3. KOMPOZİT MALZEME ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Transkript

1 3. KOMPOZİT MALZEME ÜRETİM YÖNTEMLERİ 3.1 GİRİŞ Kompozit malzemeler; makroskopik yapıda birbirinden bağımsız iki veya daha fazla malzemenin bir araya gelmesiyle oluşurlar. Eğer, bu bileşenler makroskopik yapının yanında mikroskobik yapıda da birleştirilirse kompozit olarak tanımlanamazlar, bu nedenle metal alaşımları ve polimer karışımları kompozit olarak sınıflandırılmazlar. Kompozit malzemeler; genel itibariyle kendini meydana getiren malzemelerin en iyi özelliklerini yansıtacak şekilde biçimlendirilirler. Bu nedenle; hafiflik ve yüksek mukavemet istenen yerlerde metaller yerine kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler oluşturularak daha yüksek mukavemet, daha iyi rijitlik, daha iyi korozyon ve aşınma direnci, hafiflik, yüksek yorulma ömrü, ve ısıya dayanıklılık gibi özellikler kazanılabilir. Gerçekte tüm bu özellikler aynı anda sağlanamaz. Kullanım alanlarına göre ihtiyaç duyulan özellik arttırılır. Böylece; uygun kompozit malzemeler kullanılan matriks ve fiberin özelliklerini taşıyacak şekilde elde edilebilir. Çok sayıda kompozit üretim yöntemi mevcuttur. Bunlardan en çok kullanılanları aşağıda anlatılanlardır.

2 Elyaf Takviyeli Kompozit Üretim Yöntemleri El yatırma yöntemi En basit üretim yöntemidir. Genellikle keçe veya dokuma biçimli elyaf, daha önceden hazırlanan kalıp içerisine yerleştirilerek, matriksi oluşturan reçine fırça gibi basit el aletleriyle elyafın üzerine sürülür. İstenilen kalınlık elde edilinceye kadar bu işleme devam edilir, böylece tabakalı kompozit üretilmiş olur. Bu yönteme en uygun reçineler; polyester ve epoksidir. Tutuşmayı engellemek, hafiflik elde etmek, görünümü güzelleştirmek gibi nedenlerden dolayı reçineye değişik dolgu maddeleri katılmaktadır, reçinelerin kalıp yüzeyine yapışmaması için polivinil alkol (PVA), silikon, madeni yağlar ve vaks gibi kalıp ayırıcılar kullanılır. Elyaf reçine oranı %30 lara varan kompozit üretimi yapılabilir, daha fazla elyaf hacim oranı için prepregler kullanılır. Prepregler polimer reçine ile doyurulmuş sürekli elyaftan oluşan ve kısmen kurutulmuş kompozitlerdir, prepregler özellikle uçak ve uzay sanayiinde kullanılırlar, maliyetleri yüksek olduğundan çok az sayıda parça ve prototip imaline uygundur. El yatırma yönteminin imalat aşamaları aşağıdaki gibidir. Kalıp silindikten sonra birinci kalıp ayırıcı olarak vaks sürülür. Süngerle ikinci ayırıcı olarak PVA sürülür. Fırçayla viskozitesi yüksek jelkot sürülür.

3 29 Takviye elemanı olarak kullanılacak elyaf hazırlanır. Reçine hazırlanarak dolgu maddeleri katılır. Jelkot üzerine fırça ile reçine sürüldükten sonra keçe veya kumaş şeklindeki elyaf yerleştirilir ve fırça darbeleriyle reçine emdirilir. Rulolanarak hava kabarcıkları çıkarılır. İstenilen kalınlığa ulaşıncaya kadar tüm bu işlemler tekrarlanarak sertleştirilmeye bırakılır ve mamül kalıptan çıkarılır. Şekil 3.1 El yatırma yönteminin üretimi

4 Püskürtme yöntemi El yatırma yönteminin makinalaşmış halidir. Daha fazla ürün elde etmek için kullanılır. Bir püskürtme tabancası ile kırpılmış elyaf ve reçine karışımı kalıba püskürtülerek kalıbın şeklini alması sağlanır. Püskürtme işlemi yüzeye dik olarak yapılmalı ve böylece malzeme israfı önlenmelidir. Püskürtme sonrası reçine içindeki havayı çıkarmak ve yüzeyi düzgünleştirmek amacıyla rulolama uygulanır. Oto kaportası, kayık, küvet, yüzme havuzlarının iç yüzeyi bu yöntemle kaplanır. Şekil 3.2 Püskürtme yönteminin üretimi Sürekli kalıplama a) Devamlı levha üretim yöntemi Elyaf veya kumaş reçine banyosundan geçirildikten sonra üzerine polyester püskürtülür ve iki ince selefon tabaka arasında sandviç haline

5 31 getirilir. Hava kabarcıklarının çıkması için rulolardan geçirilir. Daha sonra şekil verilmek üzere fırına verilir ve jelleşme başladığı sırada şekillendirme rulolarından geçirilir. Böylece imal edilecek olan levha son şeklini almış olur. Bu metotta dikkat edilmesi gerekli olan nokta sertleştirici miktarlarının fırın sıcaklık ve boyuna bağlı olarak ayarlanmasıdır. Şekil 3.3 Devamlı levha üretim yöntemi imalat şeması b) Profil çekme yöntemi Elyaflar reçine tankından geçirilerek reçine tatbik edilir. Bu yöntemle genellikle çubuk ve boru şekilli ürünler elde edildiğinden, karışımın çubuk ve boru şekli kazanması için uygun kalıplardan çekilirler. Şekillerin kalıcı olması için çekme kafaları ısıtıla bileceği gibi bir fırından da geçirilebilir. Bu üretim yöntemiyle; kapı, pencere profilleri, kara yolları korkulukları gibi mamüller üretilebilmektedir.

6 32 Şekil 3.4 Profil çekme yöntemi üretim şeması Elyaf sarma yöntemi Elyaf reçine banyosuna daldırıldıktan sonra iki punta arasında dönmekte olan ve üzerine ayırıcı sürülmüş kalıp üzerine sarılmasından ibarettir. Genellikle; silindirik kaplar, silolar, basınçlı kaplar, güç iletim şaftları ve roket motor kasaları bu yöntemle üretilirler. Bu metotla daha yüksek kalite ve mukavemette ürün elde etmek mümkündür. Üretim bir mandrel üzerine elyaf sarılması şeklinde olduğundan iç yüzeyi pürüzsüz parçalar imal edilebilir. Polyester, epoksi ve silikon gibi reçineler kullanılabilir. Kuru sarma ve yaş sarma gibi iki çeşit imalat çeşidi vardır. Ayrıca sürekli lifler kalıp üzerine düzlemsel veya helisel sarılabilirler.

7 Santrifüj kalıplama Boru, silo ve silindirik kapların imalinde kullanılır. Kırpılmış elyaf ve sertleştirici katılmış reçine karışımı silindirik kalıba doldurulur. Döndürülen kalıbın cidarlarına merkez kaç kuvveti yardımıyla dağıtılan karışıma sıcak hava üflenerek sertleştirilir. Dış yüzeyi pürüzsüz parça imali mümkündür Torba ile kalıplama El yatırma ve püskürtme yöntemleri ile üretilen mamüllerin yüzeylerini düzeltmek için kullanılır. Küçük farklılıklar içeren üç metotla üretim yapılır. a) Vakum torbası yöntemi İş parçası vakum tablasının üzerine konarak tablanın üzeri vakum torbası ile kapatılır. Torbanın içerisindeki hava emilmeye başlanır. Hava boşaldıkça vakum torbası iş parçasının üzerine yapışır ve iş parçasına basınç uygular. Böylece daha kaliteli parça üretimi gerçekleşir. Vakum torbası olarak selefon veya naylon torbalar kullanılır. b) Otoklav yöntemi Vakum torbası yönteminden farkı üretimin basınçlı bir metal içerisinde yapılması ve bir üst basıncın parça üzerine tatbik edilmesidir.

8 34 Azot gazı ile basınç sağlanır. Sertleşmenin hızlanması için otoklav (basınç kabı) bir fırın gibi ısıtılır veya içerisine sıcak gaz sirkle ettirilir. Şekil 3.5 Otoklav yöntemi imalat şeması c) Basınç torbası yöntemi Vakum torbası yöntemine benzer. Vakum torbası yönteminden tek farkı torbadaki basıncın vakum olarak içerden değil de dışardan verilmesidir Kapalı döküm yöntemi Döküm iki kalıp arasında gerçekleştirilir. Geniş ve kompleks parça imaline el verişlidir. Üretim sonunda ürünün her iki yüzeyi de pürüzsüz olduğundan her hangi bir ek işleme gerek yoktur.

9 Metal Matriksli Kompozit Üretim Yöntemleri Sıcak presleme yöntemi Elyafların konumunu muhafaza etmesi için metal folyeler arasına yerleştirilir. Belirli bir sıcaklıkta presleme yapılır. Presleme sırasında bağlayıcı madde püskürtülür. Presleme sırasında uygulanan basınç üretilecek olan kompozitin boyutuna bağlı olarak 0,5-15Mpa aralığındadır. Sıcaklık ise reçine sıcaklığına bağlı olarak, C aralığında uygulanır. Saatte adet ürün elde edilebilir. Genellikle yassı mamüller üretilir. Bu yöntemde kullanılan matriksler Alüminyum, Magnezyum, Titanyum ve alaşımlarıdır Toz metalürjisi yöntemi Matriks Tozları Karıştırma Sıcak Presleme Kesme Üretilen Parça Kırpılmış Elyaf, Kılcal Kristaller Soğuk Presleme Koruyucu Atmosferde Sinterleme Şekil 3.6 Toz metalürjisi yöntemi üretim şeması

10 36 Üretim şemasından da görülebileceği gibi metal veya seramik matriks tozları kırpılmış elyaf veya kılcal kristaller ile karıştırılır. Karışım sıcak veya soğuk preslenir. Eğer karışım soğuk preslenecekse koruyucu atmosferde sinterleme yapılır. Sinterlemenin amacı toz parçaları arasındaki fiziksel bağları kimyasal bağlara çevirmektir. Tozların sinterlenmesi sırasında elyaf ve takviye elemanının özellikleri bozulabileceğinden karışım uzun süre ısıtılmamalıdır. Presleme sonrası bitirme işlemleri yapılır. Matriks olarak bakır, nikel, kobalt, alüminyum ve çelik, elyaf olarak kırpılmış elyaf, kılcal kristaller ve metal tozları kullanılır Sıvı metal emdirme yöntemi Genellikle erime noktası düşük olan metaller kullanılır, bu nedenle en çok kullanılan metaller; alüminyum, magnezyum, gümüş ve bakırdır. Basınç ve vakum altında elyafa metal emdirilmesi veya elyafın reçine tankından geçirilmesiyle sürekli üretim mümkündür. Bu yöntemle %45 elyaf hacim oranına sahip kompozit malzeme üretilebilir. Kiriş veya boru gibi parçalar üretilir. Bu yöntemle Al-Bor, Ni-SiC ve Ni-W kompozitleri üretile bilinir Elektroliz yöntemi Katot olarak kullanılan mandrel üzerinde bulunan elyaflara elektroliz sırasında metal matriks çökeltilir. Yüksek elyaf hacim oranına sahip kompozit malzeme üretmek söz konusudur. Genellikle matriks olarak nikel kullanılır. Elektroliz ile boron, silikon karpit ve tungsten

11 37 filamentleri nikel matriks üzerine çökertilir. Daha sonra elyaflar preslenerek birleştirilir Buhar çökeltme yöntemi Bu yöntemde buharlaştırılan matriks takviye elemanı üzerine çökertilir. Düşük sıcaklıklarda bu işlemin gerçekleşmesi avantajı, pahalı bir yöntem olması ise dezavantajıdır. Alüminyum ve nikel gibi matriksler elyaflar üzerine çökertilerek kaplanır. Daha sonra bu elyaflar preslenir Haddeleme yöntemi Bu yöntemde elyafla metal folyeler birlikte haddelenerek sürekli şeritler üretilebilir. Basınç etkisiyle folye ve elyafın birleştirilmesi sağlanır. Metal matriksin haddeleme sırasında oksitlenmesi söz konusu ise haddeleme vakum altında yapılır. 3.3 Yüksek Performanslı Kompozit Üretimi Bir Avusturya firması (Quickstep Technologies Pty Ltd.) yüksek performanslı kompozit üretimi için daha ucuz ve daha hızlı olan yeni bir otoklav prosesi geliştirmişlerdir. Normal şartlarda altı saatte yapılabilecek bir üretim bu metotla bir saatte yapılabilmektedir. Parça üzerine sıcak akışkan gönderilerek parçanın ısıl işlem için hazırlanması sağlanmaktadır. Kullanılan akışkanlar genellikle su ve yağdır. Su genel itibariyle vinilester, polyester ve fenolik reçinelerle birlikte kullanılır gemi yapımı ve otomotiv uygulamaları vb.). biri yüksek diğeri düşük

12 38 basınca sahip iki kalıpta üretim yapılmaktadır. Üst kalıp (yüksek basınç odası) iç kısmında ısıl işlem sırasında alt basınç odasındaki parçanın üzerini saracak esnek bir membran mevcuttur. Bu metotla çok kalın numuneler bile üniform bir yapıya sahip olacak şekilde ısıl işleme tabi tutulabilir. Öyle ki; fiberglas/epoksi kompozitlerde 22mm ye kadar sorunsuz üniform bir ısıl işlem yapılmaktadır. Bu metot daha çok tabakalı kompozit üretimine elverişli olup hassas ve ucuz parça üretimine de uygundur. Bu metotla; aşağıda görüldüğü gibi parça üzerinde istenen bölgeler ısıtılırken istenen bölgeler soğutulabilir. Soğuk akışkan Tabaka Sıcak akışkan I C I C I C I H I H I H I H I=Yalıtıcı C=Soğuk H=Sıcak Şekil 3.7 Yüksek performanslı kompozit üretim şeması Yüksek performanslı kompozit üretimi aşağıdaki aşamalar sırasıyla takip edilerek yapılır. Kalıba yerleştirilen parça ilk olarak düşük basınç odasında(alt kalıp) bekletilir. Yüksek basınç odası (üst kalıp) parçanın içerisinde bulunduğu düşük basınç odası üzerine konur.

13 C arasındaki soğuk akışkan yüksek basınç odasına düşük basınçta gönderilir. Bunun nedeni yüksek basınç odasında bulunan membranın parçayı tam olarak sarmasıdır. Düşük viskoziteye sahip orta sıcaklıktaki akışkan (70-100C) parçanın çevresini dolaşacak şekilde yaklaşık beş dakika her iki arasına gönderilir. Isıl işlem sıcaklığındaki akışkan reçine sıcaklığına ulaşıncaya kadar yaklaşık dakika arasında kalıp içerisinde dolaştırılır. Daha sonra bu akışkan kalıptan çekilir. Sırasıyla kalıplardan orta sıcaklıktaki akışkan ve soğuk akışkan çekilir. Üretimi yapılan parça kalıptan çıkarılır.