Otomatik Prepreg Üretici ve Kompozit Kaplama Makinası

08 Nisan 2016

Bu çalışmada TMekatronik Ltd. Şti’nin 3. Metalik Fikirler Ar- Ge Proje Pazarı’nda finale kalan projelerinden biri olan yerli üretim otomatik kompozit parça üretim sistemi anlatılmaktadır. Bu sistem haznesine yüklenen makaralardaki fiberleri tarak ve merdanelerle düzenleyerek çok ince, 2 boyutlu, tek yönlü bir fiber demeti elde eder; bu demeti reçineye daldırıp fazla reçineyi alarak ve ön kürleme işlemi uygulayarak tek yönlü prepreg üretir ve bunu 6 eksenli bir robotun ucundaki fiber sericiyle düz veya kompleks şekilli bir kalıbın üstüne çeşitli doğrultularda serer. Bu sistemden çıkan parça kaplanıp otoklavda yüksek sıcaklık ve basınç altında kürlenerek hafif ve çok güçlü kompozit yapılar elde edilir.

Giriş

Kompozit malzemeler günümüzde hafif, mukavemeti yüksek, korozyona dayanıklı, tamiratı basit ve hurda değeri düşük olma özellikleri sayesinde sürekli olarak uygulama alanı genişleyen ürünler olmalarıyla bilinmektedir. Bu malzemeler ağırlıklı olarak cam, aramid veya karbon fiberinin mukavemetiyle epoksi, polyester, vinilester gibi plastik malzemelerin dış ortamdan koruyuculuk ve yapıştırıcılık özelliklerini bir arada kullanan yapılardır. Hem hafif hem sağlam olmalarından dolayı kara/hava/deniz araçlarında, rüzgâr santrallerinde, büyük borularda, binaların yüzey kaplamalarında, çöp varili, camlı konteyner, duş küvetleri gibi uygulamalarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ülkemizde de kompozit üretimi çok büyük ve sürekli büyüyen bir sektör durumundadır ve cam ve karbon fiberi hâlihazırda Türk firmalar tarafından üretilmektedir. Ancak kompozit parça üretimimiz ağırlıklı olarak kırpılmış cam fiberi ve cam elyaf malzemeleriyle polyesterin kullanıldığı, elle ıslatma yöntemine dayalı, mukavemet/ağırlık oranları çok yüksek olmayan, katma değeri nisbeten düşük ürünler üzerinedir. Oysa ileri teknoloji ürünlerde kompozit parçalar, dokunmuş kumaş veya şerit halinde döşenmiş prepreg (preimpregnatedönceden reçine emdirilmiş) fiberler kullanılarak otoklav denen basınçlı buhar kaplarında yüksek sıcaklık altında kürleme yöntemiyle üretilmektedir. Bu yöntemle elde edilen parçalar çok yüksek mukavemet/ağırlık oranları sayesinde özellikle havacılık/uzay, otomotiv ve rüzgâr enerjisi alanlarında kullanılmaya başlanmış ve üreticilerine belirgin kar sağlamıştır. Örnek olarak Boeing ve Airbus gibi büyük uçak üreticileri yakıt tüketimini düşürmek için uçak gövdesi, kanatları ve kuyruğunu giderek artan oranlarla (şu anda %50’den daha büyük) prepreg kullanarak üretmektedir. Ayrıca yakıt tüketimini düşürmeye ve performansı artırmaya olan katkısından dolayı otomobil üreticileri de gün geçtikçe daha çok parçayı bu yöntemle üretmektedir. Türkiye’deki üreticilerin önemli bir eksiği prepreg malzemelerin özelliklerinin ve kullanımının pek bilinmemesi, prepreg fiberin az ve yüksek maliyette bulunması ve otoklav kullanımının yaygın olmamasıdır.

Bu projenin amacı prepreg denilen yarı kürlenmiş ve reçine/ fiber oranı kontrollü kompozit şerit ve kumaşlar üreten ve bunları düz bir yüzeyin veya üç boyutlu şekle sahip bir kalıbın üstünde istenilen açılarda sıkı bir şekilde otomatik olarak yerleştiren bir makina tasarlamak, prototipini üretmek, en iyi ve ticarileşmeye hazır hale getirmektir. Bu makinanın yerli olarak tasarlanması ve imalatı sayesinde Türkiye’de otomotiv, denizcilik ve havacılık gibi sektörler için yüksek mukavemet ve düşük ağırlıkta kompozit parçalar üretme teknolojisi şirketler için daha ulaşılır bir teknoloji haline gelecek ve Türk kompozit sanayi katma değeri yüksek ürünlere yönelebilecektir.

Piyasadaki Ürünler

Projedeki makina tasarlanmadan önce dünya pazarlarında hâlihazırda kullanılan örnekler incelenmiş, güçlü ve zayıf yanları belirlenmiştir. Pazarda ağırlıklı olarak standart bir 6 eksen endüstriyel robotun ucuna takılan ve iplik makaralarını üstünde taşıyan prepreg iplik demeti serme cihazları görülmektedir.

Bu tasarımın en önemli avantajı ticari olarak bulunabilen endüstriyel robotları kullanması, bu nedenle robot tasarımı gerektirmemesi, hareket sistemi tasarımının komplikasyonunu sorun olmaktan çıkartmasıdır. Bu yapının dezavantajı ise taşıyabildiği iplik metrajının sınırlı olması, bu nedenle işlemin kesintiye uğramasıdır. Pazarda var olan ikinci sık yapı ise yine standart bir 6 eksen endüstriyel robotun ucuna takılan ancak iplikleri üstünde taşımak yerine yerdeki sabit istasyondan temin eden makina tasarımıdır. Bu yapıda iplik metrajı sınırı yer sıkıntısının giderilmesi sayesinde yukarı çekilebilmektedir. Burada bahsedilen iplik demeti serme makinaları hazır prepreg iplik kullanmaktadır.

Tasarlanan Sistemin Prepreg Üretimi

Projede tasarlanan otomatik makina prepreg depolama gereğini ortadan kaldırmak için kendi prepreg iplik demetini kendisi üretmektedir. Kullanılan fiber (karbon, cam, aramid vb.) makaralardan iplik olarak çekilip (Şekil 1) önce her kata özel taraktan sonra da son taraktan geçerek şerit halini alacak şekilde düzenlenir (Şekil 2).

Fiberler, içinde katalizörü karıştırılmış reçine bulunan tanka batırılarak geçirilir ve hemen ardından birbirini sıkıca iten iki merdanenin arasından geçerek fazla reçine sıkılır. Makine hem termoplastik, hem de termoset reçinelerle çalışabilir. Hassas reçine/fiber oranı için hava üfleyici ıslak fiber şeridinin üstüne basınçlı hava üfler. Şerit fiber dizisi, sıcak tamburun yüzeyinden dönerken ısınarak yarı kürlenme gerçekleşir (Şekil 3). Prepreg üretiminde hızın sabite yakın olması gerekmektedir ancak fiber serici serme işlemini hızlı yapar, gideceği yol bitince ise yön değiştirmek için işleme ara verir. Bu nedenle yeni üretilmiş prepreg boyu değişebilen mekanik bir ara depolama sisteminden geçmektedir.

Bu sistem, fiber serici fiber tüketmiyorken otomatik kontrolden emir alarak uzar, böylece üzerinde uzun metrajlı prepreg depolar, fiber serici fiber tüketiyorken ise depolamış olduğu fiberi hızlıca teslim eder ve kısalır. Bu sayede bir tarafta sürekli ama yavaş akış, öbür tarafta ise kesintili ama hızlı akış desteklenir. Sistemde bulunan tüm merdaneler reçinenin üstünde kuruyamaması amacıyla teflon kaplı olarak kullanılır.

Tasarlanan Sistemin Prepreg Serimi

Parça imalatı için prepregin üstüne sarıldığı veya yerleştirildiği yüzey makina tarafından otomatik olarak vakslanır ve serici kafanın üstündeki kızılaltı ısıtıcılarla vaks kurutulur. Prepreg malzemeyi yüzeyin üstüne ucunda küresel bilekli oynar başlık olan 3 eksenli bir kartezyen robot yüzeye bastırarak serer. Küresel bilek sırasıyla torsiyon, eğme, torsiyon hareketleri yaparak 3 boyutlu uzayda gerekebilecek tüm uç yönelimlerini sağlayabilir. Uçak kanadı gibi kompleks şekillere ±450 serme yapılırken başlığın şeridi yüzeye dik bastırması gerektiği için bu özellik çok faydalıdır.

Serici kafa fiber şeridini yönelimi sabit olan 3 eksenli Kartezyen robottan aldığı için küresel bilekten geçişte fiber şeridinin yönelimi çok ciddi miktarlarda değişebilir. Bunun şeridin şeklinin bozulmasına neden olmaması için standart sistemlerdekinden farklı olarak serici kafa iki yönlü çalışma imkânı verecek şekilde tasarlanmıştır. Böylece fiber şeridinin maruz kalacağı torsiyon 3600 yerine 900 ile sınırlandırılmıştır. Bunu sağlamak için serici kafada baskı merdanesi, fiber bastırıcı ve ısıtıcı ikişer adettir. Kafa sağa doğru ilerlerken sağ taraftaki ısıtıcı yüzeyin ön ısıtmasını yapar, sol taraftaki fiber bastırıcı fiberin başını zemine bastırarak tutturur ve sol taraftaki baskı merdanesi fiber serme sırasında fiberi kalıp yüzeyine basar. Kafa sola doğru ilerlerken de tüm bu yönler tersine döner. Prepregin hangi tarafa yönlendirileceğini servo motorla yönlendirilen yatabilir prepreg besleyici belirler. Prepreg besleyicinin birbirine paralel iki yüzeyinin arasından çıktığı sırada yönlendirilmiş olduğu fiber bastırıcı veya baskı merdanesinin altına ilerler, bu noktada kalıp yüzeyine veya önceden kaplanmış fiber yüzeye dokunur. Başlığın orta kısmında fiberi yanal yönde 2 mm çözünürlükle kesen solenoid kumandalı kesiciler vardır. Her biri ayrı kumanda edildiği için fiber şeridi yuvarlatılmış şekillerle de kesilebilir. Kalıp üstüne prepreg sarılarak parça imalatı için kalıp bir masa üstünde sabit de konumlanabilir, eksen etrafında döndüren bir tambur sistemine de bağlanabilir. Şekil 1’deki sistemde dönebilen tambur üstündeki bir kalıp görülmektedir. Makina, fiber yönlerini ve işlenecek şekli içeren verileri USB protokolü kullanarak bilgisayardan alır, kendi üstündeki mikrodenetleyici temelli kontrol sistemini kullanarak bütün eyleyici, sensör ve ısıtıcılarını çalıştırır. Makinanın yaptığı iş ve tüm sistemlerinin yerli olarak tasarımı ve imalatı ülkemiz için innovasyon niteliğindedir.

Yorumunuz

  • (görüntülenmeyecektir)