Polimer matris kompozitler (PMC) matris olarak bir polimer
reçine ve takviye olarak da fiberler veya diğer takviye malzemeler içeren
kompozitlerdir. Fiber takviyeli polimerlerde (FRP) takviye malzeme sürekli
(uzun) veya kısa fiberlerdir. Takviye faz ve matris arasındaki etkileşim
kuvvetli kimyasal bağlardan zayıf sürtünme kuvvetlerine kadar farklı şekillerde
olabilir. Arayüz olarak tanımlanan bu tür etkileşimler takviyelerin uygun
malzemelerle kaplanarak kullanılmasıyla kontrol altında tutulur.
Kompozit malzemeler bir bütün olarak ele alındığında açıkça
görüldüğü gibi, pek çok seçim yapmayı gerektiren elemanların arasından isabetli
seçimlerin yapılması gerekir. Bunların başlıcaları üretim formülasyonları
içinde yer alan çok sayıdaki reçine, takviye, çekirdek v.s. dir. Tüm bu maddelerin
kendilerine özgü özellikleri vardır; örneğin, kuvvet, sertlik, dayanıklılık,
ısıya karşı direnç, fiyat, üretim hızı, vs, gibi. Ancak üretilen bir kompozitin
özellikleri sadece, üretiminde kullanılan her bir malzemenin özellikleriyle
sınırlı olmaz, bunların elde edilme yöntemlerine ve ne miktarlarda kullanılması
gerektiğine ve kompozitin üretim proseslerine (prepregleme, şekillendirme,
kalıplama, v.s.) de bağlı olarak değişir.
Üretim formülasyonları, üretilecek malzemeye bağlı olarak gerekli
tüm parametreleri karşılayabilecek bileşikler bir araya getirilerek hazırlanır.
Bunlar matrisler, takviyeler, çekirdekler, yapıştırıcılar ve solventlerdir.
Matris malzemeler termoset (TS) polimerler (en popüler
matris malzemeler) ve termoplastik (TP) kalıplama bileşikleridir. Elastomerler
de tipik matris malzemelerdir; bu gruptaki polimerler genellikle termoset
polimerler içinde yer alır. Tipik reçineler olarak, epoksiler, poliüretanlar,
fenolikler, amino reçineler, bismaleimid (BMI), polietersülfon (PES),
polietereterketon (PEEK) sayılabilir.
Takviye malzeme uygun geometrik formlarda fiberler,
partiküller ve flaklardır. Örneğin, seramik, metal, bazı polimerler, karbon
veya boron gibi elementler olabilir. Mühendislik uygulamalarda takviye faz
olarak çoğunlukla fiberler kullanılır. En yaygın fiber malzemeler cam, karbon
ve aromatik bir poliamid olan kevlardır. Fiberler sürekli filamentler veya
kesilmiş kısa formda olabilir. Rovingler, dokuma rovingler, yarnlar, dokuma
yarnlar, v.s çeşitli fiber formlardır. Matlar ve preformlar da önemli takviye
malzemelerdir. Matlar, rastgele oryente edilmiş, bir bağlayıcıyla gevşekçe
birbirlerine tutturulmuş kısa fiberlerdir. Matlar kesilip şekillendirilerek
bazı kalıplama proseslerinde preformlar olarak kullanılır.
Çekirdek malzemeler
fiberglas/fenolik balpeteği, aramid/fenolik balpeteği, köpük, kapalı hücre,
PMA, sintatikler (reçine matriste cam küreler), katı laminatlar veya metalik
çekirdek ilavesi, eklemeler ve çeşitli fonksiyonel malzemelerdir.
Yapıştırıcılar çeşitlidir;
pastalar, film, köpük, toz kuvvetlendiriciler, nano katkılar formda olabilir.
Solventler reçine veya kürleme maddesinin bir parçasıdır, ayrıca üretimde ve
temizlik amaçlı da kullanılırlar. Ketonlar, alkoller klorlu hidrokarbonlar
tipik solventler olarak sayılabilir.
Prepregler, bir
reçine matris malzemeyle (kısmen kürlenmiş) preimpregne edilmiş fiberdir; bu
impregne fiberler üç temel formda olabilir: dokuma fabrikler, rovingler (yarı
bükülmüş iplik), unidirectional (tek-yönlü) teypler. Kürleme şekillendirme
sırasında veya sonrasında tamamlanır. Sürekli fiberlerle hazırlanan preformlar
yüksek kuvvet ve modüle sahip olduğundan, kısa fiberli preformlara göre daha
avantajlıdır. Prepreg 00C’nin altındaki sıcaklıklarda depolanır;
çünkü termoset matris oda sıcaklığında kürlenme reaksiyonuna uğrar. Keza, oda
sıcaklığında kullanılırken de işlemlerin en kısa zamanda bitirilmesi gerekir.
Prepregin gerekli şartlar altında yaşam süresi 6 ay kadardır. Preimpregne
üreticilere genellikle teyp şeklinde verilir, bunlar, herhangi bir reçine
ilavesine gerek olmadan kalıplanabilir ve tamamıyla kürlenebilir.
Kürleme, sıvı
termoset bir ön-polimerin sertleştirilmesi işlemidir. Kürleme bir dizi kimyasal
reaksiyonlar sonucu gerçekleşir. Öncelikle ısıyla aktivasyon yapılır; orijinal
pre-polimer molekülleri çapraz bağlanmaya uğrayarak yapısal değişime uğrar ve
önce yavaş, sonra aniden viskozitesi artar. Bu noktada reçine ‘jel’ haline
gelmiştir ve 3D moleküler ağ yapısı oluşur. Bu aşamadan sonra jel ağ yapısı sıkılaşır,
ürün sertleşir, reaksiyonların ilerlemesi kesilir (belirli bir sıcaklıkta).
Elde edilen ürün ‘vitrifiye (camsı)’ olarak tanımlanır. Kürlemede önemli
parametreler zaman, sıcaklık ve basınçtır. Kürleme oda sıcaklığında ve atmosfer
basıncında veya kontrollü sıcaklık ve basınç uygulamalı koşullarda
gerçekleştirilir.
Termoset reçineler oda sıcaklığında kürlenebilen malzemeler
olduğundan hand lay‑up veya sprey‑up prosesleriyle kürlenebilirler.
Isıtma uygulanarak yapılan kürleme işlemlerinde sıcaklığın kontrol altıda
tutulması önemlidir; bu amaçla bazı kürleme fırınları vakum sistemi ile
desteklenir. Kalıbın fırına konulmasının zor olduğu koşullarda malzemeye
infrared ısıtma uygulanır. Kürleme ısı ve basınç kontrollü bir otoklavda da
yapılabilir.
Açık kalıplama
prosesleri ortam sıcaklığında ve atmosferik basınçta yapılır. Parçalar
basınçlı silindir fırçayla, püskürtmeyle ve manuel olarak yerleştirilir. Açık
kalıplamada sadece bir kalıp (pozitif
veya negatif) kullanılır; kalıplar odun, takviyeli plastikler ve levha metal
gibi malzemelerden olabilir. Kalıba öncelikle, silikon, polivinilalkol,
fluorokarbon veya bazı durumlarda plastik film gibi, malzemenin kalıptan
çıkmasını kolayca sağlayan bir madde uygulanır. En iyi yüzey kalitesi, kalıp
içinin takviye edilmemiş bir jelle kaplanmasıyla sağlanır. Kalıplanacak
malzemeler (reçineler, fiberler, matlar, woven rovingler, prepregler) kalıba,
istenilen kalınlıkta olacak şekilde tabakalar halinde yerleştirilir. Sonra
kürleme yapılır, ve kalıplanmış malzeme kalıptan çıkarılır. Açık kalıplama prosesleri
genellikle, fiber takviyeli doymamış poliesterler ve epoksi reçinelere
uygulanır. Fabrikasyon metotları arasında hand lay-up, otomatik teyp lay-up,
ve sprey lay-up sayılabilir.
Kapalı kalıplama prosesleri
kompozit malzemenin kapalı bir kapta veya odacıkta şekillendirdiği veya
üretildiği işlemlerdir. Sıvı reçine karışımı veya prepreg malzeme kürleme
kademesi için kaba konulur. Tüm proses kapalı olduğunda dışarıdan müdahale çok
azdır. Kapalı kalıplama prosesinde üretim hızı yüksektir, çok kompleks
üç-boyutlu şekiller yapılabilir ve edilen ürünün tüm yüzeyleri muntazamdır.
Kapalı kalıplama prosesinde kullanılan gereçler kompleks, kuvvetli ve ağır malzemeler
olduğundan, açık kalıplamadakilere kıyasla daha pahalıdır. Kompresyon
kalıplama, reçine transfer kalıplama(RTM) ve injeksiyon kalıplama prosesleri
tipik kapalı kap kalıplama prosesleridir.
Ardışık veya batch
(yığın) prosesler her defasında tek bir parçanın üretildiği proseslerdir;
genellikle parçalar küçük ve kompleks olduğunda, kürleme fazının kritik olduğu
hallerde, veya az sayıda ürün istendiğinde uygulanır.
Sürekli prosesler
bir dereceye kadar otomatik proseslerdir; aynı parçalar çok sayıda ve oldukça
hızlı üretilir. Bu tip proseslerde genellikle reçine karışımı kalıp içine
pompalanır ve takiben kapalı sistemde kürlenir.
Şekil-10: Fiber takviyeli polimer (FRP)
kompozit üretimi akım şeması
Şekil-11: Polimer matris kompozit üretimi
akım şeması
Hand lay-up (elle
yayma) fiber-reçine kompozit üretiminde kullanılan en eski ve en basit
yöntemdir. Reçine ve fiber (veya kesilmiş prepregler) kalıba manuel olarak konulur,
ortamdaki hava uzaklaştırılır. Sertleştirme genellikle oda sıcaklığında
yapılır, ısıtılarak sertleşme çabuklaştırılabilir.
Şekil-12:
Hand-lay-up prosesi
Malzeme, herhangi bir reçine (örneğin, epoksiler, poliesterler, vinilester,
fenolikler, v.s.) olabilir, herhangi bir fiber ve çekirdek (veya göbek)
kullanılabilir.
Hand-lay up basit ve kolay bir prosestir, oda
sıcaklığında kürlenen reçineler kullanıldığında kullanılan gereçler
ucuzdur, fiber içeriği yüksek ürünler elde edilir.
Hand lay-up emek
yoğun bir prosestir, ürünün kalitesi işlemi yapanın deneyim ve yeteneğine göre
değişir.
Hand lay-up yüzey
alanı büyük olmayan (birkaç feet2) çeşitli boyutlardaki bazı teknik
parçaların üretiminde kullanılan bir yöntemdir. Uygulama alanları arasında uçak
iskeleti parçaları, standart rüzgâr türbin kolları, kayıklar, araç bedeni,
tanklar, yüzme havuzları ve kanallar sayılabilir.
Sprey lay-up bir açık kalıplama prosesidir. Fiber bir el tabancasıyla
kesilir ve kalıptaki katalizlenmiş reçine içine beslenir. Oluşan (çökelti)
malzeme standart atmosferik koşullarda kürlemeye bırakılır.
Şekil-13: Sprey lay-up prosesi
Sprey Lay-up reçine
olarak, özellikle poliester reçinelerin ve camsı roving fiber formların tercih
edildiği, çekirdek yapıya gerek olmayan bir kalıplama yöntemidir. Uzun zamandan
beri uygulanan bir metottur, fiber ve reçinenin çok çabuk çöktürülmesi
sağlanır. Kullanılan gereçler ucuzdur.
Laminatlar reçinece zengin malzemelerdir, dolayısıyla
ağırdırlar. Sadece kısa fiberlerle çalışıldığından laminatın mekanik/termal
özellikleri sınırlıdır. Sprey edilebilmesi için reçine viskozitesinin düşük
olması gerekir.
Robotların kullanıldığı otomatik sistemlerde ürün kalitesi
çok kararlıdır. Tipik uygulama alanları arasında hafif yük yapı panelleri.
büyük boyutlardaki parçalar, kompleks şekiller, karavan bedenleri, banyo
küvetleri sayılabilir.
Otomatik fiber yerleştirme, kompozit malzeme elemanlarının
bir yüzey üzerine elle değil bir makine vasıtasıyla konularak yerleştirildiği
bir prosestir. Halen uygulanmakta olan çeşitli fiber yerleştirme tekniği
vardır.
Bunlardan birinde bir teyp lay-up makinesi kullanılır.
Makineye besleme bir prepreg teyp rulodan yapılır. Bilgisayar kontrollü olarak
dağıtıcı silindir başlık hareket eder ve malzemenin yayılacağı yüzeye, tam
yerine ve uygun oryantasyonda konumlanır; yüzeye gerekli uzunlukta ve
genişlikte bir parça teyp çeker, otomatik olarak keser ve bulunduğu yere yayar.
İşlemi takiben başlık hemen farklı bir konuma geçer ve peş peşe aynı proses
tekrarlanır.
Şekil-14:
Otomatik tow/dar teyp yerleştirme tekniği
Bu yöntem ilk-jenerasyon fiber yerleştirme tekniğidir ve
karmaşık olmayan büyük malzemelerin hazırlanmasına uygundur. Diğer fiber
yerleştirme tekniği tow/dar-teyp yerleştirmedir. Otomatik tow/dar teyp
yerleştirmede besleme, tek tek dar teypler şeklindeki tow veya dar şeritler
şeklinde kesilmiş geniş bir teyptir. Dağıtıcı silindir başlığı dar teyp
şeritleri tabana yayar, durur ve diğer şeridi çeker.
Malzemeye istenilen kalınlık ve kuvvet kazandırılırken
ağırlığın minimumda tutulması önemlidir.
ATL kompleks malzemelerin elde edilebilmesine olanak veren
bir şekillendirme prosesidir. Tipik uygulama alanları uçak kanadı kaplamalar ve
uçak gövdesidir.
Proseste reçineyle ıslatılan filamentler dönen bir
silindirik mandrel üzerine, gerekli mekanik özellikleri karşılayacak değişik
açılarda sarılır. Oluşan yapı kürlenir ve sonra mandrel çıkarılır. Filamentler
(veya teyp, tow, bant olabilir), ya önceden polimerle bir ön-kaplama işlemine
tabi tutulur, veya bir polimer banyosuna çekilerek termoset reçineyle doyurulur
(impregnasyon). Banyodan sürekli olarak bir mandrel üzerine sarılır. Sarma
işlemi genellikle otomatik olarak yapılır. Sarma yeterli seviyeye ulaştığında
bir fırında veya oda sıcaklığında kürleme yapılır.
Malzeme olarak epoksiler,
poliester, vinilester ve fenolikler gibi çeşitli reçineler ve farklı fiberler
kullanılabilir. Çekirdek herhangi bir çekirdek olabilir. Çok hızlı ve ekonomik
bir metottur. Önceden fiberlerin fabrik forma dönüştürülmesi gerekmediğinden
fiber fiyatı düşüktür. Her fiber üzerindeki reçine miktarı kontrol altında
tutulabilir.
Filament sarma
prosesi girintili-çıkıntılı kompleks şekiller için uygun değildir. Reçine
viskozitesinin düşük olmalıdır. Malzemenin dış yüzeyi kalıplanmamış haldedir.
Uygulamalar
arasında kompozit borular, tanklar ve basınçlı kaplar sayılabilir.
Şekil-15: Filament sarma
prosesi
Sürekli fiberler reçine tankına çekilir ve fiberlerin reçine
ile doygun hale gelmesi (impregne) sağlanır. Reçine ile doygun fiberler çelik
bir ön-şekillendirme kalıbına verilerek şekillendirilir ve buradan kürleme
kalıbına gönderilir; kalıbın sıcaklığı reçine matrisini kürleyebilecek
sıcaklığa ayarlanır. Üretim hızı ~1 m/dakika dolayındadır. Elde edilen parçalar
sürekli fiberlerle takviyelendirilmiştir, ekstruzyonda olduğu gibi, kesitleri
kalıbın açıklığı tarafından belirlenir ve kararlıdır. Kürlenen ürün uzun
parçalara bölünür.
Şekil-16: Pultruzyon prosesi
Kullanılan
reçineler genellikle epoksi, poliester, vinilester ve fenoliklerdir. Fiber
herhangi bir fiber olabilir. Çekirdek malzeme genellikler kullanılmaz.
Pultruzyon
prosesi çok hızlı ve ekonomi bir prosestir. Reçine miktarı otomatik
olarak kontrol edilir. Fiberler ucuzdur. Elde edilen laminatların yapısal
özellikleri çok iyidir. Reçine impregnasyon alanı kapalı olduğundan uçucu
emisyonu düşüktür.
Isıtmalı kalıpların pahalı olması ve
üretilebilecek malzemelerin sınırlı olması prosesin dezavantajları olarak
sayılabilir.
Uygulamalar arasında spor malzemeleri, araç
şaftları, portatif merdiven veya tırabzanlar, ve bazı havacılık sektörü
malzemeleri sayılabilir.
Termoset reçine ve
kısa fiberler bir pota veya odacığa konulur ısıtılır ve bir ram ile bir veya
daha fazla kalıp boşluğuna sıkıştırılır. Kalıp, reçinenin kürlenmesi için
ısıtılır. Transfer kalıplama ve infüzyon prosesleri çeşitlidir.
Reçine Transfer Kalıplama (RTM):
Reçine transfer kalıplama kapalı bir kalıplama yöntemidir. Takviye malzeme
doğrudan, veya bazen önceden bir ön-şekillendirme yapıldıktan sonra (preform)
kalıba konur. Üst kalıp alttakinin üstüne kapatılır ve aradaki boşluğa reçine
injekte edilir. Kalıp ısıtılarak kürleme yapılır. İşlemlerin tamamı ortam
sıcaklığı ve basıncında gerçekleştirilir.
Fabriklerin içine reçinenin daha iyi nüfuz edebilmesi için
kalıp boşluklarına vakum uygulanabilir; bu durumda yapılan proses vakum
destekli reçine injeksiyon (VARI) prosesi olarak adlandırılır.
Şekil-17:
Reçine transfer kalıplama
Kullanılan reçineler genellikle epoksiler,
poliesterler ve fenoliklerdir; yüksek proses sıcaklıklarında bismaleimidler
gibi reçineler de kullanılabilir. Reçineler herhangi bir tip olabilir.
Balpeteği çekirdek malzemeler, hücrelerin reçineyle dolması ve basıncın bazı
köpükleri kırma olasılığı nedeniyle uygun değildir.
Reçine
transfer kalıplamayla yüksek fiber hacimli ve çok düşük gözenekli
laminatlar elde edilebilir. Kompozitin her iki tarafı da kalıplanmış yüzeydir. Ancak eşleşmeli gereçler pahalıdır ve
basınca dayanıklı olması nedeniyle ağırdır. Genellikle küçük parçalara
uygulanabilir. Tipik uygulamalar uçak, otomotiv ve tren koltukları küçük
parçalarıdır.
RTM prosesinde olduğu gibi, fiberler (kuru) kalıba yayılır,
reçine dağıtıcı fabrikle (peel-ply) kaplanır ve tüm kuru kütlete vakum
torbalama uygulanır, takiben laminatın içine reçine akışı sağlanır.
Reçine infüzyon prosesleri çeşitlidir; örneğin reçine film
infüzyon (RFI), vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM), yapısal
reaksiyon injeksiyon kalıplama (SRIM) ve Seemann kompozit reçine infüzyon
prosesi (SCRIMP) gibi.
VARTM (Vacuum Assisted RTM) yönteminde, konsolidasyon, hava
uzaklaştırma ve reçine infiltrasyonunu hızlandırmak için sisteme vakum
uygulanır.
SCRIMP (Seemann Composite Resin Infusion Process), reçine
transfer kalıplama (RTM) ve reçine film infüzyon (RFI) konsolidasyon
proseslerinin karışımı bir metottur. Reçine, RTM’de olduğu gibi dışarıdan
beslenir ve sıvı haldedir; preformu, RFI’deki gibi impregne eder.
Yeterli kalınlıkta reçine absorbsiyonu için bir reçine
dağıtım ortamı hazırlanır. Ortam, reçinenin preform yüzeyine çabukça akmasını,
yayılmasını ve uygun kalınlığa erişmesini sağlar. Sistemin hazırlanması ve
tamamlanması RIF metoduna benzer; vakum torbasıyla paketlenir ve vakuma
bağlanır.
Reçine film infüzyon (RFI), RTM’na alternatif bir kapalı kap
infüzyon prosesidir. RFI’da reçine sıvı halde değil film halinde kullanılır.
Kalıba önce film yayılır, sonra preform konulur. Preformun üzerine malzemenin
kolayca çıkarılmasını sağlayacak bir film ile vakumun uygulanabileceği bir
aralık ilave edilir. Sistemin tamamı torbalanır, vakumlanır ve bir otoklava
konularak basınç altında ısıtılır. Reçine film ergir, kapiler etkisiyle
preforma emilir. Malzemeye göre basınç değiştirilebilir.
Diğer bir RTM yöntemi, üretim süresini kısaltmak amacıyla
yüksek injeksiyon basıncının uygulandığı SRIM (Structural Reaction Injection
Molding) metodudur. Bir kalıba kuru fiber malzeme konur ve sıvı haldeki bir
reçineyle karıştırılır, peel ply ve/veya reçine dağıtıcı bir fabrikle kaplanır.
Reçinenin fiberin tümüne dağılmasının sağlamak için ısı ve vakum uygulanır.
(peel ply, ayırma ajanı ile empregne edilmiş sıkı dokuma bir kumaştır.)
Şekil-18: (a) Vakumla
reçine transfer kalıplama (*peel ply ve/veya reçine dağıtıcı fabrik) (VARTM,
SCRIMP), (b) Reçine film infüzyon (RFI) kalıplama prosesleri
Kullanılan
malzemeler genellikle epoksiler, poliesterler ve vinilesterlerdir.
Fiber, herhangi bir konvensiyonal fabriktir. Çekirdek malzeme için balbeteği
hariç kısıtlama yoktur.
Reçine infüzyon prosesleri RTM kalıplama prosesindeki
avantajlara sahiptir; ancak, kalıplanan malzemenin sadece bir yüzü kalıp
düzgünlüğündedir. Kalıplama malzemesi, bir tarafı vakum torbası olduğundan,
daha ucuzdur. Yüksek fiber hacim fraksiyonlu ve düşük gözenekli çok büyük
malzemeler üretilebilir. Bu proses için standart lay-up gereçleri modifiye
edilerek kullanılabilir. Ancak kullanılan reçinelerin düşük viskoziteli olması
gerekir, bu durum üretilen malzemenin mekanik özelliklerini etkiler. Bazı özel
parçalarda impregne-olmamış kısımlar kalabilir.
Yat, tren ve kamyon beden panelleri ve rüzgâr enerjisi
kanatları gibi malzemeler tipik ürünlerdir.
Termosetlerin injeksiyon kalıplamalarında kullanılan
sistemler ve proses termoplastiklerinkinden bazı farklılıklar gösterir. Çünkü
termosetler kürlendikten sonra tekrar ergimezler, dolayısıyla daha sonraki
aşamalarda kovan veya nozulda kalıntı bırakmazlar.
Şekil-19: Uçucuların ayrıldığı özel bir
injeksiyon kalıplama kovanı ve vidası (termosetler ve termoplastikler için)
Termoset malzeme injeksiyon sırasında akışkan olması için
kovanda önce ısıtılarak viskozitesi düşürülür. Kalıplanmış parçalar, malzeme
kürlenme sıcaklığının üstündeki bir sıcaklığa ısıtıldıktan sonra şeklini korur;
kürlenme sıcaklığında çapraz bağlar meydana gelir. Bu nedenle termoset injeksiyon kalıplama prosesinde en önemli
nokta reçinenin ergime sıcaklığına kadar ısıtılması (kalıba injekte
edilebilmesi için), fakat sıcaklığın kürlenme sıcaklığının altında olmasıdır.
Kalıbın doldurulmasında sonra sıcak kalıp içinde, reçinenin ergime sıcaklığının
üstünde çapraz bağlanma oluşur ve sonra kalıp açılır, parça alınır.
Termoplastik
granüller veya toz halindeki malzeme bir hoperden injeksiyon kalıplama
makinesine gönderilir. Makine, içinde Arşimet vidası bulunan çelik bir borudur;
malzemeyi boru boyunca taşıyarak kalıba ulaştırır. Borunun etrafı ısıtıcılarla
(ayarlanabilir) sarılmıştır; malzeme kontrollü sıcaklık boyunca ilerlerken
ergir ve ergiyik ısıtılmış kalıba injekte edilir. Sistem genellikle otomatik
olarak çalışır.
Termoplastik
injeksiyon kalıplamada kalıplanmış parçalar, sıcaklık malzemenin ergime
sıcaklığının altına düşürüldükten sonra şeklini korur. Bu nedenle termoplastik
injeksiyon kalıplama prosesinde en önemli nokta reçinenin en kısa sürede ergime
sıcaklığına kadar ısıtılması (konik bir vida kullanılır), ve sonra kalıptayken
(soğutulmuş) sıcaklığın ergime sıcaklığının altına düşürülmesidir.
Basınçlı kalıplama prosesi genellikle termoplastik bazlı
PMC’ler için kullanılan bir prosestir; ancak bazı termoset bazlı kompozitlere
de uygulanabilir.
Basınçlı kalıplama tekniği malzemenin tipinden bağımsız bir
prosestir; genellikle BMC, SMC, sıvı kompozitler (preform), gibi
malzemelerden yapılan büyük hacimli
kompozitler için tercih edilen bir kalıplama yöntemidir.
Basınçlı kalıplamada eşleşmeli kalıp kullanılır; katı bir
alt kalıp ve bir üst kalıp. Alttaki kalıba takviye malzemesi ve reçine konur ve
üst kalıpla beraber makineye takılır. Üst kalıba sıcak basınçlı hava verilir;
reçine fazlası sıkışmış hava kabarcıklarıyla beraber dışarı çıkar.
Sıkıştırmayla kalıplanan kompozitlerin şekilleri ve boyutları nettir.
Şekil-21: Basınçlı kalıplama prosesi
Prepreg, kısmen kürlenmiş termoset reçinelerle impregne
edilen fiberlerdir; bunlar teypler veya çapraz-istiflenmiş levhalar veya
fabriklerdir. Kürleme şekillendirme sırasında veya sonrasında tamamlanır. Elde
edilen ürünün mekanik özellikleri kullanılan preprege göre değişir; dolayısıyla
sürekli fiberlerle hazırlanan prepregler, kesilmiş rastgele fiberlerle
hazırlananlardan daha yüksek kuvvet ve modüle sahip olduğundan tercih edilir.
Prepreg konsolidasyon prosesleri çeşitlidir; bunlardan
bazıları:
·
Otoklav konsolidasyon prosesi (TS, TP) (vakum
torbalı kalıplama veya prepreg lay-up prosesi)
·
Otoklav-dışı kalıplama prosesi (TS)
·
Teyp sarma prosesi (TP) (veya termoplastik
filament sarma prosesi)
·
Sıcak presleme prosesi (TP) (veya termoplastik
prepreg basınçlı kalıplama, veya eşleşmeli kalıp tekniği prosesi)
·
Diyafram forming
prosesi (TP)
Şekil-22: Tipik prepregleme proses şeması
a.
Otoklav Konsolidasyon Prosesi (TS, TP)
Otoklav veya vakum torbalı kalıplama prosesinde iki-taraflı
kalıp takımı kullanılır. Alt taraf sert kalıp, üst taraf esnek bir membran veya
vakum torbasıdır.
Torba silikon veya ekstrud bir polimer filmdir. İşlem ortam
sıcaklığında veya yüksek sıcaklıklarda yapılabilir. Sistemde bulunabilecek hava
vakum pompasıyla giderilir. Kürleme düşük sıcaklıkta ve düşük basınçta yapılır.
Termoplastik kompozitlerin otoklav prosesi termoset
kompozitlere benzer. Bu proseste termoplastik prepregler uygun bir malzeme
üzerine istenilen dizgide yayılır ve tüm sistem vakum torbasına yerleştirilerek
bir otoklava konulur.
Şekil-23: Otoklav
(vakum torbalı) kalıplama prosesi
Kullanılan reçineler
esas olarak epoksiler, fenolikler ve yüksek sıcaklık reçineleridir.
Poliesterler ve vinil esterler, vakumda reçineden uçucu maddelerin (stiren
gibi) kaybından dolayı sorun yaratır. Fiberler olarak çeşitli fabrikler
kullanılır.
Otoklav kalıplama
prosesiyle yüksek fiberli ve laminatlar ve az gözenekli ürünler üretilebilir.
Tek-yönlü teyplerle çalışıldığında fiber fiyatı çok düşük olur; çünkü,
kullanılmadan önce fiberlerin fabrik forma dönüştürülmesine gereksinim olmaz.
Yöntemin
dezavantajları arasında preimpregne fabrik malzemelerin pahalılığı,
işgücü fazlasına (ekstra proses) gereksinim ve atık torbaların maliyeti
artırması sayılabilir. Proses, operatör mahareti gerektirir. Vakum torbanın
uçucu maddeleri çekmesine karşın harcanan zaman uzundur. Otoklavlar
pahalıdır ve malzeme büyüklüğünü
sınırlar.
Düşük
Sıcaklık Kürleme Prepregleri:
Düşük sıcaklık kürleme prepregler, konvensiyonal otoklav prepreg prosesiyle
yapılır, ancak kullanılan reçine 60-120 0C’ler arasında kürlemeyi
gerektirir. Düşük sıcaklık kürlemede (60 0C) malzemenin bir hafta
gibi kısa bir süre içinde kullanılması gerekir. Kürleme sıcaklığı >80 0C
olduğunda katalizörün çalışma süresi birkaç aya kadar yükselir. Reçine
sistemlerinin akış profilinin otoklav kalıplamaya izin vermediği durumlarda
vakum torba kalıplama prosesi uygulanır.
Kullanılan reçine genellikle epoksilerdir. Fiberler
konvensiyonal herhangi bir prepreg olabilir.
Düşük sıcaklıkta kürlenen konvensiyonal prepreglerle
çalışılır; kürleme sıcaklığı düşük olduğundan örneğin, odun gibi ucuz gereçler
kullanılır. Sadece vakum torba basıncı uygulandığından büyük yapılı
malzemelerin yapımı kolaydır. Sıcaklık düşük olduğundan ısıtma basit sıcak-hava
sirkülasyonlu fırınlarla sağlanır. Enerji tüketimi otoklav prosese kıyasla daha
azdır.
Şekil-24: Prepreg
otoklav-dışı kalıplama prosesi
Şekil-25: SPRINT/SparPreg
otoklav-dışı kalıplama prosesi
Kalın Laminat
Prepregler: Prepreg
malzeme kalın laminatlar (>3 mm) şeklinde olduğunda tabakalar arasında
sıkışmış havanın uzaklaştırılması ve kürleme sırasında laminat etrafında
(tabakaların sıkışması gibi) olabilecek olumsuzlukları gidermek zorlaşır. Bu
problemin önlenmesi, geleneksel prepreg malzemelerde sıkışmış havanın atılması
için lay-up sırasında birkaç sıcak debulking (yığılma bozma) kademesi
uygulanır; bu ise proses süresini uzatır.
Geleneksel prepreg malzemelere alternatif olarak modifiye
prepregler geliştirilmiştir.
Bunlarla yüksek kaliteli (düşük gözenekli) kalın laminatlar
tek bir proseste üretilebilmektedir; malzemeler iki kuru fiber tabaka arasında
sıkıştırılmış (sandviç) bir reçine filmdir. SparPreg modifiye bir prepregdir,
kalıba konulduğunda uygulanan vakum laminattaki tüm havayı çeker, sonra ısı uygulamasıyla
reçine yumuşar ve kürlenir.
Malzeme olarak
genellikle epoksi reçineler tercih edilir; ancak diğer reçinelerle de
çalışılabilir. Fiber olarak bir sınırlama yoktur. Çok kalın laminatlar
(100mm).kullanıldığında, az gözenekli yüksek fiber hacimli malzemeler elde
edilir. Başlangıç polimerinin katı olması ve yüksek kürleme sıcaklığı nedeniyle
reçinenin mekanik özellikleri yüksektir.
Malzeme, preimpregne edilmemiş fabriklere kıyasla daha
pahalıdır. Proses gereçlerinin yüksek sıcaklıklara dayanıklı olması gereklidir.
Termoplastik teyp sarma, termoplastik filament sarma, olarak
da adlandırılır. Proseste termoplastik bir prepreg teyp mandrel üzerine
sarılır, silindir ve mandrelin temas noktasında ısı uygulanarak
termoplastiklerin ergiyerek konsolide olması ağlanır. Proseste yayma ergitme ve
konsolidasyon tek bir aşamada yapılır.
Sıcak presleme prosesi, termoplastik prepreg basınçlı
kalıplama, veya eşleşmeli kalıp tekniği prosesi olarak da tanımlanır. Proseste
termoplastik prepregler (tek-yönlü sürekli fiberler içeren) yığınlar halinde
dizilir ve ısıtılmış kalıplar arasına yerleştirilir. Bu proses esas olarak
sabit kalınlıkta düz laminat gibi formların üretilmesinde kullanılır.
