Metallerle elyaf takviyeli termoplastik kompozitlerlerin sıcak baskı yöntemi ile birleştirilmesinin araştırılması
Investigation of joining metals and fiber reinforced thermoplastic composites by hot pressing method
Yazar: BURAK KILIÇ
Danışman: PROF. DR. MURAT VURAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TANER KUZU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Baskı teknikleri = Printing techniques ; Metaller = Metals ; Termoplastik malzemeler = Thermoplastic materials

Özet:
Farklı malzemelerin birleştirilmesi, mühendislik açısından ilgi çekici ve zorlu bir konudur. Günümüzde metallerin elyaf takviyeli termoplastik kompozitlerle birleştirilmesi ve hibrit yapılar olarak kullanılması, başta otomotiv ve havacılık endüstrileri olmak üzere oldukça yaygındır.
Bu çalışmanın literatür bölümünde metallerin elyaf takviyeli termoplastik kompozitlerle birleştirilmesi alanındaki çalışmaların bir özeti sunulmuştur. Bu özette farklı malzemeleri birleştirmek için kullanılan geneneksel yöntemler ve ileri birleştirme yöntemleri incelenmiştir. Sık kullanılan yöntemlerin tarihinden, çalışma prensiplerinden, yöntem parametrelerinden, avantajlarından ve dezavantajlarından bahsedilmiştir.
İleri birleştirme yöntemlerinden Sıcak Baskı Birleştirmesi (HPJ), diğer termomekanik birleştirme yöntemleri arasında ucuz olmasıyla öne çıkan oldukça güncel bir termomekanik birleştirme yöntemidir. Günümüzde diğer yöntemlerin bir çoğuna kıyasla çok az çalışmaya rastlanmaktadır.
Bu tez kapsamında termoplastik matrisli cam elyaf takviyeli kompozit olarak GF30 PA66 ve metal olarak da AISI 304 paslanmaz çelik seçilmiş ve bu malzemelerin ilgili sıcak baskı tekniği kullanılarak birleştirilmesi incelenmiştir. Malzemelerin fiziksel özellikleriyle ilgili ilave bilgi verilmiştir.
Oluşturulan deney düzeneğinde sıcak baskı yönteminin parametreleri olan baskı kuvvetini, sıcaklığı ve uygulama zamanını kontrol etmek mümkündür. Deney düzeneği ve testin yapılışıyla ilgili ayrıntılı bilgi verilmiştir.
Literatürdeki çalışmalar dikkate alınarak seçilen çeşitli sıcaklık (220 – 260 °C arasında), basınç (2 – 6 bar arasında) ve zaman (30 – 180 saniye arasında) değerlerinde öncül deneyler gerçekleştirilmiştir.
Öncül deneyler sonlu elemanlar analizi ile desteklenerek iyileştirilmiş test parametreleri belirlenmiştir. Bu parametreler; sıcaklık için 260, 270 ve 280 °C, basınç için 2, 4 ve 6 bar, ısıtma süresi için 15 ve 30 saniye ve soğutma süresi için de 30 saniye'dir. Testler belirlenen iyileştirilmiş test parametreleri ile tekrarlanmış ve bulgular tartışılmıştır.
Fikstür tasarımı tartışılmış ve fikstür tasarımı için  dört farklı koşul belirlenmiştir. Bu koşulların birleştirme kalitesine olan etkisi yeni deneyler gerçekleştirilerek incelenmiştir. Sonuçlar tüm koşullar için tartışılarak en iyi fikstürleme koşulu sunulmuştur.
Testler en iyi fikstürleme koşulu referans alınarak belirlenen iyileştirilmiş parametrelerle tekrarlanmıştır. Bu numuneler çekme testine tabii tutulmuş ve sıyrılma kuvvetleri kaydedilmiştir. Deney parametrelerinin kaydedilen sıyrılma kuvvetine olan etkisi varyans analizi (ANOVA) kullanılarak incelenmiş ve bu analiz sonucunda optimize deney parametrelerine ulaşılmıştır. Optimize deney parametreleri 4 bar - 280 °C ile 6 bar - 270 °C çifti olarak belirlenmiştir.
Varyans analizi sonucundaki bulgular tartışılmıştır. Buna göre belirlenen koşullar için sıcaklığın etkisi lineerdir ve birleşme kalitesi sıcaklık arttıkça artar. Öte yandan basınç için aynı durum söz konusu değildir. Belirlenen koşullarda gerçekleşen deneylerdeki sıyrılma kuvveti değerleri; basınç arttıkça önce artan, daha sonra azalan bir çizgi izlemiştir. Sebep olarak birleşme alanındaki fışkırmaya bağlı olarak dayanımın azalması gösterilmiştir. 
Deneyler, elde edilen optimize parametreleri ve en iyi fikstürleme koşulu uygulanarak Al 1050 alüminyum alaşımı için tekrarlanmıştır. Kaydedilen sıyrılma kuvveti değerleri AISI 304 paslanmaz çelik ile yapılan birleşmelerle karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edilmiştir.
Farklı yüzey varyasyonlarının birleşme kalitesine etkisinden bahsedilmiştir. Yüzey varyasyonlarının sıyrılma kuvvetine olan etkisi fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki ana başlıkta araştırılmıştır.
AISI 304 paslanma çeliğin birleşme alanı yüzeyinde lazer yardımıyla üç farklı desende doku oluşturularak yüzey enerjisi fiziksel olarak arttırılmıştır. Elde edilen numunelerle yeni testler gerçekleştirilmiş ve bu birleşmelerin sıyrılma kuvvetleri ölçülerek sonuçlar yorumlanmıştır.
Kimyasal işlem olarak tavlama belirlenmiştir. AISI 304 numuneler birleştirme işleminden önce 300 °C'de 30 dakika tavlanarak metal yüzeyindeki oksidasyonun arttırılması amaçlanmıştır. Bu numunelerle gerçekleştirilen deneyler sonucunda tavlamanın sıyrılma kuvvetine olumlu etkisi olduğu görülmüştür.
Elde edilen sonuçlar ışığında Sıcak Baskı Birleştirmesi (HPJ) veya diğer adıyla Sıcak Baskı Yöntemi mevcut termomekanik birleştirme yöntemlerine göre ucuz ve hızlı bir yöntem olarak sunulmuştur.

Abstract:
Joining dissimilar materials is an interesting and challenging topic for engineering. Today, joining metals with fiber-reinforced thermoplastic composites and using them as hybrid structures is very common, especially in the automotive and aerospace industries.
In the literature section of this study, a summary of the studies in the field of joining metals with fiber-reinforced thermoplastic composites is presented. Traditional methods and advanced joining methods used to join different materials are reviewed in this summary. The history, working principles, method parameters, advantages and disadvantages of frequently used methods are mentioned.
Hot Press Joining (HPJ), which is one of the advanced joining methods, is a newsworthy thermomechanical joining method that stands out among other thermomechanical joining methods due to its cheapness. Today, compared to most of the other methods, very few studies can be found.
Within the scope of this thesis, GF30 PA66 and AISI 304 stainless steel were selected as the thermoplastic matrix glass fiber reinforced composite and the joining of these materials using the hot pressure technique was investigated. Additional information is given about the physical properties of these materials.
It is possible to control the pressure force, temperature and application time, which are the parameters of the hot pressure method, in the created experimental setup. Detailed information about the experimental setup and the test procedure is given.
Preliminary experiments were carried out at various temperature (between 220 – 260 °C), pressure (between 2 – 6 bar) and time (between 30 – 180 seconds) values selected considering the studies in the literature.
Preliminary experiments were supported by finite element analysis and improved test parameters were determined. These parameters are; 260, 270 and 280 °C for temperature, 2, 4 and 6 bar for pressure, 15 and 30 seconds for heating time and 30 seconds for cooling time. The tests were repeated with the specified improved test parameters and the findings were discussed.
Fixture design is discussed and four different conditions for fixture design are determined. The effect of these conditions on the joint quality was investigated by performing new experiments. The results are discussed for all conditions and the best fixturing condition is presented.
The tests were repeated with improved parameters and the best fixturing condition. These samples were subjected to the tensile test and the shear force values were recorded. The effect of the experimental parameters on the shear force was analyzed using analysis of variance (ANOVA), and as a result of this analysis, optimized experimental parameters were reached. Optimized test parameters were determined as 4 bar - 280 °C and 6 bar - 270 °C pairs.
The findings as a result of the analysis of variance are discussed. Accordingly, for the conditions determined, the effect of temperature is linear and the quality of the joint increases as the temperature increases. On the other hand, the same is not the case for pressure. The shear force values in the experiments carried out under the specified conditions; As the pressure increased, it followed an increasing and then decreasing line. It has been shown that the strength decreases due to the bulging in the joint area as the reason.
The experiments were repeated for Al 1050 aluminum alloy by applying the obtained optimized parameters and the best fixturing condition. The shear force values were compared with the joints made with AISI 304 stainless steel and similar results were obtained.
The effect of different surface variations on the joint quality has been mentioned. The effect of surface variations on the shear force was investigated under two main headings, physical and chemical.
The surface energy of the AISI 304 stainless steel was physically increased by creating a texture in three different patterns with the help of laser on the surface of the junction area. New tests were carried out with the samples obtained and the results were interpreted by measuring the shear forces of these joints.
Annealing was determined as the chemical process. It was aimed to increase the oxidation on the metal surface by annealing AISI 304 samples at 300 °C for 30 minutes before joining. As a result of the experiments carried out with these samples, it was seen that annealing had a positive effect on the shear strength.
In the light of the results obtained, Hot Press Joining (HPJ) or Hot Press Method is presented as a cheap and fast method compared to existing thermomechanical bonding methods.