Polimer matrisli kompozitlerin lazer ile işlenmesi
Laser machining of polymer matrix composites
Yazar: ORKAN BARAN KORKUSUZ
Danışman: PROF. DR. TAMER SINMAZÇELİK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Havacılık ve uzay endüstrileri başta olmak üzere polimer matrisli kompozitlerin konvansiyonel işleme yöntemleriyle işlenmesinde çeşitli sakıncalar ve limitler söz konusudur. Özellikle işlenme esnasında fiber matris ara yüzey deformasyonları, fiberlerin kırılması, tabakalı kompozitlerde delaminasyonların oluşması gibi malzemelerin statik ve dinamik özelliklerini olumsuz etkileyecek kusurlar ortaya çıkabilmektedir. Bir diğer yandan malzemelerin mikro ölçekli işlenmesinde ve fonksiyonel yüzeyler oluşturulmasında bilinen yöntemler yetersiz kaldıklarından dolayı tercih edilmemektedir. Lazer ile malzemelerin işlenmesi bu kapsamda ön plana çıkan popüler yöntemlerden biridir. Odaklanmış bir ışın olan lazer ileri uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Lazerin yarattığı yüksek enerji yoğunluğu katı haldeki malzemenin çok hızlı bir şekilde buhar fazına geçmesiyle mekanik hasarlar olmaksızın malzemelerin işlenmesine olanak sağlamaktadır. Bununla birlikte termal etkileşim sonucunda oluşan ısıdan etkilenen bölgenin mümkün olan minimum seviyeye sınırlandırılması gerekmektedir. Uygun lazer seçilmesi ve uygun lazer parametreleriyle çalışılması halinde mikronlar mertebesinde, tekrarlanabilir, yüksek kalitede fonksiyonel yüzeyler oluşturmak mümkündür.
Tez çalışması kapsamında iki farklı fiber tipiyle desteklenmiş polimer matrisli kompozit malzemelerin yüzeyinde lazer ablasyonu ile yüzey dokusu oluşturuldu. Deneysel çalışmalar 5 farklı enerji yoğunluğunda, 5 farklı atım süresinde ve 3 farklı odak alanı mesafesinde, 1064 nm dalga boyuna sahip, Nd:YAG tipi darbeli lazer kullanılarak gerçekleştirildi. Oluşan çukurların yüzey yapısı stereo mikroskop ve optik profilometre aracılığıyla gözlemlendi. Elde edilen sonuçların nihayetinde lazer mekanizmasının çalışma prensibi hakkında çıkarımlar yapılıp, kaliteli yüzeylerin eldesi amacıyla parametre optimizasyonu hedeflenmiştir. Isıdan etkilenen bölge lazer malzeme etkileşim süresi ile ilişkili olduğundan dolayı daha kısa atım sürelerinde çalışılması ısıdan etkilenen bölgeyi sınırlandırmıştır.

Abstract:
There are various drawbacks and limitations in machining of polymer matrix composites with conventional methods, particularly in the aviation and space industries. Especially during machining, defects such as delaminations, breakage of fibers, fiber matrix interface deformations may occur. These defects adversely affect the static and dynamic properties of materials. On the other hand, known methods are not preferred in micro-scale machining of materials and creating functional surfaces due to their inadequacy. Laser machining is one of the popular methods that stand out in this context. Being a focused beam, laser is commonly used in advanced applications. The high energy density created by the laser enables the solid state material to rapidly transition to the vapor phase, allowing the materials to be machined without mechanical damages. However, the heat affected zone generated as result of thermal interaction should be limited to the minimum possible level. It is possible to create reproducible and high quality functional surfaces on the order of microns if working with appropriate laser parameters.
Within the scope of the thesis study, the surface texture was created by laser ablation on the surface of polymer matrix composites materials reinforced with two different fiber types. Experimental studies were carried out using a Nd:YAG pulsed laser with a wavelength of 1064 nm, at 5 different energy densities, 5 different pulse durations and 3 different focal area distances. The surface structure of the formed cavity was observed with a stereo microscope and optical profilometer. Finally, inferences were made about principle of the laser mechanism and parameter optimization was aimed in order to obtain quality surfaces. Since the heat affected zone is related to the laser material interaction time, working with shorter pulse times limited the HAZ.