Karbon elyaf takviyeli kompozit borularda delik delme işleminin mekanik ve yorulma davranışları üzerindeki etkisinin araştırılması
Investigation on the effect of drilling process on mechanical and fatigue behaviour in carbon fiber reinforced composite pipes
Yazar: SEZER MORKAVUK
Danışman: PROF. DR. KUBİLAY ASLANTAŞ ; PROF. DR. UĞUR KÖKLÜ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Filaman sargı = Filament winding ; Karbon fiber takviyeli polimer = Carbon fiber reinforced polymer ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Yorulma = Fatigue ; İşlenebilirlik = Machinability

Özet:
Elyaf takviyeli polimer kompozitler yüksek dayanım ve sönümleme kabiliyeti, hafiflik ve yüksek korozyon direnci gibi mükemmel özellikleriyle havacılık, otomotiv, denizcilik ve taşımacılık gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompozitler kullanım amacına bağlı olarak çeşitli yöntemler ile farklı geometrilerde üretilebilmektedir. Özellikle çift eksenli elyaf oryantasyonuna sahip kompozit boruların üretiminde filaman sarım ve rulo (prepreg) sarım yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Farklı yöntemler ile üretilmiş kompozitlerin mekanik davranışları farklı olabileceği gibi işlenebilirlik karakteristiği de farklı olacaktır. Kompozitler çoğu zaman net şekle yakın geometride üretilseler de montaj işlemleri için kompozit üzerinde delik açma amacıyla konvansiyonel delik delme prosesi yaygın olarak kullanılmaktadır. Öte yandan kompozit boruların mekanik özelliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan halka çekme (disk ayırma) metodu için numune hazırlanırken, zayıflatılmış kesit oluşturmak amacıyla kompozit boru üzerine delik açılmaktadır. Anizotropik bir yapıya sahip olan kompozitler delindiklerinde ilk ve son tabakada delme kaynaklı delaminasyon oluşmakta ve ayrıca delik içi yüzeylerinde de mikro hasarlar meydana gelmektedir. İşlenebilirlik kaynaklı bu hasarlar sebebiyle özellikle havacılık endüstrisinde birçok parça reddedilmektedir. Bu çalışmada öncelikle +45°/-45° elyaf oryantasyonuna sahip rulo (prepreg) sarım yöntemiyle üretilmiş kompozit boru iç yüzeyinden (içbükey kavisli yüzey) ve dış yüzeyinden (dışbükey kavisli yüzey) delinerek farklı yüzey eğriliklerinin kompozitlerde delik delme prosesine etkileri incelenmiş ve düz yüzey (plaka) ile kıyaslanmıştır. Ardından +45°/-45° elyaf oryantasyonunda filaman sarım ve rulo sarım yöntemleri ile üretilmiş karbon elyaf takviyeli kompozit borularda delik delme karakteristiği incelenmiş ve aynı elyaf oryantasyonuna sahip kompozit plaka ile kıyaslanmıştır. Delme karakteristiği, farklı kesme parametreleri ile destek kullanılarak ve kullanılmadan araştırılmıştır. İşlenebilirlik, itme kuvvetleri, delik delme kaynaklı delaminasyon, delik içi yüzey hasarları ve delik içi yüzey kalitesi dikkate alınarak değerlendirilmiştir.   İşlenebilirlik testlerinden sonra, test edilen parametreler aralığında en fazla itme kuvveti ve hasarın oluştuğu durum, en az itme kuvveti ve hasarın oluştuğu durum ve destek kullanımı dikkate alınarak üç farklı koşulda delinmiş filaman ve rulo sarım kompozit boruların mekanik davranışı incelenmiştir. Çevresel (halka) çekme, çevresel çekme-çekme yorulma ve radyal basma testleri ile farklı koşullarda delinmiş kompozit boruların mekanik davranışları ve hasar gelişimleri analiz edilerek yorumlanmıştır. Test sonuçları kompozit borunun iç yüzeyinden delindiğinde, dış yüzeyden delmeye kıyasla daha az kuvvet ve hasar oluştuğunu ayrıca kompozit plakada aynı kesme koşullarında kompozit borulara kıyasla daha fazla kuvvet ve hasar oluştuğunu göstermiştir. Destek kullanımıyla kompozit plakada ve filaman sarım boruda delme kaynaklı delik çıkış delaminasyon hasarı önemli oranda azalmıştır. Filaman sarım kompozit borunun çevresel çekme yükü altındaki davranışı rulo sarım kompozit borudan daha iyiyken, rulo sarım kompozit boru çevresel çekme-çekme dinamik yükü ve radyal basma yükü altında filaman sarımdan daha iyi bir performans sergilemiştir. Filaman sarım kompozit boruda farklı delme koşullarının mekanik davranışları etkilediği gözlemlenirken, rulo sarım kompozit boruda üretim kaynaklı kusurların daha baskın olması nedeniyle, delme koşullarının mekanik davranış üzerinde kayda değer bir etkiye sahip olmadığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Fiber reinforced polymer composites are widely used in many fields such as aviation, automotive, maritime and transportation thanks to their excellent properties such as high strength and damping ability, lightness and high corrosion resistance. Composites can be produced in different geometries with various methods depending on the purpose of use. Especially in the production of composite pipes with biaxial fiber orientation, filament winding and roll (prepreg) wrapping methods are widely used. In addition to the mechanical behavior, machinability characteristics of composites produced by different methods will also be different. Although composites are often produced with a geometry close to a net shape, the conventional drilling process is widely used for making holes on the composite for assembly operations. On the other hand, while a sample is being prepared for the ring tensile (split-disk) test method, which is widely used in determining the mechanical properties of composite pipes, holes are drilled on the composite pipe in order to create a reduced section. When the composites, which have an anisotropic structure, are drilled, drilling-induced delamination occurs in the first and last layer, and micro-damages also occur on the borehole surfaces. Due to these machinability-related damages, many parts are rejected, especially in the aerospace industry. In this study, firstly, the drilling process in composites with different surface curvatures by drilling from the inner surface (concave curved surface) and outer surface (convex curved surface) of the composite pipe produced by the roll (prepreg) wrapping method with fiber orientation of +45°/-45° was examined and compared with flat surfaced (plate) composite. Then, the drilling characteristics of carbon fiber reinforced composite pipes with +45°/-45° fiber orientation produced by filament winding and roll wrapping methods were examined and compared with the composite plate is of the same fiber orientation. Drilling machinability characteristics were investigated with different cutting parameters and with or without using support. The machinability was evaluated by considering thrust forces, drilling-induced delamination, borehole surface damages and quality. After the machinability tests, the mechanical behavior of filament wound and roll wrapped composite pipes drilled in three different conditions, taking into account the maximum thrust force and damage, the least thrust force and damage, and the use of support in the range of the tested parameters were investigated. The mechanical behavior and damage development of the composite pipes drilled in different conditions were analyzed by hoop (ring) tensile, hoop tensile-tensile fatigue and radial compression tests. The test results showed that when drilled from the inner surface of the composite pipe, less force and damage occurred compared to drilling from the outer surface, and larger force and damage occurred in the composite plate compared to the composite pipes under the same cutting conditions. With the use of support, the hole exit delamination damage caused by drilling in the composite plate and filament wound pipe was significantly reduced. While the behavior of the filament wound composite pipe under hoop tensile load was better than the roll wrapped composite pipe, the roll wrapped composite pipe performed better than filament wound pipe under hoop tensile-tensile dynamic load and radial compression load. In filament wound composite pipe, it is observed that different drilling conditions affect the mechanical behaviors, whereas in roll wrapped composite pipe, it is determined that drilling conditions do not have a significant effect on the mechanical behavior due to the fact that manufacturing defects are more dominant.