Dijital Görüntü İşleme ile Karbon Fiber Takviyeli Kompozitlerde Hasar Takibi
Havacılık Endüstrisinde Karbon Fiber Tavsiyeli Kompozitlerin Kullanımı
Son yıllarda karbon fiber takviyeli polimerlere (CFRP) olan talep artmaktadır. Fiber takviyeli kompozitler, yüksek mukavemet-ağırlık oranı, sertlik-ağırlık oranı, kırılma tokluğu ve korozyon direnci gibi üstün mekanik özelliklere sahiptir. Bu avantajlarından dolayı fiber
takviyeli kompozitler havacılık, uzay, deniz, otomobil, medikal, spor malzemeleri, rüzgar türbini kanadı, savunma ve ulaşım sektörleri gibi çeşitli tasarım ve imalat sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, modern uçak gövdelerinin büyük çoğunluğu Şekil 1’de gösterildiği gibi CFRP malzemelerinden tasarlanmış ve üretilmiştir.
Karbon Fiber Takviyeli Kompozitlerin Talaşlı İmalat Süreçlerinde Görülen Hatalar
Havacılık endüstrisindeki talaşlı imalat işlemlerinin yaklaşık %40’ı geleneksel delme operasyonları ile gerçekleştirilmektedir. Su jeti, lazer ve elektro erozyon gibi bazı özel ve geleneksel olmayan delik açma işlemleri kompozit malzemeler için uygun şekilde endüstriyelleştirilmiş olsa da delme aletleriyle geleneksel mekanik delme, kompozit plakalarda delik delmek için en yaygın yöntem olmaya devam etmektedir.
Mükemmel mekanik özelliklerine rağmen karbon fiber takviyeli polimerler, Şekil 2’de gösterildiği gibi işleme kaynaklı hasarlara oldukça yatkındır. Başlıca hasarlar, yüksek yerel stres konsantrasyonu altında katmanlara ayrılma, soyulma ve fiber çekilmesi olarak adlandırılabilir. Delaminasyon, delik büzülmesi ve fiber çekilmesi gibi işleme kaynaklı hasarlar, genellikle plaka katmanlarında indüklenen stres, tabakalar arası mukavemeti
aştığında meydana gelir. Delaminasyon, kompozit malzemelerin işlenmesinde gözlenen ve yapısal bütünlüğü bozan başlıca hasar türüdür.
Delaminasyon ve mikro çatlamanın kompozit malzemelerin performansını ve montaj parçalarının davranışını önemli ölçüde etkilediği ve performansını azalttığı bilinmektedir, oysa delme kaynaklı delaminasyon sadece yüzey finişini ve montaj toleransını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda deliğin yorulmaya karşı mukavemet özelliklerini de etkiler. Bu nedenle, delme kaynaklı delaminasyon, endüstride ağır kayıplara neden olan en kritik hasarlardan biri olarak bilinmektedir.
Son on yılda, son talaşlı imalat operasyonunda kompozit plakalarda görülen, delme kaynaklı delaminasyon hasarı nedeniyle reddedilen parçalar önemli ölçüde yüksektir. Ayrıca, delaminasyon onarım teknolojisinin son zamanlarda ortaya çıkmasıyla bile, delme kaynaklı
delaminasyonları tamir etmenin 5 ila 6 saat sürebildiği ve uçak montajındaki büyük boyutlu bir oval deliğin tamir edilmesinin sadece 10 ila 15 dakika sürebildiği bildirilmektedir. Bu nedenle, delaminasyon onarım teknolojisinin son zamanlarda ortaya çıkışı delik kaynaklı delaminasyon üzerinde önemli araştırma çalışmaları yapılmasına olanak sağlamıştır.
Delaminasyon kontrolü için delme kaynaklı delaminasyonun değerlendirilmesi büyük önem
taşımaktadır. Delaminasyon geometrisine bağlı olarak farklı delaminasyon değerlendirme
formülleri mevcuttur (Şekil 3’te gösterildiği gibi). Kompozitlerin delinmesinden sonra delaminasyonu ölçmek için çeşitli teknikler kullanılmıştır ve hem temel kesme parametrelerinin hem de matkabın geometrisinin etkisini değerlendirmek için
nicel bir değerlendirme gereklidir.
[caption id="attachment_135242" align="aligncenter" width="295"]
Şekil 3. Karbon fiber takviyeli kompozitlerde çeşitli delaminasyon analiz yöntemleri.[/caption]
Görüntü İşleme ile Talaşlı İmalat Kaynaklı Hataların İncelenmesi
Karbon fiber takviyeli kompozitlerin talaşlı imalat kaynaklı üretim hatalarının süreç içinde tespiti, endüstri V4.0 ile önem kazanmıştır. Bu amaçla, delaminasyon ve boyutsal kalitenin ölçülmesinde kompozit işleme süreçlerinin izlenmesi için de uygun olan görüntüleme teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde birçok endüstride dijital görüntü işleme tabanlı değerlendirme yöntemleri kullanılmaktadır.
Karbon fiber takviyeli kompozitlerin mekanik davranışı nedeniyle talaşlı imalat işlemlerinde düzensiz formlar, boyutsal farklılıklar ve fiber çekmeleri gözlemlenebilir. Bu nedenle, görüntü işleme yöntemlerini uygulamak için sağlam ve verimli bir matematiksel yaklaşımın kullanılması gerekmektedir. Görüntü işleme, işleme parametreleri ile işleme kaynaklı hasarlar arasındaki ilişkiyi analiz etmeyi hedefleyen ve bu hedefe hizmet eden bir dizi farklı adım aracılığıyla dijitalleştirilmiş görüntüden analiz yapmaya olanak tanıyan bir yaklaşımdır.
Önerilen görüntü işleme yaklaşımı, orijinal görüntünün elde edilmesinden Şekil 4’te özetlendiği gibi kontur tanımlamasına kadar birkaç adımı içerir. Ayırt edilebilir bir kontur oluşturmak için morfolojik görüntü işleme uygulanır. Ayırt edilebilir konturu oluşturduktan sonra, beklenen parça konturu ile ölçülen kontur arasındaki varyasyon hesaplanır. Bu varyasyonlar, talaşlı imalat kaynaklı delaminasyon olarak yorumlanır.
Bu deneysel çalışmada kullanılan görüntü işleme tekniklerinin delaminasyon değerlendirme çalışmaları için uygun ve tutarlı olduğu görülmüştür. İşlenen görüntülerden kesme parametreleri ile kuvvet ve boyutsal değişimler arasındaki ilişki hesaplanır. Bu şekilde, işleme kaynaklı hasarları azaltmak için optimize edilmiş süreç parametreleri tanımlanır. Görüntü dijitalleştirme ve işlemenin, talaşlı imalat kaynaklı hasarları değerlendirmek için yararlı bir yöntem olduğu sonucuna varılabilir.
[caption id="attachment_135245" align="aligncenter" width="482"]
Şekil 4. Dijital görüntü işleme ile hata tespiti[/caption]
Teşekkür
Bu çalışma, sırasıyla S0120 ve 9190018 hibe numaraları ile SMART EUREKA Cluster ve TÜBİTAK tarafından desteklenen COMACH projesinin bir parçasıdır.
Kaynakça
Şekil 1: Machining CFRP/GFRP composite material. (n.d.). Retrieved from https://www.machining4.eu/Technology
Şekil 2: Canadian Metalworking. (2014, December 16). End mills for machining CFRP. Canadian Metalworkings.
Retrieved January 4, 2022, & Machining Carbon Fibre Materials. studylib.net
Şekil 3: Daxi Geng, Yihang Liu, Evaluation and suppression during drilling of composite laminates: A review, Composite Structures, Volume 216,2019, Pages 168-186
Burcu Bilgiç
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi
Sabancı Üniversitesi
Doç. Dr. L. Taner Tunç
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi
Tümleşik Üretim Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi
Sabancı Üniversitesi
