VAKUM TORBALAMA YÖNTEMİ İLE KARBON FİBER PARÇA ÜRETİMİ İsmail DURGUN (1), Onur VATANSEVER (2) (1) TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa, Türkiye (2) Uludağ Üniversitesi Müh. ve Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. Bölümü, Bursa, Türkiye ismail.durgun@tofas.com.tr, onur_23002@hotmail.com ÖZET Vakum torbalama yöntemi ile otomotiv sektöründe kullanılan çok sayıda parça üretilmektedir. Bu yöntem seri imalat uygulamaları için uygun olmamak ile birlikte, az sayıda parça gerektiği durumlarda ekonomik bir yöntem olarak gözükmektedir. Vakum torbalama yöntemi ile kompozit parça üretim süreci uygulama açısından el yatırma yöntemindeki üretim sürecine benzemektedir. Kullanılan vakum sayesinde reçinenin lifler arasına daha iyi nüfuz etmesi sağlanır. Bu çalışmada otomotiv ürün geliştirme aşamasında ihtiyaç duyulan torpido üst parçasının karbon elyaf ve epoksi reçine kullanılarak vakum torbalama yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen parçanın optik ölçümü gerçekleştirilerek parçanın ölçüsel doğruluğu tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler : Vakum Torbalama, Karbon Fiber, Kompozit PRODUCING CARBON FIBER PARTS WITH VACUUM BAGGING PROCESS ABSTRACT Through vacuum bagging method, lots of components are produced which are used in automotive industry. This method is not suitable for mass production applications and it seems an economical method, if a small number of components are necessary. Vacuum bagging method is similar to hand lay-up method in terms of composite component manufacturing process. Using vacuum provides better resin penetration between the fibers. In this study, the upper part of the torpedo which is needed in terms of automotive product development, have been produced with using carbon fiber and epoxy resin. Dimensional accuracy of the produced component has been identified by performing the optical measurements. Keywords : Vacuum Bagging, Carbon Fiber, Composite 1. Giriş İstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan farklı iki veya daha fazla malzemeyi istenen özellikleri sağlayacak şekilde belirli şartlar ve oranlarda fiziksel olarak, makro yapıda bir araya getirilerek elde edilen malzemeye kompozit malzeme denir. Kompozit malzemeler teknolojiye çok erken zamanlarda girmiştir, saman "yapısal" özellikleri ilk inşaat malzemesi üretmek için kil matriks ile kombine edilmiştir. Günümüzde dünyada
sanayinin tüm dallarında polimer kompozitlerin kullanılması genişlemektedir ve önem kazanmıştır. Sonuç olarak, polimerik malzemelerin modern gelişimi ve yüksek modüllü lifleri (karbon, aramid) yeni nesil kompoziti tanıtmıştır. Genel olarak ise kompozit malzeme denildiğinde elyaf ile güçlendirilmiş plastik malzemeler anlaşılmaktadır. İç yapıları çıplak gözle incelendiğinde (makroskobik muayene) yapı bileşenlerinin seçilip ayırt edilmesi mümkündür. Yapılarında birden fazla sayıda fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro ölçüde homojen olmalarına rağmen mikro ölçüde (mikroskobik muayene ile seçilebilen) heterojen malzemelerdir [1]. İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başında geliştirilmesinin ardından, 1930'ların sonunda plastik malzemelerin özellikleri diğer malzeme çeşitleri ile boy ölçüşür düzeyde gelişmeye başlamıştır. Kolay biçim verilebilir olması, metallere oranla düşük yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı plastiğin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir. Bir çok üstün özelliğinin yanı sıra sertlik ve dayanıklılık özelliklerin düşük olması plastik malzemelerin güçlendirilmesi için çalışmalar yapılmasına neden olmuştur. Bu eksikliğin giderilmesi amacıyla 1950'lilerde polimer esaslı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Kompozitler, özellikle polimer kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık gibi özellikleriyle pek çok avantajlar sunarlar. Ayrıca kompozit malzemeler dayanıklılık ve sertlik yönünden metallerle yarışabilecek olmasına rağmen çok daha hafiftirler [2]. Kompozit malzemelerin otomotiv endüstrisinde kullanımı 1950'li yıllarda başlamistir ve hala devam etmektedir. Nanoteknoloji ve malzeme biliminin gelişmesiyle birlikte otomotiv sektöründeki alüminyum ve çelik gibi her zaman kullanılan malzemelerin yerine polimer kompozitler alternatif malzeme haline gelmiştir. Kolay bicim verilebilir olması, metallere oranla düşük yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı plastiğin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir. Bugünlerde, kompozit malzemelerin sayı ve hacim uygulamaları her alanda giderek büyümektedir [1]. Otomotiv Sanayisinde kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçaları, tamponlar, süspansiyon parçaları ve oto lastikleridir. 2. Vakum Torbalama Vakum torbalama yöntemi, atmosferik basıncı kullanarak lamine edilmiş parçanın kürleşene kadar basınç altında sıkıştırılmasıdır. Artık modern oda sıcaklığında kürleşebilen reçinelerin üretilmesiyle, bu yöntem eskisi gibi pahalı ve karışık ekipmanlara gerek duymadığından, ortalama bir kompozit malzeme üretim atölyesinde bile kullanılmaktadır. Vakumla torbalama yönteminde her türlü elyaf, reçine ve köpük kombinasyonundan oluşan malzemelerle kompozit ürünler elde edilebilir [3]. Vakum torbalama, fiberlerin sıkıştırılarak atmosfer basıncı altında şekillendirilmesi işlemidir. Üst üste yerleştirilen fiberler hava geçirmez bir düzenek içinde tutulur. Bu düzenek genelde bir tarafı kalıp yüzeyi diğer tarafı ise hava geçirmez naylon kaplamadan oluşur (Şekil 1). Naylon (Vakum Torbası), kalıbın üzerine yapıştırılarak torba içerisindeki
ortamın hava geçirmezliği sağlanır. Bu anda düzeneğin içindeki ve dışındaki hava basıncı birbirine eşittir. Sonra vakum pompası çalıştırılarak düzenek içindeki hava çekilir ve ortamın vakum altında kalması sağlanır. Ortamdaki hava basıncı düştüğünden, düzenek yüzeyinde dışarıdaki atmosferik basınçtan dolayı bir baskı oluşur. Düzenek içindeki ve dışındaki basınç değerlerinin farkı ise laminasyon yüzeyine uygulanan baskı kuvvetini tayin eder. Teorik olarak ortamda yaratılabilecek maksimum basınç 1 atm dir. Bu da düzenek içindeki tüm havanın alınması ile sağlanır. Fakat gerçekçi olarak baktığımızda basınç farkı yaklaşık olarak 0,4-0,8 bar dır [3]. Şekil 1: Vakum Torbalama Yönteminin Şematik Gösterimi [4] Vakum torbalama yöntemi ile parça üretimi; Üretilecek parçanın kalıbı hazırlanır Kalıp önce işlemlere ait atık ve kalıntılardan temizlenir Kalıp yüzeyine iki kat kalıp ayırıcı ince bir tabaka halinde sürülür Kalıp ayırıcı sürülmüş yüzeye bir kat jelkot sürülür Hazırlanan reçine karışımı ilk kat olarak kalıbın yüzeyine sürülür Elyaf kumaş reçine üzerine yatırılır ve üzerine fırça yadımı ile reçine sürülür. Bu işlem kaç kat takviye malzemesi varsa o kadar devam eder. Elyaf kumaşının üzerine pürüzlülük katmanı ve delikli naylon yerleştirilir. Delikli naylonun üzerine de hava çıkışını sağlayan ve fazla reçineyi tutmaya yarayan bir kumaş yerleştirilir. Kalıbın kenarlarına çift taraflı bantlar yapıştırılır. En son olarak da vakum torbası sistem hava almayacak şekilde bantların üzerine yerleştirilir. Vakum hortumları sisteme bağlanır.
Daha sonra bir vakum pompasından faydalanılarak vakumlama işlemi başlatılır ve reçinenin elyaf kumaş tarafından tamamen emilmesi sağlanır. Reçine emildikten sonra vakum kesilir ve parça kürleşmeye bırakılır. Parça kürleştikten sonra kalıptan çıkarılır. Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir: Avantajları El yatırma yöntemine göre daha yüksek bir fiber oranı elde edilebilir. El yatırma yöntemine göre daha az hava kabarcığı ve boşluklar meydana gelir. Vakum sayesinde reçinenin liflerin arasına nüfuz etmesi kolaylaşır ve basınç ile fazlalık reçine atılarak lif reçine oranının artması sağlanır. Bu sayede kompozit yapının kırılganlığı azalacaktır. Vakum torbası kapalı bir ortam oluşturarak sağlık açısından zararlı olabilecek uçucu maddelerin solunmasını ve emilimini azaltır. Vakum uygulaması sayesinde reçinenin bütün katmanlar arasında daha iyi yayılması sağlanmakta ve bu sayede daha homojen bir reçine dağılımı elde edilmektedir. Bu sayede sayısal ve analitik yöntemler yolu ile kompozit yapının mukavemeti daha doğru olarak hesaplanabilmektedir [4]. Vakum uygulaması sırasında katmanlar birbirleri üzerine basacaklarından, katmanların birbirleri ile olan birleşim mukavemeti daha güçlü olacaktır. Bir başka değişle katmanlar arası kesme mukavemeti artacaktır [4]. Dezavantajlar İlave işgücü ve tek kullanımlık malzemeler kullanılır, böylece üretim maliyeti artar. Özellikle küçük parçalarda vakum naylonu yerine birden fazla kez kullanılabilen vakum torbaları geliştirilmiş olsa da ilave maliyet gerekliliği sıfırlanamamıştır. Vakumlama işleminde tecrübeli ve kaliteli iş yapan kişilere ihtiyaç vardır. Vakum torbalama yöntemi tekne ve bot gövdelerinde, yarış araçlarının bazı parçalarının üretiminde, kompozit yapıların bakım ve onarımlarda yaygın olarak kullanılabilir. 3. Parça Üretimi Bu çalışmada proje doğrulama faaliyetleri için ihtiyaç duyulan ve Şekil 2 de verilen torpido üzeri eşya gözünün imalatı gerçekleştirilmiştir. Bu parçandan beklenti boyutsal olarak doğruluktur. Görsel bir beklenti yoktur.
Şekil 2. Torpido üzeri eşya gözü Öncelikle bu parçanın üretimi için kalıp yüzeyi geliştirilmiş ve poliüretan malzemeden kalıp imalatı yapılmıştır. Daha sonra yönteme ait işlem adımları izlenerek parça üretimi gerçekleştirilmiştir (Şekil 3). Parça üretiminde epoksi reçine ve 4 kat 200 gr/m 2 twill karbon elyaf kumaş kullanılmıştır.
Şekil 3 : Vakum Torbalama ile Parça İmalatı 5.Sonuçlar Üretilen parça ATOS marka 3D tarama cihazı ile taranmış ve Şekil 4 de verilen ölçüm sonucu bulunmuştur. Ölçüm sonucuna bakıldığında özellikle keskin kapalı köşelerde vakumlama işleminin iyileştirilmesi gerektiği görülmektedir. Parçadaki sapmalar istenilen beklentileri karşılayacak düzeydir. 6. Kaynaklar Şekil 4. Parça ölçüm raporu [1] Yılman, Ş.B., Erdin, E., 2011, Otomotiv Sektöründe Kullanılan Kompozit Malzemelerin Geri Dönüşüm Konusuna Genel Bir Bakış, I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu [2] Enşici, A., 2004, Polimer esaslı kompozit malzemeler ve ürün tasarımında kullanımları, ARGE Portal [3] West Systems, Vacuum Bagging Techniques, Gougeon Brothers, 1-31, Nisan 2010 [4] 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 [5] Genç, Ç., Cam Elyaf Takviyeli Plastiklerin Üretim Yöntemlerinin Deneysel Karşılaştırılması, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi