Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları

0
852

Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı 

Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından, otomobil üretici¬leri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar. Buna ilaveten petrol yakıtlarına al¬ternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır. Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve alüminyum ile karşılaştırıldığında, bu değer birkaç kat daha fazla olabilmektedir. Bu sebeple kompozit malzemeler ağırlık azaltmada en önemli adaylardandır.

Kompozit malzemeler arasında en yaygın olarak polimer matrisli kompozitler kullanılmaktadır. Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller kadar emniyetli tasarımları mümkündür. Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir araba 35 mil/saat çarpma testini geçmiş bulunuyor. Çarpışmalarda çelik kadar gü¬venlik sağladığı gibi, polimer kompozitler titreşim kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans göster¬meye adaydır.

Polimer kompozitler matrisi, termoset veya termoplastik olmak üzere ikiye ayrılır. Termoplastik polimerler (naylon gibi), uzun molekül zincirlerinden oluşur. Yüksek sıcaklıklarda bu zincirlerin birbirleri üzerinde kayma¬ları sonucu, termoplastikler eriyebilme özelliğine sahiptirler. Termosetler ise umumiyetle başlangıçta monomerlerden veya kısa zincirlerden oluşan sıvı bir halde bulunur. Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların ara¬larında karşılıklı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar. İyileştirme denen bu işlemden sonra artık polimerin erimesi söz konusu olmaz. Termoset ve termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat tekniklerine ve yeniden dönüşüm imkanlarına da yansır. Termoplastikler molekül zincirlerinin hareket kabiliyetinden dolayı termosetlere göre daha az kırılgandır. Mukavemet ve katılık gibi kompozitin mekanik özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi özellikleri çok önemli değildir. İmalat yöntemine gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek şekil verilir, sonra soğutularak katı haline getirilir. Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek olduğundan elyafla karıştırılması çok zordur. Viskozitesini düşürmek için daha yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur. Termosetler ise yaygın olarak içinde örülü elyaf bulunan bir kalıba sıvı olarak aktarılır, sonra sıcaklık artırılarak iyileştirme işlemi yapılır. Bu işlemden sonra şekil vermek mümkün olmadığından termosetlerin yeniden dönüşüm imkanı yoktur. Ayrıca bu iyileştirme işlemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat süresini uzatmaktadır. Bazı otomotiv uygulamalarında iyileştirme işlemi 5-10 dakikaya kadar inmişse de çelik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu süre uzundur.

Otomotiv sanayiinde şu ana kadar termosetler, termoplastiklere nazaran daha fazla kullanım alanı bulmuştur. Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı. Golf A4 ve POLO A03 dahil olmak üzere bütün yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır.
Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle alüminyumdan imal edilmektedir. Fakat bu parçaların şekilleri daha karmaşık hale geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağ¬ladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye başladı. Ford Mondeo’nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giriş manifoldu cam elyaf katkılı PA’dan imal edilmiştir. Chevrolet giriş manifollarında cam elyaf katkılı naylon kullanmaktadır. Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıştır. Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır. Aksi takdirde oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır. Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar alüminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artı¬rabilmektedir. Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalı¬tılmasına yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gerçekleşmek¬tedir. Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır. Avrupalı motor üreticisi PSA da Peogeot 406 vet 605, Citroen Xantia ve XM modellerinde kullanılmakta olan motorun giriş manifoldunda naylon kulla¬narak benzer faydaları elde etmektedir. Alüminyumdan Naylon 46′ya geçmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini %20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmiştir.

Chrysler gibi otomobil üreticileri de valf kapaklarını termoset kompozitlerinden yaparak maliyetleri %15-20 indirebilmişlerdir. Plastik kompozitlerin önemli bir potansiyel uygulama alanı ön koltukların monte edildiği çatıdır. Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye başlanmıştır. Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak düşünmeye başla¬mışlardır. GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn kompozitini kullanmaktadır. Boralyn’in katılığının özgül ağırlığa oranı, çelik ve alüminyumunkinin 1.5 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır. Bütün avantajlarına rağmen kompozitlerin otomotiv sanayiinde yoğun olarak kullanılmasının önündeki iki önemli engel vardır. Birincisi, kompozit parçaların hala çelikten daha maliyetli olmalarıdır. İmalatı çelik gibi yüksek basınç gerektirmediğinden, plastik kompozitleri işleyen makinalar daha hafiftir ve dolayısıyla ilk yatırım maliyeti daha düşüktür. Fakat malzemenin maliyetinin fazla olması ve imalat sürecinin nispeten emek yoğun olması toplam maliyeti arttırmaktadır. Ancak ileride imalat teknolojisinde olabilecek yeniliklerle ve kompozit malzemelerin daha yoğun kullanımının getireceği malzeme maliyetlerindeki düşüşle, kompozit parçaların daha ucuza imal edilebileceği beklenmektedir. Şu anda bir çok büyük ölçekli araştırma projelerinde daha verimli imalat teknolojilerinin geliştirilmesi için çalışılmaktadır.

Kompozitlerin sanayii de yoğun olarak kullanılmasının önündeki ikinci önemli engel, kompozitlerin tasarımı ve imalatı konusunda tecrübeli ve bilgili mühendis ve teknisyen sayısının yetersizliğidir. Bununla birlikte, bu engellerin zamanla aşılacağı ve kompozit malzemelerin üstün özelliklerinden otomotiv sanayiinde daha çok fay-dalanılacağı öngörülmektedir.

Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı
Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur. Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir. Genellikle epoksi matris içinde sürekli elyaflar kullanılmaktadır. Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukaveket özelliğine sahiptirler. Çizelge 4.1′de uçak tasarımında kullanılan kimi metal ulaşımları ile kompozit yapıların mekanik özellikleri verilmiştir. Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir.

Uçak tasarımında ilk olarak kullanılan kompozitler cam elyaf kompozitlerdir. 1944′lerde “Vultee BT-15″ eğitim uçaklarında gövdenin arka kısmında kaplama malzemesi olarak cam elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak sandviç paneller şeklinde kullanılmıştır (Phillips, 1987).

Cam elyaflı kompozitler, mukavemetlerinin ağırlıklarına oranı metallerden yüksek olmasına rağmen ana yapı elemanlarında kullanılmamaktadır. Bunun nedeni ise sertliklerinin ağırlığa oranının düşük oluşudur ve bu oran yüksek hız uçaklarında oldukça büyük bir önem taşımaktadır (Huber, 1982).

Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960′larda başlamıştır (A.B.D’de bor elyaflar, İngiltere’de ise grafit elyaflar). A.B.D’de 1970′lerde bor/epoksi kompozitler F-111′lerin yatay kuyruklarında ve F-4′lerin istikamet dümeninde kullanılmışlardır (Grimes, 1976). Bor/epoksi kompozitler yüksek performanslı askeri uçakların dizaynında kullanılmışlar ve başarılı olmuşlardır. Bu kullanıma örnek olarak F-14′lerin yatay kuyruk yüzey kaplaması ve F-15′lerin yatay ve dikey kuyrukları verilebilir (Noton, 1974).

İngiltere’de grafit epoksinin  gelişimi  çok yavaş  olmuştur. Strikemaster’ler için istikamet dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar’ların aerodinamik frenlerinin yapımında kullanılmıştır (Lenoe, et al., 1973). 1970′lerin ortalarında A.B.D bor/epoksi’den grafit/ epoksi’ye geçmiştir.  Bunun  en  önemli nedeni maliyet problemidir.  1979/da uçak yapımcıları tarafından  “prepreg” adı altında üretilen  grafit/epoksi  malzemenin  maliyeti  40  $/lb  iken  bor/epoksi’nin maliyeti 180 $/lb’dir (Hoskin and Baker, I9S6). A.B.D’de  bu geçiş askeri uçaklarda hızlı   olmuştur.    F-16′larda   grafit/epoksi   yatay    ve   dikey    kuyruk    yüzeyleri kaplamasında ve kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır ve yapısal ağırlığın %3′ünü oluşturmaktadır (Phillips, 1987). Grafit/epoksi kompozitlerin F-18′ lerde kullanımı ise yapısal ağırlığın %10′unu, toplam alanın ise %50’sini oluşturmaktadır (Phillips,1987).

AV-8B uçaklarında ise tüm kanat kaplaması ve yapısal elemanlar grafit/epoksidir. Aynı zamanda yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön kısımlarında ve çeşitli kumanda yüzeylerinde kullanılarak ağırlıktan % 26′lık bir kazanç sağlanmıştır(Huber, 1982).

Avrupa’da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, İtalyan-İngiltere-Almanya yapımı Tornado uçaklarında grafıt/epoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır (Schwartz, 1984). Fransa yapımı Mirage 2000′lerde ise bor-grafıt/epoksi karma kompozitler kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır (Gay, 1989).

Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra gerçekleştirilmiştir. Ancak bu konuya ilgi hızla artmaktadır. Grafıt/epoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727′lerin gövde kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlanmıştır (Brooks, et al., 1980). Boeing 737′lerin aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981′den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır. Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15′lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır (Noton, 1974).

Uçak tasarımında ağırlık kazancı önemli miktarda yakıt kazancıda sağladığından NASA’nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesinde uçak yapısı için Uompozit malzeme geliştirimine gidilmiştir. 1980′lerde sadece ikinci dereceden yapısal elemanlarda kompozit kullanılırken, 1985′lerde birinci dereceden temel yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanmıştır (Dexter, 1980). Çizelge 4.2′de kompozit malzeme kullanımı ile konvensiyonel malzemelere oranla elde edilen ağırlık kazançları verilmektedir. Bu kazançların %11 ile %44 arasında değiştiği görülmektedir. 1980′lerde Boeing 757 ve 767′lerde kuyruk grubunda, kumanda yüzeylerinde, kanatçıklarda ve flaplarda grafıt/epoksi kullanılmıştır (Schvvartz, 1984).

Bir başka gelişmiş kompozit tipi ise Kevlar (aramid)/epoksidir. Uçak yapısında oldukça yaygın bir kullanımı söz konusudur. Özellikle karma kevlar-grafit/epoksi yapılar kullanılmaktadır. Boeing 767′lerde bu karma yapı motor kaplaması ve kanat hücum kenarı yapılarında kullanılın ıştır (Dexter, 1980). Kevların düşük basma mukavemeti bu karma yapılarda ortadan kaldırılmıştır.

Küçük bir yolcu uçağı olan Lear Fan 2100′de grafit/epoksi ağırlıklı olmak üzere tüm yapı kompozittir. İki kişilik “Rutan Voyager” ise durmaksızın dünyanın çevresini dolaşan bir uçaktır ve karbon/polyester ağırlıklı olmak üzere, tamamen kompozitten imal edilmiştir (Phillips, 19G7).

Lockheed-California tarafından üretilen L-1011 yolcu uçaklarında kanatçık yapısı alüminyum alaşımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %26.3′l (lk bir ağırlık kazancı sağlanmıştır. Maliyette ise önemli bir artış kaydedilmemiştir.

Aerospatiale yapımı süpersonik yolcu uçağı Concorde’da grafityepoksi kompozit, iniş takımı kapaklarında kullanılmıştır. Airbus A300 yolcu uçağında grafit/epoksi kompozitler istikamet dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır. Aynı uçağın kanat firar kenarı ve irtifa dümeni kevlar/epoksi kompozitten üretilmiştir. A320′lerde bu kısımlara ek olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafit/epoksi kompozitten üretilmiştir (Herteman, 1989).

Sürekli elyaf takviyeli kompozitleriıı uçak tasarımında geniş bir kullanım alanı söz konusudur. Verilen tüm örneklerden görüldüğü gibi bor/epoksi, grafit/epoksi ve kevlar/epoksi uçak yapısında kullanılan en önemli kompozitlerdir.

Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları
Basınçlı gaz kapları konusunda, değişik malzemeler ile çok sayıda alternatif çözüm bulunmaktadır. (Örneğin çelik, alüminyum, cam elyaf takviyeli plastikler gibi.) İstenen yüksek emniyet faktöründen dolayı bu tür basınçlı kapların ağırlıkları genel olarak çok farklıdır. Daha önceden sıkıştırılmış gazlar için hafif basınç kapları geliştirilmeye başlanmıştır. Bu kapların;

  • Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonlarda
  • Hidrojen, Helyum gibi sıkıştırılmış sanayi gazı taşıyan treylerde.

kullanılması ön görülmektedir.

Bu kaplar aynı büyüklükteki bütünü ile çelik olan kaplara göre çok daha hafif olup, bu hafiflik kompozit malzeme ile sağlanmıştır. Cam elyafla kaplanmış alüminyum gövde gibi.
Bu kombinasyon alüminyum ve cam elyafın optimum malzeme özelliklerinin kullanılmasına imkan vermektedir.

Bu kapların avantajları şu şekilde gösterilebilir:

  • Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonların şase ağırlığı azaltılır. Şase ağırlığı / cam elyaflı kaplar ile %35 oranında azalmaktadır.
  • Bu şekildeki gaz tankeri, çelik gövdeli bir tankere oranla yaklaşık 2 kat daha fazla gaz taşıyabilmektedir.

Bu kaplar yüksek işletme performansı sağlayan kaliteli ürünlerdir. Bu kapların pazara sürülmesi ile ucuz doğal gazın kullanımı artacak aynı zamanda sıvı yakıtlı motorların sebep olduğu hava kirliliği azalacaktır.

Diğer kullanım alanları

  • Motorlar
  • Spor malzemelerinin üretimi (kayak, tenis raketleri)
  • Dişli çarklar
  • Özel takımlar
  • Kamyon yaprak yayları
  • Karoseri elemanları
  • Boru tesisatları
  • Depolar
  • Yapı işleri
  • Deniz araçları yapımında
  • Elektrik kontak malzemeleri
  • Nükleer reaktörler
  • Sürünme dirençli manyetik malzemeler
  • Batarya ızgaraları
  • Elektrik elemanları, ısıtıcılar

Sonuç
Kompozit malzemeler belirli avantajlar sağlayan özel ürünlerdir. Günümüzde geniş hammadde temin olanakları ve birleştirme metotları kullanıcıya maksimum avantajı sağlayan çok sayıda kombinasyonları mümkün kılmaktadır. Kompozit malzemelerin yüksek ve homojen bir kaliteyi garanti edebilmesi ve üretim maliyetlerinin kabul edilebilir düzeyde tutulabilmesi için yüksek teknolojiye dayalı bir işlemin uygulanması şarttır. Dezavantajı ise, kompozit olmayan malzemelere göre daha pahalı oluşlarıdır. Ancak son kullanıcı açısından ekonomik çözüm arz etmektedir. Bu husus günün ve yarının kompozitleri için daha geniş ve yeni uygulama olanları açacak olan itici güç niteliğindedir.

KAYNAKLAR
1.    GÜVEN. Ş. Yılmaz, Kompozit Malzemeler ve Kullanım Alanları, Isparta Mühendislik Mimarlık Fakültesi. Makine Müh. Bölümü, Isparta, 1990.
2.    Armatlı Kayrak, Müge, Havacılık Kompozitleri ve Mukavemet Maliyet Analizleri, Anadolu Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Eskişehir, 1999.
3.    Yaşa Ersoy, Halit, Kompozit Malzeme, Literatür Yyayınları, İstanbul, Ekim 2001.
4.    Metal Meslek Bilgisi, Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, İstanbul 2000.
5.    DONALD R. ASKELAND, Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Nobel Yayınları, Ankara 1998.
6.    Özbay, Mahmut, Çağdaş Teknolojide Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Makine, Cilt 28, Sayı 325, Şubat 1987.
7.    Şimşek, Muhittin, Elyaf  Takviyeli Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri
Mühendis ve Makine, Cilt 35, Sayı 414, Ekim 1994.
8.    Tarakçılar. A.R. – Topçu. M. – Taşgetiren. S., Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları, Mühendis ve Makine, Cilt 36, Sayı 422, Haziran 1995.
9.    BREGENZER. Rene, Yeni Kullanım Alanları İçin Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Makine, 2000.
10.    Tarakçılar. A.R. – Topçu. M. – Taşgetiren. S., Kompozitler ve Özelliklerini Belirleyen Faktörler, Mühendis ve Makine, Cilt 36, Sayı 420, Nisan 1995.
11.    Sönmez. Fazıl Önder, Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı, Mühendis ve Makine, Cilt 39, Sayı 465, Mayıs 2000.
12.    Robert. C. Forney, Kompozit Malzemeler Çağı, Teknik ve Uygulama, Sayı 11, Ekim 1987.
13.    Kaya, Şahin, Kompozit Malzemeler ve Cesur Tasarımlar, Yakın Geleceğin Uçakları, Teknik Uygulama, Sayı 11, Ekim 1987.

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA