Karbon Fiber Sandviç Monokok Şasi Tasarımı ve İmalatı
SolidWorks ile CAD tasarımı, ANSYS ACP ile kompozit sonlu elemanlar analizi ve kalıpsız düz tabla üzerinde vakum torbalama imalatını kapsayan, TEKNOFEST Efficiency Challenge için geliştirilmiş 12 kg'lık karbon fiber sandviç monokok şasi bitirme tezi projesi.
🏎️ Bitirme Tezi · TEKNOFEST Efficiency Challenge
Elektrikli Araç için Karbon Fiber Sandviç Monokok Şasi
Konsept tasarımdan fiziksel ürüne uzanan bütüncül bir geliştirme çalışması: SolidWorks ile küvet tipi monokok tasarımı, ANSYS ACP ile kompozit sonlu elemanlar analizi, malzeme seçimi ve kalıpsız düz tabla üzerinde vakum torbalama yöntemiyle imalat.
Proje Künyesi
Problem ve Yaklaşım
Verimlilik yarışlarında değerlendirilen metrik, birim enerjiyle alınan yoldur. Araç kütlesi bu denklemin en doğrudan değişkenidir: her kilogram, hem yuvarlanma direncini hem de hızlanma için gereken enerjiyi artırır. Bu nedenle geleneksel uzay kafes (space frame) boru şasi yerine, yükü yüzeye yayan küvet tipi (tub) sandviç monokok gövde tercih edilmiştir.
Karar, öğrenci takımı koşullarında maliyet ve tamir kolaylığından feragat edip ağırlık ve rijitlik lehine verilmiştir. Ayrıca kalıp yaptırmanın maliyet ve süre yükünden kaçınmak için, düz tabla üzerinde üretip sonradan şekil verme yolu seçilmiştir (detay için Üretim bölümüne bakınız).
Yük Yolu: Şasi Neyi Taşır, Neyi Taşımaz?
Bu aracın tahrik mimarisi, şasinin tasarım kısıtlarını doğrudan belirledi. Tork göbek (hub) motor ile doğrudan tekerlek üzerinde üretilir; şasiden geçen bir şaft, diferansiyel veya aktarma organı yoktur. Dolayısıyla şasi bir tork reaksiyon yolu değildir. Bu, özellikle arka uzantının neden ince ve hafif tasarlanabildiğini açıklar.
✓ Şasinin taşıdığı yükler
✗ Şasiden geçmeyen yükler
Tasarım (CAD)
Geometri SolidWorks ortamında, orta düzleme göre aynalama (mirror) ile simetrik olarak kurulmuştur. Bu, hem model ağacını sadeleştirmiş hem de analizde simetri kullanımına imkân vermiştir.
Şekil 1 — Yalın küvet geometrisi. Artı formundaki siluet ve çevresel kaldırılmış kenarlar görülüyor.
Şekil 2 — Sparco koltuk yerleşimi ile ergonomi doğrulaması ve karbon doku giydirmesi.
Üstten Görünüm Mimarisi
Siluet artı (haç) formundadır. Her bölge tek bir işlevi karşılayacak kadar malzeme içerir; gereksiz yüzey, doğrudan gereksiz ağırlıktır.
▲ Araç ön yönü yukarıda · çevresel kesikli çizgi = kaldırılmış kenar bölgesi
Neden Kaldırılmış Kenarlar?
CAD modelindeki çevresel kalkık kenarlar kozmetik değildir. Malzeme, tarafsız eksenden uzaklaştıkça eğilme direncine katkısı yüksekliğin küpüyle orantılı olarak artar. Aynı kütleyi düz bir levha yerine kenarlara taşımak, şasiyi bir kirişe dönüştürür.
Yüksekliği iki katına çıkarmak, eğilme direncini yaklaşık sekiz katına çıkarır.
Not: Kalıp kullanılmadığı için bu yükseklik, kürlenmiş düz paneli çevreleyecek şekilde ayrıca üretilip yapıştırılan kutu profil şeritlerle elde edilmiştir (bkz. Üretim bölümü).
Sandviç Yapının Mekaniği
Projenin çekirdek fikri budur: iki ince karbon fiber kabuğu, düşük yoğunluklu bir PVC köpük çekirdekle birbirinden ayırmak. Kabuklar çekme ve basma yüklerini, çekirdek ise kayma yükünü taşır ve kabukları sabit mesafede tutar.
📊 Neden 20 mm Çekirdek?
Sandviç bir panelin eğilme rijitliği, kabuk kalınlığı t ve kabuk merkezleri arası mesafe d için yaklaşık olarak D ≈ E·t·d² / 2 ile orantılıdır. Bu çalışmada d ≈ 21 mm, t ≈ 1 mm'dir.
Aynı miktarda karbon fiberi çekirdeksiz, tek parça 2 mm'lik bir laminat olarak kullansaydık atalet momenti yalnızca I = (2 mm)³/12 olurdu. Kabukları 20 mm ayırmak, eğilme rijitliğini iki mertebe (yüzlerce kat) düzeyinde artırırken metrekare başına yalnızca yaklaşık 1 kg köpük eklemektedir. Sandviç yapının tüm mantığı bu orandadır.
Malzeme Seçimi
Dokuma Tipi Kararı: Plain mi, Twill mi?
✅ Plain (Bezayağı) — Seçildi
Atkı ve çözgü ipliklerinin 1 alt / 1 üst simetrik geçtiği en sık kenetlenmeli dokuma.
- Yüksek iplik kenetlenmesi (crimp) → boyutsal stabilite
- Geniş düz yüzeylerde elyaf kayması minimum
- Vakum altında lif açıları korunur
❌ Twill (Dimi) — Tercih Edilmedi
2 alt / 2 üst geçişli, karakteristik çapraz desenli dokuma.
- Karmaşık eğrilere daha iyi oturur (drapability)
- Ancak elyaf kayması kolay
- Bu geometride avantajı yok, riski var
Katman Oryantasyonu
Tek yönde dizilmiş elyaf yalnızca o yönde güçlüdür. Katmanlar farklı açılarda istiflenerek yapının her yönde direnç göstermesi hedeflenmiştir.
0° / 90°
Frenleme ve hızlanmadaki eksenel çekme–basma yüklerini karşılar.
+45° / −45°
Virajlarda oluşan burulma (torsion) yüklerini karşılar.
Yarı-izotropik istif
6 katlı dengeli istif ile düzlem içi yönlerde benzer davranış.
Sonlu Elemanlar Analizi (ANSYS ACP)
Kompozit malzemeler yöne bağlı (anizotropik) davrandığından, klasik izotropik bir statik analiz yeterli değildir. Bu nedenle analiz, katman katman tanımlama yapmaya imkân veren ANSYS ACP (Composite PrepPost) modülü ile kurulmuştur.
⚠️ İlk İterasyon: Kritik Bulgu
Yüzeye 0,1 MPa'lık üniform referans basıncı uygulanan ilk analizde, şasinin orta bölgesinde 154,69 mm deformasyon hesaplandı. Bu yük, gerçek bir sürüş senaryosunu değil, tasarım varyantlarını aynı koşulda karşılaştırmak için seçilen ortak bir referansı temsil etmektedir. Sonuç, ilk geometrinin orta bölgede yeterli rijitliğe sahip olmadığını açıkça ortaya koydu.
✅ Revizyon
Analiz sonucu doğrultusunda SolidWorks modeline geri dönülerek orta bölgeye yapısal takviyeler eklendi ve çevresel kenar yükseklikleri gözden geçirildi. Üretime, bu revize edilmiş geometri ile geçildi.
Reçine Hesabı
Kompozitte fazla reçine, ağırlık demektir. Az reçine ise kuru bölge ve delaminasyon demektir. Bu nedenle sarfiyat tahmine bırakılmadı: kumaş için yüzey alanı üzerinden, köpük için ise üreticinin el yatırma tablosu kullanılarak hesaplandı.
📋 Airex PVC Köpükler için El Yatırma Reçine Sarfiyatı
| Köpük Tipi | g/m² | oz/sq.ft |
|---|---|---|
| R63.50 | 100 – 200 | 0.33 – 0.65 |
| R63.80, R63.140 | 50 – 150 | 0.16 – 0.50 |
| R82 | 200 – 300 | 0.65 – 1.00 |
| C51 | 200 – 300 | 0.65 – 1.00 |
| C70.40 – C70.90 ← C70.48 kullanıldı | 200 – 300 | 0.65 – 1.00 |
| C70.130 – C70.200 | 100 – 200 | 0.33 – 0.65 |
| C71 | 150 – 200 | 0.50 – 0.65 |
| T90/92 < 130 kg/m³ | 200 – 300 | 0.65 – 1.00 |
| T90/92 > 130 kg/m³ | 150 – 250 | 0.50 – 0.82 |
| T10 | 200 – 300 | 0.65 – 1.00 |
Toplam Reçine Dökümü: 7 kg
| Karışım oranı | MGS L160 : H160 = 100 : 25 |
| Kap ömrü | ≈ 45 dakika → her katman için ayrı hazırlandı |
| Ölçüm | Hassas terazi ile tartım |
| Kenar profili yapıştırma | Ayrı bir reçete: yapısal epoksi yapıştırıcı (yukarıdaki 7 kg'a dahil değildir) |
Reçinenin 45 dakikalık kap ömrü, üretim ritmini belirleyen kısıt oldu. Tek seferde büyük miktar hazırlamak yerine her katman için ayrı karışım yapıldı; bu, jelleşme başlamadan homojen ıslatma yapılabilmesini sağladı.
Üretim: Kalıpsız Düz Tablada Vakum Torbalama
Yöntem, atmosfer basıncını bir pres gibi kullanır. Torba içindeki hava çekildiğinde dışarıdaki yaklaşık 1 bar basınç laminatı sıkıştırır; fazla reçine battaniyeye emilir, hava boşlukları giderilir. Sonuç: daha yüksek elyaf hacim oranı ve daha düşük ağırlık.
Şekilli bir kalıp yaptırmak yerine, sandviç panel düz bir çalışma tablası üzerinde kürlenmiş; haç (artı) siluetine ve kaldırılmış kenar profiline kürlenme sonrasında kesim ve yapıştırma ile ulaşılmıştır. Bu yaklaşım, kalıp maliyeti ve süresinden feragat ederek öğrenci takımı kaynaklarıyla uyumlu tutulmuştur.
Torbalama İstifi (Bagging Stack)
Sızdırmazlık bandı ile çevre mühürlendi · torbanın yırtılmaması için kulak atma (pleat) uygulandı
Kürlenme süresi: 1,5 gün vakum altında
Üretim Adımları
Çalışma Yüzeyi Hazırlığı
3,5 × 1,7 m düz ahşap tabla temizlendi ve üzerine ayırıcı film serildi. Şekilli bir kalıp değil, tamamen düz bir serme yüzeyidir; amaç yalnızca kürlenme sonrası panelin yapışmadan ayrılmasını sağlamaktı.
Alt Kabuk — 3 Kat
Tablaya ayırıcı film üzerine ilk karbon fiber katmanı yerleştirildi. Hassas terazide 100:25 oranında hazırlanan epoksi dökülerek el yatırma yöntemiyle her bölgeye homojen şekilde yedirildi. Aynı işlem 3 kat için tekrarlandı.
Çekirdek Yerleşimi
Airex tablosundan hesaplanan miktarda reçine ile doyurulan PVC köpük çekirdek, alt kabuğun üzerine düz olarak yerleştirildi. Köpük için ayrılan reçine miktarı 1,5 kg oldu.
Üst Kabuk — 3 Kat
Kalan 3 kat karbon fiber köpüğün üzerine aynı yöntemle yatırıldı ve reçinelendi. Böylece düz, dikdörtgen bir 22 mm'lik sandviç panel tamamlandı.
Yardımcı Katmanlar
Laminatın üzerine sırasıyla soyma kumaşı, kaçış torbası ve vakum battaniyesi serildi. Her katmanın ayrı bir görevi vardır: temiz ayrılma, reçine geçişi ve fazla reçinenin emilmesi.
Torbalama ve Vakum
Çevreye sızdırmazlık bandı yapıştırıldı, vakum torbası yerleştirildi ve yırtılmayı önlemek için köşelerde kulak atma işlemi uygulandı. Ardından kompresör yardımıyla torba içindeki hava çekildi.
Kürlenme ve Tabladan Ayırma
Yapı 1,5 gün boyunca vakum altında kürlenmeye bırakıldı. Süre sonunda torba söküldü ve düz, dikdörtgen sandviç panel tabladan ayrıldı. Bu aşamada panel henüz nihai şasi formunda değildi.
Şekillendirme (Kesim)
Kürlenmiş düz panel üzerine CAD çiziminden alınan haç (artı) silueti işaretlendi ve parça bu hat boyunca kesilerek üstten görünüm geometrisine getirildi.
Kenar Profili Yapıştırma ve Nihai Ağırlık
Ayrı üretilen kutu profil şeritler, CAD modelindeki kaldırılmış kenar yüksekliğini karşılayacak şekilde kesilmiş panelin çevresine yapısal epoksi yapıştırıcı ile monte edildi ve kürlenmeye bırakıldı. Montaj tamamlandıktan sonra tartılan nihai ağırlık: 12 kg.
Düz tabla üzerinde el yatırma ile katmanların reçinelenmesi.
Köpük çekirdeğin hesaplanan miktarda doyurulması.
Düz tablada vakum altında kürlenme (1,5 gün).
Kesilip kenar profilleri yapıştırılmış, montaja hazır şasi.
Sonuç
Şekillendirilip montajlanmış şasinin tartılan değerleri
|
12
kg
Nihai Ağırlık
|
22
mm
Sandviç Kesit
|
1,5
gün
Kürlenme
|
Proje akışı
Proje, konsept aşamasından tasarıma, simülasyondan revizyona ve kalıpsız, düz tabla üzerinde gerçekleştirilen fiziksel imalata kadar tüm adımların bizzat yürütüldüğü bütüncül bir çalışma oldu. Karbon fiber sandviç monokok gövde, yarışa hazır hale getirilerek araca entegre edildi.
Öğrendiklerim ve Çalışmanın Sınırları
1. Analiz, tasarımı değiştirdiği anda işe yarar. İlk iterasyondaki büyük deformasyon değeri bir başarısızlık değil, projenin en değerli çıktısıydı: geometriyi değiştirmemiz gerektiğini üretime geçmeden önce söyledi.
2. Yük yolunu bilmek, malzeme tasarrufudur. Tahrikin göbek motorda olması, arka uzantının bir motor yatağı değil yalnızca karoseri taşıyıcısı olduğu anlamına geliyordu. Bu farkındalık, o bölgede gereksiz takviyeden kaçınmayı sağladı.
3. Kompozitte hesap, üretimin içinde yapılır. Reçine miktarı bir tablo değerinden okunup terazide tartıldığında ağırlık kontrol altındadır; göz kararı yapıldığında değildir.
4. Üretilebilirlik, tasarımın bir kısıtıdır. Reçinenin 45 dakikalık kap ömrü, katman istif planını doğrudan belirledi. Kâğıt üzerinde doğru olan bir laminat, uygulanabilir değilse doğru değildir.
5. Kalıpsız üretim, geometriyi ikiye böler: düz kürleme + sonradan şekillendirme. Şekilli bir kalıba yatırım yapmak yerine, düz panel üretip kürledikten sonra kesme ve kenar profili yapıştırma ile nihai forma ulaşmak, öğrenci takımı bütçesiyle uyumlu; ancak bu, kenar bölgelerinde ek yapıştırma arayüzleri (bond line) yarattı.
⚠️ Çalışmanın Sınırları
Analiz, tasarım varyantlarını karşılaştırmak için seçilen üniform bir referans basıncı altında yapılmıştır; sertifikasyona esas bir mukavemet doğrulaması değildir. ANSYS ACP modeli, kenar bölgelerini kesintisiz (tek parça) bir kabuk olarak temsil eder; gerçek parçada bu bölgeler sonradan yapıştırılan kutu profillerle oluşturulduğundan, yapıştırma arayüzlerindeki gerilme yığılması ve bond hattı dayanımı analiz kapsamı dışında kalmıştır.
Üretilen panel üzerinde burulma rijitliği ölçümü veya numune bazlı mekanik test (üç nokta eğme, kayma testi, yapıştırma bağlantısı çekme testi) yapılmamıştır. Gerçek bir doğrulama için bir sonraki adım, üretim artıklarından kupon numuneler hazırlanarak hem laminat hem de kenar yapıştırma bağlantısı için ölçülen mekanik değerlerin analiz girdileriyle karşılaştırılmasıdır.
Bu proje kapsamında kullanılan yazılım, malzeme ve yöntemler:
İlgili Projeler
Tümünü Gör ->
TOKİ 500.000 Konut Kura Sonuçları Platformu
500 bin konut kura çekilişinin canlı yayınından doğan, OCR ve yapay zeka teknolojisiyle geliş...
Projeyi Gör arrow_right_alt
SkyTrace - Python Tabanlı Roket Yörünge Simülasyonu
Newton hareket yasaları ve aerodinamik sürüklenme prensipleriyle geliştirilen parametrik roket s...
Projeyi Gör arrow_right_alt
Gözcü İHA - YOLOv8 ile Gerçek Zamanlı Tank ve Zırhlı Araç Tespiti
Savunma sanayii için YOLOv8 tabanlı otonom tehdit tespit sistemi. Drone görüntülerinden tank ve...
Projeyi Gör arrow_right_alt