Otomotiv sektöründe kullanılan polimer kompozitlerin şekillendirme sınır diyagramlarının belirlenmesi
Determination of the forming limit diagrams of the polymer composites used in the automotive industry
Yazar: ABDULLAH ONUR ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ÇETİN KARATAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Derin çekme = Deep drawing

Özet:
Otomotiv endüstrisinde, yakıt sarfiyatının ve buna bağlı olarak karbondioksit emisyonunun azaltılması için, taşıt parçalarının, dayanımdan ödün vermeden, ağırlıklarının düşürülmesi amaçlanmaktadır. Bu bağlamda, metal malzemelerin yerini alabilecek, özgül mukavemeti yüksek ve hızlı kalıplanabilme özelliğine sahip termoplastik kompozit parçaların kullanımı önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, farklı matriks/elyaf kombinasyonlarına sahip levha halindeki termoplastik kompozitlerin termoform yöntemiyle kalıpta şekillendirilme sınırlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bunun için, öncelikle şekillendirme kusurlarına bağlı olarak en uygun termoform kalıplama parametreleri tespit edilmiştir. Daha sonra, derin çekme deneyleriyle elde edilen uzama verilerine göre şekillendirme sınır diyagramları çizilmiştir. %60 ve %70 cam elyaf oranlarına sahip, polipropilen ve polyamid-6 esaslı kompozit levhaların şekillendirme kabiliyetlerinin incelenmesi için Nakajima test standardı referans alınmıştır. Standarda göre çeşitli gerilme-uzama modları dikkate alınarak, farklı geometrilerde numuneler hazırlanmıştır. Uzamaların tespit edilmesi için numune yüzeylerine kare şeklinde markalama yapılmıştır. Şekillendirme zorluğu en fazla olan geometri kullanılarak, numune sıcaklığı, parça derinliği, zımba hızı ve tutma basıncı parametrelerinin, şekillendirme deformasyonuna etkileri tespit edilmiştir. Deformasyonlarla ilişkili elde edilen sınır değerler kullanılarak derin çekme deneyleri gerçekleştrilmiştir. Şekillendirilen numunelerin yüzeyindeki ızgara şekillerinde meydana gelen değişimler, uzama durumlarının belirlenmesi için ölçülmüştür. Her kompozit levha için ayrı ayrı kaydedilen bu değerler şekillendirme sınır eğrilerinin oluşturulmasında kullanılmıştır. Sonuç olarak, çift yönlü dizilmiş elyaf takviyeli termoplastik kompozit levhaların termoform kalıpta şekillendirilemsinin mümkün olduğu ancak, tek yönlü kompozitlerin derin çekilmesi işleminin başarısız olduğu görülmüştür. İncelenen şekillendirme parametreleri içinde deformasyona en çok parça derinliğinin etki ettiği ve derinlik arttıkça parçada meydana gelen kusurların arttığı belirlenmiştir. Şekillendirme işlemi için en uygun numune sıcaklığının yumuşama sıcaklığı olduğu, sıcaklık azaldıkça şekil vermenin zorlaştığı belirlenmiştir. Tutma basıncı ve zımba hızının yüksek olması, yırtılma ve delaminasyonların artmasına yol açmıştır. Şekillendirme sınır diyagramları incelendiğinde, polipropilen kompozit levhaların polyamid-6 kompozitlerine göre şekillendirme kabiliyetilerinin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Elyaf yoğunluğunun artmasının şekillendirmeyi zorlaştırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In the automotive industry, it is targeted to reduce the weight of parts used in vehicles without any loss of strength, in order to reduce the fuel consumption and hence the emission of Carbon dioxide. In this context, it is important to use thermoplastic composite parts, that can replace metal materials, with high specific strength and fast moulding ability. In this study, it was aimed to determine the forming limitations by the thermoforming method of the thermoplastic composite laminates with different matrix/fiber combinations. For this, firstly, the optimum thermoforming parameters were determined depending on the forming defects. Then, forming limit diagrams plotted according to the strain data obtained by deep drawing experiments. The Nakajima test standard was taken as a reference to examine the formability of 60% and 70% glass fiber reinforced polypropylene and polyamide-6 composite laminates. Specimens in different geometries were prepared by considering various stress-strain modes according to the standard. In order to determine the strains, square grids were marked on the specimen surfaces. The effects of specimen temperature, part depth, punch speed and holding pressure parameters on forming deformation were determined by using the most difficult formed specimen geometry. Deep drawing experiments were carried out using the limit values obtained in relation to deformations. The changes in the grid shapes on the surface of the formed specimens were measured to determine the strain states. These values, which are recorded separately for each composite laminate, were used in the creation of forming limit curves. As a result, it was observed that it is possible to forming bi-directional fiber reinforced thermoplastic composite laminates in a thermoform mold, but deep drawing of unidirectional composites failed. Among the forming parameters examined, it was established that the depth of the part affected the deformation most and the failures in the part increased as the depth increased. It was established that the most suitable specimen temperature for the forming process is the softening temperature, and formability becomes more difficult as the temperature decreases. The high holding pressure and punch speed led to increased tearing and delaminations. When the forming limit diagrams were examined, it was founded that polypropylene composite laminates have higher forming capabilities than polyamide-6 composites. It was founded that increasing fiber density makes forming difficult.