Kızılötesi ısıtma ile kürlenen karbon fiber katkılı kompozit malzemede taguchi yöntemi kullanılarak optimum kür çevriminin belirlenmesi
Determination of the optimum cure cycle of carbon fiber reinforced composite materials using taguchi method
Yazar: YAKUP OKAN ALPAY
Danışman: PROF. DR. İLYAS UYGUR ; PROF. DR. MEHMET FIRAT
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit malzemeler endüstride yüksek mekanik özellikler ve düşük ağırlık gerektiren birçok ileri uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Önceden reçine emdirilmiş karbon elyaflardan oluşan prepreg denilen kompozit malzemeler yaygın olarak havacılık ve uzay sanayi gibi en ileri uygulamalarda bir sıcaklık ve basınç fırını olan otoklav yöntemi üretilmektedirler. Fakat otoklavın hem ilk yatırım maliyetleri hem de işletme giderleri yüksek olduğu için birim ürün maliyetleri çok yüksek çıkmaktadır. Bu yüzden otoklav dışı ileri üretim yöntemi araştırmaları polimer matrisli kompozit malzemeler alanına önde gelen çalışma konularından biridir. Bu çalışmada, otoklav dışı alternatif üretim yöntemlerinden biri olan kızılötesi ile üretim yönteminde optimum kür çevriminin belirlenmesi amaçlanmıştır. Kızılötesinin elektromanyetik dalgalarla hacimsel ısıtma yapması, hızlı ısıtma yapabilmesi, homojen ve otoklava göre daha kontrollü bir ısıtma yapabilmesi gibi potansiyel avantajları vardır. Çalışmada, bu avantajların, daha hızlı bir kürlenme sağlayarak işlem süresini kısaltıp kısaltamayacağı belirlenmiş, çekme mukavemetini maksimum yapacak optimum ısıtma hızı, maksimum sıcaklık ve maksimum sıcaklıkta kalma süresi (plato süresi) Taguchi metodu kullanılarak belirlenmiştir. Sonuçlar malzemenin teknik verileri ile ve optimum kızılötesi için belirlenen optimum kür çevrimi ile otoklavda üretilen numune ile karşılaştırılmıştır. Optimum kür çevrimine göre yapılan testler sonucu çekme mukavemeti değeri, doğrulama testleri öncesi yapılan kızılötesi kür çevrimi sonuçlarının en yüksek olanından %6,2 daha yüksek çıkarken, malzemenin teknik malzeme raporunda otoklavda üretim için verilen çekme mukavemeti değerinden %18,8 daha yüksek çıkmıştır. Bunun yanında, otoklav için önerilen kür çevrimi toplam 130 dk iken, kızılötesi için önerilen optimum kür çevrimi 85 dk'dır. Dolayısıyla kür çevrimi süresi 45 dk kısaltılarak %35 oranında zamandan tasarruf edilmiştir.

Abstract:
Composite materials are widely used in industry in many advanced applications that require high mechanical properties and low weight. Composite materials consisting of carbon fibers previously impregnated with resin are called prepreg. These materials are widely produced in the most advanced applications such as the aerospace industry employing the autoclave method, which is a high temperature and pressure furnace. However, since both autoclave's initial investment costs and operating expenses are high, unit product costs are very high. Therefore, out-of-autoclave manufacturing method research is hot topic in the field of polymer matrix composite materials. In this study, it was aimed to determine the optimum cure cycle in infrared curing method, which is one of the alternative out-of-autoclave manufacturing methods. Infrared has potential advantages such as volumetric heating with electromagnetic waves, rapid heating, more controlled and homogeneous heating compared to autoclave. In the study, it has been determined whether these advantages can shorten the processing time by providing a faster cure. In addition, optimum heating speed, maximum temperature and maximum temperature residence time (plateau time) that will maximize the tensile strength have been determined by using the Taguchi method. The results were compared with the technical data of the material and the sample produced in the autoclave with the optimum curing cycle determined for infrared. The tensile strength value was 6.2% higher than the highest results of the infrared cure cycle before the verification tests, while the tensile strength value was 18.8% higher for the autoclave production in the technical datasheet of the material. In addition, while the recommended curer cycle for the autoclave is 130 minutes in total, the recommended optimum cure cycle for infrared is 85 minutes. Therefore, the cycle time was shortened by 45 minutes and 35% of time was saved.