Yüksek performanslı hibrit kompozitlerde delik delme işleminin deneysel ve analitik olarak incelenmesi
Experimental and analytical investigation of drilling in high performance hybrid composites
Yazar: METE KAYIHAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT KARAGÜZEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Karbon elyaf takviyeli kompozitler (CFRP) ve bu malzemelere metal alaşımlı malzemelerin eklenmesiyle imal edilen hibrit kompozitler sahip oldukları üstün mekanik/fiziksel özellikler, mükemmel özgül dayanım ve korozyona karşı gösterdikleri yüksek dirençleri ile başta günümüz modern havacılık endüstrisinin yanı sıra motor sporları, spor ekipmanları, tıp gereçleri, yat ve yarış tekneleri imalatı gibi çok çeşitli sektörlerde tercih edilen malzemelerdir.  Bu tür uygulamalarda CFRP yalnız başına tercih edilebildiği gibi titanyum ve/veya alüminyum alaşımları ile birlikte de kullanılabilmekte bunun sonucunda "hibrit kompozitler" adını almaktadır. Böylelikle her biri malzemenin zayıf mekanik özellikleri ve diğer zaafları, bir diğer malzeme kategorisinin üstün özellikleriyle telafi edilip ortadan kaldırılmaktadır. Örneğin titanyum alaşımları yüksek özgül dayanım ve kırılma tokluğu ile izotropik davranışa sahipken CFRP ise yüksek özgül rijitlik, korozyon dayanımı ve mükemmel yorulma dayanımına sahiptir. Bu malzemeler bir arada kullanıldıklarında ise örneğin metallerin korozyon sorunları ile kompozitlerin darbe dayanımı sorunları aynı anda çözüleceğinden bugün sadece havacılık sektörü için ekonomik olan hibrit kompozit uygulamaları yakın gelecekte tezgâh ve iş makinaları ile diğer pek çok sanayi uygulamasında yer bulabilecektir. 
Bu tür malzemelerin havacılık endüstrisinde kullanımları sırasında en çok başvurulan talaşlı imalat yöntemi ise delik delme işlemidir. Yukarıda bahsedildiği üzere hibrit kompozitler ortaya koydukları üstün mekanik özellikleri ile bu malzemelerin ayrı ayrı kullanılmasından daha avantajlı bir durum ortaya koyarlar. Ancak, bu malzemeler arasında özellikle dikkatle takip edilmesi gereken CFRP'dir. Zira yapılan delik delme işlemi kompozit malzeme üzerinde çeşitli olumsuz etkiler (mekanik, fiziksel, kimyasal ve metalurjik) yaratarak hem bu malzemenin ömrünü hem de tüm yapıdan beklenen toplam ömrü azalmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada hibrit malzemeler, delik delme işleminde uygulanması gereken istif sırası, delme hızı ve ilerleme değeri gibi faktörler üzerinden test edilmiş ve çeşitli sonuçlar üzerinden analizler yapılmıştır. Testler üç faktörlü ve üç seviyeli L9 Taguchi ortogonal deney tasarımıyla uygulanmıştır. Bu deney tasarımının yardımıyla gerek testler için lazım olan uzun süreden gerekse de malzemelerin getirdiği yoğun maliyetten kaçınılmıştır.
Testler üç farklı kesme hızı ve üç farklı ilerleme değeriyle üç farklı istif sırasında gerçekleştirilmiştir. Bu değerler literatürdeki uzun araştırmaların sonucunda belirlenmiştir. Her test beklenmedik sonuçların olması ihtimali nedeniyle birer kez daha tekrar edilerek güvence altına alınmıştır. Sonuçlar ise tek yönlü varyans analiziyle tamamlanmış ve en uygun istif sırası ve delme parametreleri belirlenmiştir.
Testlerde öncelikle dinamometre yardımı ile kuvvet ve tork ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Burada tüm testlerde elde edilen kuvvet ve tork sonuçları sonucunda varyans analiziyle malzemeler için ayrı ayrı en uygun istif sırası ve delme parametreleri belirlenmiştir. Kuvvet ve tork sonuçlarını verecek regresyon formülü oluşturulmuştur. 
Kuvvet ve tork sonuçlarının akabinde delik delme işleminde yüzey ve delik kalitesi olarak en çok etkilenen malzeme olan CFRP optik mikroskopla incelenmiştir. Bu inceleme esnasında delik çapı ölçülmüş ve görüntüler alınmıştır. Bu ölçülerin alınmasının ardından CFRP malzemede delik içi yüzey pürüzlülüğü de ölçülmüştür. Delik çaplarının, oluşması beklenen delik çaplarına oranıyla belirlenen delaminasyon faktörleri hem giriş hem de çıkış bölgeleri için hesaplanmıştır. Elde edilen delik içi yüzey pürüzlülüğü, giriş ve çıkış delaminasyon faktörlerinin "daha küçük daha iyi" karakteristiğiyle varyans analizi yapılmıştır. Tüm bu işlemler için de en uygun istif sırası ve delme parametreleri ayrı ayrı belirlenmiştir. Bu sonuçların parametrelerden hesaplanmasını sağlayacak formüller regresyon analiziyle düzenlenmiştir.
Son olarak ölçülen kuvvet ve tork değerleriyle, delik delme işleminin gerçekleştirilmesi için gereken enerji miktarı hesaplanmış ve benzer mantıkla varyans analizine tabi tutularak daha düşük miktarda enerji gerektiren istif sırası ve delme parametreleri bulunmuştur. Farklı parametreler için gereken enerjilerin hesaplanması yapılan testler sonucu bir regresyon denklemi elde edilmiştir. 
Bu çalışma sonucunda özellikle havacılık ve uzay sektöründe sıklıkla kullanılan ve önemi gittikçe artan hibrit yapılı kompozit malzemelerin istenilen özelliklere göre istif sırası ve delme parametreleri ayrı ayrı belirlenmiştir. Böylece sanayide kabul edilen düşük toleranslar nedeniyle yoğun ürün reddi yaşanan hibrit yapılı kompozit malzemelerin en doğru ve verimli delik delme işleminin gerçekleştirilmesi için en uygun sonuçlar sağlanmaya çalışılmıştır.

Abstract:
Composite materials are widely used in the manufacture of products with superior mechanical properties in a wide range from automotive, aviation industry, marine to sports equipment. However, the aviation industry, which is increasing its importance day by day, is frequently preferred by the addition of fiber reinforced composites as well as metal alloys to these materials because of their more rigid, high resistance to fatigue and perhaps most importantly, high density at low density. It is considered appropriate to use carbon which has the highest specific tensile modulus as the fiber material in the composite material.
The idea of using two or more different material types as a single material has gained momentum as the progress in material science has continued unceasingly. Hybrid composite materials produced for this purpose can be made by placing two different types of fibers in the same matrix and in the same direction or by stacking different types of fibers or different types of materials. This group of materials is anisotropic (direction dependent) and has better mechanical properties than single fiber composite materials. 
In hybrid composites that are formed by combining different types of materials, the drilling process is a challenging and yet uncontrollable issue. In particular, investigations are continuing on the order in which the materials should be stacked and the parameters to be used during the drilling process.
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are preferred in many sectors including aerospace industry due to their high strength/density ratio, fracture toughness, excellent corrosion and abrasion resistance. There are several difficulties in the drilling of these materials. As a result of these operations, due to the anisotropic properties of the material, delamination, burr formation, fiber shrinkage and tear defects occur.
Particularly in composite materials manufactured as layer by layer, separation is easier and delamination is frequently seen due to the lower strength of these surfaces compared to other regions. Delamination caused by buckling due to the intensive compressive forces applied in the hole drilling process is the most visible damage type in composite materials. The causes and occurrence of delamination and other types of damage have not been fully explained, even though academically it is highly emphasized. In addition, the high wear resistance of the CFRP results in tool wear and breakage if a large number of holes are drilled. For this reason, it would be useful to design the drilling operations as planned, careful and as much as possible to reduce the damage to the tool used.
Hybrid composites produced by the addition of metal alloys to carbon fiber reinforced composites (CFRP) materials have superior mechanical and physical properties, excellent specific strength and high resistance to corrosion. For manufacturing this type of material, CFRP may be used alone or in combination with titanium and/or aluminum alloys and is therefore referred to as hybrid composites. Thus, the weak mechanical properties and other weaknesses of the material are compensated and eliminated by the superior properties of another material category. For example, titanium alloys have isotropic behavior with high specific strength and fracture toughness, while CFRP has high specific rigidity, corrosion resistance and excellent fatigue strength. When these materials are used together, for example, corrosion problems of the metals and the impact strength of the composites at elevated temperature will be solved at the same time. Hybrid composite applications which are economical for the aviation sector in the near future will be able to take place in construction machinery and many other industrial applications in the near future.
The most commonly used machining processes in the use of hybrid materials in the aviation industry is the drilling process. As mentioned above, hybrid composites exhibit superior mechanical properties, which are more advantageous than using these materials separately. However there are various difficulties in the drilling of hybrid composite materials. As a result of drilling operations, due to the anisotropic properties of the material, delamination, burr formation, fiber pullout and splittering are observed in CFRP material. For this reason the performance of CFRP after drilling operation must be the main concern. Because the drilling process creates various negative effects (mechanical, physical, chemical and metallurgical) on the composite material and decreases the fatigue life of this material and the total life expectancy of the whole structure. Therefore, in this study, hybrid materials were tested on factors such as stack order, drilling speed and feed rate which should be applied in hole drilling process and analysis were made on various results. 
The tests were performed with three-factor and three-level L9 Taguchi orthogonal experiment design. With the help of this experimental design, the long term required for the tests and the cost of the materials were avoided.
The tests were carried out in three different stackorder with three different drilling speeds and three different feed rates. These values were determined as a result of long studies in the literature. Each test is repeated one more time because of the possibility of unexpected results. The results were completed with one-way analysis of variance and the most appropriate stack order and drilling parameters were determined.
In the tests, force and torque measurements were performed with the help of the dynamometer. As a result of the force and torque results obtained in all tests, variance analysis was used to determine the most suitable stackorder and drilling parameters for the materials. A regression formula was created to the force and torque results.
Following the results of the force and torque, the surface and the hole quality of CFRP was investigated via optical microscope. Because CFRP was the most affected material in hybrid materials set. During the examination, the maximum hole diameter was measured and images were taken. After taking these images, in-hole surface roughness was measured in CFRP material. The delamination factors determined by the ratio of the maxium hole diameter to the expected hole diameters were calculated for both the entry and exit of the CFRP material surface. Variance analysis was performed with "smaller is better" characteristics of the in-hole surface roughness, the entrance and exit delamination factors. For all these operations, the most convenient stack order and drilling parameters are determined separately. The regression formulas were created via regression analysis and that brings great opportunity to arrange the drilling parameters.
Finally, with the measured force and torque values, the amount of energy required to perform the hole drilling operation was calculated. After that analysis of variance with similar logic was subjected. The stacking order and drilling parameters that required a lower amount of energy were found. A regression equation was obtained as a result of the tests performed to calculate the energies required for different parameters.
As a result of this study, the stackorder and drilling parameters of the hybrid composite materials which are frequently used in aerospace industry and are becoming more and more important are determined according to the desired properties. Thus, it is tried to provide the most appropriate results for performing the most accurate and efficient drilling of hybrid composite materials with intense product rejection due to low tolerances accepted in the industry.