Geri Dön

Material properties of thermoplastic matrix carbon fiber reinforced high performance composites using automated fiber placement

Termoplastik bazlı karbon fiber ile güçlendirilmiş ve otomatik fiber yerleştirme ile serilmiş kompozit malzemelerin malzeme özelliklerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 883322
  2. Yazar: HATİCE AKÇAKAYA
  3. Danışmanlar: DOÇ. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Teknolojik gelişmeler ile birlikte malzemeden beklenen performans isterlerinin de değişmesi ve geliştirilmesi bir ihtiyaç olmuştur. Malzeme bilimi insanlık tarihinde her zaman yeri olan en eski bilim dallarından biridir, tarihsel dönemlerin izahı ve tanımlanması ilgili dönemde ağırlıklı olarak kullanılan malzemeden ilham almıştır. Yıllar içinde malzeme bilimi gelişerek değişmiştir, bugünlerde, bilim insanları malzemeleri son üründe istenen performans özelliklerine göre tasarlayıp üretebilmektedirler. Malzeme mühendisleri bu noktada, istenilen özelliklere sahip son ürünün imal edilebilmesi için karşılaşılan sorunlara çözüm aramaktadırlar. Mühendislik alanları arasında havacılık, yüksek performans isteri bakımından önde gelen alanlardan biridir, bu isterler, dayanım, hafiflik, esneklik ve mukavemet olarak özetlenebilir. Yüksek mühendislik isterlerine cevap verebilmek için, kompozit malzemeler üzerine yapılan çalışmalar son yıllar içerisinde kayda değer biçimde artmıştır. Kompozit malzemeler, birbirinden farklı bireysel özelliklere sahip, bir ya da daha fazla malzemenin arayüz oluşturmasıyla oluşur. Kompozit malzemeler her bir katılımcı malzemeden daha gelişmiş ve farklı özelliklere sahiptir. Kompozit malzemeler matris ve güçlendirici fazlarına dayandırılarak sınıflandırılabilir. Matris fazı, güçlendirici fazı bir arada tutar ve dışarıdan gelecek darbe ve etkilere karşı korur. Matris fazı polimer, metal ya da seramik olabilir, güçlendirici faz ise fiber, yapısal ya da parçacık şeklinde olabilir. Karbon fiber destekli polimer malzemeler kritik parçaların mühendislik uygulamalarında en çok tercih edilen tasarım malzemelerinden biridir. Bu gibi uygulamalarda matris malzemesi için termoplastik ya da termoset malzemeler kullanılabilir. Termoplastik malzemeler yeniden kullanılabilirlik, kolay tamir, hafiflik, dayanıklılık ve saklama koşulları bakımından termoset malzemelere oranlara bazı avantajlar sunmaktadır. Bununla birlikte termoplastik malzemelerin proses sıcaklıkları termoset malzemelere göre göre daha yüksek olduğundan proses parametrelerinin bu yönde belirlenmesi gerekmektedir. Termoset polimer matris kompozit malzemeler kimyasal yapıları gereği kürleşme reaksiyonu geçirirler. Kürleşme otoklav adı verilen basınç ve sıcaklığı kontrol edilebilen endüstriyel makinelerin içerisinde gerçekleşir. Kompozit malzemenin otoklav içerisinde kürleşmesi saatler süren bir işlemdir ve öncesinde ince işçilikli hazırlıklar gereklidir. Bu hazırlarlar kısaca şu şekilde özetlenebilir; termoset bazlı kompozit malzemeler odsa koşullarında muhafaza edilemediğinden dondurucularda saklanır. Malzemenin kullanılabilir hale gelebilmesi için öncelikle dondurucudan çıkarılarak oda koşullarında bekletilir. Oda koşullarına gelen malzeme, otoklava girmeye uygun tepsi/takımlar üzerine serilir, vakum torba içerisine yerleştirilir, kaçak olmaması için mühürlenir. Otoklavda herhangi bir sebepten dolayı vakumda kaçak yalanması durumunda parçalar kullanılamaz hale gelebilir. Termoplastik malzemeleri kimyasal yapıları gereği kürlenme reaksiyonuna ihtiyaç duymazlar. Termoplastik malzemelerin karmaşık yapıda iç içe geçmiş polimer zincirlerinden oluşur. Bu zincirler lineer yapılıdır ve uygun sıcaklık ve basınç altında birbirleri üzerinde hareket ederler. Sonuç olarak termoplastik malzemeler kimyasal değil fiziksel bir deformasyona uğradıklarından termoset malzemelerde olduğu kadar otoklavda kürlenmesine gerek olmaz. Termoplastik malzemeler konsolidasyona uğrar. Konsolidasyon polimer zincirlerinin ilk teması ile arayüz oluşması ve akabinde zincirlerin kaynaşması olarak tanımlanabilir. Kompozit malzemeler geleneksel yöntemler ile prepreglerin elle serilip otoklavda kürlenmesi ile imal edilir. Teknolojik gelişmeler ile geleneksek yöntemler olabildiğince yerini otomasyona dayalı, hatayı minimize eden ve çevre dostu yöntemlere bırakmaya başlamıştır. Termoplastik malzemeler geri dönüştürülebilir oluşları, kolay tamir edilebilirliği ve kısa süren konsolidasyon ihtiyaçları bakımından termosetlere kıyasla daha verimli bir alternatif olma durumundadır. Bununla birlikte malzemelerin elde serim yerine, otomatik robotlar yardımı ile serilmesi hata oranını minimize etmekte ve verimi arttırmaktadır. Fiber fazı reçine ile ıslatılır, arayüz oluşturulur, sonrasında bu plakalar katmanlar halinde üst üste serilir. Kompozit malzemeler geleneksel yöntem ile elle serilir, otomatik fiber yerleştirme metodu uzun ve zahmetli olan bu yöntemin yerini almak üzere geliştirilmiştir. Otomatik fiber yerleştirme bir eklemeli imalat metodudur, bu yöntem sayesinde yüksek kalitede ve neredeyse kusursuz ürünler imal edilebilmektedir. Robota beslenen slit şeklindeki prepreg malzemeler katman katman uygun takım üzerine serilir. Robotun komutları bilgisayar destekli tasarım yazılımları aracılığı ile yazılır. Robot çalıştırılmadan önce malzeme beslemesi yapılmadan serim simülasyonu yapılabilir. Robotun malzemeyi takıma seren ucunda metal, silikondan gibi malzemelerden oluşabilen bir silindir bulunur. Malzemenin konsolide olması için gerekli basınç bu silindir sayesinde uygulanır. Sıcaklık içinse farklı enerji çeşitleri kullanılabilir. Bunlardan en yaygın ve etkili olan enerji kaynağı verimliği yüksek olması bakımından lazer destekli olanlarıdır. Otomatik fiber yerleştirme verimli olmasının yanı sıra hata oranını düşürmesi bakımından da tercih edilme sebebidir. Otomatik fiber yerleştirme neredeyse kusursuz parça üretilme potansiyeline sahiptir. Bununla beraber, her imalat yönteminde olduğu gibi parçada istenmeyen hatalar ile karşılaşılabilir, bunlardan bazıları boşluklu yapılar, slitlerin katlanması, kat kaybı, ya da yüzeydeki dalgalanmalar olarak sıralanabilir. Hataların yakalanması için de yine otomasyon ile çeşitli yöntemler geliştirilmektedir. Bu çalışmada, tek yönlü karbon fiber takviyeli termoplastik matris kompozit malzemeler toplamda 11 katman olacak şekilde lazer destekli otomatik fiber yerleştirme robotunda tipik bir tasarımı adreslemek adına [[0°/90°]20°]/90°]s yönünde serilmiştir. Çalışma kapsamında 8 adet panel üretilerek; farklı polimer matris malzeme kullanımının, robotun serim hızı değişikliğinin ve serime ilave olarak otoklavda ileri konsolidasyonun malzemenin son özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Paneller 100 mm/sn ve 400 mm/sn ortalama hız ile serilmiştir. Serim hızı değişikliği ile, termo-mekanik özellikler ve kristallenme yüzdesini olumsuz etkilemeden ideal üretim hızına dair fikir vermesi amaçlanmıştır. Termoplastik malzemelerin konsolidasyonu sıcaklık, basınç gibi belli faktörlerin bir araya gelmesi ile oluşur. Konsolidasyon polimerin katılaşarak son formunu alması sürecine verilen addır. Bu çalışmada, üretilen panellerin yarısı otomatik fiber serme robotunda serildikten sonra otoklavda konsolide edilmiştir, diğerleri serim sırasında yerinde konsolide olmak üzere ilave prosese tabi tutulmamıştır. Proses parametreleri ve matris malzeme değişikliği ile ilave konsolidasyona gerek olmadan yerinde konsolidasyona hangi şartlar altında yaklaşıldığı ortaya konmaya çalışılmıştır. Otomatik fiber yerleştirme robotu parametreleri, matris malzeme ve proses değişikliklerinin son ürüne etkilerinin incelenmesi için diferansiyel taramalı kalorimetre, mikroskop, piknometre ve dinamik mekanik analiz testleri icra edilmiştir. Sonuçlar, kristallenme miktarı, paneller içerisindeki boşluk araştırması ve mekanik performans yönünden incelenmiştir. Sonuç olarak, serim hızının ve matris malzemenin erime sıcaklığının malzemenin kristallenme yüzdesinde ciddi bir etkiye sahip olmadığını anlaşılmıştır. Bununla beraber, otoklav konsolidasyonunun son ürünün termo-mekanik ve fiziksel özellikleri üzerinde ciddi bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. Otoklavda konsolide olan paneller 25000 MPa modül değerine sahipken bu değer otoklavda konsolide olmayan panellerde 15000 MPa civarında kalmıştır. Sonuçlar aynı zamanda malzeme içeriğindeki boşluk miktarı ve yoğunluk ölçümleri ile kıyaslanmıştır. Malzeme içeriğinde bulunan boşluk miktarı ile termo mekanik özelikleri doğrudan ilişkilidir, termo-mekanik özellikleri yüksek olan panellerin, boşluk oranının düşük olduğu gözlemlenmiştir. Bu noktada, otoklav konsolidasyonunun malzemenin kristallenme yüzdesini ciddi miktarda arttırdığı ve otoklavda uygulanan basınç ile birlikte malzeme içeriğindeki boşluk miktarını azalttığı görülmüştür. Kristallenme derecesi yüksek ve boşluk miktarı düşük olan paneller termo-mekanik testlerde daha başarılı sonuçlar vermiştir.

Özet (Çeviri)

Technological developments lead a way through change on material performance requirements. Material science has been one of the oldest areas of interest of humankind since ancient history, even historical milestones has been identified according to the materials used during the time interval. Throughout the years, material science has been evolved and improved such that, nowadays people are able to tailor the material to get desired property of final product. Material engineers deals with finding solutions to make desired final property products [28,31]. Aerospace is one of the engineering fields that requires strong, lightweight, resistant and flexible materials. This is a must since all aircrafts must be lightweight relatively to the other transportation machines. To answer high performance requirements studies on composite materials have significantly increased during the last decades. Composite materials consist of two or more distinguished material having individual properties, to be able to create a composite material an interface between individual components must take place. Composite materials should have improved final properties than the individual components. Composite materials can be divided into sub classes according to the reinforcement and the matrix phase. Matrix phase holds the reinforcement together and protects the reinforcements from external damages, which can be physical, mechanical or environmental conditions. Matrix materials can be polymer, metal, ceramic, reinforcement on the other hand, can be fibers, structures or particles. One of the most commonly used materials for the engineering applications is carbon fiber reinforced polymer matrix composites on critical parts of design for. For the matrix phase, thermoplastic or thermoset matrix are suitable options for such applications. Thermoplastic matrix has several advantages over thermoset matrix for being recyclable, lighter, durable and easier to storage with respect to thermoset matrix. In this study, unidirectional carbon fiber reinforced thermoplastic matrix composite panels consisting of 11 plies are laid down with automated fiber placement (AFP) robot with [[0°/90°]20°]/90°]s orientation to address a typical design approach. AFP is an additive manufacturing method of producing high quality, near absent flaw final product. It requires less time to manufacture parts with AFP than conventional methods. Impregnation means to wet fibers with matrix, prepreg is shortened name for pre-impregnated. To be able to manufacture a composite part, prepregs are laid down on to each other. Conventional way of manufacturing a composite material is hand lay-up of prepregs. If the reinforcement phase is a continuous fiber, then the stacking of prepregs can be named after orientation of fiber. There are two different options of matrix used for this study, one having relatively higher melting temperature than the other. Different matrix material is used to address, whether melting temperature change causes any difference in thermo-mechanical properties or not. In this study 8 panels are manufactured, they are laid down with different lay-up speeds with average of 100 mm/sec and 400 mm/sec. Change of lay-up speed gives an idea of how fast the production rate can be, in order not to lose thermo-mechanical strength and crystallinity of the material. For the thermoplastic materials, consolidation takes place under certain circumstances. Consolidation is a process of solidification of the polymer. In this study, half of the identical panels are post consolidated in the autoclave. By doing so, the effect of the post consolidation is investigated by post consolidating one of two set of the identical panels in autoclave, others left as in situ. The objective is to investigate the trend of approaching post consolidated performance level without any further need of post consolidation by changing the process parameters. In order to be able to evaluate the outcomes of parameter, material and process change, differential scanning calorimetry (DSC), microscope, gas pycnometer and dynamic mechanical analysis (DMA) tests are conducted. Various results are investigated with respect to crystallinity, defect formation, void content, and mechanical performance of the panels. Results has shown that there is no significant effect of lay-up speed and melting temperature of the matrix on crystallinity, whereas post consolidation has a strong influence on both degree of crystallinity and thermo-mechanical properties. Post consolidated panels have 25000 MPa of storage modulus while in situ panels have 15000 MPa. The results are also elaborated with the void content which is relatively decreases with the post consolidation treatment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    723063

    Development of new generation, high performance polypropylene composites

    Yeni nesil, yüksek performanslı polipropilen kompozitlerin geliştirilmesi

    ORKUN KAYMAKÇI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURSELİ UYANIK

  2. Tez No

    820194

    Batarya taşıyıcı yan duvarının alüminyum ve kompozitten oluşan hibrit malzeme ile üretimi çarpışma performansı açısından optimizasyonu

    Optimization of the battery carrier side wall in terms of crash performance with the production of hybrid material consisting of alumi̇num and composite

    AHMET ABDULLAH KARACA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN LEKESİZ

  3. Tez No

    77305

    Nonlinear stress analysis of composite laminated

    Tabakalı kompozit plaklarda doğrusal olmayan gerilme analizi

    AHMET YAPICI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Makine MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ONUR SAYMAN

  4. Tez No

    882491

    İleri termoplastik matrisli kompozitlerin ısı ile şekillendirilebilirliğinin araştırılması

    Investigation of thermoforming of advanced thermoplastic matrix composites

    İBRAHİM MURAT ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER

  5. Tez No

    638084

    The production of chopped glass fiber reinforced PPS composite via extrusion and injection moulding and characterization studies

    Kırpık cam elyaf takviyeli PPS matrisli kompozitin extrüzyon ve enjeksiyon ile üretimi ve karakterizasyon çalışmaları

    FEYZA ZENGİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ARİF NİHAT GÜLLÜOĞLU

    DR. MEHMET MASUM TÜNÇAY

Geri Dön