CAM İŞLEME Cam: Malzemeye Genel Bakış Hammaddelerin Hazırlanması ve Eritilmesi Cam İşlemede Şekillendirme Yöntemleri Parça mamul şekillendirme Yassı veya borusal cam şekillendirme Cam elyafın şekillendirilmesi Isıl İşlem ve Bitirme Isıl işlem Bitirme Ürün Tasarım Kavramları Cam, üç temel seramik türünden biridir Diğerleri, geleneksel seramikler ve yeni seramiklerdir Cam, kristal olmayan yapısıyla ayrılır Diğer seramik malzemeleri kristal bir yapıya sahiptir 1 2 Cam Ürünler Cam Şekillendirme Yöntemleri Cam ürünler, ticari olarak hemen hemen sınırsız bir şekil serbestliğine sahiptir Çoğu ürünler çok yüksek sayıda üretilir: Ampuller, içecek şişeleri, konserveler Pencere camı Cam tüpler (örn, floresan lambalar için) Cam elyaflar Diğer ürünler tek tek yapılır: Dev teleskop mercekleri Cam şekillendirme yöntemleri, geleneksel ve yeni seramiklerde kullanılanlardan oldukça farklıdır Cam işlemede, temel başlangıç malzemesi silika dır Genellikle camı oluşturan diğer oksit seramiklerle birleşiktir Başlangıç malzemesi sert bir katıdan viskoz bir sıvıya dönüştürülmek üzere ısıtılır; daha sonra bu madde akışkan formundayken istenen şekle getirilir Soğuyup sertleştiğinde, malzeme kristalden çok camsı durumda kalır 3 4
Cam ürün Hammaddelerin Hazırlanması ve Eritme Kum Erimiş cam Şekil 12.1 - Cam işlemede tipik işlem sırası: (1) Hammaddelerin hazırlanması ve eritme, (2) şekillendirme, ve (3) ısıl işlem Hemen hemen tüm camların temel bileşeni silika (SiO 2 ) dır Birincil kaynağı, kumdaki doğal kuartz dır Soda külü (Na 2 O), kireçtaşı (kaynağı CaO), alüminyumoksit (Al 2 O 3 ) ve potas (kaynağı K 2 O) gibi diğer bileşenler, istenen bileşime ulaşmak için belirli oranlarda eklenir Geri kazanılmış cam da çoğu kez karışıma eklenir Çevreyi korumaya ek olarak, geri kazanılmış cam, erimeyi kolaylaştırır 5 6 Cam Eritme Cam İşlemede Şekillendirme Yöntemleri Bir parti eritilecek başlangıç malzemesi şarj olarak adlandırılır ve bunun fırına yüklenmesi şarjlama (yükleme) olarak adlandırılır Cam için erime sıcaklıkları 1500 C ila 1600 C arasındadır Tipik bir şarj için eritme çevrimi 24 ila 48 saat arasındadır Erimiş camın viskozitesi, sıcaklıkla ters orantılıdır Şekillendirme, eritmeden hemen sonra yapıldığından, camın akıtıldığı sıcaklık, şekillendirme işleminin gerektirdiği viskoziteye bağlıdır Bu ürünleri imal etmek için şekillendirme yöntemleri, üç kategoride toplanabilir: 1. Tek tek parça imali için ayrık yöntemler (şişeler, kavanozlar, tabaklar, ampuller) 2. Yassı cam için sürekli yöntemler (saç ve plaka cam) ve boru imalatı (laboratuvar nesneleri, floresan lambalar) 3. Elyaf üretimi için elyaf yapım yöntemleri (izolasyon ve fiber optik için) 7 8
Parça Mamullerin Şekillendirilmesi Parça Ürün Şekillendirme Yöntemleri Elle cam işlemenin antik yöntemleri arasında cam üfleme bulunur El sanatları yöntemleri, az sayıda yüksek değerli cam ürünlerin yapımında hala kullanılmaktadır Ancak çoğu modern cam şekillendirme yöntemi, kavanoz, şişe ve ampul gibi ayrık ürünlerin çok sayıda üretimi için yüksek oranda mekanize edilmiş teknolojilerdir Döndürme metallerin santrifüj dökümüne benzer Presleme tabak, pişirme kapları ve TV tüp yüzeyleri gibi yassı ürünlerin kütlesel üretimi için Presleme ve üfleme kavanoz gibi geniş ağızlı kaplar için Üfleme ve üfleme içecek şişeleri ve aydınlatma ampulleri gibi dar ağızlı ürünler için Döküm çatlamadan kaçınmak için çok yavaş soğutulması gereken astronomi mercekleri gibi büyük parçalar için 9 10 Sıcak cam kütlesi Kalıp Plançer Kütle Kalıp Şekil 12.2 - TV ve bilgisayar monitörleri için CRT lerin arka kesitleri gibi huni şekilli cam parçaların döndürülmesi: (1) Kalıbın içine düşürülen cam kütlesi, ve (2) Erimiş camın kalıp yüzeyi üzerine yayılmasını sağlamak için kalıbın döndürülmesi Şekil 12.3 - Yassı cam parçaların preslenmesi: (1) cam kütle fırından kalıp içine beslenir; (2) plançer tarafından şekil haline presleme; ve (3) plançer kaldırılır ve bitmiş ürün çıkarılır (v ve F sembolleri hareket (hız) ve uygulanan kuvvet) 11 12
Plançer Kütle Boğaz halkası Parison Hava içeriye Üfleme kafası İlk üfleme kalıbı Kütle İkinci üfleme kalıbı Hava içeriye Üfleme kafası Pres kalıbı Üfleme kalıbı Ayırma hattı (ayrık kalıp) Ayırma hattı (ayrık kalıp) Boğaz halkası Hava içeriye Şekil 12.4 - Presleme ve üfleme şekillendirme sırası: (1) erimiş kütle kalıp boşluğunun içine beslenir; (2) bir parison oluşturmak üzere preslenir; (3) bir boğaz halkası içinde tutulan, kısmen şekillendirilmiş parison, üfleme kalıbına aktarılır, ve (4) son şekline üflenir (v ve F sembolleri hareket (hız) ve uygulanan kuvvet) 13 Şekil 12.5 - Üfleme ve üfleme şekillendirme sırası: (1) kütle kalıp boşluğuna beslenir; (2) kalıp çevrilir; (3) ilk üfleme aşaması; (4) kısmen şekillendirilmiş parça yeniden yönlendirilir ve ikinci üfleme kalıbına aktarılır, ve (5) son şekline üflenir 14 Döküm Yassı ve Borusal Camlar Eğer erimiş cam yeterince akıcıysa, bir kalıba dökülebilir Astronomi mercekleri ve aynaları gibi göreceli olarak dolu nesneler, bu yöntemle yapılır Soğutma ve katılaştırmadan sonra, parçanın parlatılarak bitirilmesi gerekir Camın dökülmesi, özel işler hariç çok sık kullanılmaz Saç ve levha cam gibi yassı cam ürünler için yöntemler: Yassı levhanın haddelenmesi Yüzdürme yöntemi Cam tüplerin üretim yöntemleri Danner yöntemi Daha küçük mercekler genellikle presleme ile yapılır 15 16
Yassı Levhanın Haddelenmesi Eritme fırınından alınan başlangıç camı, aralığı tabaka kalınlığını belirleyen karşılıklı merdaneler arasında sıkıştırılır ve sonra taşlanarak ve parlatılarak paralelliği ve pürüzsüzlüğü sağlanır Yüzdürme Yöntemi Erimiş cam, üniform bir kalınlık ve pürüzsüzlüğe ulaşmak üzere, yüzeyi boyunca eşit yayıldığı bir erimiş kalay banyosu yüzeyi üzerine akıtılır (taşlama ve parlatma gerekmez) Soğutma bölgesi Isıtma bölgesi (kontrollü atmosfer) Şekillendirme merdaneleri Destek merdaneleri Erimiş cam Tavlamaya Destek merdaneleri Erimiş cam Erimiş kalay Şekil 12.6 - Yassı camın haddelenmesi Şekil 12.7 - Levha cam üretimi için yüzdürme yöntemi 17 18 Danner Yöntemi Erimiş cam, çekilirken içine havanın üflendiği, dönen ve içi boş bir mandrel çevresinde akar Cam Elyafın Şekillendirilmesi Cam elyaf ürünler, her biri için farklı üretim yöntemi bakımından, iki kategoriye bölünebilir: Hava içeri Erimiş camın akışı Tüp ürün 1. Liflerin tesadüfi, yün benzeri bir yapıda olduğu, ısı izolasyonu, akustik izolasyon ve hava filtrasyonu için lifli cam Santrifüj püskürtme ile üretilir Dönen mandrel Destek merdaneleri 2. Elyaf takviyeli plastikler, iplik, dokuma ve fiber optikler için uygun olan uzun ve sürekli filamentler Çekme ile üretilirler Şekil 12.8 - Cam tüplerin Danner yöntemiyle çekilmesi 19 20
Santrifüj Püskürtme Cam yünü yapmak için tipik bir yöntem olarak, erimiş cam, çevresi boyunca çok sayıda küçük delik olan dönen bir tas içine akar Santrifüj kuvvet, camın, ısıl ve akustik izolasyona uygun lifli bir kütle haline gelmesi için, camı deliklerden geçerek akmaya zorlar Camın Çekilmesi Küçük çaplı sürekli cam elyaf (alt limiti yaklaşık 0,0025 mm dir) bir alüminyum alaşımından yapılmış, ısıtılan bir levhadaki küçük deliklerden erimiş cam iplikçikleri halinde çekilerek üretilir Erimiş cam Isıtılan delikli levha Sprey Toplama pabucu Şekil 12.9 - Sürekli cam elyafın çekilmesi Elyafın makara üzerindeki demetini düzeltmek için, travers Toplama makarası 21 22 Isıl İşlem: Camın Tavlanması Gerilmeleri ve sıcaklık farklılıklarını gidermek için yüksek sıcaklığa ısıtma ve bir süre tutma; daha sonra gerilme oluşumunu önlemek için yavaş soğutma ve ardından daha hızlı şekilde oda sıcaklığına soğutma Tavlama sıcaklıkları 500 C civarındadır Tavlama, metal işlemedeki ile aynı işleve sahiptir gerilme giderme Tavlama, lehrs denilen, ürünün sıcak odadan yavaşça konveyör üzerine aktığı, tünel tipi bir fırında gerçekleştirilir Camın Temperlenmesi Plastik bölgede kalarak, tavlama sıcaklığının biraz üzerine ısıtma ve ardından genellikle hava jetleriyle yüzeylerden soğutma Yüzeyler soğuduğunda büzülür ve sertleşirken iç kısım hala plastiktir İç cam soğudukça büzülür ve sert yüzeylerine basınç uygular Temperlenmiş cam yüzeyindeki bası gerilmeleri nedeniyle gerilmeye ve kırılmaya daha dirençlidir Ürünler: yüksek binalar için pencereler, tüm cam kapılar, güvenlik gözlükleri ve toklaştırılmış cam gerektiren diğer ürünler 23 24
Bir vak a incelemesi: Otomobil ön camları Temperlenmiş cam kırıldığında, geleneksel (tavlanmış) pencere camına göre birisini kesmeye daha az eğilimli birçok parçaya ayrılır Otomobil ön camları, sürücünün bu kırılma tipine maruz kalması halinde yaralanması nedeniyle temperlenmiş camdan yapılmaz Bunun yerine, geleneksel cam kullanılır; tok bir polimer tabakanın her iki yüzüne iki cam levhası sandviç şeklinde yerleştirilerek imal edilir Eğer bu tabakalı cam kırılırsa, cam parçacıkları polimer tabakanın üzerinde kalır ve ön cam, göreceli olarak şeffaf kalır Camdaki Bitirme İşlemleri İşlemler taşlama, parlatma ve kesmeden oluşur Cam tabakalar, yüzey hatalarını ve çizilmeleri gidermek ve her iki yüzeyi paralel hale getirmek için genellikle taşlanır ve parlatılır Ayrık kalıplara sıkıştırma ve üflemede, üründen dikiş izlerini (kalıp kapanma izlerini) uzaklaştırmak için sık sık kullanılır (rodaj) Sürekli boru ve levhaların daha küçük parçalara kesilmesi, bir cam kesici disk veya kesici elmas ile çizgi şeklinde çentik oluşturulması ve ardından bu çentik hattı boyunca kesiti kırma şeklinde yapılır 25 26 Diğer Bitirme İşlemleri Ürün Tasarım Prensipleri - I Belirli cam ürünler üzerinde gerçekleştirilen dekoratif ve yüzey işlemleri: Mekanik kesme ve parlatma işlemleri ve kum püskürtme Kimyasal dağlama (çoğu kez diğer kimyasallarla karışım halindeki hidroflorik asit) Kaplama (örn., ayna üretmek üzere levha camın alüminyum veya gümüş ile kaplanması) Cam saydamdır ve mühendislik malzemeleri arasında benzeri olmayan mükemmel optik özelliklere sahiptir Saydamlık, ışık geçirgenliği, büyültme ve benzer optik özellikler gereken uygulamalar için, cam hemen hemen en iyi seçimdir Belirli polimerler saydamdır ve tasarım koşullarına bağlı olarak rakip olabilirler 27 28
Ürün Tasarım Prensipleri - II Ürün Tasarım Prensipleri - III Cam, çekmeye oranla basmaya çok daha dayanıklıdır Parçalar, çekme gerilmesi yerine basmaya zorlanacak şekilde tasarlanmalıdır Cam gevrektir Cam parçalar kırılmasına neden olacak darbeli yükleme veya yüksek gerilmeler içeren uygulamalarda kullanılmamalıdır Belirli cam bileşimleri, çok düşük ısıl genleşme katsayılarına sahiptir ve ısıl şoklara dayanabilir Bu camlar bu karakteristiğin önemli olduğu uygulamalar için seçilmelidir Gerilme yığılma noktalarından kaçınmak için, dış kenar ve köşelerle iç köşeler büyük radyüslü tasarlanmalıdır Cam parçalarda dişler de olabilir Ancak dişler iri olmalıdır 29 30