Lineer aktüatör motor dişlilerinde kullanılmak üzere kendi kendini yağlayıcı polimerik malzemelerin geliştirilmesi
Development of self-lubricating polymeric materials for use in linear actuator motor gears​
Yazar: FATİH GÖKGÖZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MERVE MOCAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Lineer aktüatörlerde, DC motorun dönme hareketi dişli ve sonsuz vida yardımıyla
doğrusal harekete çevrilir. Aktüatörlerde kullanılan dişli ve somunlar yüksek
mekanik özellikler ve düşük sürtünme gerektirir, Uygulamalarda genellikle yüksek
mekanik özellikleri ve diğer polimerlere nazaran sürtünme katsayısı daha düşük
polioksimetilen (POM) gibi polimerler kullanılmaktadır. Fakat bu polimer tek başına
kullanıldığında dışarıdan yağlayıcı bir malzeme kullanımı gereksinimi vardır. Bu
çalışmanın amacı dışarıdan yağlayıcı kullanmadan en düşük sürtünme katsayılı
bununla beraber yeterli mekanik özelliklere sahip 'kendi kendini yağlayıcı' polimer
karışımları hazırlamaktır. Bu amaç için genellikle POM'a bir miktar
politetrafloroetilen (PTFE) katılmakta ise de yeterli olmamaktadır. Sürtünme
katsayısının daha fazla düşürülebilmesi hızlı tıbbi müdahalelerin gerektiği
uygulamalarda avantaj sağlayacak, ürünün ömrünün uzamasıyla karbon, su, enerji
ayak izini düşürerek, sürdürülebilirliğinin arttırması açısından büyük avantajlar
sağlayacaktır. Bu çalışmada bu amaçla POM-PTFE polimer karışımına karbon
nanotüp (CNT), molibden disülfür (MoS2), titanyum dioksit (TiO2), zirkonyum
dioksit (ZrO2) katkıları kullanılmıştır.
POM-PTFE'nin ağırlıkça %90:10 oranındaki temel karışımına, farklı oranlarda CNT,
MoS2, ZrO2 ve TiO2 gibi nano ve mikro boyutlu katkı maddeleri eklenmiştir. Çift
vidalı ekstrüder kullanılarak granül formunda malzemeler hazırlanıp ardından
enjeksiyon kalıplama yöntemiyle testler için gerekli numuneler ve son ürün olarak dişli
numuneleri üretilmiştir. Sürtünme özellikleri kuru koşullar altında pin-on-disk
tribometre cihazında ölçülmüştür. Morfolojik özellikleri ise taramalı elektron
mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca üretilen dişli numuneleri
aktüatöre montaj edilerek son ürün testleri gerçekleştirilmiştir. Lineer aktüatörün
çektiği akım ölçülerek yük değişimleri ve sürtünme etkileri analiz edilmiştir.
POM%90-PTFE%10'a karışımına CNT katkısının sürtünme katsayısını önemli ölçüde
azalttığı görülmüştür (%0,5 CNT için %13,45 ve %1 CNT katkısı %9,80 iyileşme).
Geleneksel POM ve POM-PTFE karışımlarına kıyasla 3 nokta eğme testinde %0,5
katkılı CNT için 82,75 MPa eğilme gerilmesi %2,80 iyileşme sağlamış ve %9,12
uzama miktarında ise %4,94 lük bir iyileşme sağlamıştır ve aynı zamanda esneme
kabiliyetini artırdığı gözlemlenmiştir. POM%90-PTFE%10'a %0,5 TiO2 eklenmiş
karışımda eğilme dayanımı 82,12 MPa olmuş ve POM%90-PTFE%10'a göre %2,01
iyileşme sağlamıştır. Eğilme dayanımı %0,5 ZrO2 eklenmiş kompozitlerde 82,76 MPa
olmuş ve POM%90-PTFE%10'a göre %2,81 iyileşme sağlamıştır. Optimum
formülasyon (%89,5 POM, %10 PTFE, %0,5 CNT) üstün mekanik ve sürtünme
özellikleri sergileyerek onu yüksek performanslı lineer aktüatörlerde kullanım için
ideal bir aday malzeme haline getirmiştir.
Sürtünme katsayısının azaltılmasının ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesinin
POM/PTFE malzemelerinin performansını artırıp kullanım ömrünü uzatarak
malzemenin sürdürülebilirliğini başarıyla artırmıştır. Ek olarak, ürün daha az akım
çektiği için daha düşük enerji tükettiği için bu malzemelerin kullanıldığı sistemler de
daha sürdürülebilir ve verimli olarak tasarlanabilecektir.

Anahtar Kelimeler: POM, PTFE, Dişli ürünler, Lineer Aktüator, Sürtünme katsayısı, Karbon nanotüp

Abstract:
In linear actuators, the rotational motion of the DC motor is converted into linear
motion with the help of gears and lead screws. The gears and nuts used in actuators
require high mechanical properties and low friction. In applications, polymers such as
polyoxymethylene (POM), which has high mechanical properties and a lower friction
coefficient compared to other polymers, are generally used. However, when this
polymer is used alone, it requires an external lubricant. The aim of this study is to
prepare 'self-lubricating' polymer blends that have the lowest friction coefficient and
sufficient mechanical properties without using an external lubricant. For this purpose,
a small amount of polytetrafluoroethylene (PTFE) is generally added to POM, but this
is not sufficient. Reducing the friction coefficient further will provide significant
advantages by extending the product's life, reducing its carbon, water, and energy
footprint, and increasing its sustainability. The use of actuators made from these
materials will be effective in saving lives, especially in applications that require very
rapid medical intervention in this study, carbon nanotubes (CNT), molybdenum
disulfide (MoS2), titanium dioxide (TiO2), and zirconium dioxide (ZrO2) additives
were used in the POM-PTFE polymer blend for this purpose.
Different proportions of nano and micro-sized additives such as CNT, MoS2, ZrO2,
and TiO2 were added to the basic POM-PTFE mixture in a 90:10 weight ratio. The
materials were prepared in granule form using a twin-screw extruder and then the
necessary samples for tests and gear samples as the final product were produced using
the injection molding method. Friction properties were measured under dry conditions
using a pin-on-disk tribometer device. Morphological properties were examined using
a scanning electron microscope (SEM). Additionally, the produced gear samples were
mounted on actuators, and final product tests were performed. The current drawn by
the linear actuator was measured to analyze load changes and friction effects.
It was observed that the addition of CNT to the POM%90-PTFE%10 mixture
significantly reduced the friction coefficient (13.45% improvement for 0.5% CNT and
9.80% improvement for 1% CNT addition). Compared to traditional POM and POMPTFE mixtures, the three-point bending test showed a bending stress of 82.75 MPa
with a 2.80% improvement for 0.5% CNT and a 4.94% improvement in elongation
amounting to 9.12%, while also increasing the flexibility. The bending strength in the
mixture with 0.5% TiO2 added to POM%90-PTFE%10 was 82.12 MPa, showing a
2.01% improvement compared to POM%90-PTFE%10. The bending strength in
composites with 0.5% ZrO2 added was 82.76 MPa, showing a 2.81% improvement
compared to POM%90-PTFE%10. The optimum formulation (89.5% POM, 10%
PTFE, 0.5% CNT) demonstrated superior mechanical and friction properties, making
it an ideal candidate material for use in high-performance linear actuators. Reducing
the friction coefficient and improving the mechanical properties have successfully
increased the performance and extended the lifespan of POM/PTFE materials,
enhancing their sustainability. Additionally, since the product draws less current and
thus consumes less energy, systems using these materials can be designed to be more
sustainable and efficient.

Keywords: POM, PTFE, Gear products, Linear actuator, Friction coefficient, Carbon nanotube