Elektrikli Otomobilde Kompozit Levha Kullanımı

29.03.2018

Kompozit malzemeler makroskobik olarak iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile imal edilen bir malzeme türüdür. Kompozit malzemeler sahip oldukları özellikler sayesinde günümüzde birçok sektörde kullanılmaktadır. Polimer kompozit levhalar sadece çeşitli çekirdek malzemelerinin kullanılmasıyla üretilen sandviç yapılar şeklinde değil, sadece lif ve matris malzeme bileşiminden oluşan tabakalı yapılar şeklinde de kullanılabilmektedir. Bu makalede, Solaris Güneş Arabaları Ekibi’nin elektrikli taşıtı Demobil 09’un aerodinamik yapısının geliştirilmesi amacıyla vakum destekli reçine infüzyon üretim (VARTM) yöntemiyle üretilmiş olan jant kapaklarının tasarımı ve üretilmesi ile bu parçaların aerodinamik yapıya etkisi gerek deneysel gerekse sonlu elemanlar metoduyla yapılan analizler ile incelenmiştir. Bu çalışmada, kompozit levha üretiminde kullanılan vakum destekli reçine infüzyon ve el yatırma yöntemleri ile üretilen ürünlerin yüzey kalitesi, mukavemet yapısı, fiber-matris oranı, fiber- matris ara yüzeyindeki yapışma kabiliyeti ve aerodinamik yapıya katkısı incelenmiştir.

2. Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Döküm Yöntemi ve Demobil ‘09 Taşıtı

Vakum infüzyon yöntemi kompozit yapıdaki matrisi oluşturan reçinenin, vakumlanmış ortam içerisinde ilerlemesi esasıyla çalışan bir yöntemdir. Bu yöntemin kullanılmasındaki temel amaç üretim hazırlıkları tamamlandıktan sonra el değmeden ürünün alınmasıdır. Kompozit üretiminde vakum infüzyon yönteminin kullanılmasının diğer üretim yöntemlerine göre bazı avantajları vardır. Bu avantajları şu şekilde sıralayabiliriz: • El yatırma yöntemindeki reçine/elyaf karışım oranı, infüzyon yönteminde tam tersine dönüp daha az miktarda reçine kullanımıyla birlikte malzeme yapısının daha sağlam olmasına ve malzemenin uzunömürlü kullanımına olanak sağlamıştır. • Kişisel etmenlere bağlı olarak kararsız malzeme tüketiminin önüne geçilmektedir. Malzemenin görünümünde ve yapısında homojenlik sağlar. Örneğin, reçine kullanımı sırasında vakum infüzyon yöntemi sayesinde insan eli değmeden reçine ürünün her noktasına homojen dağılmaktadır. • Vakum torbası sayesinde üzeri kapatılmış olan elyaf katlarına reçine ilavesi sarmal borular yardımıyla gerçekleştirilir bu sayede çevreye reçine bulaşması engellenir. Aynı zamanda, reçinenin ve tepkime sonucunda oluşan gazların da etrafa yayılması engellenmiş olur. Demobil ‘09 taşıtı, üretimi Solaris Ekibi tarafından 2017 yılında gerçekleştirilen dört tekerlekli, iki kişilik şasi ve gövdesi karbon lifli kumaş destekli polimer kompozit yapıya sahip ekibin tasarladığı ürettiği dokuzuncu elektrikli taşıttır (Bknz. Şekil 1). Jantiçi bir elektrik motoruyla sol arka tekerlekten tahrikli olan Demobil’09, 5 [kWh] kapasiteli bir LiIon batarya paketine sahiptir.

(a) Taşıta ait CFD analizlerinden bir görüntü,

(a) Taşıta ait CFD analizlerinden bir görüntü, Şekil 1. Demobil ‘09 Taşıtı

2.1 Hazırlık Süreci

Vakum destekli reçine infüzyon döküm yöntemi ile üretim işlemine başlamadan önce hazırlık süreci ürünün yapısı için önemli bir etmendir. Hazırlık sürecinin aşamalarını şu şekilde sıralayabiliriz: •Kalıp malzemesi seçimi ve üretim süreci: Uygun kalıp malzemesi kalıptan kaç kez ürün alınacağına bağlı olarak ve kalıbın üretim maliyeti göz önüne alınarak seçilmiştir. Jant kapağı üretimi için 25 [kg/m3] yoğunluğa sahip strafor seçilmiştir. 25 [kg/m3] yoğunluğa sahip strafor seçiminin nedeni ise, istenilen yüzey pürüzlülüğüne sahip üretimi mümkün kılmasına göre düşük üretim ve malzeme maliyetine sahip olmasıdır. Üretim işleminin üzerinde yapılacağı kalıp istenilen şekil ve hassasiyette CNC veya torna tezgâhları sayesinde işlenilir. •Kalıp yüzey iyileştirmesi: Vakum destekli reçine infüzyon döküm yöntemi ile yapılan kompozit üretiminde kalıbın tamamen temiz ve mümkün olduğunca pürüzsüz olması gerekmektedir. Bu sebeple kalıp yüzeyinin istenilen kaliteye ulaşması amacıyla iki kat jelkot uygulaması yapılabilir. •Kalıp Ayırıcı Film: Ürünü kalıptan zarar vermeden ayırabilmek amacıyla uygun ölçülere sahip kalıp ayırıcı film kalıba yerleştirilmesi gereklidir. •Karbon Lifli Kumaş Yerleşimi: Tablo 1’de özellikleri belirtilen karbon lifli kumaş uygun ölçülere getirilerek kalıp yüzeyine yerleştirilir. Referans yüklerimiz doğrultusunda iki kat karbon lifli kumaş kullanımı uygun görülmüştür. Şekil 2’de görüldüğü gibi analiz sonucunda 0.0002507 [mm] yer değiştirme tespit edilmiştir. Kompozit

Tablo 1. Kullanılan Dowaksa 200 [gr/m2] 3K-Plain karbon fiber kumaşının teknik özellikleri

Şekil 2. İki kat karbon fiber kullanımı sonucunda meydana gelen yer değiştirme miktarı ve yoğunluğu

•Soyma Kumaşı: Karbon lifli kumaş üzerine filenin rahat sökülmesini sağlayan soyma kumaşı yerleştirilir. •Reçine akış şeması tasarımı: Üretilecek parçanın şekline ve zorluğuna göre akış şeması tasarlanır. Reçine akışının ürünün her noktasına homojen yayılması için akış şeması Şekil 3’teki gibi tasarlanmıştır. Bu şema doğrultusunda sarmal borular ve t bağlantıları Şekil 5’teki gibi konumlandırılmıştır. Kompozit

Şekil 3. Akış şeması

• Vakum torbası yerleşimi: Kalıbın sınırlarına vakum torbasını hava almayacak şekilde sabitlemek için çift taraflı bantlar yerleştirilir. Vakum torbası kalıbın iç yüzeyindeki boşluk hesap edilerek kesilir ve çift taraflı bantlara hava almayacak şekilde yapıştırılır. • Reçine: Kalıp üzerinde bulunan iki T bağlantısından vakum cihazına bağlanır. Bağlantıların bir tarafından kalıba reçine aktarımı sağlanılır, diğer T bağlantısı ise vakum tankına bağlanılır. Bu üretim düzeneği Şekil 3’te gösterilmiştir. Kullanılan reçine özellikleri Tablo 2’de gösterilmiştir. Vakum tankı kullanımı, sadece vakumun dengelenmesi ya da paralel yollara ayrılması için değil, aynı zamanda kalıpta kullanılan reçinenin fazlasının vakum pompasına ulaşmasına engel olmak içindir. Kompozit

Şekil 4. Vakum infüzyon üretim düzeneği

Tablo 2. Corepox MEL-2203/MEH-2970-3 Epoksi Reçinesi Teknik Özellikleri

• Vakum destekli reçine infüzyon döküm düzeneğinde kullanılan malzemelerin temel dizilimi Şekil 5’te gösterilmiştir Vakum infüzyon

Şekil 5. Vakum infüzyon üretim yönteminde malzeme dizilimi

2.2 Üretim ve Analizler

Bu makalede vakum infüzyon ve el yatırma teknikleri arasındaki farklar gözlenmiş ve Tablo 3’teki sonuçlara ulaşılmıştır.

Tablo 3. Vakum infüzyon ve el yatırma üretim tipleri sonucu oluşan farklılıklar

Şekil 6. Vakum infüzyon ve el yatırma yöntemleriyle üretilen jant kapaklarının yüzey kaliteleri

Aerodinamik tasarım özellikle elektrikli otomobiller için önemli bir tasarım unsurudur. Yapılan analizler sonucunda hareket halindeki bir otomobile etki eden aerodinamik sürükleme kuvvetinin hesabı aşağıdaki gibidir. Kompozit

Denklemde bulunan ρ havanın yoğunluğunu, A otomobilin ön kesit alanını, V hızını ve C_drag otomobilin sürükleme katsayısını temsil etmektedir. Denklem incelendiğinde otomobile etki eden aerodinamik sürükleme kuvveti hızın karesiyle arttığı gözlemlenmiştir. Aerodinamik sürükleme kuvvetinin otomobil tarafından yenilmesi için harcanan güç hesabı ise aşağıdaki gibidir. Kompozit

Bir otomobilin aerodinamik yapısının yanında gövdenin yüzey kalitesi de önemli bir faktördür. Vakum destekli reçine infüzyon döküm ve el yatırma yöntemleriyle üretilen jant kapaklarının yüzey kaliteleri Şekil 6’da görülmektedir. Solaris Güneş Arabaları Ekibi’nin elektrikli otomobili olan Demobil 09’un üretilen jant kapaklarıyla ve jant kapakları olmadan yapılan analizlerinde tablo 4’te bulunan sonuçlara ulaşılmıştır. Analiz elektrikli otomobil (Demobil 09), 120 [km/h] hızla seyahat ederken yapılmıştır. Güç harcamaları

Tablo 4. Yapılan analizler sonucu elde edilen güç harcamaları

Yapılan üretim süreci sonunda, üretim aşamaları, üretim yöntemlerinde kullanılan malzeme miktarları, ürünlerin statik analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Vakum destekli reçine infüzyon döküm tekniği ile üretimi yapılan jant kapağında 63 [gr] reçine karışımı ve iki adet 0.15 [m2] alana sahip karbon lifli kumaş kullanılmıştır. Üretim sonunda ürünün toplam ağırlığı 123 [gr] olarak ölçülmüştür. Statik analiz sonucunda maximum yer değiştirme ise 0.0002507 [mm] olarak tespit edilmiştir. El yatırma tekniği ile üretilen jant kapağında ise 121 [gr] reçine karışımı ve iki adet 0.15 [m2] alana sahip karbon fiber kullanılmıştır. Üretim sonunda ürünün toplam ağırlığı 181 [gr] olarak ölçülmüştür. Statik analiz sonucunda maximum yer değiştirme ise 0.003104 [mm] olarak tespit edilmiştir. Kullanılan malzeme miktarları, maliyetleri ve ürünlerin statik analizleri değerlendirildiğinde; vakum destekli reçine infüzyon döküm yöntemi ile üretimini yapılan ürünün mukavemet ve kullanım ömrü açısından daha dayanıklı olduğu, üretim sırasında kullanılan malzeme maliyeti açısından ise daha ekonomik olduğu tespit edilmiştir. Vakum destekli reçine infüzyon döküm üretim tekniği ile üretilen ürünün yüzey kalitesi el yatırma tekniği ile üretilen ürüne göre daha kaliteli olduğu görülmüştür. Aerodinamik yapı açısından yüzey kalitesinin de önemine değinirsek vakum destekli reçine infüzyon döküm tekniği ile üretilen ürünlerin aerodinamik yapı açısından daha verimli olduğu görülmüştür. Talha Batuhan Korkut / Makine Mühendisliği Bölümü - Dokuz Eylül Üniversitesi Ahmet Özkan / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü - Dokuz Eylül Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören / Makine Mühendisliği Bölümü - Dokuz Eylül Üniversitesi