Özet
Araçlarda konfor ihtiyaçlarının artması, piyasa eğiliminin daha geniş iç hacim olması ve çevreye uyumluluk kapsamında eklenen elemanlar son 20 yılda araç ağırlıklarında ciddi bir artışa sebep olmuştur. Küresel ısınma, doğal kaynakların azalması ve çevre kirliliğinin artması, araç ağırlıklarının hafifletilmesini otomotiv sektöründeki başlıca çalışma konusu haline getirmiştir. Otomotivde kullanılan plastik enjeksiyon parçaların hafifletilmesi, malzeme ve enjeksiyon kalıplama teknolojisinin birlikte yürüttüğü çalışmalar ile mümkün olmuştur.
Anahtar Kelimeler: Otomotiv, Plastik enjeksiyon, Ağırlık azaltma
Abstract
Increasing comfort needs, market trends towards larger internal space and environment regulations lead to significant amount of mass increase in vehicles over the last 20 years. Development of lightweight vehicle components are the main research subject in automotive industry since global warming, depletion of natural resources and increase in pollution became the major concerns. For lightweight applications of plastic injection parts interdisciplinary studies are carried out by material engineering and injeciton molding engineering.
Key Words: Automotive, Plastic Injection, Lightweight
1. Giriş
CAFE (Corporate Average Fuel Economy) 2009 raporuna göre son 20 yılda araçların ağırlıkları %30 artmıştır. Araçlara çevre uyumluluk kapsamında eklenen filtreler, klima, ısıtmalı koltuk gibi konfor elemanları, motor sesinin azaltılması için eklenen izolasyon parçaları, ABS, hava yastığı ve araç kasalarının güçlendirilmesi gibi güvenlik gereklilikleri araç ağırlıklarının artmasına sebep olmuştur. Bir aracın yakıt tüketimi ağırlığı ile doğru orantılı olduğundan, araç ağırlığındaki %10’luk bir düşüş, yakıt tüketiminde %5 ile 7’lik azalmaya karşılık gelmektedir. Giderek artan petrol fiyatlarının yanı sıra, 2012’den itibaren geçerli olacak yeni “Karbon Dioksit Emisyon” hedeflerini tuturmak için otomotiv ana sanayi araç ağırlıklarını hafifletmenin yollarını aramaktadır[1].
Otomotiv ana sanayinin ağırlık azaltma ve enerji tasarrufu üzerine artan ihtiyaçları doğrultusunda yönlenen yan sanayi, araştırmalarını bu konular üzerine yoğunlaştırmaktadır. Ortamalama bir otomobilde araç ağırlığının %11 ile %14’ü plastik parçalardan oluşmaktadır. Her beş yılda %3 ile %4 oranında büyüme gösteren plastik malzemeler, 2011’de 6.5 milyon ton kullanım miktarının 2016 yılında %7’lik büyüme ile 9.8 milyon tona ulaşacağı tahmin edilmektedir. Otomotivde en çok tüketilen plastikler arasında PP(polipropilen), PA(poliamit), ABS(akrilonitril bitadien stiren) ve PUR(poliüretan) gelmektedir. Toplam plastiğin %48’i ile en büyük payı iç parçalar, %27’si ile dış parçalar ve %14’ü ile kaporta altı parçaların üretiminde kullanılmaktadır[2].
Enjeksiyon plastik parçaların hafifletilmesi üzerine malzeme mühendisliği ve enjeksiyon üretim teknolojisi çalışmalarını birlikte yürütmektedir. Mazleme mühendisliği plastiklerin yoğunluğunu azaltılmak ve enjeksiyon sırasında köpüklü yapı oluşturan katkı malzemeleri geliştirmek için çalışırken, enjeksiyon üretim teknolojisi ise kalıp tasarımlarında ve geliştirilen malzeme için kalıplama sistemleri üzerine çalışmaktadır.
Malzeme üzerine çalışmaların temelini, mikrohücresel boşluklu polimerler ile ilgili ilk çalışmaların başlatılması ile 1984 yılında MIT atmıştır[3,4]. Çalışmaların amacı polimerlerin mekanik özelliklerininden kayıp vermeden hava boşlukları yaratarak yoğunluğu düşürmek olmuştur. Yaratılan hava boşluklarının homojen dağılması ve çaplarının miminumda kalması sağlandığında mekanik özelliklerden kayıp vermeden yoğunluğun azaldığı görülmüştür. Superkritik haldeki inert bir gazın basınç altında polimer eriği ile karıştırılması sonucunda boşluklu oluştuğu görülmüştür. Bu gelişmenin endüstriyel uygulamaya geçişi 1998 yılında MIT ve Trexel firmalarının bu proses için özel plastik enjeksiyon makinası ile 4 mm kalınlığında parça üretmesi ile olmuştur. Bu prosese “Mikrohücresel Enjeksiyon” (MuCell) adı verilmiştir(Resim 1)[5,6].
1998’den bu güne MIT ve Trexel’in öncü olduğu mikrohücresel enjeksiyon konusunda otomotiv sektöründeki sayısız firma çeşitli çalışmalar yürütmüştür. Bu firmalardan biri olan Mazda, Trexel ile ortak yürüttüğü çalışmalar sonucu hareketli kalıp yüzeyleri üzerine bir çok patent almıştır ve bu teknolojiye “core-back” adı verilmiştir (Resim 2). Core-back, Trexel’in geleneksel Mucell teknolojisinden farklı olarak, hareketli kalıp yüzeylerinin açılması ile parça ara yüzeyinde düşük yoğunluklu bir bölge oluşturarak ortalama %30 ağırlık azalması sağlamaktadır, Mucell yöntemi ile bu değer %10 seviyesinde kalmıştır.
Ford, Mucell’i kullanılarak 2012 model Escape ve Kuga’nın ön panel parça üretiminde 0.5kg kazanç sağlamıştır. Kalıp içindeki malzemenin yoğunluğun düşmesi ile kalıp tonajları azalmış ve çevrim süresi %15 düşüş göstermiştir. Ford en büyükten en küçüğe tüm model araçlarında 2020 yılı itibari ile 100kg’dan 300kg’a kadar ağırlık azaltacağını açıklamıştır[7].
Core-back teknolojisini kullanan bir diğer plastik enjeksiyon firması olan Mecaplast Grup, ağırlık azaltma alanındaki son çalışmaları ile Core-back teknolojisini özel geliştirdikleri polipropilen malzemesi ile birleştirerek %30 ile %50 arasında ağırlık azalması sağlamıştır. Bu prosese fransızca tüy anlamına gelen “plume” adını vermişlerdir (Resim 3). Plume prosesinin temelini hareketli kalıp elemanları, kimyasal köpüren ajanlar ve düşük yoğunluklu dolgu malzemeleri oluşturmaktadır. Araç içindeki plastik parçaların üretiminde bu prosesin kullanılması ile elde edilebilecek ortalama 5 ile 7 kg arasındaki ağırlık azalmasının yakıt tüketimini azaltarak, karbon dioksit salınımını 0.5-0.7g/km düşürecektir.
Plume prosesinin aşamaları kimyasal köpürtücü ajan içeren polimerik malzemenin hareketli kalıp yüzeyleri içine enjeksiyonu ile başlamaktadır. Kalıbın dolması ile kavite yüzeyinde donan malzeme, basıncı azaltarak kimyasal köpürtücünün şişmesine ve iç kesitte mikrohücresel yapının oluşmasına olanak verir. Mikrohücresel yapının hacmi ağırlık azalması ile doğru orantılıdır. Bu hacmi etkileyen faktörler arasında kalıp ve parça tasarımı, işlem ısısı ve polimerin özellikleri bulunmaktadır.
Plume prosesi için patent başvurusunda bulunan firma, bu yöntemin Japon üreticiler tarafından Toyota ve Honda parçalarının üretiminde kullanılanan teknolojiye yakın olduğunu fakat Japon teknolojisinde kullanılan talk katkılı malzemenin yol açtığı yüzey sorunlarının Plume prosesi için geliştirilen polimerik bileşik ile aşıldığı belirtilmektedir.
Plume için geliştirilen katkı malzemesi talkdan %7 daha düşük yoğunluklu olup mekanik özelliklerden kayıp vermeden yüzey kalitesini iyileştirmektedir. Araç içindeki konumuna göre performans kriterleri değişiklik gösteren parçaların üretimi için mekanik dayanımları değişen polipropilen formülasyonları üzerine firmanın çalışmaları devam etmektedir.
Diğer taraftan bir İngiliz firması olan “Coralfoam” köpüren katkı maddelerini core-back teknolojisi ile birleştirerek parça üretmeyi başarmıştır (Resim 4). Mekanik dayanımın artması ile parça tasarımında da iyileştirmeler yapılarak %30’a kadar ağırlık azalması elde edilmiştir. Coralfoam prosesi tüm enjeksiyon parçalara uygulanabilir ancak mikrohücreler parçanın sadece kalın bölgelerinde oluşmaktadır. Bu sebeple Coralfoam teknolojisi ile üretilecek parçalarda kalın ve ince ara kesitler gerekmektedir[8].
Alman enjeksiyon kalıplama uzmanı Wittman Battenfeld firması son yüzyılın yarısını gaz ve mikrohücresel enjeksiyon sistemleri üzerine çalışarak geçirmiştir. Firmanın yeni teknolojiler direktörü Helmut Eckardt’ın Haziran’12 tarihinde Almanya’da gerçekleştirdiği konferansta hafifletilmiş köpük enjeksiyonunun tanıtımını yapmıştır. İtalyan kimyasal üreticisi Taroplast’ın %20 talk katkılı polipropilen ürünü Haiplen ile hızlı ısıtma ve soğutma kontrol ünitesinin kalıba uygulandığı “ball-filled” denen kalıp tasarımını kullanarak denemeler gerçekleştirmiştir (Resim 5). Ball-filled kalıp yüzeyinde bulunan çelik bilyeler, ısının kalıp yüzeyinde transferini hızlı bir şekilde sağlayarak düşük stres altında parçada kalıplama sonrası oluşabilecek deformasyonları ve çöküntü izlerini ortadan kaldırmaktadır. Geleneksel kalıp ile Ball-filled kalıp arasındaki farkın görülmesi için Bayer’in %20 cam elyaf katkılı polikarbonat malzemesi ile yapılan denemelerde normal kalıpdan çıkan parça yüzeyinde görünür olan cam elyaf izleri, ball-filled kalıpdan çıkan parçada oluşmamıştır[9].
Köpüklü malzeme oluşumu için kullanılan yöntemler eriyik malzemenin içine inert gaz enjekte edilmesi yada kimyasal köpürtücü katkı iken İngiliz “R&D Factory” firması su buharı kullanarak eriyik plastik içerisinde hava boşlukları yaratmayı başarmıştır. Bu teknolojiye “Streamolding” adını veren şirket prosesi şu şekilde açıklamaktadır; mevcut enjeksiyon presine monte edilen Streamolding enjeksiyon başlığı, malzemenin kalıba girişi sırasında toplu iğne kadar su damlasını malzemeye enjekte etmektedir (Resim 6). Su, plastik içinde dağılarak buhar fazına geçerken hava boşlukları yaratmaktadır. Bu yöntemle üretilen parçalarda %40’a kadar ağırlık, %20’ye kadar çevrim süresi azalması elde edilmiştir. Kalıp içi basıncın azalması ile pres tonajları düşmüş ve enerji tasarrufu sağlanmıştır. PP, PS, PVC, PA ve TPE malzemelerle yapılan denemelerde başarılı sonuçlar elde edilmiştir[10].
Son dönemde ağırlık azaltmaya yönelik çalışmalar sayesinde değişik yöntemlerle %10’dan %50’ye kadar ağırlık azalması sağlanmıştır. Bu çalışmalar malzeme ve üretim teknolojisinin gelişmesine yol açmış aynı zamanda doğal kaynakların verimli kullanımını arttırmış ve üretim proseslerinde enerji verimliliğini sağlamıştır.
Kaynakça
[1]http://web.mit.edu/sloan-auto-lab/research/beforeh2/files/CAFE_2012.pdf (Ocak 2013)
[2]Ergün,N.,Türkiye Otomotiv Endüstisinde Kullanılan Plastiklerin Genel Değerlendirmesi, Kalıp Dergisi Kasım 2012 Sayı:78
[3]N. P. Suh, Innovation in Polymer Processing, F. Stevenson James ed., ch. 3, Hanser/Gardner Publications, Inc., 1996.
[4]J. E. Martine-Vvedensky, N. P. Suh, and F. A. Waldman, Microcellular closed cell foams and their method of manufacture, US Patent 4,473,665, 1984.
[5]J. Xu and D. Pierick, Microcellular foam processing in reciprocating-screw injectionmolding machines, J. Inject. Mold. Technol. 5, pp. 152–159, 2001.
[6]J. Xu, Methods for manufacturing foam material including systems with pressure restriction element, US Patent 6,579,910 B2, 2003.
[7]http://www.plasticstoday.com/articles/ford-launches-mucell-instrument-panels-escape-and-kuga (Aralık 2012)
[8]http://www.coralfoam.com/Products.html (Aralık 2012)
[9]http://www.prw.com/subscriber/headlines2.html?id=2007 (Aralık 2012)
[10]http://rndfactory.co.uk/products/streamoulding/