El Yatırma Yöntemi İle Kompozit Parça Üretimi İsmail Durgun TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa / Türkiye ismail.durgun@tofas.com.tr Öz-Son yıllarda elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretimi 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 yüksek mukavemet, hafiflik, tasarım esnekliği, boyutsal stabilite, yüksek dielektrik direnimi, korozyon dayanımı, üretim maliyeti, yüzey uygulamaları, düşük yatırım avantajları nedeni ile artmaktadır. Kompozit malzemeden yapısal sistemlerin üretilmesi için çok çeşitli üretim metotları mevcuttur. Bu üretim metotlarından bazıları ciddi alt yapı maliyeti gerektirmektedir. Ancak, bazı kompozit üretim metotları ise az bir alt yapı maliyeti ile kolaylıkla uygulanabilir hale getirilebilmektedir. El yatırma yöntemi de bunlardan birisidir. Bu çalışmada, otomobil üretim fabrikasında kullanılan kompozit aparatlar hakkında bilgi verilmiş ve ürün geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan prototip 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 I. 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]. El yatırma yöntemi de bunlardan birisidir. Otomobil üzerine takılan parçaların el yatırma yöntemi ile imal edilmemektedir. Fakat otomobil fabrikaları üretim hatlarında gerek çizik önleme (Şekil 1-2) gerek montaj parçalarının pozisyonlanması (Şekil 3) ve gerekse de gövde üretim hatlarında punta kaynak pozisyonlama (Şekil 4) gibi bir çok kullanım alanı vardır. Şekil 1. Radyo montaj çizik koruyucusu 283
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 2. Far traversi çizik koruyucusu Şekil 3. Etiket ve sigla pozisyonlama aparatları Bu çalışmada, 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. Şekil 5. El Yatırma Prosesi El yatırma yönteminde en çok tercih edilen kalıplar dişi kalıplardır (Şekil 6). Pürüzsüz olarak elde edilmek istenen yüzeye göre kalıp seçimi yapılır. Kalıp yüzeyi ile temasta olan yüzey pürüzsüz olan yüzey olacaktır. Şekil 6. Dişi ve erkek kalıplar Şekil 4. Punta kaynak pozisyonlama aparatları II. EL YATIRMA YÖNTEMİ 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 5). Parçanın şekli kalıbın şekli tarafından tayin edilir ve kalıp yüzeyi tipik olarak parçanın dış yüzeyiyle temas halindedir. Kullanılacak kalıp düz bir levha olabileceği gibi sonsuz kenarlardan ve eğrilerden de oluşabilir. İlk olarak kalıp ayırıcı cam lifli parçanın kalıba yapışmasını engellemek için uygulanır. Sonra renklendirilmiş bir reçine olan jelkot yani yüzey kaplama reçinesi parçaya renk vermek için kalıba uygulanır. Daha sonra cam lifi ve polyester reçine, hızlandırıcı tabakalar halinde uygulanır ve bu tabakalar reçineyi homojen şekilde yaymak ve air ceplerini yok etmek için merdanelerle preslenir. Çok katmanlı cam lifi ve reçine istenen kalınlık elde edilinceye kadar yataklanır. Reçineler kumaşlara kat kat sürüldüğü gibi kumaşın özelliklerine bağlı 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 bulunmamalı 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. _ 284
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. Kalıp tasarımı, diğer üretim yöntemleri ile karşılaştırıldığında çok basittir. Çelik, tahta, cam takviyeli plastik ve diğer maddeler kalıp malzemesi olarak kullanılabilir. Yöntemin dezavantajları; 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 Elyaf dağılımı düzensiz olduğundan elde edilen parça kalitesi düşüktür Elde edilen parçalarda kalınlık değişimleri vardır Tek yüzü düzgün ürün eldilir İşgücü ağırlıklı bir üretimdir El yatırma yönteminin rüzgar türbin kanatları, plakalar, tekne, yat gövdeleri, küvet, sıvı tank üretimleri, mimari amaçlı kalıplama gibi çok fazla kullanım alanı vardır. III. OTOMOTİV ÜRÜN GELİŞTİRME SÜRECİNDEKİ KULLANIM Şekil 7. El yatırma proses aşamaları 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 Otomobil ürün geliştirme sürecinde önemli bir yere sahip olan prototip araç imalatında araçlar üzerinde mümkün olduğunca yeni olan 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. Bunun dışındaki plastik parçalar mevcut üretilen modellerden alınarak gerekirse kesbiç şeklinde modiflenerek prototip araçlar üzerinde kullanılırlar. IV. PARÇA ÜRETİMİ Öncelikle üretilmesi istenilen tampon modeli kullanılarak bir kalıp projelendirilmesi yapılır. Bu tür projelendirmelerde 285
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 (Şekil 8). Kalıpta daha sonradan delinecek delikler ve referanslama yapılacak bölgeler için kalıp üzerinde izler oluşturulmuştur. Şekil 10. 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 11). Şekil 8. 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 (Şekil 9). Şekil 9. Ön tampon üretim kalıbı Bu çalışmada ilk katta 450 gr/m2 ve ikinci katta 300 gr/m2 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 10). Şekil 11: 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. _ 286
SONUÇ Üretilen ön tamponun testler için uygun olup olmayacağının kontrolü için araç üzerine bağlandıktan sonra ATOS 3D tarama cihazı ile ölçüm işlemi gerçekleştirilmiştir. Şekil 12 de verilen ölçüm raporunda verilen sapmalar prototip araçlarında bu tamponun kullanımı için uygundur. Şekil 12 den de görülebileceği gibi sapmaların büyük bir çoğunluğu +/- 1 mm içerisindedir. Şekil 13. Maliyet karşılaştırması. 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. KAYNAKLAR Şekil 12: Ön tampon ölçüm raporu Prototip araç üretimi için el yatırma yöntemi yerine prototip enjeksiyon kalıp kullanarak üretim yapılabilir. Fakat şekil 13 de görülebileceği gibi bir adet tampon üretimi için el yatırma yöntemi %94,4 daha ekonomik bir sonuç vermiştir. Yine grafikte görülebileceği gibi 190 adet üretime kadar el yatırma yöntemi ekonomikliğini sürdürmektedir. Bu örnek için eğer ihtiyaç miktarı 190 adetten yüksek ise prototip enjeksiyon kalıp tercih edilmelidir. [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: 17-30 [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.8-113 [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 287