlerdeki gelişmeye rağmen hala devam etmektedir. Prototip araç geliştirme sürecinde de araç üzerindeki tampon, torpido ve konsol gibi plastik parçala ihtiyaç vardır. Bu parçalar seri üretimde enjeksiyon kalıpları ile üretildikleri için henüz bu aşamada kalıpları hazır değildir. Ayrıca özellikle araç içerisindeki plastik parçalar stilleri en son dondurulan parçalardır. Bu nedenle prototip aşamasında bu parçalardan performans ve fonksiyonellik beklenmemektedir. Testler için boyutsal olarak ve prototip aracı süren sürücünün güvenliği için ihtiyaç duyulmaktadır. Yine ürün geliştirmede prototip üretiminden sonra gerçekleştirilen proses doğrulama sürecinde seri kalıplardan parça yetişmemesi durumunda polyester katkılı cam elyaf malzemesi kullanılarak el yatırma yöntemi ile plastik parça üretimi gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada, prototip sürecinde ihtiyaç duyulan araç ön tamponunun el yatırma yöntemi ile imalatı yapılmış ve parçanın boyutsal doğruluğu ortaya konulmuştur. Parçanın üretiminde polyester katkılı cam elyaf kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler : El yatırma, kompozit, cam elyaf, polyester, prototip PRODUCTION OF COMPOSITE PARTS WITH HAND LAY-UP METHOD IN THE PROCESS OF AUTOMOTIVE DEVELOPMENT ABSTRACT Although the analysis to develop a virtual analysis in automotive development process, the prototype car is still need to continue. Dashboard, console and such as plastic parts are needed on the prototype vehicle development process. These parts are produced with injection molds in mass production but these molds are not ready yet in this stage. Also the latest styles of plastic parts, especially the frozen parts in the car. Therefore, expected performance of functionality of the these parts in the prototype stage. Needed to parts for dimensionally in tests process and the safety of the drivers in driving vehicle prototype. Additionally, after the prototype process, not arrived parts from mass production molds, plastic parts are produced by hand lay-up method using glass fiber reinforced polyester material in verification process for product development

2 The front bumper that needed in the process of prototyping made of hand lay-up method and the dimensional accuracy of the parts are put forward. Glass fiber reinforced polyester used in production of part. Keywords: Hand Lay-up, composite, glass fiber, polyester, prototype 1. GİRİŞ: Endüstride hızlı teknolojik gelişim ve artan rekabet, yüksek performansa sahip ürünlerin tasarlanmasına, bu durumda hafif ve yüksek mukavemetli malzemeleri gerekli kılmıştır [1]. 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 [2]. Kompozit ürünlerin günümüzde mühendisler, tasarımcılar, üreticiler ve yöneticiler tarafından yaygın olarak kullanılmasındaki en önemli etken sunduğu değişik performans avantajlarıdır. Kompoziterin sağlayacağı bu faydaların daha iyi anlaşılması sonucunda, tasarımcılar, mühendisler ve tasarımlarını son ürüne dönüştüren ilgili diğer meslek grupları, işlerini daha kolay ve etkin şekilde yapabilirler. Kompozit uygulamalarının üstün yanları yüksek mukavemet, hafiflik, tasarım esnekliği, boyutsal stabilite, yüksek dielektrik direnimi, korozyon dayanımı, üretim maliyeti, yüzey uygulamaları, düşük yatırım olarak özetlenebilir [3]. Özellikle otomotiv endüstrisinin yüksek kalitede alınabilen ve seri üretime uygun yöntemlere olan gereksinim bu alanda kullanılması amaçlanan ürünlerin ve üretim yöntemlerini geliştirilmesine yardımcı olmuştur. Cam elyaf takviyeli plastik ürünlerinin otomotiv endüstrisinde kullanılmaya başlaması polimerik kompozit üretiminde ileri üretim yöntemlerinin ortaya çıkmasını sağlamıştır [4]. Kompozit malzemeden yapısal sistemlerin üretilmesi için çok çeşitli üretim metotları mevcuttur. Bu üretim metotlarından bazıları ciddi alt yapı maliyeti gerektirmektedir. Örneğin lif sargılama yöntemi ile kompozit yapı üretimi, otoklav kullanılarak kompozit malzemeden yapısal sistem üretimi ya da pultrizyon uygulaması ile üretim alt yapı gerektiren ve teknik olarak da uygulamaları zor olan üretim yöntemleridir. Ancak, bazı kompozit üretim metotları ise az bir alt yapı maliyeti ile kolaylıkla uygulanabilir hale getirilebilmektedir [5]. Bu çalışmada ise, otomotiv ürün geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan prototip araçlarda kullanılan polyester reçine ve cam elyaf katkılı araç ön tamponlarının el yatırma yöntemi ile imal edilmesi incelenmiştir.

3 2. El Yatırma Yöntemi El yatırma yöntemi düşük üretim adetlerinde yaygın kullanımı olan, ilk zamanlardan beri endüstride sürekli gelişime açık olan ve üzerinde çalışılan üretim yöntemlerinden olmuştur [6]. Bu yöntem bir kalıba elle yerleştirilen elyaflara / kumaşlara bir rulo veya fırça ile reçine emdirilmesi sonucunda kalıbın şeklinin verilmesi işlemidir (Şekil 1). Kullanılacak kalıp düz bir levha olabileceği gibi sonsuz kenarlardan ve eğrilerden de oluşabilir. Reçineler kumaşlara kat kat sürüldüğü gibi kumaşın özelliklerine bağlı olarak çok katmana aynı anda da reçine sürülebilir. Daha sonra reçine emdirilmiş kumaşlar oda sıcaklığı ve atmosferik basınç altında veya farlı sıcaklık ve basınçlar altında kurumaya bırakılır. Kuruma işlemi tamamlanan parçalar kalıptan ayrılarak kesme, çapak alma ve boyama gibi işlemler sonrasında kullanıma hazır hale gelirler. Şekil 1. El Yatırma Prosesi 2.1. El yatırma yönteminin imalat aşamaları İdeal ortam sıcaklığı en az 10ºC olmalıdır. Eğer sıcaklık bu değerlerin altındaysa, katalizör veya sertleştirici oranı arttırılmalı veya kış için kullanılan katkı maddesi eklenmelidir. Eğer sıcaklık 5ºC veya altındaysa laminasyona ortam şartları iyileşince başlanılmalıdır. Ortam havasının kuru olması gerekir. Laminasyon işini nemli ortamlarda yapmamak gerekir. Kalıp yüzeyinde çizik, toz ya da yağ türü yabancı maddeler ve kalıp bulunmama ve kalıp daha önce kullanılmışsa üzerindeki kalıp ayırıcı kalıntılarından da arındırılmalıdır. İlk olarak altı saat arayla kalıp üç kez ve daha sonraki uygulamalarda ise bir kez cilalanmalıdır. Kalıp silinir ve sonra birinci kalıp ayırıcı olarak vaks sürülür. Kalıp ayırıcı ürünün kalıba yapışmaması için kurumaya bırakılır. Süngerle ikinci ayırıcı olarak polivinil alkol (PVA) sürülür. Fırçayla viskozitesi yüksek jelkot kalıba tek yönde 0.25 ile 0.50 mm arasında bir kalınlıkta sürülür. Reçine bazlı bu malzeme ürünün kalıptan eklenen pigmentler aracılığı ile istenilen renkte çıkmasını sağlar.

4 Takviye elemanı olarak kullanılacak elyaf hazırlanır. Takviye malzemesi olarak en çok cam elyaf kullanılmak ile birlikte aramid ve karbon elyafları da takviye malzemesi olarak kullanılabilir. Bu işlemde reçine olarak oda sıcaklığında sertleşebilen epoksi, polyester ve vinilester reçineler kullanılmaktadır. Reçine içerisinde hızlandırıcı bulunmuyor ise reçine içerisinde hava kabarcığı kalmayacak şekilde hızlandırıcı katılarak karıştırılır. Jelkot üzerine fırça ile reçine sürüldükten sonra keçe veya kumaş şeklindeki elyaf yerleştirilir ve fırça darbeleriyle reçine emdirilir. Rulolanarak hava kabarcıkları çıkarılır. İstenilen kalınlığa ulaşılıp parça sertleştikten sonra kalıptan çıkarılır. Kürlenmeden kalıptan çıkarılan üründe çarpılmalar meydana geleceğinden ürün, kalıptan çıkarılmadan önce yeterince beklenmelidir. 2.2.Yöntemin Avantajları Öğrenilmesi ve uygulanması çok kolay Özellikle oda sıcaklığında pişen reçinelerin kullanımında düşük maliyet Yönteme uygun malzeme temini çok kolaydır Spreyleme ye oranla daha fazla fiber yoğunluğu ve sürekli (uzun) lif kullanımı Kullanılan araç, gereç ve teçhizat maliyeti düşüktür Düşük sayıdaki parça imalatı için çok uygundur Boyutsal kısıtlama olmaması Yerinde kalıplama imkanı Çeşitli renklerde dekoratif yüzey elde edilebilmesi Maksimum tasarım esnekliği belirli bölgelerin daha mukavim yapılabilme olanağı, özel eklemlerin yapılabilme olanağı Kalıp tasarımı, diğer üretim yöntemleri ile karşılaştırıldığında çok basittir. Çelik, tahta, cam takviyeli plastik ve diğer maddeler kalıp malzemesi olarak kullanılabilir. 2.3.Yöntemin Dezavantajlar Yöntem laminasyonu (tabakalama) yapan kişinin el becerisine çok bağlıdır Yüksek Fiber Hacimsel Yoğunluğu na ulaşmak çok zordur. Reçine oranı düşük tutulmak istendiğinde yüksek oranda hava boşlukları ve ıslanmayan bölgeler meydana gelebilir Bu yöntemde kullanılan reçinelerin yoğunluğu ve viskozitesi düşüktür. Bu tür reçinelerin insan sağlığı açısından ağır moleküllü reçinelere oranla daha zararlıdır. Pahalı havalandırma sistemleri olmaksızın Polyester ve vinilester için havaya karışan Styrene konsantrasyonunu yasal sınırlarda tutmak zordur. Elde edilen parçanın yüzey kalitesi iyi değildir

5 Elyaf dağılımı düzensiz olduğundan elde edilen parça kalitesi düşüktür Elde edilen parçalarda kalınlık değişimleri vardır Tek yüzü düzgün ürün eldesi İşgücü ağırlıklı üretim Reçine sistemi içerisindeki kimyasalların uçuculuğu El yatırma yönteminin rüzgar türbin kanatları, plakalar, tekne, yat gövdeleri, küvet, sıvı tank üretimleri, mimari amaçlı kalıplama gibi çok fazla kullanım alanı vardır. 3.Otomotiv Ürün Geliştirme Sürecindeki Kullanım Otomobil ürün geliştirme sürecinde önemli bir yere sahip olan prototip araç imalatında araçlar üzerinde mümkün olduğunca az plastik parça kullanılmaktadır. Buna özellikle iç stile ait parçaların tasarımlarının prototip üretimi sırasında hala son haline gelmemiş olması prototip kalıplarının pahalı olması ve araçların testleri sırasında plastik parçalara ihtiyacın az olması neden olmaktadır. Fakat bazı parçalara sürücü güvenliği veya test gerekliliği açısından ihtiyaç vardır. Bu parçalardan birisi de ön tampondur. Ön tampon aracın ön kısımdaki boşluğu kapamasının yanında üzerindeki ızgaralardan hava girişine müsaade ederek motor performans testlerine etki eder. Bu nedenle özellikle ızgaralar bölümünün projeye uygun olması istenilir. Bunun yanında arka tampon aracın arka kısmını hem güvenlik hem de test gerekliliği açısından aracın arka kısmını kapatmak için istenirken, torpido gövdesi de sürücü güvenliği açısından istenir. 4.Parça Üretimi Öncelikle üretilmesi istenilen tampon modeli kullanılarak bir kalıp projelendirilmesi yapılır. Bu tür projelendirmelerde genellikle ilk olarak erkek bir kalıp yapılır. Üretilen erkek kalıptan cam elyaf ve poliyester reçine kullanılarak ve karkas sistemi ile desteklenerek parça üretim kalıbı elde edilir. Böylece küçük ters açılarda hem kalıp hem de parçanın esnemesinden faydalanılarak üretilen parçanın kalıptan kolaylıkla çıkması sağlanır. Bu çalışmada sadece bir adet parça üretimi yapılacağı için doğrudan dişi kalıp üretimi yapılmıştır. Ayrıca ters açılara bakılarak maçalı bir kalıp yapılmasına gerek olmadığı görüşmüştür (Şekil2). Kalıpta daha sonradan delinecek delikler ve referanslama yapılacak bölgeler için kalıp üzerinde izler oluşturulmuştur.

6 Şekil 2. Ön tampon kalıp modeli Projelendirilen ön tampon kalıbı için öncelikle mdf malzemeden bir blok hazırlanır. Hazırlanan blok taşınması ve frezeleme işlemleri sırasında hasar görmemesi için metal bir karkas ile desteklenir. Frezeleme işlemi sonrasında elde edilen kalıp hazırlık işlemleri tanımlandıktan üretime hazır hale getirilir (Şekil3). Şekil 3. Ön tampon üretim kalıbı Bu çalışmada ilk katta 450 gr/m 2 ve ikinci katta 300 gr/m 2 olmak üzere iki kat cam elyaf polyester reçine ile birlikte kullanılarak ön tampon üretimi gerçekleştirilmiştir. Kalıpta kürleşme işlemi tamamlandıktan sonra boyama işlemi sırasında hava kabarcıkları oluşmaması için parça fırında bekletilir. Kalıptan alınan parçanın kenar kesimleri ve delik delme işlemleri yapılır (Şekil 4).

7 Şekil 4. Kalıptan alınan ön tampon Prototip araç kullanımlarında parça üzerindeki boya kalitesi aranılmadığından çok fazla hazırlık işlemi yapılmaksızın boyama işlemi yapılır. Bu çalışmadaki parça görsel bir prototip çalışmasında kullanılacağı için boya kalitesi istenilmiştir. Bu nedenle de parça yüzeyleri zımparalama ve çelik macun uygulamaları yapılarak hazırlandıktan sonra boyanmıştır (Şekil 5). Şekil 5: Boya sonrası ön tampon Boyama işlemi sonrasında ızgaralar ve sis farları takılarak tampon komplesi kullanıma hazır hale getirilmiştir. Komple ön tampon araç üzerine takılarak çalışma tamamlanmıştır. 5.Sonuç Üretilen ön tamponun testler için uygun olup olmayacağının kontrolü için araç üzerine bağlandıktan sonra ATOS 3D tarama cihazı ile ölçüm işlemi gerçekleştirilmiştir. Şekil 6 da verilen ölçüm raporunda verilen sapmalar prototip araçlarında bu tamponun kullanımı için uygundur.

8 Şekil 6: Ön tampon ölçüm raporu Otomobil prototip üretim sürecinde prototip enjeksiyon kalıplar kullanılarak yapılan üretime göre %90 a varan oranda maliyet ve %80 e varan oranda da süre düşüşü elde edilmiştir. El yatırma yöntemi ile yapılan parça üretim süreci enjeksiyon kalıplara göre uzun olmasına rağmen prototip araç üretim sürecinin seri üretim gibi hızlı olmaması nedeni ile istenilen sürece uygundur. Üretilen tampon boyama işlemi sonrasında görsel prototip araç uygulamasında başarı ile kullanılabilmiştir.

9 6.Kaynaklar [1] Türkmen, İ., Köksal, N.S., 2013, Cam Elyaf Takviyeli Polyester Matrisli Kompozit Malzemelerde (CTP) Elyaf Tabaka Sayısına Bağlı Mekanik Özelliklerin ve Darbe Dayanımının İncelenmesi, CBÜ Fen Bilimleri Dergisi, Sayı: 8.2, Sayfa: [2] Genç, Ç., Arıcı. A.A., 2008, Yat İmalatında Kullanılan CTP Malzeme ve İmalat Yöntemleri Bölüm I: El Yatırma Yöntemi, Gemi ve Deniz Teknolojisi Dergisi, Sayı: 178 [3] Yurttaş, Ç., Afşar, E., 2000, CTD Teknolojisi, Cam Elyaf Sanayi Yayınları, s [4] Serbest, B.S., Binbir, E., 2008, Basit Kapalı Kalıp Enjeksiyon Yöntemi (L-RTM), Gemi ve Deniz Teknolojisi Dergisi, Sayı: 178 [5] Turgut, T., Kayran, A., Alemdaroğlu, N., Ceylan, M., 2007, Vakum Torbalama Yöntemi İle Kompozit Malzemeden Yapı Üretimi Örnek Bir Havacılık Uygulaması, Mühendis ve Makine Dergisi, Cilt 48, Sayı: 566 [6] Karabağ, S., 2011, Rüzgar Türbini Kanadı İmalatı, Rüzgar Sempozyumu ve Sergisi, İzmir