Mini autoclave system for composite curing process
Kompozit malzeme kürleme süreci için mini otoklav sistemi
- Tez No: 467080
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
En az iki bileşenden oluşan kompozit malzemeler, imalat kalitesine oldukça bağımlıdır. Kompozitlerin iki fazlı olması nedeniyle, kupon test örneği seviyesinde bile onları imal etmek için özel yöntemler tercih edilmektedir. Çok yaygın olarak kullanılan bir yöntem yüksek sıcaklık ve basınç altında otoklavlar aracılığıyla kürlemedir; bu da boşlukların minimum olmasını ve kalitenin çok iyi elde edilmesine yardımcı olur. Günümüzde otoklav sistemleri, sıcaklık, basınç ve vakum süreçlerinin birlikte uygulanmasını gerektiren sistemlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Otoklavlar işlemlerin fiziksel boyutlarına göre istenilen boyutlarda üretilir ve genellikle sterilizasyon, vulkanizasyon ve kür esaslı üretimde kullanılırlar. Uygulama alanları, tıbbi alanda donanım sterilizasyonu ile havacılık sektöründe çok daha büyük yapıların üretilmesi arasında geniş bir yelpazede bulunmaktadır. Birçok farklı amaçla kullanılmak üzere üretilmiş olan otoklav sistemlerinin yanı sıra, sterilizasyon otoklavları için öncelikli olan sıcaklık kontrolüyken; ileri kompozit üretimi için tasarlanan otoklavlarda başlıca kontrol mekanizmaları sıcaklık, basınç ve vakum kontrolüdür. Otoklavların tasarım ve imalat parametreleri cihazın kullanım alanına bağlıdır, ancak genel olarak sıcaklık, basınç ve vakum miktarı en önemli hususlardır. Otomatik kontrol cihazları, önemli parametreleri zaman içinde ayarlayarak sistemin kullanıcı / süreç gereksinimleri için karmaşık bir kontrol sağlar. Oransal, integral ve türev (PID) kontrol algoritması, sıcaklık, basınç ve vakumun zamana bağlı ve kademeli olarak değiştirilmesi gereken otoklav sistemlerinde genellikle kullanılır. Bu algoritmayı kullanmak için önce sistemin matematiksel modelinin çıkarılması gerekir. Sistemin her bir bölümünün matematiksel modeli diferansiyel denklemler olarak türetildikten sonra sırasıyla Laplace uzayına dönüştürülür ve sistemin transfer fonksiyonu elde edilir. Bu aktarım işlevi, otoklav sisteminin PI kontrolörünü matematiksel olarak ve / veya simülasyon ortamında tasarlamak için kullanılır. Otoklav sistemi için tasarlanmış PI kontrol algoritması, bir elektronik kontrol cihazına yüklenerek sistemi kontrol eder. Gerekli algoritmanın denetleyicileri, programlanabilir mantıksal denetleyiciler (PLC), mikroişlemciler ve mikro denetleyiciler olabilir. Otoklavların gerektirdiği sıcaklık; elektrik ve / veya yanıcı gazlar tarafından sağlanır. Isıtıcı kaynağı, otoklavın boyutuna ve ulaşması gereken maksimum sıcaklığa göre seçilir. Sterilizasyon otoklavları genelde elektrikle ısıtılırken, vulkanize olan ve kompozit üreten otoklavlar elektrik ve / veya yanıcı gazlar tarafından ısıtılır. Yanıcı gazların kullanıldığı büyük otoklav sistemleri genelde yüksek sıcaklıkları, uzun süreler boyunca gerektirir. Bu sebeple ısıl kapasitesi yüksek gazlar, ebatça büyük otoklavlarda tercih edilir. Elektriğin ve yanıcı gazların aynı anda kullanıldığı otoklav sistemlerinde genelde elektrik ön ısıtıcı olarak kullanılmakta, yanıcı gazlar ise sıcaklıkta devamlılık sağlamaktadır. Sadece elektriğin kullanıldığı otoklavlar ise genellikle küçük ebatlarda üretilirler. Havacılık endüstrisinde kullanılan otoklav sistemlerinin amacı, özellikle hava taşıtlarının yapımında kullanılan büyük boyutlu parçaların çok kaliteli üretilme gereksinimidir. Bu parçalar, sıcaklığın, basıncın ve vakumun altında katman olarak hazırlanan kompozit kumaşların sertleştirilmesi ile üretilir. Termoset tabanlı kompozit malzemelerin, mekanik performanslarını arttırmak amacıyla elyaf /reçine oranını arttırmak veya malzeme içerisinde üretim anında oluşan hava boşluklarının tamamen giderilmesi gerekmektedir. Üretim sırasında kalan boşluklar, parçanın mukavemetini düşürmektedir. Standart kompozit üretim metodlarında, parça 1 atm lik hava basıncı altında üretilmektedir. Vakum torbasıyla kompozit üretimi anında parça düzenli, kontrol edilebilir ve 1 atm den yüksek bir basınç altına alınırsa, malzeme içerisindeki hava boşlukları minimuma indirilebilir. Otoklav sistemleri üretilen kompozit malzemenin fiziksel özelliklerini arttırmak için ihtiyacı duyulan dış basıncı uygulayabilen, sıcaklık ve vakum kontrolü bulunan cihazlardır. Dış basıncın miktarı, üretilecek olan kompozitin türüne göre değişmekte ve otoklav sistemide bu ihtiyaca göre tasarlanıp üretilmektedir. Havacılık sektöründe üretilmesi gereken parçaların boyutları büyük olduğundan, otoklav sistemleri de bu gereksinimler doğrultusunda tasarlanıp üretilebilmektedir. Bu tezde tasarlanan ve üretilen otoklav sistemi sıcaklık, basınç ve vakum ortamında kompozit malzemeleri iyileştirmeyi amaçlıyor. Üretilen otoklav, endüstride kullanılan otoklavların boyutundan çok daha küçüktür (30x30x5 cm). Bu küçük çalışma alanının başlıca nedeni, ASTM (American Society of Testing Materials) standartlarına göre mekanik test için kupon örnek boyutlarında havacılık endüstrisinde kullanılmak üzere araştırılmış ve geliştirilmiş olan kompozit malzemeler üretme kabiliyetidir. Araştırma ve geliştirme aşamasında farklı yapısal bileşenlere sahip kompozit malzemeler üretme kabiliyeti, prototip materyallerin mekanik karakterizasyonu için büyük önem taşır. Kompozit malzemelerin üretilmesi amacı, havacılık uygulamaları için önceki malzeme türüne göre daha esnek, daha hafif, daha yüksek mukavemetli ve daha esnek malzemeler sunmaktır. Bu tezde tasarlanacak ve uygulanacak olan otoklav, bahsedilen standartlarda belirtilen mekanik test için yüksek kaliteli kompozit numuneler elde etmeye hizmet edecektir. Bu tezde tasarlanan ve üretilen otoklav çalışma sıcaklığı maksimum 250oC, 7 bar basınç ve -1 bar vakum ortamlarına sahiptir ve sistem ilgili sıcaklık ve basınçta plastik deformasyona uğramamalıdır. Otoklav, odanın iç yüzeyinde yüksek sıcaklık ve basınçta üretilen kuvvetlere dayanmak zorundadır. İç yüzeye uygulanan bu kuvvetler sırasında otoklav sisteminin plastik bozulma yaşamadan esnemesi gerekmektedir. İç yüzeydeki kuvvetler ortadan kalktığında malzeme eski haline tam manasıyla geri dönebilmelidir. Otoklavın cidar kalınlığı tasarımı bu kritere bağlı olarak yapılmıştır. Sistem maksimum çalışma koşullarında çalışırken, otoklavın ürettiği malzemenin bükülme miktarı elastik deformasyon bölgesinde kalmalıdır. Bu nedenle, bu tezde üretilen otoklav için paslanmaz çelik metal tercih edilir. Otoklavın duvar kalınlığı Von Misses analizi ile optimize edilmiş ve cıvataların çapı, cihazı ana gövdeye bağlayan mahfazayı birleştirerek Von Misses analizi ile tekrar hesaplanmıştır. Cihazın ilgili üretim proseslerini gerçekleştirmesi için gerekli ısı miktarı hesaplanmış ve bu ısıyı sağlamak için plakalı ısıtıcı tercih edilmiştir. Otoklav tasarımı ve üretimi tamamlandıktan sonra, kompozit malzeme üretim testleri gerçekleştirilmiş ve cihaz kalibre edilmiştir. Bu özel otoklav, nano-mühendislik ve polimer nanokompozitlerin mekanik özellik araştırmalarına odaklanmış araştırma ve geliştirme projelerinin geliştirilmesi amacıyla İstanbul Teknik Üniversitesi Havacılık ve Uzay Araştırmaları Merkezi'nde (ITUARC) kullanılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Composite materials which are formed of at least two constituents are highly dependable to manufacturing quality. Since the composites are two-phased, custom methods are preferred to fabricate them even in coupon test specimen level. One very widely used method is the autoclave curing of them under high temperature and pressure which helps to achieve minimum voids and very good quality. Today, autoclave systems are frequently used in systems requiring the application of temperature, pressure and vacuum processes together. Autoclaves are produced in desired sizes according to the physical dimensions of the processes and they are generally used in sterilization, vulcanization and curing based production. The application areas are wide ranging from tool sterilization in the medical sector to production of much larger structures in the aerospace sector. As a system for different purpose uses, sterilization autoclaves considers the temperature control as a priority however for advanced composite manufacturing autoclaves, temperature, pressure and vacuum control are the major controlling mechanisms, respectively. The design and fabrication parameters of autoclaves depends on the field of use for the instrument but generally, temperature, pressure and the amount of vacuum are the most important aspects. Automatic control devices provide a complex control of the system for the requirements of user/process by adjusting important parameters within time. Proportional, integral and derivative (PID) control algorithm is generally used in autoclave systems where the temperature, pressure and vacuum must be changed stepwise depending on the time. In order to use this algorithm, the mathematical model of the system needs to be extracted first. After the mathematical model of each part of the system is derived as differential equations, it is converted to Laplace domain and the transfer function of the system is obtained, respectively. This transfer function is used to design the PI controller of the autoclave system mathematically and/or in a simulation environment. The PI control algorithm, designed for the autoclave system, controls the system by implementing an electronic controller. The controllers for the required algorithm might be programmable logic controllers (PLC), microprocessors and micro-controllers, as well. The temperature required by autoclaves is provided by electricity and/or flammable gases. The heater source is selected according to the size of the autoclave and the maximum temperature it must reach. While sterilization autoclaves are generally heated by electricity, the autoclaves which are vulcanizing and producing composite are heated by electricity and/or flammable gases. The purpose of the autoclave systems in aerospace industry is to meet the requirement of very high quality production of large-sized composite parts. These parts are produced by curing the composite fabrics prepared as layers, under temperature, pressure and vacuum, to give strength. In order to increase the mechanical performances of thermoset-based composite materials, it is necessary to increase the fiber/resin ratio or completely eliminate the air gaps formed in the material during production. The remaining voids during production reduce the strength of the part. In standard composite manufacturing methods, the part is produced under 1 atm of air pressure. During composite production by vacuum bagging, the air gaps in the material can be reduced to minimum if the part is under a high air pressure which is regular, controllable and more than 1 atm. Autoclave systems are devices with temperature and vacuum control that can be applied to the external pressures needed to increase the physical properties of the composite material produced. The amount of external pressure varies according to the type of composite to be produced and is designed and manufactured according to this requirement in the autoclave system. Since the parts that need to be produced in the aviation sector are large in size, autoclave systems can be also designed and manufactured within these requirements. The purpose of the autoclave systems used in the aerospace industry is the requirement of very high quality production of large-sized parts, especially those used in the construction of air vehicles. These parts are produced by curing the composite fabrics prepared as layers, under temperature, pressure and vacuum, to give strength. In order to increase the mechanical performances of thermoset-based composite materials, it is necessary to increase the fiber/resin ratio or completely eliminate the air gaps formed in the material during production. The remaining voids during production reduce the strength of the part. In standard composite manufacturing methods, the part is produced under 1 atm of air pressure. At the moment of composite production by vacuum bagging, the air gaps in the material can be reduced to minimum if the part is under a high air pressure which is regular, controllable and more than 1 atm. Autoclave systems are devices with temperature and vacuum control that can be applied to the external pressures needed to increase the physical properties of the composite material produced. The amount of external pressure varies according to the type of composite to be produced and is designed and manufactured according to this requirement in the autoclave system. Since the parts that need to be produced in the aviation sector are large in size, autoclave systems can be also designed and manufactured within these requirements. In this thesis, the designed and produced autoclave system aims to cure composite materials in the temperature, pressure and vacuum environment. The autoclave produced is much smaller (30x30x5 cm) than the size of the autoclaves used in the industry. The main reason for this small work area is the ability to produce composite materials that have been researched and developed for use in the aerospace industry in coupon specimen dimensions for the mechanical testing defined through American Society of Testing Materials (ASTM) standards. The ability to produce composite materials with different structural components in the research and development phase is of great importance for the mechanical characterization of prototype materials. The purpose of producing composites is to have more flexible, lighter, higher strength, and more flexible materials than the previous material type for aerospace applications. The autoclave to be designed and implemented in this thesis will serve to achieve high quality composite specimens for mechanical testing indicated within the standards mentioned. The autoclave designed and produced in this thesis has a working temperature of maximum 250oC, 7 bar pressure and -1 bar vacuum environments and the system should not undergo plastic deformation at the relevant temperature and pressure. The autoclave has to withstand the forces generated at the inner surface of the chamber at a high temperature and pressure. During these forces applied to the inner surface, the autoclave system must deformed in elastic region. When the forces in the inner surface are removed, the material can be fully restored to its original shape. The wall thickness analysis of autoclaves was made on the basis of this criterion. While the system is operating at maximum operating conditions, the amount of flexure of the material from which the autoclave produced must remain in the elastic deformation zone. For this reason, stainless steel metal is preferred for the autoclave produced in this thesis. The wall thickness of the autoclave is optimized by Von Misses analysis and the diameter of the bolts, which connecting the housing that cover the device to the main body, are again calculated by Von Misses analysis. The amount of heat required for the device to perform the relevant production processes is calculated and the plate heater is preferred to provide this heat. After the autoclave design and production were completed, composite material production tests were carried out and the instrument was calibrated. This special autoclave is used at Istanbul Technical University, Aerospace Research Center (ITUARC), under the development of several research and development project that focuses on the mechanical property investigation of nano-engineered and polymer nanocomposites.
Benzer Tezler
- Boynuzdan hazırlanmış plakaların kırık sağaltımında kullanımı üzerine deneysel ve klinik çalışmalar
The experimental and clinical studies on the using of plate made of horn at fracture healing
HATİCE OLCAY
Doktora
Türkçe
1998
Veteriner HekimliğiUludağ ÜniversitesiCerrahi (Veterinerlik) Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL YANIK
- Mini quadkopter'lerde kullanılabilecek bir ultrasonik algılayıcı test düzeneği çalışması
Study of an ultrasonic sensor test assembly that can be used in mini quadcopters
BURAK ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Havacılık MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN DINDIŞ
- Mini vida ve diş destekli hibrit genişletme vidasının, maksiller darlık endikasyonu olan hastalarda kullanımı sonucunda oluşan dental ve iskeletsel etkilerinin incelenmesi
Investigation of dental and skeletal effects of a mini screw and tooth borne hybrid expander in patients with indication of maxillary transversal deficiency
FERDİ KOLİP
Doktora
Türkçe
2022
Diş Hekimliğiİstanbul Okan ÜniversitesiOrtodonti Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU ARI DEMİRKAYA
- Mini insansız hava araçlarının havada kalma süresini artırmak amacıyla çoklu hibrit güç paketi geliştirilmesi
Development of multiple hybrid power package to increase the endurance of mini unmanned aerial vehicles
SİNAN KEİYİNCİ
Doktora
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriÇukurova ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR AYDIN
- Tohumluk patates (Solanum tuberosum L.) üretiminde yumru iriliklerine göre uygun dikim sıklıklarının belirlenmesi
Determination of the appropriate planting density on potato (Solanum tuberosum L.) seed production according to the tuber size
NİLÜFER KOÇAK