Termoplastik prepreg esaslı ağır ticari araç koltuğu tasarımı, analizi ve üzerine enjeksiyon prosesi ile üretimi

Abstract

Otomotiv endüstrisinde son dönemde kullanımı artan 'üzerine enjeksiyon' (over-molding) yöntemi ile hibrit termoplastik kompozit üretimi önemli bir hafifletme teknolojisi olarak göze çarpmaktadır. Gelişmiş özelliklere sahip yeni bir malzeme oluşturmak için matriste iki veya daha fazla takviye elemanının birleştirilmesine hibrit kompozit denir. Hibrit kompozit, tek bir takviye elemanına sahip kompozite kıyasla üstün özellikler sunar. Bu yöntem aracılığı ile; araçların hafifletilmesi ve proses adımlarının azaltılması gibi temel avantajlar elde edilmekte olup uygun parça seçimi ve tasarım optimizasyonlarına bağlı olarak parça üretim maliyetlerinin de rekabetçi bir noktaya getirilmesi hedeflenmektedir. Bu doğrultuda, hibrit kompozit ile ileri kalıplama teknolojilerini birbirlerine entegre etmek ve belirli yapısal komponentleri, bu teknolojiyi kullanarak üretmek sektörel anlamda önem arz etmektedir. Bu çalışma kapsamında kamyon koltuk yapısında kullanılan metal parçanın (S420 MC) kompozit teknolojisi ile üretilmesi amacı ile kullanılacak sürekli cam elyaf takviyeli kompozit malzemenin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi gerçekleştirilmiştir. İlgili koltuk kısmının kompozit olarak üretimi için parça tasarım çalışmaları ve onlara uygulanan ECE R17 regülasyon analizleri gerçekleşmiştir. Bu çalışmada, çalışma ürünü olarak ağır ticari araç yolcu koltuk arkalığı seçilmiştir. Mevcut koltuk iskeleti nin sırt kısmı nın ağırlığı 3200 gr olup ilgili sırtlık S420 MC malzemesi ile imal edilen boruların tasarıma göre bükülmesi ve işlenmesinin ardından birbirlerine kaynaklanmıştır. Bu çaışmada mevcut sırt iskeletinin ağırlığını ve işlem proses sayısını düşürmek için Epoksi reçine esaslı cam elyaf katkılı (OM10) prepreg malzeme üzerine polipropilen / GF 40 (P40B01) hammaddesi kullanılarak üzerine enjeksiyon yöntemi uygulanarak ağırlık 1700 gr'a düşürülmüş ve ağırlık düşüşü başarıyla kanıtlanmıştır. Modellerin kabul kriteri olarak kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri (young modülü, maksimum çekme mukavemeti ve poisson oranı değerleri) ilgili kabul aralıkları olarak belirlenmiştir. Tasarım çalışmaları çeşitli senaryolarda analiz edilmiştir. Analiz çalışmaları kapsamında tüm senaryolar için malzemenin mekanik sınırlarını karşılayan tasarım kabul edilen tasarım olarak belirlenmiştir. ECE-R14 analizi için statik bir yükleme koşulu varken, ECE-R17 için dinamik sınır koşulları vardır. Tasarımlarda malzemenin mekanik sınırlarının üzerindeki alanlara feder ler eklenmiş, malzeme kalınlığında revizyonlar yapılmış ve mühendislik değişiklikleri kullanılarak mevcut tasarıma ulaşılmıştır.

The production of hybrid thermoplastic composites is significant lightening technology with over-molding; method, which utilization has increased in recent years at the automotive industry. Combining two or more reinforcing elements into the matrix to compose a new material with enhanced properties is called hybrid composite. Hybrid composite offers superior properties in comparison with the composite which has a single reinforcing element. By favor of related method; prime advantages such as lightening the vehicles and reducing the process steps are obtained and it is aimed to bring the parts production costs to a competitive point depending on the appropriate part selection and design optimizations. In this regard, it is essential to integrate hybrid composite and advanced molding technologies and to produce certain structural components associated with using this technology. Within the scope of this study, the metal part (S420 MC) used in the truck seat structure was modelled along with the finite element method of the continuous glass fiber reinforced composite material that will be used to produce with composite technology. Part design studies and ECE R17 regulation analysis applied to composite production of the relevant seat part have been realized. In this work, heavy commercial vehicle passenger seat backrest was chosen as the study product. The backrest of the existing weight is 3200 gr and the related backrest was welded from S420 MC tube. Based on this, weight reduced to 1700 gr by performing over- molding method under favor of using polypropylene / GF 40 (P40B01) raw material on Epoxy Resin based (OM10) prepreg material and weight reduction have successfully substantiated. The mechanical properties (young's modulus, ultimate tensile strength and poisson ratio values) of the materials used as the acceptance criteria of the models were determined as the relevant acceptance ranges. Design studies have been analyzed in varied scenarios. Within the scope of the analysis studies, the design that encounters the mechanical limits of the material for all the scenarios was determined as the accepted design. While there is a static loading condition for ECE-R14 analysis, there are dynamic boundary conditions for ECE-R17. In the designs, ribs were added to the areas above the mechanical limits of the material, revisions were made in the thickness of the material and the current design was achieved by using engineering changes such as forming.