SÜREKLİ ELYAF TAKVİYELİ PA6 ve PP MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN YAPISAL OTOMOTİV KOMPONENT UYGULAMALARINDA İNCELENMESİ Umut YERLEŞEN Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, TÜRKİYE Samet ŞAHİN Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, TÜRKİYE Dr. Faruk Altan YILDIRIM Farplas Oto Yedek Parçaları İml. İth. Ve İhr. A.Ş., TÜRKİYE a.yildirim@farplas.com Prof. Dr. Mustafa ÖKSÜZ Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Müh. Bölümü, TÜRKİYE ÖZET Otomotiv sektöründe araç hafifletme amaçlı yürütülen çalışmalarda yapısal dayanım gerektiren araç komponentlerinde çelik yerine polimer kompozit malzemelerin kullanımı en güncel araştırma çalışmaları arasındadır. Sürekli elyaflı termoplastik kompozit malzemeler (SETK) plastik enjeksiyonda termoform ve çoklu kalıplama (overmolding) teknolojisi sayesinde hızlı üretim ve yüksek mekanik dayanım göstermektedir. Ayrıca geri dönüşümlü olmalarıyla da çelik komponentlerin yerini alabilecek özellikler göstermektedirler. Bu çalışmada, çoklu (insörtlü) kalıplama tekniği kullanılarak sürekli elyaf takviyeli polipropilen (PP) ve poliamid 6 (PA6) kompozit levhalar kullanılarak yapısal bir test parçası geliştirilmiştir. Test parçası kullanılarak farklı malzemelerin mekanik davranışları araştırılmıştır. Bu testlerle malzemelerin otomotiv kullanımına uygunluğu incelenmiş ve günümüzde otomotivde yapısal parçalarda kullanılan kısa cam elyafı takviyeli komponentlerle kıyaslanmıştır. SETK malzemeler kullanılarak geliştirilen test parçası 3 nokta eğme testlerinde, kısa cam elyafı ile güçlendirilmiş aynı tasarımlara göre çok daha sünek bir deformasyon davranışı, daha yüksek bükülme dayanımı, süneklik ve tokluk göstermiştir.
ABSTRACT In the automotive industry, research studies to reduce the weight of vehicles include replacing steel parts with polymer composite materials for structural use. Continuous fiber reinforced thermoplastics (CFRT) present a promising alternative to steel components since they can be produced in high volumes by the insert molding method and they are 100% recycling. In this study, a test part was designed and produced by using polypropylene (PP) and polyamide 6 (PA6) matrix continuous glass fiber reinforced materials by using insert molding. Mechanical properties of the test parts were investigated and compared to short fiber reinforced thermoplastics considering automotive application. MATERIAL AND METHOD: CFRT sheets and short-long fiber filled PP and PA6 materials were first analyzed for their mechanical properties. Insert molding method basically consists of these steps; cutting the sheets for the component shape, heating the laminates, thermoforming the laminates and back injection in the mold. Laminates of different thicknesses were produced using both PP and PA6 matrix sheets of 50% continuous glass fiber reinforcement. During the production of the test bars, heating times and temperatures, cooling rates, injection pressure and material filling were optimized. Test parts were investigated for toughness and strength properties by 3-point bending method. Test part design was selected as a composite U-profile filled with several ribs in the cross formation. This rib configuration supports mainly the torsional stiffness of the bar, as well as contributing to the longitudinal strength. Tests were conducted on 5 different types of bars prepared from two different matrix materials PP and PA6 with two different thicknesses. PA6 based composite bars were prepared in three different configurations: 1. 2 mm thick, 30% short GF reinforced complete injection molded 2. 2 mm thick, 47% continuous GF reinforced sheet + 30% short GF injection 3. 4 mm thick, 47% continuous GF reinforced sheet + 30% short GF injection PP based samples were tested in the following configuration: 1. 2 mm thick, 47% continuous GF reinforced sheet + 30% short GF injection 2. 4 mm thick, 47% continuous GF reinforced sheet + 30% short GF injection RESULTS and DISCUSSION Mechanical deformation behavior and properties of the bars depend both on the material and the thickness of the bars. Test results of the 3-point bending tests were examined under three different topics:
1. Deformation behavior of test part under 3-point bending test and effect of composite sheet thickness Deformation behavior of the samples depend on the part shape. First, an elastic deformation has formed and the load has reached a maximum, where limited areas of the part showed brittle cracking. Following the first load drop, the continuous fiber composite part showed a load plateu in the load-deformation curve that then ended at a certain point by failure of the part. 2. Difference between polyamide 6 and polypropylene based test part samples PA6 based composite test parts exhibited similar stiffness, 10-30% higher ultimate strength and 10-30% more toughness with respect to their PP counterparts. Deformation behaviour were similar as expected, since the plastic deformation behavior is dominated by the fiber content and their orientation. 3. Effect of short fiber and continuous fiber reinforcement Test parts that consist of CFRT laminates exhibited a much more ductile deformation behavior, with up to 4 times more strength, ductility and toughness with respect to their short fiber counterparts. The plateu-like plastic deformation behavior defined above was not observed in short fiber reinforced samples. Therefore this metallic like deformation behavior of CFRT composites brings a considerable advantage with respect to thermosetting and short fiber composites, when metal replacement is concerned. GİRİŞ Araç üreticileri, son yıllarda otomotiv sektöründen beklenen, düşük CO 2 salınımı ve yakıt tüketimi özelliğine sahip fakat kullanım sırasında yüksek performans sergileyen araçların üretilebilmesi için araç hafifletme çalışmaları kapsamındaki araştırmalarına hız vermişlerdir. Araçlar üzerinde bulunan metal bazlı parçaların toplam araç ağırlığı üzerindeki payının yüksek olması, otomotiv sektöründe en güncel Ar-Ge faaliyetlerinden olan araç hafifletme çalışmalarını mevcut durumda kullanılan metal malzemelere alternatif malzeme geliştirme çalıştırmalarına yönlendirmiştir. [1-3] Bu noktada, birçok akademik çalışmaya konu olan sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit malzemeler, sahip oldukları yüksek dayanım ve düşük yoğunluk avantajları ile otomotiv endüstrisinde yürütülen metal malzemelere alternatif malzeme olma konusunda ön plana çıkmaktadırlar. Termoplastik kompozit malzemelere uygulanan mekanik etki sırasında gözlemlenen, matris kırılması, matris-elyaf arası bağların kırılması, katmanlar arası kayma eğilimi ve elyaf kırılması adımlarının, metal malzemelere uygulanan mekanik etki sırasında gözlemlenen katlanma ve burulma adımlarına benzer mekanik davranış olması termoplastik SETK malzemelerin metal malzemelere alternatif olabileceğinin en iyi kanıtı olarak gösterilmektedir. [4-6]
Sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit levhaların (prepreg) şekillendirilmeleri, matris yapısının termoplastik yapıda olması nedeni ile otomotivdeki yüksek adetli üretime uygun olarak kısa çevrim sürelerinde gerçekleştirilebilmektedir. Bununla beraber, geri dönüşümlü olmaları ve termoset malzemeler için ihtiyaç duyulan özel depolama alanları gibi bölümlere ihtiyaç duymaması endüstriyel üretim açısından bu malzemeleri avantajlı kılan en önemli faktörlerdendir. [7] Termoplastik matrisli levhaların ısıl şekillendirme yöntemleri, SETK levhalara sadece kabuk yapısında bir form kazandırırken, oluşturulmak istenen parçanın detay yapıların oluşturulmasında yetersiz kalmaktadır. Bu noktada, plastik enjeksiyonda çoklu kalıplama tekniği (overmolding) kullanılarak geliştirilen parçalarda, termoplastik SETK malzemenin sahip olduğu yüksek mekanik dayanım ve enjeksiyonla üretim tekniği ile oluşturulabilen detaylı yapı avantajı bir arada sunmaktadır. [7,8] Çoklu kalıplama tekniği, tasarlanan parça boyutuna göre ölçülendirilmiş SETK levhanın ısıtılması, ısıtılan levhanın enjeksiyon kalıbı vasıtasıyla ön şekil verilmesi ve ardından üzerine enjeksiyon işlemi ile detay yapılarının eklenmesi adımlarını içeren bir süreçtir. [7, 9] Bu çalışmada, yapısal bir otomotiv komponentini simule eden bir prototip test barı parçası geliştirilmiş olup, geliştirilen parça çoklu kalıplama tekniği ile üretilmiştir (Şekil 1). Geliştirilen parçaların dış yüzeyini oluşturan PP ve PA SETK levhaların kalınlığı 2 mm ve 4 mm olarak seçilmiştir. Üretim sonrasında elde edilen numuneler üç nokta eğme testine tabi tutulmuş olup, yükün uygulanmaya başlaması ve kırılma anına kadar gösterdiği davranışlar incelenmiştir. Tasarlanan parça U-profil şekline formlanan kompozit levha ile plastik enjeksiyon ile eklenen X formundaki, parçaya torsiyonal rijitlik sağlayan feder yapılarından oluşmaktadır. a) b) c) Şekil 1: Şematik test parçası tasarımı a) Enjeksiyon ile eklenecek yapı b) Formlanacak levha tasarımı c) Levha + enjeksiyon işlemi gerçekleştirilecek tümleşik yapı
MATERYAL ve METOT Çalışmada, Kompozit malzeme olarak Lanxess firması ürünü TEPEX, hacimce sürekli cam elyafı takviyesi %47 oranında olan 104-RG600(x) (PP) ve sürekli cam elyafı takviyesi % 47 oranında olan 102-RG600(x) (PA6) levhalar kullanılmıştır. Kullanılan levhalarda sürekli cam elyafı takviyesi 2x2 twill dokuma şeklindedir. Kabuk şeklinde formlanmış SETK levha üzerine plastik enjeksiyon fazı ile eklenecek olan ek kaburga yapılarında ise Lanxess firmasının Durethan %30 kısa cam elyaflı PA6 enjeksiyon granülü ve Sabic firmasının %30 oranında kısa cam elyaflı PP enjeksiyon granülü kullanılmıştır. Test barı numunelerinin üretiminde Krauss Maffei firmasının infrared ısıtma, termoform ve enjeksiyon prosesini tam otomasyonla seri olarak gerçekleştiren özel üretim hattı kullanılmıştır. Üretim sırasında numunenin kalitesini yakından etkileyen ısıtma süresi, ısıtılmış levhanın kalıba transfer süresi ve plastik enjeksiyon basıncı parametreleri optimize edilen proses parametreleri arasında öne çıkmaktadır. Çoklu kalıplama prosesi ile üretimi gerçekleştirilen numuneler ve adlandırmaları Tablo 1 de sunulmuştur. Tablo 1: Çoklu kalıplama prosesi ile elde edilen numuneler ve adlandırmaları Numune Yapısı Kısaltma Adı 4 mm PP SETK levha + enjeksiyon PP-4 4 mm PA6 SETK levha + enjeksiyon PA6-4 2 mm PP SETK levha + enjeksiyon PP-2 2 mm PP SETK levha + enjeksiyon PA6-2 4 mm kalınlıkta PA6 %30 kısa cam elyaflı enjeksiyon PAE-4 Çoklu kalıplama prosesi ile üretilen numunelerin mekanik özelliklerinin tespiti amacı ile üç nokta eğme testleri uygulanmıştır. Eğme testleri Dartec 600 kn kapasiteli üniversal test cihazında gerçekleştirilmiştir. Üretilen 330 mm boyundaki test parçalarına, deneyler sırasında alt destekler arası mesafe 280 mm olarak seçilerek kuvvet uygulanmış, test hızı ise 10 mm/dk olarak alınmıştır. Şekil 2: Test barı parçalarına uygulanan üç nokta eğme testi ve düzeneği
Eğme Kuvveti (kn) Eğme Kuvveti (kn) BULGULAR 2 ve 4 mm lik PP ve PA6 SETK levha kullanılarak üretimi gerçekleştirilen test barı numuneleri üzerinde gerçekleştirilen üç nokta eğme deneyleri sonrasında, elde edilen grafikler Şekil 3 de sunulmuştur. PP-2 test barı parçalarının maksimum eğilme dayanımı (F x ) 5,94 kn olarak iken, PA6-2 test barı parçalarının F x değeri 7,54 kn olarak gözlemlenmiştir. PP-4 test barı parçalarının F x değeri 12 kn iken, PA6-4 test barı parçalarının F x değeri 13,1 kn olduğu tespit edilmiştir. Üç nokta eğme testleri sonrasında elde edilen bulgulardan, PA6 matrisli SETK levha kullanılarak üretimi gerçekleştirilen test barı parçalarının uygulanan eğilme kuvvetine karşı daha fazla eğme dayanımı göstermiştir. 6 5,94 7,54 PA6-2 PP2 14 12 12 13,1 PA6-4 PP4 10 4 8 6 2 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Sehim ( Eğilme ) ( mm ) Sehim ( Eğilme ) ( mm ) Şekil 3 Solda 2 ve sağda 4 mm lik SETK levha ile farklı malzemelerden üretilmiş test barı numunelerinin (PP-4 ve PA6-4) eğme testi sonuçları Uygulanan eğme sonrasında elde edilen kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) incelemesine tabi tutulmuştur. Yapılan incelemeler sırasında elde edilen görüntüler Şekil 4 te sunulmuştur. Polimer Matris Cam Elyafı Yük Yönüne Dik Olan Elyaflar Şekil 4: Kırık yüzeylerden alınan SEM görüntüleri
Kuvvet Ekseni ( kn) Kuvvet Ekseni ( kn) SEM incelemelerinde kırılma sonrası matris-cam elyaf ara yüzey detayları incelendiğinde elyaf-matris bağlantısının deformasyon sonrasında bile oldukça güçlü olduğu görülmektedir. Sağdaki şekilde de yükün etki ettiği kompozit levhaya ait kırılma yüzeyi SEM görüntüsü görülmektedir. Yapılan incelemeler sonucunda eğme yönüne dik yönde oluşan çekme geriliminin etkisi ile elyafların kopmaya maruz kaldığı, eğme yönüne paralel olan elyafların ise basma gerilimine maruz kalarak kopmadığı gözlemlenmiştir. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 1. Test Barı Parçalarının Mekanik Deformasyon Davranışları PP ve PA6 levha kullanılarak üretilen test barları yük altında ani bir kırılma davranışı göstermemiş olup, uygulanan yükü metal malzemelere benzer şekilde deforme olarak karşılamışlardır. Şekil 5 de PA6-2 ve PA6-4 numunelerinin üç nokta eğme testlerinde elde edilen grafikler üzerinde kritik noktalar belirlenmiş ve incelenmiştir. Bu noktalar, maksimum eğme dayanımı, maksimum eğme dayanımına ulaşılan sehim değeri (B), kırılma dayanımı (C) ve toplam sehim miktarı (D) olarak seçilmiştir. PA6-2 ve PA6-4 numunelerinin belirlenen noktalardaki değerleri Tablo 2 ve Tablo 3 te sunulmuştur. Bütün test değerleri incelendiğinde test barı parçaları üretiminin seri üretim prosesinde tekrarlanabilirliğin ve test yönteminin hassaslığının yüksek olduğu görülmektedir. A A C PA2 A C PA4 B D Sehim ( Eğilme ) Ekseni ( mm) B D Sehim ( Eğilme ) Ekseni ( mm) Şekil 5: PA6-2 ve PA6-4 numunelerinin grafikleri üzerinde incelenen değerler
PA6-2 Tablo 2: PA6-2 Numunelerine ait eğme testi verileri F max (kn) (A) Fmax @ Sehim (mm) (B) F son Kırılma (kn) (C) Toplam Sehim Miktarı (mm) (D) Plastik Deformasyon (D-B) 1.Numune 6,9 5,7 5,1 14,8 9,1 2.Numune 7,1 5,4 5,3 17,5 12,2 3.Numune 6,1 5,1 4,8 17,1 12,2 4.Numune 7,5 6,2 5,5 15,7 10,2 5.Numune 8,8 6,2 4,8 15,4 10,6 6.Numune 7,5 4,5 5,3 15,1 9,8 7.Numune 7,8 7,8 4,6 13,3 8,7 8.Numune 8,4 5,8 5,3 14,9 9,6 Std. Sapma 0,8 0,9 0,3 1,3 1,3 PA6-4 Tablo 3: PA6-4 Numunelerine ait eğme testi verileri F max (kn) (A) Fmax @ Sehim (mm) (B) F son Kırılma (kn) (C) Top. Sehim Miktarı (mm) (D) Plastik Deformasyon (D-B) 1.Numune 13 5,5 11,4 11,2 10,5 2.Numune 13,1 4,1 10,1 14,2 10,1 3.Numune 12,1 4,7 10,9 15,4 10,7 4.Numune 13,2 4,8 11,7 14,6 9,8 5.Numune 13,5 4,3 11 14,4 10,1 6.Numune 12,3 4,6 11,2 14,6 10,0 7.Numune 13,4 4,1 9,3 16,5 12,4 8.Numune 12,8 4,5 10,7 14,8 10,3 Std. Sapma 0,5 0,45 0,76 1,5 0,8 Tablo 2 ve 3 te sunulan veriler incelendiğinde, test barı üretiminde kullanılan levha kalınlığının artması ile maksimum üç nokta eğme dayanımı (A) ile beraber son kırılma anındaki eğme dayanımını (C) arttırmıştır. Buna karşılık, levha kalınlığının artması maksimum yüke denk gelen sehim miktarı ile kırılma noktası arasındaki deformasyon miktarında düşüşe neden olmuştur. Genel olarak, test barı üretiminde levha kalınlığının artması eğme dayanımlarını arttırmaktadır. 2. PP ve PA6 Levha Kullanılarak Üretilen Test Barı Numunelerinin Mekanik Deformasyon Davranışların Kıyaslanması PP matrisli levha kullanılarak üretimi gerçekleştirilen test barı numuneleri PA6 matrisli levha kullanılarak üretimi gerçekleştirilen test barı numunelerine göre daha düşük eğme dayanımı göstermiştir. Uygulanan eğme kuvvetine karşılık, PA6-2 test
Eğme Kuvveti ( kn ) barı numuneleri PP-2 test barı numunelerine oranla daha az toplam sehim miktarı gösterirken, PA6-4 test barı numuneleri ve PP-4 test numunelerinin toplam sehim miktarı olarak birbirine yakın olduğu gözlemlenmiştir. 3. Elyaf Uzunluğunun Mekanik Deformasyon Davranışı Üzerindeki Etkisi Deney sonucunda elde edilen bulgular Şekil 6 da sunulmuştur. Kıyaslama çalışması PA6-4 ve PAE-4 tipi test barı numuneleri ile gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda PA6-4 test barı numuneleri ortalama 13,1 kn eğme dayanımı gösterirken plastik enjeksiyon ile üretilen PAE-4 test barı numuneleri 3,8 kn eğme dayanımı göstermiştir. Ayrıca grafiklerin altında kalan alanın da deformasyon enerjisini (E def = F. l) verdiği düşünüldüğünde sürekli elyaflı kompozitlerin tokluk konusundaki avantajları da görülmektedir. PA6-4 14 13,1 PAE4 12 10 8 6 4 3,8 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Sehim ( Eğilme ) ( mm ) Şekil 6: PA6-4 ve PAE-4 test barı numunelerinin eğme testi sonuçları PA6 matrisli levha kullanılarak üretilen numaralı test barı uygulanan eğme kuvvetini, 4-15 mm arasında plastik deforme olarak karşıladığı gözlemlenirken, plastik enjeksiyon tekniği ile üretilen test barı numunelerinin ise ani bir kırılma davranışı gösterdiği gözlemlenmiştir. Kompozit levha kullanılarak üretilen test barı numunelerinde, kısa cam elyaflı malzeme ile üretilen test barı numunelerine göre, yükün ilk uygulanma anı ile kırılma arasındaki toplam eğme uzaması miktarında 2 kat artış, eğme dayanımında ise açısından ise 3 kat artış gözlemlenmiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Marmara Üniversitesi ve Farplas A.Ş. ortaklığında yürütülen 00940.STZ.2011-2 numaralı San-Tez projesi kapsamında desteklenmiştir. Çalışmayı destekleyen T.C. Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı na teşekkürlerimizi sunarız.
REFERANSLAR [1] G.C. Jacob, J.F.Ellers, S.Simunovic, J.M.Starbuck, (2002) Energy Absorption in Polymer Composite Materials for Automotive Crashworthiness, Journal of Composite Materials, 813-850. [2] Q. H. Ma, C. Y. Zhang, S. Y. Han, Z. T. Qin, (2013) Research on the Crash Safety of the Car Bumper Base on the Different Standards, International Journal of Security and Its Applications, Vol.7, No.6, 147-154. [3] Bhavesh A. Bohra, B.Pawar, (2014) Comparative Analysis of Frontal Car Bumper During İmpact, Volume 3, Issue 12. [4] Wedgewood, A., Granowicz, P., Zhang, Z., (2014) "Multi-Scale Modeling of an Injection Over-Molded Woven Fabric Composite Beam", SAE Technical Paper 2014-01-0961. [5] J.Kuppinger, (2013) Developing an Automation Process to Reduce the Labour Cost of Producing Composites Global Automotive Lightweight Materials, London. [6] R. Holschuh1, P. Mitschang1, R. Schledjewski, (2009) Controlled Influence of Component Properties Using Hybrid Techniques by Combining Diffrent Lightweight Structures, 18th International Conference on Composite Materials. [7] D. Bonefeld, C. Obermann, (2012), A Hybrid Technique For Serial Production of 3D Parts of Continious Fiber Reinforced Thermoplastics, ECCM15-15TH European Conferance On Composite Materials, Venice. [8] M.Fiorotto, G. Lucchetta, (2013), Experimental İnvestigation of a New Hybrid Molding Process to Manufacture High-Performance Composites International Journal of Material Forming, 6(1):179-185, Padova. [9] A.Jäschke, U. Dajek, (2004), Dachrahmen in Hybridbauweise, Sonderdruck aus VDI-Tagungsband Nr. 4260 S. 25-45 VDI Verlag GmbH, Düsseldorf.