Polimer matrisli kompozit malzeme imalatı için vakum destekli mekanizmaların geliştirilmesi ve performanslarının incelenmesi
Designs and experiments of mechanism for themanufacturing of vacuum induced polymer compositematerials
Yazar: BATUHAN ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sürekli gelişen günümüz endüstri dünyasında, kullanılan sektöre ve insanoğlunun artan ihtiyaçlarına bağlı olarak malzeme dünyasında da hızlı bir gelişme yaşanmaktadır. Özellikle malzemelerden; düşük maliyet, uzun ömür, çevreye ve insana zararsızlık, dayanım, geri kazanım, korozyona direnci, yüksek rijitlik, titreşim sönümleme, ısı ve ses yalıtımı vb. gibi özelliklerin istenmesi ve saf malzemelerin bu ihtiyaçlara yeteri kadar cevap verememesinden ötürü, kompozit malzemeler üzerinde yapılan çalışmalar artmıştır.
Kompozit malzemeler, endüstrideki ihtiyaçları tek başına karşılayamayan iki ya da daha fazla farklı özellik ve yapıdaki malzemelerin fiziksel olarak makro ölçekte uygun oran ve koşullarda bir araya getirilmesiyle oluşturulan malzemelerdir. Bir araya getirilen farklı özelliklerde malzemeler, kompozit bir yapı oluşturduktan sonra,  tek başına sahip olduklarından  daha üstün özellik sunmanın yanısıra, yeni özellikler de kazanırlar. Kompozit malzemeleri oluşturan takviye elemanları ve matrisler ve bunlarla kullanılacak imalat yöntemleri, kompozit malzemelerden istenilen özelliklere göre çeşitlendirilebilir.
Vakum destekli polimer matrisli kompozit malzeme imalat yöntemlerinden biri olan Vakum Destekli Reçine Transfer Kalıplama (VARTM) imalat yöntemi, düşük yatırım maliyeti, istenilen parça boyutlarının kolaylıkla üretilebilmesi ve uygulanabilirliğinin yüksek olması gibi avantajlarına karşın, üretim süresinin uzun oluşu, yüksek hurda oranı, reçinenin homojen akışı sağlayamaması ve düşük mekanik özellikli parçaların üretilmesi gibi dezavantajlarından dolayı endüstriyel alanda kullanımı kısıtlanmaktadır. VARTM imalat yönteminde karşılaşılan bu problemlere çözüm amaçlı geliştirilen Kontrollü Hızlı Kanalı Reçine Kalıplama (FASTRAC) imalat yönteminde, uygulanan harici vakum haznesi ile ikinci bir vakum ortamı oluşturulmakta ve böylelikle reçine akışı rahatlatılmaktadır. Bununla birlikte, FASTRAC imalat yöntemi ile reçine elyafı daha hızlı ve homojen bir şekilde doldururken, uygulanan vakum haznesinin reçine enjeksiyonu başladıktan sonra hareket ettirilememesi uygulanabilirliğini azaltmaktadır. FASTRAC imalat yönteminin sağladığı avantajları kaybetmeden, sahip olduğu dezavantajları giderebilmek amacı ile geliştirilen Vakum Destekli Sıkılık Azaltma (VIPR) imalat yönteminde ise harici olarak uygulanan vakum haznesi, üretim anında istenilen bölgelere uygulanabilmektedir. VARTM imalat yönteminin sorunlarına çözüm amaçlı geliştirilen ve FASTRAC ve VIPR imalat yöntemlerinde kullanılan harici vakum haznesinin yarattığı en büyük problem ise, reçine akışını rahatlatmak amacıyla vakum haznesi içerisine uygulanan vakum basıncından dolayı vakum haznesinin elyaf ile temas ettiği bölgelerde yarattığı sıkıştırma basıncıdır. Bu sıkıştırma basıncı sonucunda reçine, vakum haznesi içerisine rahatlıkla girememekte ve reçinenin elyaf dokuma içindeki akışını olumsuz etkilemektedir. Sunulan tezde, VIPR imalat yönteminde kullanılmak üzere sıkıştırma basıncını azaltma amacı ile tasarlanmış harici vakum haznelerinin deneysel uygulamaları incelenmektedir.
Geleneksel VIPR imalat yöntemi uygulanan deneylerde, vakum haznesinin elyaf üzerine uyguladığı sıkıştırma basıncı, çift ayaklı vakum haznesi uygulamalı VIPR imalat yönteminde düşürülmüştür. Böylelikle reçinenin hazne giriş ve çıkışlarında karşılaştığı kuvvet azaltılmış ve reçinenin hazne içerisine girişi ve çıkışı kolaylaştırılmıştır. Tez çalışmasında geliştirilen tasarımın sağladığı bu avantaj neticesinde çift ayaklı vakum haznesi uygulamasıyla gerçekleştirilen VIPR imalat yönteminin, geleneksel VIPR yöntemine göre %5, VARTM yöntemine göre %16 daha hızlı reçine dolumu gerçekleştirebildiği belirlenmiştir. 
Çift ayak destekli vakum haznesinin üretim hızını arttırmanın yanısıra  sağladığı bir diğer avantaj ise, bu imalat yöntemi ile üretilen kompozit parçaların ortalama çekme, eğme ve darbe mukavemetlerinin artmış olmasıdır.
Tezdeki deneysel çalışmalar sonucunda,  tez çalışması kapsamında tasarlanan 3 farklı tasarımdan biri olan "Çift Ayak Destekli Harici Vakum Haznesi" tasarımında reçinenin elyaf dokumayı, hem tezde araştırılan diğer tasarımlara ve hem de  literatürdeki mevcut diğer vakum haznelerine göre, daha hızlı ve homojen bir şekilde doldurduğu  belirlenmiştir.

Abstract:
In the constantly developing world of industry, a rapid development is also experienced in the material world depending on the sector used and the increasing needs of human beings. Especially from the materials; low cost, long life, harmless to the environment and human, strength, recovery, corrosion resistance, high rigidity, vibration damping, heat and sound insulation, etc. Studies on composite materials have increased due to the demand for such properties and the inability of pure materials to adequately respond to these needs.
Composite materials are materials created by physically combining materials of two or more different properties and structures, which cannot meet the needs of the industry, on a macro scale at appropriate rates and conditions. The materials with different properties combined, after creating a composite structure, acquire new properties besides offering superior properties than they have alone. 
The reinforcing elements and matrices forming the composite materials and the manufacturing methods to be used with them can be varied according to the properties desired from the composite materials.
The main problems encountered in vacuum supported polymer matrix composite material manufacturing techniques such as Vacuum Induced Resin Transfer Molding, Fast Remotely Actuated Channelling and Vacuum Induced Preform Relaxation, the inability of the resin to fill fiber weaving fast and the non-homogeneous flow of resin, does not allow industrial use of vacuum-supported polymer matrix composite material manufacturing methods.
Although there are some advantages of Vacuum Induced Resin Transfer Molding (VARTM) as one of vacuum induced polymer based composite materials manufacturing techniques, due to some disadvantages such as low production rate, high scrap ratio, non-homogeneous flow and low mechanical properties, VARTM manufacturing technique is not used commonly in the industry. 
To be a solution for these disadvantages, Fast Remotely Actuated Channelling (FASTRAC) was came up. In FASTRAC manufacturing technique, another vacuum enviroment is created inside of an external vacuum chamber to increase flowability and homogeneity. Due to not mobile vacuum chamber used in FASTRAC, FASTRAC manufacturing technique could not be popular in the industry. Therefore, Vacuum Induced Preform Relaxation (VIPR) is used by making vacuum chamber mobile. 
"Vacuum Induced Preform Relaxation" (VIPR) manufacturing method has been developed to solve some problems such as low flow rate and poor matrix distribution homogeneity encountered in VARTM and FASTRAC methods. Unlike VARTM manufacturing method, an external vacuum chamber is used in VIPR manufacturing method. The vacuum chamber applied to the regions where the matrix slows on the reinforcing element increases the permeability of the reinforcing element regionally and accelerates the flow of the matrix.
The working logic of the external vacuum chamber is to increase the permeability of the reinforcing element using the low pressure medium created inside the chamber, thereby speeding up the matrix flow. For this reason, the resin speed in the region where the external vacuum chamber is applied is considerably higher than the resin flow rate in the VARTM method. 
However, this vacuum pressure applied to the external vacuum chamber increases the force exerted by the chamber vertically on the vacuum bag and therefore on the fiber. This significantly reduces the flow rate of the matrix into the vacuum chamber.
By developing of FASTRAC and VIPR manufacturing techniques, some problems of VARTM such as not homogenous flow and low production rate are solved partly. On the other hand, due to external vacuum inside of the external vacuum chambers of FASTRAC and VIPR manufacturing tehniques, frame pressure is occured in where the vacuum chamber touches with glass wool. Due to frame force, resin flow is became very low. 
In this study, three vacuum chambers are designed and studied to prevent frame force. Firstly, thicker gaskets are used on the frame of the vacuum chamber to decrease frame pressure. However, due to high difference between the pressures of inside and outside of the vacuum chamber, thicker gaskets are got inside and became useless. In the second design, springs are used inside of the vacuum chamber to decrease frame pressure by acting like a damping spring. 
Eventhough resin flowability is became better in where frame force is applied, resin faces much more pressure due to springs. The last but not least, the other vacuum chamber is designed with 2 legs which can be moved up-and-down during the resin injection. By adjusting the position of the legs, frame pressure can be decreased by not creating any other forces preventing resin flow inside of the vacuum chamber. According to the results of experiments, resin flow is became more homogenous and faster with the last design, the vacuum chamber with 2 legs. 
In experiments where traditional VIPR manufacturing method has been applied, the compression pressure applied by the vacuum chamber on the fiber has been reduced in the VIPR manufacturing method with double foot vacuum chamber application. Thus, the force faced by the resin at the inlet and outlet of the chamber is reduced and the entry and exit of the resin into the chamber is facilitated. 
As a result of this advantage provided by the design developed in the thesis study, it has been determined that the VIPR manufacturing method realized with the application of double-legged vacuum chamber can perform resin filling 5% faster than the traditional VIPR method and 16% faster than the VARTM method.
In addition to increasing the production speed of the double foot supported vacuum chamber, another advantage is that the composite parts produced with this manufacturing method have increased average tensile, bending and impact strengths.
As a result of the experimental studies in the thesis, it was determined that in the "Double Foot Supported External Vacuum Chamber" design, which is one of the 3 different designs designed within the scope of the thesis, the resin fills the fiber weaving faster and homogeneously than other designs researched in the thesis and other available vacuum chambers in the literature.