Eyüp YAYLACI

OTOMOBİLLERDE KULLANILAN PMK MALZEMELER

Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol actığından, otomobil üreticileri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayıslarına girmis bulunuyorlar. Buna ilaveten petrol yakıtlarına alternatif olarak geliştirilmeye calışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır. Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve aluminyum 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 gecmis bulunuyor. Çarpısmalarda çelik kadar güvenlik sağladığı gibi, polimer kompozitler titreşim kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans göstermeye 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 kaymaları sonucu, termoplastikler eriyebilme ozelliğine sahiptirler. Termosetler ise umumiyetle başlangıcta monomerlerden veya kısa zincirlerden oluşan sıvı bir halde bulunur. Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların aralarında karşılıklı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar. İyileştirme denen bu islemden sonra artık polimerin erimesi söz konusu olmaz. Termoset ve termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat tekniklerine ve yeniden dönüşüm imkanlarınada yansır.

Termoplastikler molekül zincirlerinin hareket kabiliyetinden dolayı termosetlere gore daha az kırılgandır. Mukavemet ve katılık gibi kompozitin mekanik özellikleri çok önemli değildir. İmalat yöntemine gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek sekil verilir, sonra soğutularak katı haline getirilir. Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek olduğundan elyafla karıştırılması çok zordur. Viskozitesini düsürmek için daha yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur.

Termosetler ise yaygın olarak icinde orulu elyaf bulunan bir kalıba sıvı olarak aktarılır, sonra sıcaklık artırılarak iyilestirme islemi yapılır. Bu islemden sonra şekil vermek mümkün olmadığından termosetlerin yeniden dönüşüm imkanı yoktur. Ayrıca bu iyilestirme islemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat süresini uzatmaktadır. Bazı otomotiv uygulamalarında iyilestirme islemi 5-10 dakikaya kadar inmisse de celik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu süre uzundur.

Otomotiv sanayinde şu ana kadar termosetler, termoplastiklere nazaran daha fazla kullanım alanı bulmustur. Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı. Golf A4 ve POLO A3 dahil olmak üzere bütün yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıstır.

Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle aluminyumdan imal edilmektedir. Fakat bu parcaların sekilleri daha karmasık hale geldikce ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağladıkca, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye basladı.

Ford Mondeo’nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giris manifoldu cam elyaf katkılı PA’dan imal edilmistir. Chevrolet giris manifollarında cam elyaf katkılı naylon kullanmaktadır. Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıstır. Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır. Aksi takdirde olusacak turbulans, motorun verimliliğini azaltır. Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar aluminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artırabilmektedir. Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold icindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalıtılmasına yol acmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gercekleşmektedir. 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 kullanarak benzer faydaları elde etmektedir.

Özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi Aluminyumdan Naylon 46’ya gecmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini %20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmistir. 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 catıdır. Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye başlanmıstır.


§  Cam Sileceği; %30 Cam+PBT

§  Fitre Kutusu; Mercedes, %35 Cam+Poliamid 66

§  Pedallar; %40 Cam+Poliamid 6

§  Dikiz Aynası; %30 Cam+ABS

§  Far Gövdesi; BMW, %30 Cam+PBT

§  Hava Giriş Manifoldu; BMW, Ford, Mercedes, %30 Cam+Poliamid 6

§  Otomobil Gösterge Paneli; GMT

§  Otomobil Spoiler; CTP

§  Otomobil Yan Gövde İskeleti; Ford, CTP

§  Otomobil kaporta; Corvette, SMC CTP

F1 ARAÇLARINDA KULLANILAN PMK MALZEMELER

Aracın şasisi, F1 dünyasında anıldığı şekilde tüp veya monokok, arabanın merkezi ve bütün parçaların birleştiği bölümü oluşturur. Sürücüyü korur, dolayısıyla sert çarpışmalara dayanmalıdır, ancak aynı zamanda 35 kg gibi hafif bir ağırlığı olmalıdır. Tüp, F1 aracındaki bir çok malzeme gibi, karbon fiberden yapılmıştır. Bu malzeme havacılık endüstrisi için geliştirilmiştir ve çelikten beş kere daha hafif olmasına rağmen iki kere daha fazla dayanıklıdır. Bu sayede uçak ve yarış arabalarının yapımı için ideal malzemeyi oluşturur.


Tüp araç üzerinde viraj almalar, tümsekler ve aerodinamik baskıdan oluşan ağırlığa büyük güce dayanmalıdır. Tüp önce Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) programlarıyla tasarlanırlar, bilgisayar kontrollu makineler kalıbın yapılacağı malzemeyi keser. Bu şasi modeli daha sonra karbon fiber ile kaplanarak asıl şasinin yapılacağı kalıbı oluşturur. Kalıb yapıldıktan sonra kenarları düzeltilir ve içine özel bir kimyasal madde sürülerek karbon-fiber tüp üretildikten sonra kolayca yerinden çıkartılması sağlanır.

Daha sonra kalıbın için karbon fiber katmanları yerleştirilir. Malzeme kullanılmaya hazır olduğu zaman kumaş gibidir, ancak ısıtılıp şekil verilebilir. Katmanlar yerleştirilirken fiberin nasıl yerleştirildiği önemlidir, sonuçta fiberin yönü tüpün dayanıklılığına ve sertliğine direkt olarak etki eder. Fiber yerine koyulduğu zaman kalıbın şeklini tam olarak almalıdır. Bunun için saç kurutma makinası ile ısıtılıp konulduğu yerin şeklini tam olarak alması sağlanır. Bütün katmanlar yerleştirilirdikten sonra kalıp bir vakum makinesine konulup her şeyin hatasız olarak kalıbın şeklini alması sağlanır. Kalıp içine konulan katman sayısı tüpün neresine rastladığına göre değişir, ancak daha fazla strese maruz kalan yerlere daha fazla kat fiber konulur, yinede averaj olarak 12 kat fiber katmanı koyulur. Bu katmanların nerdeyse yarısında dayanıklılığı arttırmak için bal peteği şeklinde alüminyum parçlar konulur.

Kalıba yeterli katman eklendikten sonra, kalıp ısıtılıp basınç uygulanacak autoclave makinasına konur. Yüksek ısı fiber içindeki yapıştırıcıyı dışarı atar ve yüksek basınçta (100 psi) katmanları birbirine iyice yapıştırır.İşlem sırasında fiber sertleşir ve şasi normal olarak ikibuçuk saat içinde hazır hale gelir. Pedallar, göğüs ve koltuk arkalığı gibi iç malzemeler epoxy ile yapıştırılıp dış yüzey sponsorun renklerine göre boyanır.

Yakıt tankı, veya “hücre” şasinin içinde hemen sürücünün arkasına yerleştirilir. Hücre iki kat lastik, nitrate butadiene yapılmıştır ve dış yüzeyide yrtılmalara karşı kevlarla takviye edilmiştir.

F1 lastikleri çok yüksek düzeydeki stres ve ısıya dayanıklı olmak zorundadır. Temas alanının normal ısısı yaklaşık 125 C’dir ve yüksek süratlerde lastikler 3000 rpm ile dönerler. Lastiklerin üretimi sırasında dört ana malzeme kullanılır; siyah karbon, polimerler, yağ ve katkı malzemesi.

Lastiklerin hava basıncı araç performansını direkt olarak etkiliyen kritik bir faktördür. Lastiğin yanal hareketlerini etkilemenin dışında, lastik hava basıncı süspansiyonun hareketi ilede ilgilidir. Lastik yanakları geniş olduğu için yukarı aşağı hareketin yarıdan fazlası lastik yanaklarının sıkışması ile elde edilir, gerisi süspansiyon kolundaki yaylar ve bükülme kolları tarafından karşılanır.

F1 lastikleri, günümüzdeki bütün diğer lastikler gibi radyal tasarımlıdır. Normal lastiklere göre bunların en önemli avantajı lastiklerin yanaklarının esnek olmasıdır. Böylece yerle temas eden yüzeyin devamlı tutunma halinde kalması sağlanır.

Formula 1 arabalarının yapımına ait düzenlemeler çok özeldir ve titizlikle uygulatılmaktadır. Arabanın tüm ağırlığı 605 kilogramı aşmamalıdır. Tasarım mühendisleri en az ağırlıkla en sağlam çözümü bulmak durumundadırlar. Daha önceleri yarış arabalarında hafif bir metal olan alüminyum kullanılmaktaydı artık kompozit malzemeler çok daha düşük ağırlıklarla serlik ikiye katlanabilmektedir. Ayrıca karmaşık parçaların kompozit malzemelerle üretilebilmesi F1 otomobillerin üretiminde gerekli parça sayısı azaltılabilmektedir. Alüminyumla 200’den fazla parçayla üretilen gövde ve şase beş parçaya düşürülmüştür. Kompozit malzemeler metal cıvatalar gibi bağlantı parçaları ile birleştirilmek yerine epoksi reçinesi ile birbirlerine bağlanmaktadır.

F1 arabalarında aşağıda belirtilenlerle beraber birçok parça kompozit malzeme kullanılmaktadır.

§  Motor kaplaması

§  Ön ve arka kanatlar, spoiler

§  Elektrik dağıtım Panoları; CTP

KAYNAKLAR:

  • Topçu, M., Tarakçılar,A.R., Taşgetiren,S., “Mühendislik Malzemesi Olarak Kompozitler ve Özelliklerini Belirleyen Faktörler”, Mühendis ve Makine Cilt:36 Sayı:420,23,25,27

  • Özdamar, Erman, 1991, “Kompozit Malzemeler ve Kullanımı”, Mühendis ve Makine Cilt:32 Sayı:374, 9

  • Sonmez. Fazıl Onder, Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı,

Muhendis ve Makine, Cilt 39, Sayı 465, Mayıs 2000.

  • Yasa Ersoy, Halit, Kompozit Malzeme, Literatur Yayınları, İstanbul, Ekim