Kompozit Malzemelerin Birleştirilmesi

02 Ekim 2019


Doç. Dr. Özgür Demircan

Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

 

Giriş
Kompozit malzemeler, düşük yoğunluklu ve çok fonksiyonlu özelliklere sahip oldukları için havacılık, savunma sanayisi, biyomedikal uygulamalar, otomotiv sanayisi, elektronik iletişim antenleri, hava araçlarının dış yüzeyleri gibi parçalarda kullanılabilirler.

Bununla beraber plastik kompozit malzemelerin birleştirilebilirliği (kaynak edilebilirliği) güncel araştırma konusudur. Termoplastik ve termoset kompozit malzemelerin geleneksel vida gibi (mekanik) birleştirme işlemlerinde mekanik delme sırasında oluşan gerilmelerle delaminasyon problemlerine neden oldukları, malzeme ile bağlantı elemanı arasında korozyon oluşması, kompozit malzemede meydana gelen deformasyon istenilmeyen özelliklerdir. Mekanik birleştirme yöntemine alternatif birleştirme teknikleri havacılık endüstrisinde önemli bir konu haline gelmiştir. Mekanik birleştirmeye alternatif birleştirme teknikleri eş zamanlı kürleme (co-curing), eş zamanlı birleştirme (co-bonding) ve ikincil birleştirme (secondary-bonding)’dir.

Eş zamanlı kürleme (co-curing) iki parçanın yapıştırıcı film kullanılarak eş zamanlı kürlenmesidir. Eş zamanlı birleştirme (co-bonding) önceden kürlenmiş bir parça kürlenmemiş veya kısmi kürlenmiş bir parçaya yapıştırılmasıyla elde edilir. İkincil birleştirme (secondary-bonding) de önceden kürlenmiş iki parça yapıştırıcı kullanılarak birleştirilir. Eş zamanlı kürleme yapıştırıcı ile birlikte vakum torbasında veya otoklavda gerçekleşir.

İkincil birleştirme ve eş zamanlı birleştirme en fazla kullanılan birleştirme prosesleridir. Eş zamanlı kürleme ve eş zamanlı birleştirmede üretilen parça veya kürleme sayısı azaldığı için ikincil birleştirmeye göre daha çok tercih edilirler. Bununla birlikte büyük ve kompleks parçalar için ikincil birleştirme daha mukavemetli bağlantılar sağlar [1].

Şekil 1. Kompozitlerin birleştirilmesinde kullanılan üretim proseslerinin çizimleri

Termoplastik Kompozit Malzemelerin Birleştirme Yöntemleri
Direnç Kaynağı
Direnç kaynağı iş parçalarından geçen elektrik akımına karşı iş parçalarının gösterdiği dirençten sağlanan ısı ve aynı zamanda, basıncın tatbikiyle yapılan bir kaynak usulüdür. Malzemeden geçen elektrik akımının meydana getirdiği ısının dışında, herhangi bir ısı tatbik edilmemektedir. Isı, kaynak edilecek kısımlarda meydana gelir ve basınç kaynak makinasındaki elektrodlar veya çeneler vasıtasıyla uygulanır. Şebeke akımının yüksek voltaj/düşük amperi, düşük voltajı/yüksek akım şekline bir trafo yardımıyla dönüştürülür. Kaynak, kaynak edilecek malzemeleri belli bir basınçla sıkıştırıp, akımın malzemeye akmasını sağlayan elektrodlar yardımıyla yapılır. Akım bir elektrodtan diğerine malzeme üzerinden geçerek akar. Bu elektrodlar, yüksek akımın geçişine izin veren, basınç altında yeterli fiziksel mukavemete sahip özel bakır alaşımlarıdır.

Termoplastik kompozitlerin direnç kaynağı ile ısıtılarak birleştirilmesi için karbon kumaş ve metalin kullanıldığı iki yaklaşım vardır. Karbon kumaş kullanılması yönteminin avantajları, birleştirme sonrasında birleştirme bölgesinde hiçbir yabancı madde kalmaması ve termoplastik reçinenin, karbon fiberlere metalik bir malzemeden daha iyi yapışabilmesidir. Karbon fiberlerden elektriksel yalıtım sağlamak ve ilave matriks malzemesiyle boşlukları doldurulması için genellikle direnç ısıtıcının her iki tarafına ince polimer film tabakaları eklenir. Tüm termoplastik kompozitlerin kaynak işlemi yapılırken eriyik sıcaklığının üstünde ısıtılan tüm kısımlarda yeterli basıncı sağlamak gereklidir. Direnç kaynağı ile birleştirme işlemi ortalama 30 sn. ile 5 dk. arasında ve 7-14 bar arasında basınç uygulanarak yapılır.

Ultrasonik Kaynak
Ticari olarak düşük sıcaklıkta eriyebilen takviyesiz termoplastikler için oldukça fazlaca kullanılan bu yöntem son zamanlarda ileri termoplastik kompozit malzemeler için de kullanılmaktadır.

Ultrasonik kaynakta elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülür. Termoplastiklerin ultrasonik kaynağı, 10 kHz ila 70 kHz arasında düşük genlikli (10 mikro metre ila 250 mikro metre) ve yüksek frekansta ses üstü dalgalar biçiminde titreşen bir takım (horn) ile örs arasında sıkıştırılan plastiklerin takımdan iletilen mekanik titreşimler ile ısıtılarak ilave bir malzeme kullanmadan birleştirilmesi esasına dayanır. Kaynak yerine verilen ısıya ek olarak bir basıncın da uygulanması gerekir.

Bu kaynak işlemi kompozit yüzeylerinin herhangi birinde pürüzlülük olması halinde mükemmel çalışır. Bu işlem ortalama 10 saniyeden daha kısa sürer ve 5-14 bar arasında bir basınç uygulanır. Ultrasonik kaynak ile büyük parçaların kaynaklanması zordur [2].

Yapılan Bazı Araştırmalar
Hıdıroğlu v.d 2016, yapılan çalışmada otomotiv sanayinde örnek bir ultrasonik kaynak uygulaması incelenmiştir [3]. Goto vd, 2019, yapılan çalışmada ultrasonik kaynaklama ile karbon fiber takviyeli termoplastik (CFRTP) laminat birleşme noktalarının kayma ve çekme dayanımları, lap-kayma testleri (LST’ler) ve çapraz çekme testleri (CTT’ler) ile incelemişlerdir [4]. Tao vd, 2019, yapılan çalışmada Karbon Fiber (CF)/Poli (ether ether keton) PEEK kompozitlerine ultrasonik destekli kaynak yapıldı. Bağlantının kayma mukavemeti 28 MPa’ya ulaşabildi [5]. Villegas vd, 2018, yapılan çalışmada karbon/ epoksi ve karbon/PEEK kompozitlerinin PEI termoplastik bağlantı tabakası kullanılarak ultrasonik kaynak yöntemiyle kaynaklanmasını araştırmışlardır [6].

İndüksiyon Kaynak
İndüksiyon kaynak işleminde elektromanyetik alan üretmek için kullanılan bir indüksiyon bobini ile ısı açığa çıkar. Isı iletken malzemeler olarak demir, nikel, karbon elyaf ve bakır ağları içerir. Direnç kaynağı ile ısıtmasında olduğu gibi, metalik ısı iletken malzemenin her iki tarafına bir polimer film tabakası yerleştirmek normal bir uygulamadır. İndüksiyon kaynak işlemi ortalama 5-30 dakika sürer ve 4-14 bar arasında bir basınç uygulanır.

Kaynaklar
[1] J. Renart, A. Rodríguez-Bellido, 2015, “Mode I fatigue behaviour and fracture of adhesively-bonded fibre-reinforced polymer (FRP) composite joints for structural repairs”, Fatigue and Fracture of Adhesively- Bonded Composite Joints, Woodhead publishing, 121-147.
[2] F.C. Campbell, 2004, Thermoplastic Composites: An Unfulfilled Promise, Manufacturing Processes for Advanced Composites, Elsevier, 357-397.
[3] Hıdıroğlu, M., İzgi, G., 2016, “Otomotiv Sanayinde Kullanılan Örnek Bir Ultrasonik Kaynak Uygulamasında, Kaynak Kalitesini Etkileyen Temel Parametrelerin Kopma Dayanımına Etkisi”, OTEKON’16 8. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 23 – 24 Mayıs 2016, BURSA.
[4] Goto, K., Imai, K., Arai, M., Ishikawa, T., 2019, “Shear and tensile joint strengths of carbon fiber-reinforced thermoplastics using ultrasonic welding”, Composites Part A, 116, 126–137.
[5] Tao, W., Su, X., Wang, H., Zhang, Z., Li, H., Chen, J., 2019, “Influence mechanism of welding time and energy director to the thermoplastic composite joints by ultrasonic welding”, Journal of Manufacturing Processes, 37, 196–202.
[6] Villegasa I F., Moorleghem R V., 2018, “Ultrasonic welding of carbon/ epoxy and carbon/PEEK composites through a PEI thermoplastic coupling layer”, Composites Part A, 109, 75-83.