4.Kompozit Üretim Yöntemleri Seçilecek üretim yöntemi; takviye malzemesine (elyaf), matris malzemeye (reçine), parça şekline, istenen mekanik ve fiziksel özelliklere bağlı olarak değişim gösterir. Bir parçayı üretmek için genel olarak; ham madde, kalıp, ısı ve basınca ihtiyaç vardır.
P.K.Mallick den
Kollar& springer
Kollar& springer
Mazumdar
Üretim Yöntemleri Termoset kompozitlerin üretim yöntemleri Termoplastik kompozitlerin üretim yöntemleri Kısa-fiber kompozitler Sürekli-fiber kompozitler Kısa-fiber kompozitler Sürekli-fiber kompozitler SMC kalıplama SRIM BMC kalıplama Spreyleme (Sprey kalıplama) Enjeksiyon kalıplama İplik Sarma (Filament Winding) Çekme (Pultrusion) RTM (Resin Transfer Molding ) Elle Tabakalama (Hand Lay Up Otoklav prosesi (Autoclave process) Diğer Yöntemler ( SCRIMP, RIFT, VARTM ) Enjeksiyon kalıplama Blow molding? Termal şekillendirme Bant sarma Presli Kalıplama (Compression Moulding) Otoklav..
Mazumdar
Kullanılan reçine ve takviye malzemesine ilave olarak, üretim yöntemi de bir kompozit yapının nihai özelliklerini belirlemede önemli rol oynar. Burada PMC kompozitlerin üretiminde en çok kullanılan yöntemlere yer verilecektir.
Sprey kalıplama/püskürtme (Spray Lay-up ) Reçine olarak daha çok polyester kullanılır. Takviye malzemesi olarak demet halindeki lifler kullanılır.
mazumdar
1) Spray-up Chopper Roving 2) Resin Cure Atomised resin and catalyst 3) De-moulding
Spray-up prosesinde işlem basamakları: 1. Kalıp yüzeyi bir kalıp ayırıcı madde ile kaplanır. 2. Kalıp yüzeyine jel-kaplama (gel-coat) yapılır ve sertleşmesi beklenir. 3. Fiberler bir el tabancasında kıyılır (kısa fiberler haline getirilir) ve katalizör/sertleştirici ile karıştırılan bu fiberler bir kalıba püskürtülerek üretim gerçekleştirilir. 4. Belli bir kalınlık elde edildikten sonra da malzeme genellikle ortam şartlarında pişmeye (curing) bırakılır.
Yıllardır geniş ölçüde kullanılan bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir: Avantajları Kısa sürede düşük maliyetli üretim Uygulanması basit Karmaşık yapılı parçaların imal edilmesine uygun Dezavantajlar Elde edilen üründe reçine oranı yüksek (ağır bir yapı) Kısa liflerden dolayı sınırlı Mekanik özellikler Yüksek styrene içeriği (sağlık açısından zararlı). havaya karışan Styrene konsantrasyonunu yasal sınırlarda tutmak zordur. Düşük viskozite nedeni ile spreyleme esnasında açığa çıkan partiküllerin giysilere vs nüfuzu daha kolay Uygulama Alanları: Çeper türü basit yapılar, yük taşımanın esas olmadığı durumlar (ör; bir karavan gövdesi) banyo küvetleri
Elle Tabakalama (Hand Lay Up/Wet lay-up) Yöntem; bir kalıba elle yerleştirilen kumaşlara (elyaf) bir rulo veya fırça ile reçinenin emdirilmesi esasına dayanır. Daha sonra reçine emdirilmiş kumaşlar oda sıcaklığı ve atmosferik basınç altında veya farklı sıcaklık ve basınçlar altında pişmeye/kurumaya bırakılır. Reçineler kumaşlara kat kat yedirilebildiği gibi kumaşın özelliklerine bağlı olarak çok katmana aynı anda da reçine sürülebilir.
1) Placement of Dry Reinforcement 3) Repeated Application of Layers 2) Resin Wetting 4) Resin Cure
(Principals of the Manufacturing of Composite Materials) Yazar: Suong HOA
Bu yöntemde herhangi bir termoset reçine (epoxy, polyester, vinylester, phenolic) kullanılabilir. Takviye malzemesi olarak ise bilinen elyaflar (Cam, karbon, aramid ) kullanılabilir. Ancak ağır aramid kumaşların bu yöntemle ıslatılması (reçine emdirilmesi) çok zordur.
Yıllardır geniş ölçüde kullanılan bu yöntemin avantaj, dezavantajları ve uygulama alanları şu şekilde özetlenebilir: 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 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. Uygulama Alanları: Rüzgar türbin kanatları, plakalar, tekne üretimi, mimari amaçlı kalıplamalarda,
İplik Sarma (Filament Winding) Bu yöntem, genellikle boru ve tank gibi içi boş parçaların üretiminde kullanılır. Yöntemin işlem basamakları kısaca şu şekildedir. 1. Bobinlere sarılı olan fiberler bir reçine banyosundan geçer 2. Reçine emmiş olan fiberler hareketli bir mekanizma ile belli bir hızda ekseni etrafında dönen mandrele istenen oryantasyonda (açıda) sarılır 3. İstenen kalınlığa veya katman sayısına (tabakaya) ulaştıktan sonra işlem tamamlanmış olur. 4. Kurutma işlemi oda sıcaklığında ve bir fırında geçekleştirilir.
Çevresel sarım; elyaf fitillerinin mandrele göre 90o açı ile sarıldığı yöntem Helisel sarım; mandrel sabit hızla dönerken elyaf yönlendiricisi mandrele paralel olarak helisel açıyı verecek şekilde hareket eder. Polar sarma; genellikle basınçlı kapların üretiminde kullanılan uçtan uca sarma yöntemidir.
Yüksek basınca dayanıklı kompozit tanklar
Bu yöntemde herhangi bir termoset reçine (epoxy, polyester, vinylester, phenolic) kullanılabilir. Takviye malzemesi olarak ise bir bobine sarılı olan sürekli lifler kullanılır. Kumaş şeklindeki elyaflar kullanılmaz.
Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir: Avantajları Malzeme sarımı hızlı ve ekonomik bir yöntemdir Reçine oranı hand lay-up yöntemine göre daha iyi kontrol edilebilir Bobine sarılı lifler ikinci bir işlemden geçip kumaş haline getirilmediği için maliyet minimize edilmiş olur Her katmanda farklı yönlerde sarım yapma imkanı olacağı için değişik yüklemeler yapı tarafından karşılanabilir Dezavantajlar Uygulama sahası konveks şekle sahip parçalar ile sınırlıdır Büyük parçalar için sarımın yapılacağı mandreller pahalı olabilir Düzgün bir dış yüzey elde etmek için parçanın pişme sonrası işlenmesi gerekebilir Düşük viskoziteye sahip reçineler genellikle üretimde kullanılır. Bu da çeşitli sağlık sorunları ve mekanik özeliklerde düşüşü beraberinde getirir. Uygulama Alanları: Kimyasal depolama tankları Borular Gaz silindirleri İtfayecilerin kullandığı tenefüs tankları vs
Vakumlu Paketleme (Vacuum Bagging) Bu yöntem hand lay-up yönteminin devamı şeklinde düşünülebilir. Tek fark elle reçine sürülmüş tabakalı yapı (laminate) nın devamında vakum ortamına alınmasıdır. Bu yöntem özellikle epoxy ve phenolic reçine kullanımına uygundur. Çünkü; Vakum, polyester ve vinilester uygulamalarında fazla oranda styrene nin reçineden çıkarılmasına sebebiyet verebilir. Bu da polimerleşmeyi engelleyici bir faktör olarak ortaya çıkar.
İşlem Basamakları: Kalıp ayırıcı vs. den sonra bir yüzeye yerleştirilen kumaşlara bir rulo veya fırça ile reçine/sertleştirici karışımı emdirilir. Laminate in üstüne delikli ayırıcı bir film (release film)yerleştirilir. Ayırıcı filmin üzerine hava çıkışını sağlayan ve fazla reçineyi tutmaya yarayan bir kumaş (breather) yerleştirilir. Plastik bir vakum filmi ve çift taraflı yapışkan sızdırmazlık macunları kullanılarak, reçine emdirilmiş yapı çepeçevre dış ortamdan izole edilir. Bir vakum pompası ile vakumlama yapılarak işlem tamamlanır ve malzeme pişmeye bırakılır.
Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir: Avantajları hand lay-up yöntemine göre daha yüksek bir fiber oranı elde edilebilir. hand lay-up yöntemine göre daha az hava kabarcığı ve boşluklar meydana gelir. Vakum sayesinde reçinenin liflerin arasına nüfuz etmesi kolaylaşır ve basınç ile fazlalık reçine atılmış olur. Vakum torbası kapalı bir ortam oluşturarak sağlık açısından zararlı olabilecek uçucu maddelerin solunmasını ve emilimini azaltır. Dezavantajlar İlave iş gücü ve tek kullanımlık malzemeler kullanılır, böylece üretim maliyeti artar. Vakumlama işleminde tecrübeli ve kaliteli iş yapan kişilere ihtiyaç vardır. Uygulama Alanları Tekne ve bot gövdelerinde, yarış araçlarının bazı parçalarının üretiminde, kompozit yapıların bakım ve onarımlarda, kullanılabilir.
Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Prosesleri (VARIM, SCRIMP, RIFT, VARTM ) Literatürde vakum ortamında reçine infüzyonu mantığına dayanan ve farklı isimler ile adlandırılan çeşitli yöntemler vardır. Aralarında küçük birtakım farklılıklar olmakla birlikte temel de işlem mantığı ve basamakları şu şekildedir: Kuru kumaşlar (elyaf) bir kalıp içerisine istiflenir. İstiflenmiş kumaşlar (laminate); Vacuum Bagging yönteminde olduğu gibi plastik bir vakum filmi ve çift taraflı yapışkan sızdırmazlık macunları kullanılarak dış ortamdan izole edilir. Laminate in üzerine bir ayırıcı film ve reçine dağıtıcı tabaka konur. Vakum yardımı ile reçinenin istiflenmiş kuru kumaşlara nüfuz etmesi sağlanır. Genel olarak; epoxy, polyester ve vinylester reçineler kullanılır. Bilinen klasik elyaflar bu yöntemde kullanılabilir. Birbirlerine önceden dikilmiş elyaf tabakalarının kullanımı durumunda bu yöntemler daha iyi sonuçlar verir. Ayrıca sandviç kompozit üretiminde; balpeteği (honeycomb) dışındaki core (çekirdek) malzemelere de uygulanabilirler.
Avantajlar: Tek taraflı bir kalıba ihtiyaç vardır. Yüksek mukavemetli bir kalıba ihtiyaç yoktur. Bu nedenlerle kalıp ve üretim maliyeti RTM ye oranla daha düşüktür. Büyük parçalar bu yöntemle üretilebilir. Hand Lay-up yönteminde kullanılan kalıplar bu yöntem için modifiye edilerek kullanılabilir. Çekirdek yapılar bir seferde/adımda üretilebilir. Dezavantajlar: İşlem basamakları kısmen komplekstir. Düşük viskoziteye düşük reçine kullanımı mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir. Reçine ile ıslanmamış bölgeler kalabilir; bu da pahalı atık malzeme demektir. Tipik Uygulama alanları: Küçük tekne ve yatların gövdelerinde, tren ve kamyon gövdelerinde, rüzgar türbin kanatlarında,
Vakum destekli reçine infüzyonu (Vacuum assited resin infusion molding,varim) Vakum destekli reçine infüzyonu yüksek kaliteli, büyük kompozit parçaların üretiminde kullanılan bir yöntemdir. İşlem basamakları şu şekilde özetlenebilir: Kalıp yüzeyi bir ayırıcı ile kaplanır. Belli bir dizilişte kuru kumaşlar (elyaf) veya bir preform malzeme kalıba yatırılır. Kumaşın üzerine soyma kumaşı, ayırıcı film, reçine dağıtıcı filmler konur. Plastik bir vakum naylonu (filmi) ve çift taraflı yapışkan sızdırmazlık macunları kullanılarak, istiflenmiş kumaşlar çepeçevre dış ortamdan izole edilir. Vakum yardımı ile reçinenin istiflenmiş kuru kumaşlara tamamen nüfuz etmesi sağlanır ve malzeme pişmeye bırakılır.
Vacuum bag Breather Sealant tape Vacuum Resin distribution medium Release film Peel ply Fabric Peel ply Release film Liquid release agent Resin Resin flow direction Heating table
İnfüzyonda kullanılan malzemeler ve fonksiyonları Vacuum bagging films (vakum torbası) are sealed to the edge of the mould with vacuum bag sealant tape to create a closed system. Double side bag sealant tapes (sızdırmazlık macunu/bantı) are used to provide a vacuum-tight seal between the bag and the tool surface. Release films (ayırıcı film) are typically placed directly in contact with the laminate. They separate the laminate from the distribution medium. Release films are often perforated to ensure that any trapped air or volatiles, which may compromise the quality of the laminate, are removed. Release fabrics and peel plies (soyma kumaşı) are placed against the surface of the laminate. They are woven products which are strong and have good heat resistance. Release films impart a gloss finish on the cured laminate, whereas peel plies and release fabrics leave an impression of the weave pattern. Peel plies provide a clean,
Tool release materials (kalıp ayırıcı malzemeler) are used to release the product from tools easily and obtain a smooth surface finish. For this purpose, either self adhesive Teflon films or liquid release agents are utilized. In certain situations Teflon films can also temporarily solve tool porosity problems. A highly permeable layer called resin distribution medium (reçine dağıtıcı) placed on the top of the preform spreads the resin quickly over the lateral extent of the part. Bleeder/breather (havalandırıcı) fabrics are non-woven fabrics allow air and volatiles to be removed from within the vacuum bag throughout the cure cycle. They also absorb excess resin present in some composite lay ups.
Reçine Transfer kalıplama (Resin Transfer Molding,RTM) İnfüzyon yönteminden farklı olarak burada Jelkot uygulanmış iki kalıp (dişi ve erkek) kullanılır. RTM için özel üretilmiş olan takviye malzemeleri kalıp içine yerleştirilir. Kalıplar kapatılır. Ve malzemeye basınçlı olarak reçine enjekte edilir. Bazı uygulamalarda reçinenin ilerlemesine yardımcı olmak üzere vakumlama da yapılır. Genellikle, 2-10 mm cidar kalınlığına ve %20-30 fiber oranına sahip kompozit ürünler elde edilir. 1) Preform Manufacture 2) Preform Compression 3) Resin Injection 4) Resin Cure 5) De-moulding
F Press F Press Reçine vizkositesi elyafları ıslatıp aralarına sızacak kadar düşük olmalı Yüksek sıcaklıkta hızlı sertleşmeli, min kalıplama süresi (Plyester, 1-3 dk) Soğuma sırasında minimum çarpılma olmalı Kalıptan kolay çıkmalı Takviye malzemelerindeki organik bağlayıcılar reçinede çözünmemeli Bu yöntemle karmaşik parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle üretilir.
F F Malzeme Seçenekleri: Reçine: Genellikle epoxy, polyester, vinylester ve phenolic reçineler kullanılır. Ancak bismaleimide gibi yüksek sıcaklık reçineleri de yüksek işlem sıcaklıklarında kullanılabilir. Fiberler: Herhangi bir elyaf kullanılabilir. Dikilmiş kumaşlar/elyaflar reçine taşınmasında ve transferinde avantaj sağlarlar. Çekirdek (Cores): Bal-peteği çekirdeklerin kullanımına uygun bir yöntem değil. Çünkü boş hücreler reçine ile dolar ve uygulanan basınç core yapının bozulmasına sebep olur.
Temel Avantajlar: Üretim hızı yüksek Fiber reçine oranı ve boşluk miktarı mükemmel kontrol edilebilir. Böylece, fiber oranı yüksek, hava boşluğu düşük ürünler elde edilebilir. Karmaşık şekilli parçaların boyut/tolerans ayarı çok iyi Tüm parçalar aynı kalitede Kapalı ortamda üretim yapıldığı için sağlık ve güvenlik açısından avantajlı Bazı yöntemlere göre daha düşük bir iş gücü gerektirir. Malzemenin her iki yüzeyi de düzgün çıkar. Temel Dezavantajlar: Çift kalıp yapmak pahalıdır ve basıncı karşılayacak rijitlikte olmalıdır. Bu da ağırlığını arttırır. Üretim genellikle küçük parçalar ile sınırlıdır. Yani, maliyeti yüksek, kalıp tasarımı zordur. Reçine nüfuz etmemiş kısımların kalması pahalı atıklara neden olur. Tipik Uygulama Alanları: Küçük, karmaşık uçak ve otomobil parçaları, tren iskemlesi veya sandalyeleri gibi
Pultrüzyon (pultrusion)
Pultrüzyon (çekme) düşük maliyetli, yüksek-hacimde üretime imkan veren, sürekli ve otomatik bir prosestir. Bu yöntemde genellikle reçine emdirilmiş fiberler bir kalıp boyunca çekilir ve çeşitli kesit geometrilerine sahip profil çubuklar üretilir. Pultrüzyon (çekme) ile sabit kesitli ve sürekli uzunluğa sahip parçalar üretmek mümkün olmaktadır. Isıtılan bir kalıp içerisinde sabit bir hızla çekilen fiberler dolayısıyla kompozit parça kalıptan pişmiş veya kısmen pişmiş olarak çıkarlar. Bu parçalar Pultrüzyondan genellikle ilave bir yüzey işlemine gerek kalmayacak şekilde çıkarlar.
Bu yöntemde matris olarak genellikle epoxy, polyester ve vinilester reçineler kullanılır. Takviye malzemesi olarak herhangi bir fiber türü kullanılabilir. Core (çekirdek) malzemelerin kullanımına uygun bir yöntem değildir.
Avantajlar: Pultrüzyon (çekme) düşük maliyetli, hızlı üretime imkan veren, sürekli ve otomatik bir prosestir. Reçine oranı doğru bir şekilde kontrol edilebilir. Fiberler iplik halinde kullanıldığı için daha ekonomiktir. Düzgün liflerden oluşan, yüksek fiber hacimsel oranlarına sahip ürünlerin yapısal performansları yüksek olabilir. Dezavantajlar: Sadece sabit kesitli parça üretimi ile sınırlıdır. Isıtılmış kalıp kullanımı maliyeti arttırıcı bir faktördür. Uygulama Alanları: Çeşitli sahalarda (ör; çatılarda) kiriş ve direk olarak, köprülerde, merdivenlerde, bina kafes sistemlerinde ve iskeletlerinde
Campbell
From mazumdar
Reçineli film infüzyonu (Resin Film Infusion,RFI)
Bu yöntemde, önce yarı-katı bir reçine filmi kalıba yatırılır. Daha sonra kumaşlar kalıbın içerisine istiflenir. Vakumlu torbalamadaki işlemlere benzer adımlar takip edilerek vakumlama yapılır. Son olarak vakumlanan parçaya bir şekilde ısı verilerek (dorudan kalıp ısıtılabilir veya bir fırının içine konabilir) reçinenin erimesi ve malzemeye nüfuz etmesi sağlanır. Genellikle epoxy reçineler bu yöntemde kullanılır. Tüm kumaş/elyaf ve core malzemeler ile uygulama yapılabilir. Ancak yöntemdeki yüksek işlem sıcaklıkları nedeniyle, core olarak PVC malzemeler kullanılırken bazı özel proseslere uymak gerekir.
Avantajlar: Yüksek hacimsel fiber oranı ve düşük boşluklu (hava kabarcığı gibi) yapılar elde edilebilir. Sağlık, iş güvenliği ve temizlik açısından avantajlı bir yöntemdir. Kullanılan yarı-katı polimer filmler prepreg lerden genellikle daha düşük maliyetli üretimler ortaya çıkarırlar. Reçine ile kuru fiberler arasında kalınlık boyunca başka bir materyal olmaması reçine nüfuz etmemiş bölge riskini azaltır. Dezavantajlar: Havacılık dışında denenmiş geniş uygulama sahası yok Daima bir fırına ve vakumlu torbalamaya ihtiyaç vardır Kalıpların ve kullanılan malzemelerin reçine filmi işlem sıcaklığına (60-100 C) dayanabilmesi gerekir Çekirdek yapıların işlem sıcaklığına ve basıncına dayanıklı olması gerekir
Autoclave Cure (Otoklav Pişirme)
Bu yöntemde öne üretimi yapılacak parça için laminasyon şemasına uygun olarak tabakalama (genellikle prepreg kullanılır) ve vakum torbalaması yapılır. Daha sonra hazırlanan malzeme bir otoklav fırınının içine yerleştirilerek sıcaklık ve basınç altında pişme ve katılaşma gerçekleşir. Otoklav fırınları iç basıncı ve sıcaklığı kontrol edilebilir basınç kaplar şeklinde dizayn edilirler. Pişme ve katılaşma belli bir pişme çevrimine (cure cycle) göre gerçekleşir. Pişme çevrimini kullanılan reçine tipi (reçine ve sertleştirici), üretilecek malzemenin kalınlığı ve geometrisi belirler. Otoklav içindeki basınç iki şekilde oluşturulabilir: 1. Vakumlu torbalamada olduğu gibi torbalanmış malzemeye iç vakum uygulanarak. 2. Otoklav içinde dış basınç oluşturarak. Dış basınç oluşturmak için tankın içine dışarıdan hava veya Azot gazı basılır. Genellikle yüksek pişme sıcaklıklarında herhangi bir tutuşma ve yanmaya karşın azot gazı tercih edilir. Böylece hem iç basınç hem de dış basınç oluşturarak istenen basınç değerleri oluşturulabilir.
Sıcaklık için ise fırın içerisinde fişek ısıtıcılar/rezistanslar (Cartridge heaters) kullanılır. Ayrıca içeriye basılan hava veya azot gazı da bir miktar ısıtılarak verilebilir. Basınç ve Sıcaklık otomatik kontrollü olarak gerçekleştirilir.
Avantajlar: Yüksek dayanım/ağırlık oranı Yüksek fiber hacimsel yoğunluğu Basınçlı pişme ve düşük boşluklu (hava kabarcığı gibi) ürünler Büyük bir parçayı veya aynı anda birçok küçük parçayı üretebilme imkanı Basınç ve sıcaklık çok iyi kontrol edilebilir Dezavantajlar: Sistemin özellikle ilk yatırım maliyeti yüksektir. Özellikle termoplastik prepreglerin kullanımında çok yüksek (termosetlere göre) ısı ve basınçlara ihtiyaç vardır.. Uygulama Alanları: Hassas pişme ve katılaşma gerektiren parçara, uçak parçaları, tabakalı kompozitler, elektronik endüstrisinde kullanılan termoset esaslı ürünler,.
Sıcak Presleme (Hot Press technique)