Aşındırıcılı su jeti ile karbon fiber takviyeli plastik (CFRP) kompozit malzemenin delinmesi ve kesilmesi
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composite materials drilling and cutting with abrasive water jet
Yazar: MELTEM ALTIN KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖKKAYA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Malzeme işleme = Material processing ; Plastik kompozitler = Plastic composites

Özet:
Bu çalışmada; Karbon Fiber Takviyeli Plastik (CFRP) kompozit malzemelerin modern
imalat yöntemlerinden olan Aşındırıcılı Su Jeti (ASJ) ile delinmesi ve kesilmesi
araştırılmıştır. CFRP kompozit malzemenin delinmesi veya dairesel kesilmesi
işlemleri esnasında oluşan, fiber kopması, reçine-fiber ayrılması, gerilme
yoğunlaşması, mikro çatlaklar ve delik bölgesinde deformasyon gibi hasarların
oluşmaması için işleme parametrelerinin optimum olanının tespit edilmesi
amaçlanmıştır. Çalışmada; uzay ve havacılık endüstrisinde kullanılan [0°/90°]s,
[+45°/-45°]s, [0°/45°/90°/-45°]s fiber oryantasyon açılarında (FOA) üretilmiş olan 6
adet CFRP kompozit malzeme kullanılmıştır. Deneylerde işleme parametresi olarak;
dört farklı su basıncı (3600, 4300, 4800 ve 5300 bar), nozul ilerleme hızı (750, 1500,
2000 ve 3000 mm/dak), nozul yaklaşma mesafesi (1, 2, 3 ve 4 mm) ve delik çapı (8,
10, 12 ve 14 mm) kullanılmıştır. Delme işlemi öncesinde CFRP kompozit
malzemelerde oluşabilecek hasarları minimum değere indirebilmek için plakaların üç
tanesine pilot delikler (Ø 5,5 mm) açılmıştır. CFRP kompozit malzemelerin ASJ ile
delinmesi sonucunda iş parçası üzerinde meydana gelen delaminasyon faktörü (Fd),
kerf açısı (T), dairesellik hatası ve ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri analiz
edilmiştir. Delaminasyon faktörü, kerf açısı, dairesellik hatası ve ortalama yüzey
pürüzlülüğü Minitab 17.0 paket programı kullanılarak Taguchi analizi ile yapılmıştır.
Genel olarak; delaminasyon faktörü, kerf açısı, dairesellik hatası ve ortalama yüzey
pürüzlülüğü değerlerinin en düşük değerleri, yüksek su basıncı ve düşük nozul
yaklaşma mesafesinde, en yüksek değerler ise; düşük su basıncı ve yüksek nozul
yaklaşma mesafesinde elde edilmiştir. Ayrıca; en düşük değerlerin pilot delik açılan
malzemelerde elde edilmesinden dolayı bu yöntemin başarıyla sonuçlandığı tespit
edilmiştir. En düşük delaminasyon faktörü (1,021) pilot delik delinmiş [+45°/-45°]s
FOA'daki malzemede, en yüksek delaminasyon faktörü (1,572) ise; [+45°/-45°]s
FOA'daki malzemede elde edilmiştir. En düşük kerf açısı (0,870º), pilot delik delinmiş
[0°/45°/90°/-45°]s FOA'daki malzemede, en yüksek kerf açısı (3,337º) değeri ise;
[+45°/-45°]s FOA'daki malzemede elde edilmiştir. En düşük dairesellik hatası (0,618
mm), pilot delik delinmiş [0°/45°/90°/-45°]s FOA'daki malzemede, en yüksek
dairesellik hatası (1,902 mm) ise; [+45°/-45°]s FOA'daki malzemede elde edilmiştir.
En düşük ortalama yüzey pürüzlülüğü (0,580 µm) değeri; pilot delik delinmiş
[0°/45°/90°/-45°]s FOA'daki malzemede, en yüksek ortalama yüzey pürüzlülüğü
(2,708 µm) değeri ise; [+45°/-45°]s FOA'daki malzemede elde edilmiştir. Buna
ilaveten; işleme parametrelerinin etki derecelerini belirlemek için varyans analizi
(ANOVA) uygulanmıştır. Ele alınan tüm malzemelerde; delaminasyon faktörü, kerf
açısı, dairesellik hatası, ortalama yüzey pürüzlülüğü üzerinde su basıncı ve nozul
yaklaşma mesafesinin etkili olduğu, delik çapı ve nozul ilerleme hızının daha az etkili
olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Sözcükler : Karbon fiber takviyeli plastik (CFRP) kompozit, aşındırıcılı su
jeti (ASJ), işleme (delme, kesme), yüzey pürüzlülüğü,
delaminasyon.

Abstract:
In this study; Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composite materials have
been investigated by using Abrasive Water Jet (AWJ), one of the modern
manufacturing methods, for drilling and cutting. It is aimed to determine the optimum
machining parameters in order to prevent damages such as fiber breakage, resin-fiber
separation, stress condensation, micro cracks and deformation in the hole region,
which occur during drilling or circular cutting of CFRP composite material. In the
experiments, four different water pressures (3600, 4300, 4800 and 5300 bar), nozzle
feed rate (750, 1500, 2000 and 3000 mm/min), stand-off distance (1, 2, 3 and 4 mm)
and hole diameter (8, 10, 12 and 14 mm) were used. Pilot holes (Ø 5,5 mm) were
drilled in three of the plates to reduce damages to CFRP composite materials prior to
drilling. As a result of drilling of CFRP composite materials with AWJ; delamination
factor (Fd), kerf angle (T), circularity error and average surface roughness (Ra) were
evaluated on the workpiece. Analysis of the AWJ machining parameters for the mean
values of delamination factor, kerf angle, circularity error and average surface
roughness were done by Taguchi analysis using Minitab 17.0 program. Generally; the
lowest values for delamination factor, kerf angle, circularity error and average surface
roughness were obtained at high water pressure and low stand-off distance. Also; it
has been found that this method has been successfully accomplished since the lowest
values are obtained in pilot drilled materials. The highest values were obtained with
low water pressure and high stand-off distance. The lowest delamination factor (1,021)
value was obtained in the [+45°/-45°]s FOA's material (pilot hole drilled), and the
highest delamination factor (1,572) value was obtained [+45°/-45°]s FOA's material.
The lowest kerf angle (0,870º) value was obtained in the [0°/45°/90°/-45°]s FOA's
material (pilot hole drilled), and the highest kerf angle (3,337º) value was obtained in
the [+45°/-45°]s FOA's material. The lowest circularity error (0,618 mm), value was
obtained in the [0°/45°/90°/-45°]s FOA's material (pilot hole drilled), and the highest
circularity error (1,902 mm) was obtained in the [+45°/-45°]s FOA's material. The
lowest average surface roughness (0,580 µm) value was obtained in the [0°/45°/90°/-
45°]s FOA's material (pilot hole drilled) and the highest average surface roughness
(2,708 µm) value was obtained in the [+45°/-45°] FOA's material. In addition, variance
analysis (ANOVA) was applied to determine the effect levels of the processing
parameters. In all materials; while water pressure and stand-off distance are effective
on average surface roughness, delamination factor, kerf angle, circularity error; the
hole diameter and nozzle feed rate are less effective.

Key Word : Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Composite, Abrasive Water
Jet (AWJ), machining (drilling, cutting), surface roughness,
delamination.