Vakum infüzyon ile heterojen yapıdaki laminalı kompozit parça üretiminde hava akış sensörleri kullanılarak hava kaçak lokasyon tespiti
Air leakage location detection using air flow sensors in composite part production with nonhomogenous lamination by vacuum infusion
Yazar: BERKAY AYDOĞAN
Danışman: PROF. DR. YELİZ PEKBEY
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit parça üretiminde yaygın olarak kullanılan vakumlu paketleme metodolojisinde, yapıda boşluğa sebebiyet vererek parça kalitesine olumsuz etki eden hava kaçaklarının tespiti ve müdahalesi üretim öncesi veya sırasında çok önemlidir. Kompozit parça içerisine ihtiva etmiş hava boşlukları, endüstriyel uygulamalarda işletmeler için zaman kaybı, yapısal sorunlar ve dolayısıyla maliyet anlamına gelmektedir. Bu tez çalışması, bu hava kaçaklarının tespitini sağlayarak engellenmesi için sürdürülebilir, düşük maliyetli ve hızlı sonuç veren bir sistem kurmayı hedeflemiştir. Ayrıca simülasyon çalışmaları yapmak ve bu çalışmaları fiziksel test çalışmaları ile karşılaştırıp verilerin incelenmesi de hedeflenmiştir.
Bu tezde, endüstrideki kaçak tespiti yöntemleri incelenmiş ve hava akış sensörleri ile heterojen yapıdaki laminalı kompozit parça üretimlerinde kullanılmak üzere bir algoritma geliştirilerek kaçak tespiti üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar bir rüzgar türbin kanadı imalatında kullanılan cam elyaf kat sayıları ve infüzyon planları referans alınarak gerçekleştirilmiştir. Deney seti 1000 mm x1000 mm lik bir alanda dağıtıcı fileli ve dağıtıcı filesiz olarak 2,10 ve 50 kat cam elyaflı paketler olmak üzere toplam 6 adet yapılmıştır. Çalışmalarda termal kütle akış ölçerleri kullanılmış olup, Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) ve çeşitli matematiksel optimizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Geliştirilen bu sistem endüstriyel ölçekte kullanılabilecek şekilde tasarlanmış ve doğrudan hat üzerine montaja uygun biçimde testlere tabi tutulmuştur. PSO algoritması ve iyileştirilmiş zamana bağlı akış değerlerine göre 1000 mm x 1000 mm boyutlarında ve farklı laminasyon kalınlıklarında kaçak tespitleri gerçekleştirilmiştir. Rüzgâr türbin kanatları vakum infüzyon yöntemi ile imalatı gerçekleştirilmiş ve cam fiber kumaşlar test düzeneklerinde 2,10 ve 50 katman olarak ayrı paketlerde test edilmiştir. Ayrıca belirlenmiş kaçak noktaları için simülasyon çalışmaları yapılıp test çalışmaları ile karşılaştırılarak hava kaçağı akışının parça içerisindeki yayılımı incelenmştir. Her bir test düzeneğinde, paketlerde oluşacak bir hava kaçağını simüle etmek için 0,8 mm çaplı medikal iğneler kullanılmış olup 1000 mm x 1000 mm'lik bir laminada 36 adet delik açılmıştır. Böylelikle, kumaş kat sayısının ve dağıtıcı filenin  algoritma etkinliği üzerindeki etkisi de incelenmiştir.
Tez çalışması sonucunda vakum infüzyon ile heterojen yapıdaki laminalı kompozit parça üretiminde hava kaçak tespitinin zorlukları açıkça ortaya konmuş ve elde edilen sonuçlardan bu zorlukların hangi yaklaşımlarla ortadan kaldırılabileceği konusunda öneriler verilmiştir. Tez çalışması sonucunda homojen yapıdaki laminalı kompozit parça üretiminde %9,2, heterojen yapıdaki laminalı kompozit parça üretiminde %16,5 ortalama hata oranı ile sonuç verebilen bir hava kaçak tespit sistemi geliştirilmiştir.

Abstract:
In the vacuum bagging methodology commonly used in composite part production, it is crucial to detect and address air leaks that cause voids in the structure, adversely affecting part quality, either before or during production. Air voids within the composite part result in time loss, structural issues, and consequently, costs for industrial applications. This thesis aims to establish a sustainable, low-cost, and quick-result system to detect and prevent these air leaks. It is also aimed to conduct simulation studies and compare these studies with physical test studies to analyze the data.
In this thesis, leak detection methods in the industry have been examined, and an algorithm was developed for use in heterogeneous laminated composite part production using air flow sensors, with studies conducted on leak detection. The studies were carried out by referencing the glass fiber ply counts and infusion plans used in the manufacture of a wind turbine blade. The experimental setup consisted of six packages, with and without distributor mesh, made of 2, 10, and 50 plies of glass fabric, within a 1000 mm x 1000 mm area. Thermal mass flow meters were used in the studies, and Particle Swarm Optimization (PSO) and various mathematical optimization methods were applied. This system was designed to be usable on an industrial scale and was tested for direct installation on the production line. Leak detection was performed on 1000 mm x 1000 mm dimensions and different laminate thicknesses based on the PSO algorithm and improved time-dependent flow values.
Wind turbine blades were manufactured using the vacuum infusion method, and glass fiber fabrics were tested in separate packages as 2, 10, and 50 layers. Additionally, simulation studies were conducted for the identified leak points and compared with test results to examine the propagation of air leakage flow within the part. In each test setup, 0.8 mm diameter medical needles were used to simulate an air leak in the packages, and 36 holes were drilled in a 1000 mm x 1000 mm laminate. Thus, the effect of the number of fabric layers and the distributor mesh on the algorithm's effectiveness was also examined.
This study clearly demonstrated the challenges of detecting air leaks in the production of laminated composite parts with heterogeneous structures and provided recommendations on how to eliminate these challenges based on the obtained results. As a result of the thesis study, an air leak detection system that can achieve an average error rate of 9.2% in homogeneous laminated composite part production and 16.5% in heterogeneous laminated composite part production was developed.