Composites in the Aircraft Industry/tr

▼Bu bir konu sayfasıdır . Appropedia'nın odak noktası özgün araştırmalardır , ancak bu sayfa yararlı bir bağlam sunar ve sitede gezinmeye yardımcı olur. Bu sayfayı geliştirerek Appropedia'ya yardımcı olabilirsiniz .

Kompozit malzemeler, Uçak Endüstrisinde ^{W'nin yerini almış} ve mühendislerin, malzemeleri tek tek kullanırken karşılaştıkları engelleri aşmalarına olanak sağlamıştır. Bileşen malzemeler, kompozitlerde kimliklerini korur ve çözünmez veya birbirleriyle tamamen birleşmezler. Malzemeler bir araya geldiğinde, gelişmiş yapısal özelliklere sahip 'hibrit' bir malzeme oluştururlar.

Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kompozit malzemelerin geliştirilmesi, yeni nesil yüksek performanslı ve ekonomik uçak tasarımlarının hayata geçirilmesini sağlayacaktır. Bu tür malzemelerin kullanımı yakıt tüketimini azaltacak, verimliliği artıracak ve uçakların doğrudan işletme maliyetlerini düşürecektir.

Kompozit malzemeler çeşitli şekillerde şekillendirilebilir ve istenirse, mukavemeti artırmak için lifler sıkıca sarılabilir. Kompozitlerin kullanışlı bir özelliği, her katmandaki liflerin farklı bir yönde uzandığı katmanlar halinde üretilebilmeleridir. Bu, bir mühendisin benzersiz özelliklere sahip yapılar tasarlamasına olanak tanır. Örneğin, bir yapı bir yönde bükülecek, ancak diğer yönde bükülmeyecek şekilde tasarlanabilir. ^{[ 2 ]}

Temel bileşiklerin sentezi

Temel bir kompozitte, bir malzeme destekleyici matris görevi görürken, başka bir malzeme bu temel iskele üzerine inşa edilerek tüm malzemeyi güçlendirir. Malzemenin oluşumu pahalı ve karmaşık bir süreç olabilir. Özünde, bir temel malzeme matrisi yüksek sıcaklık ve basınç altında bir kalıba yerleştirilir. Daha sonra temel malzemenin üzerine bir epoksi veya reçine dökülür ve kompozit malzeme soğutulduğunda güçlü bir malzeme elde edilir. Kompozit ayrıca, ikincil bir malzemenin liflerinin temel matrise gömülmesiyle de üretilebilir.

Kompozitler, iyi çekme ve basınç dayanımına sahip olduklarından uçak parçası üretiminde kullanıma uygundurlar. Malzemenin çekme dayanımı, lifli yapısından kaynaklanır. Bir çekme kuvveti uygulandığında, kompozit içindeki lifler uygulanan kuvvetin yönüyle aynı hizaya gelerek çekme dayanımını sağlar. İyi basınç dayanımı, taban matris sisteminin yapışkanlık ve sertlik özelliklerine bağlanabilir. Reçinenin görevi, liflerin düz kolonlar halinde kalmasını sağlamak ve burkulmasını önlemektir.

Havacılık ve kompozitler

Kompozit malzemeler, metalik alaşımlara benzer yapısal dayanıklılık sağladıkları, ancak daha hafif oldukları için Havacılık Endüstrisi için önemlidir. Bu, bir uçağın yakıt verimliliğinin ve performansının artmasına yol açar. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Havacılık endüstrisinde kompozitlerin rolü

Fiberglas, en yaygın kompozit malzemedir ve reçine matrisine gömülü cam elyaflarından oluşur. Fiberglas ilk olarak 1950'lerde tekne ve otomobillerde yaygın olarak kullanılmıştır. Fiberglas, ilk olarak 1950'lerde Boeing 707 yolcu uçağında kullanılmış ve uçağın yapısının yaklaşık %2'sini oluşturmuştur. Boeing tarafından üretilen her yeni uçak neslinde kompozit malzeme kullanım oranı artmıştır; en yüksek oran 787 Dreamliner'da % 50'dir .

Boeing 787 Dreamliner, ana yapısal elemanlarının alüminyum alaşımları yerine kompozit malzemelerden yapıldığı ilk ticari uçak olacak. ^{[ 1 ]} Bu uçakta, eski fiberglas kompozitlerden daha gelişmiş karbon laminat ve karbon sandviç kompozitlere doğru bir geçiş olacak. Dreamliner'ın kanat kutusunda, parçanın yapımında kullanılan kompozit malzemelerin yetersiz sertliğinden kaynaklanan sorunlar yaşandı. ^{[ 1 ]} Bu durum, uçağın ilk teslimat tarihlerinde gecikmelere yol açtı. Boeing, bu sorunları çözmek için, halihazırda üretilmiş kanat kutularına yeni braketler ekleyerek kanat kutularını sertleştirirken, henüz üretilmemiş kanat kutularını modifiye ediyor. ^{[ 1 ]}

Kompozit malzemelerin test edilmesi

Malzemenin karmaşık yapısı nedeniyle, kompozit malzemeden yapılmış bir parçanın performansını bilgisayar simülasyonuyla doğru bir şekilde modellemek zor bulunmuştur. Kompozitler genellikle daha fazla dayanıklılık için üst üste katmanlanır, ancak bu durum, katmanların farklı yönlerde konumlandırılması nedeniyle üretim öncesi test aşamasını karmaşıklaştırır ve test sırasında nasıl davranacaklarını tahmin etmeyi zorlaştırır. ^{[ 1 ]}

Parçalar üzerinde mekanik stres testleri de yapılabilir. Bu testler küçük ölçekli modellerle başlar, ardından yapının giderek daha büyük parçalarına ve son olarak yapının tamamına geçer. Yapısal parçalar, gerçek uçuşlarda en kötü beklenen koşulların çok ötesine geçen stresleri taklit etmek için bükülüp bükülen hidrolik makinelere yerleştirilir.

Kompozit malzeme kullanım faktörleri

Ağırlık azaltma, kompozit malzeme kullanımının en büyük avantajıdır ve seçim kararlarında kilit faktörlerden biridir. Diğer avantajları arasında yüksek korozyon direnci ve yorulma hasarına karşı direnci bulunur. Bu faktörler, uçağın uzun vadede işletme maliyetlerini düşürmede rol oynar ve verimliliğini daha da artırır. Kompozitler, kalıplama işlemi kullanılarak neredeyse her şekle sokulabilme avantajına sahiptir, ancak bu durum zaten zor olan modelleme sorununu daha da karmaşık hale getirir.

Kompozit kullanımının en büyük dezavantajlarından biri, nispeten yeni bir malzeme olmaları ve bu nedenle yüksek maliyetli olmalarıdır. Yüksek maliyet, yoğun işçilik gerektiren ve genellikle karmaşık üretim süreçlerine de atfedilmektedir. Kompozitlerin kusurlarını incelemek zordur ve bazıları nemi emer.

Alüminyum, daha ağır olmasına rağmen üretimi ve onarımı kolaydır. Ezik veya delinmiş olsa bile bir arada kalabilir. Kompozitler ise böyle değildir; hasar görürlerse, zor ve pahalı olan acil onarım gerektirirler.

Azaltılmış ağırlıkla yakıt tasarrufu

Yakıt tüketimi, kuru uçak ağırlığı, yük ağırlığı, uçağın yaşı, yakıt kalitesi, hava hızı, hava koşulları gibi çeşitli değişkenlere bağlıdır. Kompozit malzemelerden üretilen uçak bileşenlerinin ağırlığı, 787 Dreamliner örneğinde olduğu gibi yaklaşık %20 oranında azaltılmıştır. ^{[ 4 ]}

Aşağıda Airbus A340-300 uçağı için %20 boş ağırlık azaltımı ile toplam yakıt tasarrufunun örnek hesaplaması yapılacaktır.

Bu vaka çalışması için ilk örnek değerleri harici bir kaynaktan elde edildi. ^{[ 5 ]}

Verilen:

• Boş Çalışma Ağırlığı (OEW): 129.300 kg
• Maksimum Sıfır Yakıt Ağırlığı (MZFW): 178.000 kg
• Maksimum Kalkış Ağırlığı (MTOW): 275.000 kg
• Maksimum Menzil @ Maksimum Ağırlık: 10.458 km

Yukarıda verilen rakamlardan başka nicelikler de hesaplanabilir:

• Maksimum Kargo Ağırlığı = MZFW - OEW = 48.700kg
• Maksimum Yakıt Ağırlığı = MTOW - MZFW = 97.000 kg

Dolayısıyla, maksimum yakıt ağırlığı ve maksimum menzil = 97.000kg/10.458km = 9,275kg/km baz alınarak yakıt tüketimini kg/km cinsinden daha da hesaplayabiliriz.

Aşağıda, OEW değerini yalnızca %20 oranında azaltacak olan %20'lik bir ağırlık azaltımıyla beklenen yakıt tasarrufunun hesaplaması yer almaktadır:

• OEW(yeni) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, yani 25.860kg ağırlık tasarrufu sağlanıyor.

Yük ve yakıt ağırlığının sabit kaldığını varsayarak:

• MZFW(yeni) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
• MTOW(yeni) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg

97.000 kg'lık yakıt kütlesinin başa çıkması gereken azaltılmış bir MTOW'u vardır ve bu nedenle menzili artacaktır çünkü maksimum ağırlık ve maksimum menzil ters orantılı niceliklerdir.

Yeni aralığı hesaplamak için basit oranları kullanalım:

249,320kG275,000kG=10,458kMXkM

X'i çözmek yeni bir aralık verir:

• X = 11.535,18 km

Bu, azaltılmış ağırlıkla yakıt tüketimi için yeni bir değer sağlar = 97.000 kg/11.535,18 km = 8,409 kg/km

Bunu bir perspektife koymak gerekirse, 10.000 km'lik bir yolculukta, boş ağırlıkta %20'lik bir azalmaylayaklaşık 8.660 kg yakıt tasarrufu sağlanacak .

Çevresel etki

Yeşil Mühendisliğe doğru daha belirgin bir yönelim gelişiyor . Günümüz toplumu çevremize daha fazla önem veriyor ve dikkat ediyor. Bu durum kompozit malzeme üretimi için de geçerli.

Daha önce de belirtildiği gibi, kompozitler daha hafiftir ve daha ağır malzemelerle benzer mukavemet değerlerine sahiptir. Daha hafif kompozit taşındığında veya bir nakliye uygulamasında kullanıldığında, daha ağır alternatiflere kıyasla daha düşük bir çevresel yük oluşur. Kompozitler ayrıca metal bazlı malzemelere göre daha korozyona dayanıklıdır, bu da parçaların daha uzun süre dayanacağı anlamına gelir. ^{[ 7 ]} Bu faktörler bir araya gelerek kompozitleri çevresel açıdan iyi alternatif malzemeler haline getirir.

Geleneksel olarak üretilen kompozit malzemeler petrol bazlı lifler ve reçinelerden yapılır ve doğası gereği biyolojik olarak parçalanmaz. ^{[ 8 ]} Bu, çoğu kompozitin yaşam döngüsü sona erdiğinde bir çöp sahasında son bulması nedeniyle önemli bir sorun teşkil eder. ^{[ 8 ]} Doğal liflerden yapılan biyolojik olarak parçalanabilir kompozitler konusunda önemli araştırmalar yürütülmektedir. ^{[ 9 ]} Büyük ölçekte kolayca üretilebilen ve geleneksel kompozitlere benzer özelliklere sahip biyolojik olarak parçalanabilir kompozit malzemelerin keşfi, havacılık endüstrisi de dahil olmak üzere birçok endüstride devrim yaratacaktır.

Çevresel çabalara destek olmak için alternatif bir seçenek, hizmet dışı bırakılmış uçaklardan kullanılmış parçaları geri dönüştürmek olabilir. Bir uçağın "mühendislik dışı" hale getirilmesi karmaşık ve pahalı bir işlemdir, ancak birinci el parça satın almanın yüksek maliyeti nedeniyle şirketlere para kazandırabilir. ^{[ 6 ]}

Geleceğin kompozit malzemeleri

Seramik matris kompozitler

Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA), uçak parçalarında kullanılmak üzere hafif, yüksek sıcaklığa dayanıklı kompozit malzemeler geliştirmek için büyük çabalar sarf etmektedir . Ön hesaplamalara göre, kavramsal bir motorun türbin girişlerinde 1650°C kadar yüksek sıcaklıklar öngörülmektedir. ^{[ 3 ]} Malzemelerin bu sıcaklıklara dayanabilmesi için Seramik Matris Kompozitlerinin (CMC'ler) kullanılması gerekmektedir. CMC'lerin gelişmiş motorlarda kullanılması, motorun çalıştırılabileceği sıcaklığın artmasına da olanak tanıyarak verimin artmasını sağlayacaktır. ^{[ 10 ]} CMC'ler gelecek vaat eden yapısal malzemeler olsa da, uygun takviye malzemelerinin eksikliği, işleme zorlukları, kullanım ömrü ve maliyet nedeniyle uygulamaları sınırlıdır.

Örümcek ipeği lifleri

Örümcek ipeği, kompozit malzeme kullanımı için bir diğer umut vadeden malzemedir. Örümcek ipeği, normal uzunluğunun %140'ına kadar esnemesine izin veren yüksek süneklik gösterir. ^{[ 11 ]} Örümcek ipeği ayrıca -40°C kadar düşük sıcaklıklarda da mukavemetini korur. ^{[ 11 ]} Bu özellikler, örümcek ipeğini, anormal sıcaklıklarda bile mukavemetini koruyacak sünek kompozit malzemelerin üretiminde bir elyaf malzemesi olarak kullanım için ideal hale getirir. Sünek kompozit malzemeler, bir uçağın ana gövdeye birleştirilmesi gibi değişken gerilimlere maruz kalacak parçalarında faydalı olacaktır. Böyle bir kompozitin artan mukavemeti, tokluğu ve sünekliği, felaket niteliğinde bir arıza meydana gelmeden önce parçaya veya birleştirmeye daha fazla gerilim uygulanmasına izin verecektir. Sentetik örümcek ipeği esaslı kompozitler ayrıca liflerinin biyolojik olarak parçalanabilir olması avantajına da sahip olacaktır.

Örümcek ipeğini laboratuvarda yeniden üretmeye yönelik birçok başarısız girişimde bulunuldu, ancak henüz mükemmel bir yeniden sentez elde edilemedi. ^{[ 12 ]}

Hibrit kompozit çelik saclar

Bir diğer umut vadeden malzeme, kompozitler, nanoteknoloji elyaflar ve kontrplaktan ilham alınarak üretilen paslanmaz çelik olabilir. Çelik saclar aynı malzemeden üretilmiştir ve geleneksel çelikle aynı şekilde işlenebilir ve işlenebilir. Ancak aynı mukavemete sahip olmasına rağmen, bir miktar daha hafiftir. Bu, özellikle araç üretimi için değerlidir. Patent başvurusu yapılmış olan İsveçli şirket Lamera, Volvo Industries bünyesindeki bir araştırma şirketinin yan kuruluşudur.

Sonuç

Kompozit malzemeler, daha yüksek mukavemet-ağırlık oranları nedeniyle geleneksel metalik malzemelere göre avantajlıdır; ancak şu anda kompozit üretimi pahalıdır. İlk uygulama maliyetlerini düşürecek ve mevcut kompozitlerin biyolojik olarak parçalanmama sorununu çözecek teknikler geliştirilinceye kadar, bu nispeten yeni malzeme geleneksel metalik alaşımların yerini tamamen alamayacaktır.

Referanslar