Kompozit malzemeler deniz ulaşımından havacılığa, otomotivden savunma sanayine birçok alanda giderek artan oranda kullanılmaktadır. Özellikle üretim proseslerinin ve hammadde fiyatlarının düşmesi ve farklı üretim metotlarının gelişmesi ile kompozit ürünlerin pazar payı ve kullanım alanları artmaya başlamıştır.
En sık kullanılan kompozit malzeme çeşitlerinden biri de polimer matrisli kompozit malzemelerdir. Günümüzde polimer matrisli kompozit malzemelerde en yaygın kullanılan elyaf tipi cam elyaftır. Bunun en önemli sebebi hammadde maliyetlerinin düşük olmasıdır.
Karbon elyaf takviyeli kompozit malzemeler ise görece daha kısıtlı kullanım alanı bulmasına rağmen ileri mekanik özelliklerin istendiği durumlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Hâlihazırda havacılık sektörünü memnun edecek kalitede polimer matrisli kompozitlerin elde edildiği en ileri üretim yöntemi otoklav ile kürlemedir.
Bir sıcaklık ve basınç fırını olan otoklavın – özellikle boyutların büyümesiyle birlikte- ilk yatırım maliyetleri ve işletme giderleri oldukça yüksektir. Bu yüzden akademik ve endüstriyel çalışmalar otoklav dışı üretim yöntemlerinin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaya başlamıştır.
Örneğin mikrodalga [1] ile, lazer yöntemi ile [2], elektron demeti ile [3], ultraviyole ışınları ile [4], indüksiyon ile [5], rezistans ile [6] üretim yöntemleri üzerine çalışmalar devam etmektedir.
Otoklava alternatif yöntemlerin uygulanmasında karşılaşılan en büyük sorunlardan birisi ısıtmanın homojen olmaması, diğeri ise yöntemin sürdürülebilir – yani sürekli aynı kalitede ürün alınabilir – olmamasıdır.
Bu çalışmada, otoklava alternatif olabilecek bir üretim yöntemi olan kızılötesi kompozit kürleme prosesinin uygulanabilirliği araştırılmıştır. Kızılötesi ışınların dalga boyları 0.7 mikron ile 1 mm arasında değişmekte olup endüstride ısıtma amacıyla 1 mikron- 15 mikron arası dalga boyları sıklıkla kullanılmaktadır.
Bu çalışmada 1 mikron –3 mikron arası kısa dalga boylu halojen kızılötesi lamba kullanılmıştır. Kızılötesi kürlemenin otoklava alternatif bir üretim yöntemi olarak önerilmesinin ana sebebi kürlenme süresini kısaltma potansiyelidir.
Fransa’da gerçekleştirilen bir çalışmada [7] kızılötesi ile kürlemenin kürlenme süresinde %40 - %70 arası bir iyileştirme sağlayabileceği belirlenmiştir.
Şekil 1. Kızılötesi kürleme fırını deney düzeneği
Otoklav ile kürlemenin önemli maliyet kalemlerinden biri olan kürlenme sürelerinin azaltılması prosesin toplam işletme maliyetlerini azaltmış olacaktır. Bunun yanında ısıtma hızlarının çok daha kolay ayarlanabilmesi de önemli bir avantajıdır. Kızılötesi ile kürlemede en büyük sorunlardan biri homojen ısıtmadır.
Malzemenin yüzeyi boyunca ve kalınlık boyunca nasıl bir sıcaklık dağılımının gözlendiği test edilmeli ve proses parametreleri buna göre değerlendirilmelidir. Çalışmanın diğer bir amacı ise belirlenen sıcaklık dağılımları göze alınarak seçilecek bir kalınlıkta kür çevrimi deneylerini gerçekleştirmektir.
Bu amaçla sıcaklık dağılımlarının izlenebileceği bir Programlanabilir Mantıksal Denetleyici (PLC) sistemi, kızılötesi kürleme ünitesine entegre edilmiş, sıcaklıklar belirli aralıklarla termal kamera ile kaydedilmiştir.
Şekil 1’de görüldüğü gibi toplam 9 ayrı bölgeye ayrılmış olan karbon fiber prepreg malzemenin lambanın gücüne herhangi bir müdahale yapılmaksızın tam güçte gösterdiği sıcaklık dağılımı hem yüzey boyunca hem de kalınlık boyunca izlenmiştir.
Deneylerde Kordsa firmasının ürettiği OM11 reçine sistemli twill örgülü karbon fiber takviyeli prepreg malzemeler kullanılmıştır. Malzemenin otoklav için önerilen kürlenme çevrimi Şekil 2’deki gibidir.
Çalışmalardan elde edilen verilere göre ilgili dalga boylarında çalışan bir lambanın ısıttığı karbon fiber prepreg malzemenin belirli bir kalınlığa kadar sıcaklık dağılımı sağladığı gözlenmiştir. Bunun anlamı bu kalınlıktan daha kalın parçalarda ısı transferinin ışınım yoluyla değil, iletim yoluyla olduğudur.
Bu yüzden iç bölgelerdeki katmanlar daha geç ısınacak ve bu da artık gerilmelere yol açarak malzemede çarpılmalara neden olacaktır. Malzemenin yüzeyi boyunca yapılan gözlemler ise malzemenin orta kısmında sıcaklıkların ortalama %15’e kadar daha yüksek olduğunu ortaya koymuştur.
Bu noktada malzemenin genel sıcaklığını en iyi temsil edebilen bölgenin seçimi önem arz etmektedir.
Şekil 2. Prepreg malzemenin otoklav için önerilen kür çevrimi [8]
Çünkü kür çevrimi testleri için kullanılacak olan ve PLC sistemin istenilen kür parametrelerini sağlayacak güç kontrolünü yapabilmesi için tek bir sıcaklık değerine ihtiyacı vardır.
Dolayısıyla yanlış bir noktaya yerleştirilecek olan termokupl, malzeme üzerindeki genel sıcaklık dağılımını doğru şekilde temsil etmeyeceği için verilen kür çevriminin doğru şekilde uygulanması mümkün olamayacaktır. Çalışmanın ikinci fazında, farklı kür çevriminde üretimler yapılmış ve bu ürünler çekme testine tabi tutulmuştur.
Testlerde 3 ayrı proses parametresi kullanılmıştır: Isıtma hızı, maksimum sıcaklık ve plato süresi (maksimum sıcaklıkta kalma süresi). Her bir parametreye 5 ayrı değer atanarak taguchi deney tasarımı metoduyla toplam 25 kür çevrimi belirlenmiştir.
Bu üretim ve testler sonucunda, çekme testi sonuçlarına göre kızılötesi kürleme prosesi için en uygun kürlenme çevrimi olarak elde edilmiştir. Çevrim yaklaşık olarak 80 dk içerisinde tamamlanmaktadır. Bu süre, kullanılan prepreg malzemenin otoklav için tavsiye edilen 130 dk civarındaki kürlenme çevrimi süresinden %38 daha kısadır.
Çekme testi sonuçlarında bakıldığında, malzemenin otoklav ile kürlenme sonuncunda sahip olacağı çekme mukavemeti değeri 835 Mpa iken, kızılötesi ile yukarıda belirtilen kür çevrimi uygulanan numunelerin çekme mukavemeti değerleri ortalama 800 Mpa çıkmıştır.
Yukarıdaki sonuçlar, kızılötesi ile kompozit kürleme prosesinin otoklava başarılı bir alternatif olabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.
Özellikle ince lamine levhaların ve sandviç plakaların üretiminde başarı ile kullanılabilecek olan kızılötesi kürlemede, bilimsel çalışmalar ile tüm prosesin modellenmesi ve homojen ısıtmanın sağlanması durumunda, havacılık kalitesindeki ürünlerin otoklava göre çok daha düşük maliyetler ile üretilebileceği değerlendirilmektedir.
Mert Kılınçel - Genel Müdür / General Manager - Numerics Composites - Müh. Mak. San. Tic. Ltd. Şti.
Yakup Okan Alpay - Ar-Ge Müdürü / R&D Manager - Numerics Composites - Müh. Mak. San. Tic. Ltd. Şti.
Referanslar / References
[1] Rao RMVGK, Rao S, Sridhara BK. Studies on tensile and interlaminarshear strength properties of thermally cured and microwave curedglass-epoxy composites. J Reinf Plast Compos. 2006;25(7):783-795.doi:10.1177/0731684406063542
[2] Stokes-Griffin CM, Kollmannsberger A, Compston P, Drechsler K. Theeffect of processing temperature on wedge peel strength of CF/PA 6 laminatesmanufactured in a laser tape placement process. Compos PartA Appl Sci Manuf. 2019;121(January):84-91. doi:10.1016/j.compositesa.2019.02.011
[3] Glauser T, Johansson M, Hult A. Electron-beam curing of thick thermosetcomposite matrices. Polymer (Guildf). 1999;40(19):5297-5302.doi:10.1016/S0032-3861(98)00752-6
[4] Mgbemena CO, Li D, Lin MF, et al. Accelerated microwave curing offibre-reinforced thermoset polymer composites for structural applications:A review of scientific challenges. Compos Part A Appl Sci Manuf.2018;115(June):88-103.doi:10.1016/j.compositesa.2018.09.012
[5] Bayerl T, Duhovic M, Mitschang P, Bhattacharyya D. The heating ofpolymer composites by electromagnetic induction - A review. ComposPart A Appl Sci Manuf. 2014;57(2014):27-40. doi:10.1016/j.compositesa.2013.10.024
[6] Banik N. A review on the use of thermoplastic composites and theireffects in induction welding method. Mater Today Proc. 2018;5(9):20239-20249. doi:10.1016/j.matpr.2018.06.395
[7] Kumar PK, Raghavendra N V., Sridhara BK. Optimization of infrared radiationcure process parameters for glass fiber reinforced polymer composites.Mater Des. 2011;32(3):1129-1137. doi:10.1016/j.matdes.2010.11.001
[8] Cure Profile Compression Molding. www.kordsaglobal.com. AccessedNovember 7, 2019.
