Tasarımda Malzeme Seçimi Polimerler, Mühendislik Plastikleri (1)

GİRİŞ

Makine mühendisliği tasarım ve uygulamalarında kullanılan Mühendislik malzemelerinde (Tablo:1), temel olarak kullanılan metal malzemelerdir. Ancak günümüzde, bu malzemeler yanında, Metal dışı malzemelerin de kullanımı gittikçe artmaktadır.

Bu yazıda, metal dışı malzemelerden en yaygın kullanılanlardan Polimerler, bunların bir alt gurubu olan “MÜHENDİSLİK PLASTİKLERİ”nden bazı uygulama örnekleri ve tercih nedenleri anlatılacaktır.

Plastik malzemelerin gelişimi İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra büyük gelişim göstermiş, günümüzde her sektörde büyük pazar payları ve ürün çeşitliliğine ulaşmıştır.

Plastik ile maliyetleri ucuzlatma, üretim kolaylığı, demir esaslı ve demir dışı malzemelere göre hafifliği, insan sağlığına masumiyeti cam kadar olmasa da çevreye zararları bir problem olsa da , günlük yaşamda hızlı yer almasına neden olmuştur.

Plastiğin iplik haline getirilmesi de tekstilde önemli kullanım alanı sağlamıştır.

Bu makale, özellikle tasarımcı makine mühendislerini ve Endüstriyel Tasarımcıları polimerler konusunda bilgilendirmek, kullanım örnekleri göstererek onlara kendi tasarım projelerinde Benchmarking oluşturma amaçlanmıştır.

Plastik/Polimer Mühendisliği, makine mühendisliği bünyesinde gelişmiş bir disiplindir.

2.0 PLASTİK MALZEMENİN KULLANIM ALANLARI :

Plastikler, ister mühendislik Plastikleri, ister günlük plastikler olarak hemen hemen yaşamımızın her sahasında kullanılır.

En yaygın kullanımı günlük plastiklerdir. Bu sahadaki plastikler başka bir yazımızın konusu olacaktır.

Bu yazımızın konusu Mühendislik Plastikleri olduğundan, ağırlıklı olarak bu malzeme çeşidinden bahsedilecektir.

Bu yazıda, Mühendislik plastiklerinin en popüler kullanım alanlarından Otomotiv alanındaki kullanım örnekleri, daha sonraki yazılarda El ve Güç aletleri, Küçük Ev aletleri ve Beyaz Eşya Sektöründe kullanılan malzemelerden bahsedilecektir.

3.PLASTİK MALZEME SINIFLARI:

3.1 ISIYA KARŞI DAVRANIŞLARINA GÖRE

1.Termoplastikler,2.Termosetler,3.Termoplastik Elastomerler (TPE)

3.2 UYGULAMA ALANLARINA GÖRE

• Genel amaçlı (Komodite) termoplastikler
• Mühendislik plastikleri
• Yüksek performans plastikleri
• Fonksiyonel Plastikler, tek ve özel kullanıma sahip plastikler
• Fluoroplastikler yüzey özelliklerinden dolayı
• Biyoplastikler

4.PLASTİK MALZEME KULLANIM AVANTAJLARI:

• Plastikler çok iyi ısıl yalıtıcılardır.
• Plastiklerin korozyon ve diğer kimyasal etkilere dirençleri, metallerden çok daha yüksektir.
• Çeşitli renklerde ve birçok hallerde renksiz berrak halde üretilebilirler.
• Plastikler uygun mekanik özellikli bir

Elektriksel yalıtkan malzemeler grubu meydana getirmektedirler. Yapım kolaylığı, bükülebilirlik ve mekanik dayanım yönünden diğer yalıtkanlardan üstündürler.

• DEZAVANTAJ YÖNÜNDEN, plastiklerin dayanımları metaller kadar yüksek olmadığından, gerilmeler altında önemlice boyutsal değişiklik gösterirler.
• Kırılan plastik parçaların onarımları da çok güçtür.
• Bazı plastikler güneş ışığı ve UV ışığı karşısında bozulurlar. (Dirençli plastikler Tablo:2 de gösterilmiştir)
• Isıya dayanıklı bazı plastikler dışında, genellikle, çok dar bir sıcaklık bölgesinde çalışabilmeleridir.
• Plastiklerde proje yapımı kolay değildir. Plastiklerde projelere temel olacak bilgiler diğer malzemelerdeki gibi zengin değildir. Bundan başka farklı üretim metotları çok farklı özellikli malzemeler vereceklerinden belirli bir plastiğin dayanım özelliklerini kestirilmesi önceden mümkün olmayabilir.
• Plastiklerin birçok kötü ve başarısız uygulamaları olmuştur. Bunun sebebi bazen eldeki problem için plastiğin en iyi malzeme olmayışıdır.

5. OTOMOTİV:

Günümüzün otomotiv sektöründe önemli miktarda POLİMER madde kullanılmaktadır.

Şu anda bir araçta yaklaşık 30.000 parça bulunmaktadır. Bunların 1/3’ü plastikten yapılmaktadır. Plastiklerin yüksek titreşim absorpsiyon özellikleri, aracın daha sıkı güvenlik standartlarını karşılamasına izin verirken, mühendislik plastiklerinin kullanılması, metallere kıyasla daha fazla tasarım özgürlüğü sunarken araçlarda kullanılan parçaların kütlesinin en aza indirilmesine izin verir.

Son on yılda bir aracın toplam ağırlığı içinde demir esaslı ve demir dışı metallerin payı % 0,5 azalırken, plastiğin ve kauçuğun toplam payı % 2,6 oranında artış göstermiştir.

Yeni geliştirilen polimer ve kompozit türleri taşıtların büyük bir kısmında hafif metallerden daha iyi özellikler göstererek yerini almaya başlamıştır.

En belirgin şekilde, otomotiv ve havacılık sektöründe (kompozit olarak yaklaşık % 50) ; ayrıca Dayanıklı Ev

Aletleri ve Küçük Ev Aletleri sektöründe de yoğunluklu olarak kullanılmaktadır.

Araçlarda, gösterge paneli, tuşlar, soketler, klima, kapı kolları, paspaslar, güneşlik, hava yastığı v.b. birçok

ekipman plastik malzemeden üretilmektedir.(Bkz.Resim:02)

Düşük ağırlıklarından dolayı, bilhassa otomotiv sektöründe plastik malzeme kullanımı her geçen gün daha

da artmaktadır. Çünkü, otomotivde tercih edilen en önemli parametre; aracın ayni performansa sahip olarak hafifletilmesidir.

• Yakıt sarfiyatının düşürülmesi. Bunun yolu, net(boş) ağırlığın düşürülmesinden geçmektedir. Bu nedenle komponentler – mümkün ise- ağır metalik parçalar yerine, hafif plastik malzemeden üretilmelidir. Araç üstü ekipmanlarda da (kamyon, kamyonet gibi yük ve yolcu taşıma işinde kullanılan ticari araçlarda), istiap haddinin arttırılması sağlanmış olacaktır.
• Diğer yandan, bilhassa otomotivde çarpma ve kazalardan dolayı değiştirilmesi gereken parçalarda, daha kolay ve metalik malzemeye göre daha ekonomik şekilde yenilenebilmektedir.
• Plastik parçalar, metalik parçalara göre daha kolay üretilebilir. Ayrıca, parça yüzeyi daha düzgün olmaktadır. Bu iyi bir boya kalitesi elde edilmesi demek olup, bu da çok tercih edilecek bir özelliktir.
• Bazı mühendislik plastiklerindeki gelişmeler yeterli ölçülerde mekanik mukavemet sağlaması ve ısıl mukavemet sağlayabilmeleri yönünden avantajlar da sağlamaktadır.
• Metalik malzemeler gibi, Termosetler (Duromerler) hariç, çoğu plastiklerin geri dönüşüm özellikleri vardır.

5.1 EMME MANİFOLDU:

İçten yanmalı motorlarda emiş sisteminin performansı motorun verimli çalışmasını sağlayan temel girdilerin başında

gelmektedir . İçten yanmalı motorlarda hava emiş sisteminin en önemli elemanı EMME MANİFOLDU’dur.

Emme manifoldu, motorun istenilen görevi yerine getirebilmesi için, motorun her devirde yanmayı gerçekleştirecek

olan yeterli havayı yanma odalarına gönderen, içten yanmalı ve hibrid motorlu araçların vazgeçilmez bir parçasıdır. Otomobil üretiminin her alanında olduğu gibi tarihsel süreç boyunca değişen ve artan ihtiyaçları karşısında emme manifoldunun üretimi de gelişen teknolojiye nazaran değişmektedir.

Plastik yakıt depoları, metal yerine Polimer malzemelerden yapılmaya başlamıştır. Bu durum deponun daha hafif, korozyona dayanıklı ve daha ucuz olmasına sağlamaktadır. Yakıt depolarının yüzeylerine serbest bir tasarım getirilerek otomobil içerisine daha kolay yerleştirilmesi de ayrı avantajdır.

Hafiflik, araçlarda yakıt sarfiyatını azaltmaktadır.

Yakıt tankları yapımında bir termoplastik çeşidi olan Carilon Alifatik Keton kullanılmaktadır.

Ergime sıcaklığı 234° C ve yoğunluğu 1,24 gr / cm³ olan bu plastik yüksek mukavemeti ve kimyasal maddelere dayanıklığı ve özellikle solvent ve akaryakıta karşı dayanıklığından dolayı otomobil yakıt depolarında sıkça kullanılmaktadır.

PBT (Polybutylene Terephthalate )

5.3 FARLAR, FREN LAMBASI, ARKA LAMBALAR VE ARKA CAMLAR :

• Kromaj kaplanmış parça görüntüsü veren, plastik parça üstüne (Metalize) uygulaması, sıklıkla uygulanmakta olup, bilhassa marka ve logolarda ve farların iç yüzeylerinde yansıtıcı yüzeyler elde edilmesinde uygulanmaktadır.
• Cam malzemeye eşdeğer, Polikarbonat (PC) malzemeler, ışığı iyi yansıtmaları yanında, darbelere karşı büyük ölçüde dayanıklılık sağlayabilmektedir. Bu özellik araba ön farlarında kullanım bulmaktadır.

Araç arka aydınlatmada, fren ve sinyal lambalarında da kırılganlık mukavemeti Polikarbonata göre biraz daha az olsa da, piyasada “Pleksiglas” adı ile bilinen Polimetil metakrilat (PMMA) kullanılmaktadır. (Bkz.Resim:11)

Bu malzeme, yüksek ışık geçirgenliğine sahip, darbeye karşı camdan 6 kat daha dayanıklıdır.

Mühendislik plastiği olup, termoplastiktir.

PC cam hava şartlarına ve çizilmeye dayanıksız olduğu halde yüksek hızlarda daha az rüzgâr gürültüsü çıkarmaktadır. Ayrıca ışık geçirgenliği %’1 den az olduğundan aracın içi daha az ısınmaktadır.

Farın ön ve yansıtıcıları da enjeksiyonla şekillendirilmiş Polipropilen (PP) kasaya monte edilmiştir.

Far ve Arka Lambalar: Daha iyi görünürlük ve estetik amaçlarla far iç yüzeyleri metalize yöntemiyle kaplanır. Metalik kaplama, ayna işlevi ile farların ve lambaların ışığı daha etkili bir şekilde yansıtmasına ve dağıtmasına yardımcı olur.

Silgeç Suyu Depo Kapağı

PA66, %30 CAM ELYAF TAKVİYELİ, ISI & HİDROLİZ STABİLİZELİ.

6.TERMOPLASTİK ELASTOMERLER (TPE)

Döşeme, koltuklar ve iç giydirmeler otomobillerde ağırlıkça en fazla polimerin kullanıldığı bölümleri oluşturur. Hafiflik, yanmazlık, geri dönüştürülebilirdik, sağlığa uygunluk, konfor ve ergonomik istekler en fazla tercih sebebidir.

7.KÖPÜKLER: Hem termoplastik, hem de termoset olan bu grupta, en çok kullanılan otomotivdeki oturma gruplarıdır. Bu köpük türü çoğunlukla PU (Poliürethan) dediğimiz bir polimerik yapıdadır ve kalıplama yöntemi ile elde edilir.

Bir başka köpük türü ise, PP köpüktür. Bir şişirme ajanı ile hazırlanan bu ürün oldukça esnek ve sağlamdır. Bu özelliği otomotivde GÜNEŞ SİPERLİĞİ uygulamalarında kullanılmaktadır.

8.BİLGİSAYAR KLAVYE TUŞ BAŞLIĞI PLASTİKLERİ

8.1 PBT (Polybutylene Terephthalate ) İLE ABS (Akrilonitril Bütadien Stiren) KIYASLAMASI:

9. E- ARAÇLAR (EV) :

Elektrikli araçlarda geleneksel otomobillerden farklı olarak elektrik motoru, pil ve şarj elektroniği bulunurken; vites kutusu, debriyaj balatası, benzin deposu ve egzoz sistemi gibi birçok parça bulunmuyor.

Menzilinin kısa olması, batarya dolum süresinin uzunluğu ve satış fiyatının yüksek olması elektrikli araçların yaygınlaşmasının önündeki engellerdir.

Maliyeti büyük ölçüde bataryalardan kaynaklanan bu araçların menzili artırmak için daha fazla kapasiteye sahip batarya kullanmak gerekmektedir. Ancak bu durum ağır bir batarya ve dolayısıyla ağır araç demektir.

Menzili artırmak için daha düşük yoğunluğa sahip alternatif malzemeler kullanarak araç hafifletilebilir.

Böylece aynı batarya kapasitesi ile daha uzun yol kat edilebilir.

Araçların imalatında kullanılan bu malzemelerin seçiminde bulunabilirlik, çevresel etki, dayanım ve maliyet gibi unsurlar dikkate alınmalıdır.

Tablo:3 E-Araçlara ait bazı polimer komponentler.

10.SONUÇ: Plastiklerin kullanımı arttıkça teknolojik bilgi ve tecrübemizin artacağı şüphesizdir. Böylece plastikler gittikçe daha büyük bir başarı ile uygulanabilecektir. Son dönemlerde üretim tekniği, bilhassa içi boş ve ek yeri çapaksız parçaların imali gereken yerlerde. üç boyutlu (3D) yazıcıların gelişimiyle, kullanımının yaygınlaşması beklenmektedir.

Emme manifoldu gibi içi boş, karmaşık parçaların üretiminde, ERGİYİK ÇEKİRDEK YÖNTEMİ yerine, DMLS(Direkt Metal Lazer Sinterleme),SLM (Seçici Lazer Ergitme),SLS(Seçici Lazer Sinterleme )üretim yöntemlerinin gelişmesi beklenmektedir.

Yakın gelecekte otomotivde, hafif ve performansı yüksek, Polimer matrisli kompozit malzemelerin kullanımı artacaktır. Havacılıkta, zaten bu süreç çoktan başlamıştır. Kompozit malzemelerde kullanılan elyafın, geri dönüşüm ve çevre yönünden olumsuzluğuna karşın, doğal esaslı elyafların kullanımı
üzerinde çalışmalar yapılmaktadır.

Her sahada artan plastik kullanımı, özellikle tek kullanımlık plastiklerde çevre yönünden büyük sorun olacağı kesindir. Ömrünü tamamlamış plastiklerin çevreye bırakılması ile oluşan çevre kirliliğinin önlenmesi için, çevre bilincinin toplum olarak geliştirilmesi ve atıkların kaynağında ayrıştırılmasının sağlanması gerekmektedir.

KAYNAKÇA:

1.PLASTİK VE AMBALAJ TEKNOLOJİSİ/Şubat 2024
Otomotiv Endüstrisinde Polimerler ve Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerdeki Gelişmeler-2-
Doç.Dr.Ahmet Demirer/ Doç.Dr.Ali Öz

2.PLASTİK VE AMBALAJ TEKNOLOJİSİ/Ocak 2024
Otomotiv Endüstrisinde Polimerler ve Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerdeki Gelişmeler-1-
Doç.Dr.Ahmet Demirer/ Doç.Dr.Ali Öz

3.Emme Manifoldu Üretiminde Gelişen Teknolojik Uygulamalar
Mühendis ve Makine Cilt:60, sayı :696, yıl: 2019
Alper Çetin /Sami Sayer

4. https://www.cargroup.org/wp-content/uploads/2019/10/
Technology-Roadmap_Materials-and-Manufacturing.pdf
Car Research,Nexant,American ChemistryCouncil

5 Teknolojide Plastikler
MMO Yayın No:64, G.P.Palin
6. https://tr.wikipedia.org/wiki/Plastik
7. https://www.2milasrl.it/en/biopolymers-industry-the-automotive-sector/
8. https://www.plasticcollectors.com/blog/say-no-to-plastic-in-automotive-application/
9. https://coolmag.net/polymeric-materials-for-automotive-applications/
10. https://www.dekap.com.tr/
11. https://www.tisan.com.tr/diger-sektorler-592
12. https://www.asem.com.tr/abs-krom-kaplama-281.html
13. Mühendis ve Makina dergisi Mart 2023-3
Yüzyılın malzemesi plastikler, Dipl.İng. A.Feyyaz Yücel
14. https://www.elastron.com/tr/otomotiv