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 kompozitlerinüretim yöntemleri

Termoplastik kompozitlerinüretim 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 (Autoclaveprocess)•Diğer Yöntemler ( SCRIMP, RIFT, VARTM…)

•Enjeksiyon kalıplama•Blow molding ?

•Termal şekillendirme•Bant sarma•Presli Kalıplama (CompressionMoulding)•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

3) De-moulding

2) Resin Cure

1) Spray-up

Chopper Roving

Atomised resinand catalyst

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 üretimUygulanması basitKarmaşık yapılı parçaların imal edilmesine uygun

DezavantajlarElde edilen üründe reçine oranı yüksek (ağır bir yapı)

Kısa liflerden dolayı sınırlı Mekanik özelliklerYüksek styrene içeriği (sağlık açısından zararlı). havaya karışan Styrene konsantrasyonunu yasal sınırlarda tutmak zordur. Düşük viskozite nedeni ile spreyleme esnasındaaçığa 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 ofDry Reinforcement

2) Resin Wetting

3) Repeated Application of Layers

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:AvantajlarıÖğrenilmesi ve uygulanması çok kolayÖzellikle oda sıcaklığında pişen reçinelerin kullanımında düşük maliyetYönteme uygun malzeme temini çok kolaydırSpreyleme’ ye oranla daha fazla fiber yoğunluğu ve sürekli (uzun) lif kullanımıDezavantajlarYöntem laminasyonu (tabakalama) yapan kişinin el becerisine çok bağlıdırYüksek “Fiber Hacimsel Yoğunluğu” na ulaşmak çok zordur. Reçine oranı düşük tutulmak istendiğinde yüksek oranda hava boşlukları ve ıslanmayan bölgeler meydana gelebilirBu 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) sarılır3. 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 basınçlıkapların 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 sarılıolan sürekli lifler kullanılır. Kumaşşeklindeki elyaflar kullanılmaz.

Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir:Avantajları

Malzeme sarımı hızlı ve ekonomik bir yöntemdirReçine oranı “hand lay-up” yöntemine göre daha iyi kontrol edilebilirBobine sarılı lifler ikinci bir işlemden geçip kumaş haline getirilmediği için maliyet minimize edilmiş olurHer katmanda farklı yönlerde sarım yapma imkanı olacağı için değişik yüklemeler yapı tarafından karşılanabilir

DezavantajlarUygulama sahası konveks şekle sahip parçalar ile sınırlıdırBüyük parçalar için sarımın yapılacağı mandreller pahalı olabilirDüzgün bir dış yüzey elde etmek için parçanın pişme sonrası işlenmesi gerekebilirDüşük viskoziteye sahip reçineler genellikle üretimde kullanılır. Bu da çeşitli sağlık sorunları ve mekanik özeliklerde düşüşü beraberinde getirir.

Uygulama Alanları:Kimyasal depolama tanklarıBorularGaz silindirleriİtfayecilerin 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.

Dezavantajlarİlave 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 macunlarıkullanılarak 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 dikilmişelyaf 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 kompozitparçaların üretiminde kullanılan bir yöntemdir. İşlem basamaklarışu 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 dağıtıcıfilmler 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.

VacuumResin

Resin flow direction

Fabric

Resin distribution mediumRelease film

Release filmPeel ply

Peel ply

Breather

Vacuum bag

Sealant tapeLiquid release agent

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, uncontaminated surface for subsequent bonding or painting

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) PreformCompression

5) De-moulding3) Resin Injection

4) Resin Cure

Reçine vizkositesi elyafları ıslatıp aralarına sızacak kadar düşük olmalıYüksek sıcaklıkta hızlı sertleşmeli, minkalıplama süresi (Plyester, 1-3 dk)Soğuma sırasında minimum çarpılma olmalıKalıptan kolay çıkmalıTakviye malzemelerindeki organik bağlayıcılar reçinede çözünmemeliBu yöntemle karmaşik parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle üretilir.

FPress FPress

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.

F F

Temel Avantajlar:Üretim hızı yüksekFiber reçine oranı ve boşluk miktarı mükemmel kontrol edilebilir. Böylece, fiber oranıyüksek, hava boşluğu düşük ürünler elde edilebilir.Karmaşık şekilli parçaların boyut/tolerans ayarı çok iyiTüm parçalar aynı kalitedeKapalı ortamda üretim yapıldığı için sağlık ve güvenlik açısından avantajlıBazı 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 yokDaima bir fırına ve vakumlu torbalamaya ihtiyaç vardırKalıpların ve kullanılan malzemelerin reçine filmi işlem sıcaklığına (60-100 °C) dayanabilmesi gerekirÇekirdek 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 torbalamasıyapılır. 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 (curecycle) 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 değerlerioluşturulabilir.

Sıcaklık için ise fırın içerisinde “fişekısıtıcılar/rezistanslar” (Cartridge heaters)kullanılır. Ayrıca içeriye basılan hava veya azotgazı da bir miktar ısıtılarak verilebilir. Basınç veSıcaklık otomatik kontrollü olarak gerçekleştirilir.

Avantajlar:Yüksek dayanım/ağırlık oranıYüksek fiber hacimsel yoğunluğuBasınçlı pişme ve düşük boşluklu (hava kabarcığı gibi) ürünlerBüyük bir parçayı veya aynı anda birçok küçük parçayı üretebilme imkanıBasınç 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 esaslıürünler,….

Sıcak Presleme (Hot Presstechnique)