Kompozit Malzemelerin Mekanik İşleme Prosesleri Kompozit malzemeler, farklı malzeme entegrasyonlarının faydalı halini kullanıcıya sunar ve standart malzemelere nazaran daha az mekanik işlem gerektirir.
Fakat günümüzde kompozit malzemelerin kullanımının yaygınlaşması kompozitlerdeki mekanik işleme proseslerini zorunlu kılmaktadır. Kompozit malzemelerin mekanik işlemesi, metallerin mekanik işlemesine benzetilebilir fakat bu benzerliğe aldanmamak gerekir.
Kompozit malzemelerin mekanik işlenmesi, kompozit malzemelerin yapılarındaki homojen olmayan dağılım, katmanları arasındaki yüksek yapışkanlık ve anizotropik yapıları sebebiyle, sıradan malzemelere göre farklılık göstermektedir.
Dolayısıyla kompozit bir malzeme mekanik işlem sürecinden geçirilirken, kompozit iş parçasının hasar almaması ve tezgah takımlarını aşındırmaması öncelikli olarak dikkat edilmesi gereken noktalardır.
Çünkü kompozit malzemelerin özelliklerinden dolayı, mekanik işleme yapan tezgahın takımlarında ani aşınma ve kompozit malzemenin kafesli yapısı nedeniyle işleme kalitesinin azalması söz konusudur. Uygun işleme koşullarının sağlandığı durumlarda ise standart tornalama, frezeleme, delik delme gibi işlemler kompozit malzemelere yapılabilmektedir.
Neden Mekanik İşleme Gerekli?
1. Kompozit parçanın üretiminde, kompozit malzemenin üretim usulünün delik, kanal vb. unsurların yapımını sınırlandırması.
2. Geleneksel mekanik işleme operasyonlarında verilen yüzey toleranslarının kompozit üretim yöntemleri ile verilmesinin mümkün olmaması.
3. Mekanik işlemenin sunduğu yüzey pürüzsüzlüğü ve yüzey kalitesine kompozit üretim yöntemleriyle ulaşılmasının güç olması.
4. Mekanik yapı analiz testlerinde kullanılan prototip/ numunenin tekrar bir kompozit üretim yerine hazır iş parçasından mekanik işleme ile üretiminin daha az maliyetli olması.
Mekanik İşleme Maliyetleri Kompozit malzemelerin farklı sektörlerdeki kullanım yüzdesi, kompozit malzemelerin kullanımdaki avantajları dolayısıyla sürekleri artmaktadır.
Havacılık sektöründeki kompozit malzemeleri ele alırsak; bir havacılık uygulamasında montaj, alt montaj, işçilik giderleri toplam maliyetin %50’sini oluşturur.
Örnek olarak bir bombardıman uçağı 1.000.000 ile 2.000.000 deliğe sahiptir; bu nedenle mekanik işleme prosesleri neredeyse ana üretim maliyeti ile yarışmaktadır [1].
Kompozit Malzemelerin Mekanik İşlemelerindeki Güçlükler ve Sebepleri
Endüstriyel mekanik işleme operasyonlarının başında gelen tornalama işleminde kesici takımların deformasyona uğraması, mekanik işlem sonucu iş parçasında oluşabilecek yüzey pürüzlülüğü tornalama işleminde karşılaşılabilecek sorunlardandır.
Takım aşınması doğrudan takım ömrünü ve işlenen parçanın yüzey kalitesini; yüzey pürüzlülüğü ise makine parçalarının aşınma direnci, yorulma davranışı, yağlama özelliği, aşınma oranı ve korozyona karşı direncini etkilemektedir.
İş parçasının istenen tolerans ve yüzey kalitesinin sınırları içerisinde tutulabilmesi için işleme parametrelerinin uygun bir şekilde tespit edilmesi kritik bir noktadır [2] . Buradan yola çıkarak kompozit malzemelerin mekanik işlemlerindeki güçlükleri şu şekilde sıralayabiliriz [1] ;
- Kompozit parçaların yapısına uygun koşullarda mekanik işleme prosesi yürütülmezse fiber yapılarında süreksizlikler meydana gelebilir.
- Mekanik işleme prosesi fiber yapıyı olumsuz etkileri olan neme ve kimyasallara maruz bırakır.
- Matris ve fiberdeki ısıl genleşme katsayılarının farkından dolayı kompozitlerin kesim işlemi sırasında boyutsal doğruluğa ulaşmak zordur.
- Kompozit parçaların aşındırıcı özelliğinden dolayı takım ömrü genellikle daha kısadır. Takımların ömrünü uzatmak için yüksek hız çeliği takımları tungsten karbür ya da titanyum nitrür ile kaplanır.
- Kompozitlerde ve özellikle aramid kompozitlerde pürüzsüz bir keskin kenar elde edilmesi oldukça zordur çünkü aramid lifleri serttir ve kesme enerjisini absorbe ederler. Bu sebeple aramid kompozit kesimlerde çapak yüzeyleri ve elyaf bükülmesi oluşur.
- Kompozitlerin işlenmesi sırasında kesme kenarlarında delaminasyon oluşur, oluşan delaminasyon miktarında ise kritik noktalar; yerleştirme sırası ve fiber yönelimleridir.
Kesici Takım ve İşleme Parametreleri
Kesici takım ve işleme parametrelerinin belirlenmesinde kompozit malzemenin fiber çeşidi ve matris içeriği iki kritik noktadır.
Karbon elyaf takviyeli plastik kompozitler (KETP) ve cam fiber takviyeli polimer kompozitlerin (CTP) işlemesinde karbür takımlar, kaplamalı karbür takımlar ve PCD (polikristal elmas) takımların kullanımı, takım deformasyonunu önleme ve takım ömrünü uzatma bakımından avantajlıdır.
Karbon ve cam takviyeli kompozitlerin mekanik işlemesinde kesici takımın malzemesi,takım seçimini etkiyen bir parametredir [3].
Karbon Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler (KETP)
Karbon elyaf takviyeli plastik kompozitlerin (KETP) tornalanma işleminde kesici takım olarak TiA1N (titanyum alüminyum nitrit) PVD (fiziksel buhar biriktirme) kaplamalı sert karbür takım kullanıldığında, iş parçasının dönme devri ve ilerleme hızı gibi kesme parametrelerinin iş parçasının yüzey pürüzlülüğüne ve kesici takımların aşınması üzerindeki etkileri araştırıldığında elde edilen sonuçlar şu şekildedir;
iş parçasının dönme devrindeki artış yüzey pürüzlülük değerinde bir azalma oluşturmuştur; ilerleme hızının artması ise dönme devrindeki artışın aksine yüzey pürüzlülüğünün kötüleşmesine sebep olmuştur.
KETP kompozitlerin tornalama operasyonunda yüzey kalitesini iyileştirmek için iş parçasının dönme devrinin yüksek fakat ilerleme hızının düşük seçilmesi tavsiye edilmektedir [2].
Cam Fiber Takviyeli Polimer Kompozitler (CTP)
Filament sarma yöntemiyle üretilen cam fiber takviyeli polimer kompozitlerin mekanik işlemesinde, kesme parametrelerinin yüzey kalitesindeki etkileri araştırıldığında, CTP boruların mekanik işlemesinde çok düşük ve çok yüksek hızlarda yüzey pürüzlülüğü minimum düzeydeyken, orta şiddetteki kesme hızlarında yüzey pürüzlülüğünün arttığı gözlemlenmiştir [4].
Kompozitlerin Mekanik İşleme Operasyonları ve İpuçları Kompozit malzemelerin mekanik işleme operasyonlarını geleneksel ve yeni nesil yöntemler olarak ikiye ayırmak mümkündür.
Geleneksel Yöntemler
Kompozitlerin mekanik işlemesindeki geleneksel yöntemler : delik açma , frezeleme , taşlama ve tornalama olarak 4 bölümde incelenebilir.
Geleneksel Yöntemler: Delik Açma
Geleneksel ve yaygın yöntemlerden biri olan delik delme işlemi farklı parçaların birleşimi ve alt montajlar için önem arz etmektedir [5]. Delik delme işlemi sırasındaki itme ve torkun bağlı olduğu parametreler ilerleme miktarı, besleme oranı, takım geometrisi ve takım kaplamasıdır [6].
Örneklendirmek gerekirse; cam elyaf takviyeli plastik kompozitlerde delik delme işlemindeki en önemli iki kriter olan ilerleme miktarı ve matkap uç açısının, kompozit malzemelerin genel olarak mekanik işlemesinin başlıca sorunlardan olan delaminasyona olan etkisi şu şekilde tespit edilmiştir; yüksek ilerleme hızlarının kompozit malzemenin delaminasyonun önemli ölçüde tetiklediği ve matkap uç açısının ise minimal seviyelerde tutulmasının daha iyi sonuç vereceği belirtilmiştir [7].
Diğer parametrelerden olan besleme hızını ele alırsak ; delik delme için matkap içeri girerken kompozit malzemenin yapısını bozabilir bunun nedeni besleme hızının iyi ayarlanmış olmamasıdır. Kompozit iş parçasındaki kusurların minimum seviyede tutulması için optimum besleme hızını ayarlayabilmek gerekir [8].
Geleneksel Yöntemler: Frezeleme
Kompozit iş parçalarında delik açılma işlemleri yapıldıktan sonra delikleri nihai ölçülere ulaştırmak için frezeleme işlemi gerekir [9]. Frezeleme işleminden gerekli faydayı sağlayabilmek için freze çakılarının seçimi önem arz etmektedir.
Yeni nesil elmas kaplı freze takımları ileri seviyede takım ömrünü artırabilir ve çalışma esnasında oluşan ısı üretiminini minimum seviyede tutarak kompozit iş parçasının yüksek kaliteli işlenmiş yüzeye sahip olmasını sağlar [10].
Geleneksel Yöntemler: Taşlama
Son işlem proseslerinden bir olan taşlama kompozit iş parçasının ilk adım mekanik işlemeleri bittikten sonra yapılan bir operasyondur. Taşlama işleminden daha iyi verim alabilmek ve termal hasarı minimuma indirebilmek çözümler mevcuttur ve çözümlerin temelini kompozit malzemenin termal yayılımını artırmak oluşturuyor.
Çözümlerden biri kompozit malzemenin takviye lifleriyle yanyana çok ince metal tellerin yerleştirilmesiyle, taşlama prosesi sırasında oluşan ısıyı hızlı ve verimli bir şekilde taşlama yapılan yerden uzağa aktarmaktır. Bir diğer çözüm ise kompozit malzemenin epoksi matrisinin nikel kaplı grafit liflerle güçlendirilmesiyle maddenin termal yayılımını artırmaktır [11].
Geleneksel Yöntemler: Tornalama
Endüstriyel uygulamalarda çok geniş bir yelpazeye sahip olan tornalama operasyonu kesme proseslerinden bir tanesi olarak tanımlanabilir. Kompozitlerin tornalanmasında geleneksel mekanik işlemeler tercih edilir çünkü kompozitlerin takviye malzemeleri kırılgan ve gevrek bir yapıdadır.
Tornalama işlemlerinde kompozit iş parçasının takımı aşındırmasının önüne geçmek için bir takım önlemler alınır bunlara örnek olarak; metal matrisli kompozitlerin tornalanması takviye malzemelerin varlığı nedeniyle daha zor hale gelir ve aşındırıcı özellikleriyle hızlı takım aşınmalarına neden olur.
Buna çözüm olarak metal matrisli kompozitlerin takviye malzemelerine kendi kendini yağlama özelliği olan grafit parçacıkları ekleyerek tornalama işlemini daha kolay hale getirebilmek mümkündür [12].
Yeni Nesil Yöntemler
Geleneksel yöntemlerin uygun olmadığı ya da yetersiz kaldığı durumlarda başvurulan yeni nesil yöntemler lazer kesim, su jeti ile kesim, elektroerezyon işleme, ultrasonik işleme olarak 4 bölümde incelenebilir.
Yeni Nesil Yöntemler: Lazer Kesim Kompozitlerin kullanımındaki yaygınlaşmayla beraber kompozitlerin çok çeşitli şekillerde kullanılmasının artması temeldeki geleneksel kesme yöntemlerinin yetersiz kalması bunlara ek olarak kompozit malzemelerden örnek verecek olursak;
karbon fiberlerin ve matris malzemesinin farklı yoğunluğu, takviye malzemelerin aşındırıcı özellikleri ile geleneksel frezeleme ile yüksek kalitede kesme kenarları elde etmenin zorluğu, freze çakılarının aşınmasının maliyeti artırması, ince ve kırılgan parçalarda hasar ve delaminasyon oluşması gibi sorunlardan dolayı [13] kesildikten sonra tekrar işlemeye gerek duyulmayan, temassız ve kuvvet gerektirmeyen, takım aşınmalarının önüne geçen bir sistem olan lazer kesime duyulan ihtiyacı artırmıştır.
Lazer kesim esnasındaki yüksek hassasiyet ve kesim işlemi sonrasındaki saçaksız düz kesim kenarları istenen yüzey kalitesini elde etmeye yardımcıdır. Lazer kesim makinalarının yeni nesil vakumlu tezgah sunabilen modelleri dahi mevcuttur. Bu da iş parçasının sabitlenmesi için gereken zaman kaybını önlemektedir [14].
Yeni Nesil Yöntemler: Su Jeti ile Kesim Kompozit malzemelerin yeni nesil kesim yöntemlerinden biri de su jeti ile kesimdir, ileri seviye tezgah teknolojileri ile cam fiber, kompozit köpük vb. kompozit malzemelerin kesimi gün geçtikçe kolaylaşmaktadır.
Su jetinin kompozit iş parçası üzerinde yarattığı süpersonik erozyonu malzeme takım etkileşimini ortadan kaldırarak; çatlama, kırılma veya katmanlara ayrılma gibi problemleri minimuma indirger [15].
Su jetinin yarattığı süpersonik erozyon, sürtünme kuvvetlerini ortadan kaldırarak ikincil bir işleme operasyonuna gerek duyulmadan, kesim yapılmış yüzeyin yıpranmasının ve delamine olmasının önüne geçer.
Yeni Nesil Yöntemler: Elektroerezyon İşleme (EDM) Elektroerozyon (EDM - Electrical Discharge Machining) yeni nesil işleme operasyonlarından bir tanesidir. Elektroerozyon tezgahında talaş kaldırma işlemi biri kesici takım diğeri işlenecek iş parçası olmak üzere iki elektrot arasındaki kontrollü elektrik arklarıyla yapılır [16].
Çapaksız parça işlenebilmesi ve yüzey pürüzlülüğünün diğer imalat yöntemlerine göre az olması elektrik arkıyla talaş kaldırmanın kesme kuvvetini ortadan kaldırması belli başlı avantajlarıdır.
Yeni Nesil Yöntemler: Ultrasonik İşleme (USM) Ultrasonik İşlemede (USM- Ultrasonic Machining) yüksek frekanslı (20-40 KHz) elektrik sinyali dikey mekanik harekete dönüştürülerek (saniyede 20000 kez) iş parçası ile takım arasında titreşim oluşturulur.
Parça ile işleme takımı arasından çok fazlı aşındırma kumu geçirilerek titreşim sayesinde aşındırıcı sıvı çamur içindeki taneler çok yüksek hız kazanıp iş parçasına çarparak dönme hareketiyle talaş kaldırma işlemini gerçekleştirir [17].
Bu yöntem ile kompozit parçaların işlenmesinde gerilme, bozulma ya da ısınma gibi olumsuzluklar giderilmiş olur.
Teşekkür
Yazım ve yayın sürecinde her türlü imkan ve desteği sağlayan değerli danışmanım Dr. Öğr. Üyesi Aytaç Gören ve Dokuz Eylül Üniversitesi Otomatik Kontrol ve Robotik Laboratuvarı’na teşekkürlerimi sunarım.
Zeynep Pasinli
Dokuz Eylül Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Makine Mühendisliği Bölümü
Kaynakça
1 . Sanjay K. Mazumdar, Composites Manufacturing Materials, Product, And Process Engineering,, Chapter 10. 2. E. Kılıçkap, Y. H. Çelik, A. Yardımeden, Karbon elyaf takviyeli plastik kompozitlerin tornalanmasında yüzey pürüzlülüğü ve takım aşınmasına etki eden parametrelerin araştırılması, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Dergisi, Cilt:8 , Sayı :1 ,175-180, Mart 2017 3. Teti, R., “Machining of Composite Materials”, University of Naples Federico, CIRP Annals, Volume 51, Number 2, p.611-634, 2002. 4. G. Mansour, P. Kyratsis , A. Korlos , D. Tzetzis, Investigation into the Effect of Cutting Conditions in Turning on the Surface Properties of Filament Winding GFRP Pipe Rings, Machines, 9, 16, 2021. https://doi.org/10.3390/machines9010016 5. S. B. Mohamed et al., Down Milling Trimming Process Optimization for Carbon Fiber-Reinforced Plastic, SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology, 2019.https://doi.org/10.1007/978-981-13-1804-7_1 6. S.Abrate ,D.A.Walton, Machining of composite materials Part I: Traditional methods, Composites Manufacturing ,Volume 3, Issue 2, Pages 75-83, 1992. https://doi.org/10.1016/0956-7143(92)90119-F 7. F. KARACA, Cam Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitlerde Delme Parametrelerinin Deformasyon Faktörüne Etkisinin Araştırılması, Science and Eng. J of Fırat Univ. 28(2), 23-27, 2016.
8. https://www.mmsonline.com/articles/how-to-machine-composites-part-4----drilling-composites 9. https://www.mmsonline.com/articles/how-to-machine-composites-part-3----milling-composites 10. KENNAMETAL, Machining Guides: Composite Machining Guide
11. El Wakil, S. D., Grinding processes for polymer matrix composites, Machining Technology for Composite Materials, 65–74, 2012. doi:10.1533/9780857095145.1.65
12. A. Chennakesava Reddy, Turning of Metal Matrix Composites- A Review, 5th International Conference on High Temperature Applications of Metal Matrix Composites, Pune, India ,20-22nd April 2018
13. Staehr, R., Bluemel, S., Jaeschke, P., Suttmann, O., & Overmeyer, L., Laser cutting of composites—Two approaches toward an industrial establishment. Journal of Laser Applications, 28(2), 022203,2016. doi:10.2351/1.4943754 14. https://www.eurolaser.com/tr/malzemeler/kompozit-malzeme 15. https://www.flowwaterjet.com/Applications/Composites
16. Lauwers, B., Vleugels, J., Malek, O., Brans, K., & Liu, K., Electrical discharge machining of composites. Machining Technology for Composite Materials, 202–241,2012. doi:10.1533/9780857095145.2.202
17. On Dokuz Mayıs Üniversitesi, MAK 456-Alışılmamış İmalat Yöntemleri, Doç. Dr. Naci KURGAN, Ders Notları.
