Havacılık ve uzay sektöründe kullanılan termoplastik kompozit malzeme (TPC) nedir?

Havacılık ve uzay endüstrisi için termoplastik kompozit malzeme

Havacılık ve uzay alanında yaygın olarak kullanılan termoplastik kompozit matris malzemeleri arasında polieterimid (PEI), polietereterketon (PEEK), polieterketonketon (PEKK), düşük erime noktalı poliarileterketon (LMPAEK), polifenilen sülfür (PPS), ABS vb. Bu malzemeler genellikle cam elyaf (GF) veya karbon elyaf (CF) ile takviye edilir.

Termoplastik kompozit malzemeler (TPC), havacılık ve uzay alanında sivil havacılık imalatında, savunma ve askeri teçhizat üretiminde, uzay araştırmalarında ve ilgili bilimsel araştırma projelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Günümüzde ticari havacılık uygulamaları sektörde önemli bir paya sahiptir ve sürekli araştırma ve geliştirme çalışmaları sayesinde TPC’nin uygulama alanını sürekli olarak genişletmektedir.

2019 yılında yapılan bir pazar araştırması, havacılık ve savunma endüstrileri için termoplastik kompozit malzemelerin pazar büyüklüğünün 636,5 milyon ABD dolarına ulaşmasının beklendiğini ortaya koydu; bu durum, bu malzemeye gösterilen ilginin giderek arttığını yansıtmaktadır.

1980’lerden bu yana, TPC’nin havacılık ve uzay alanındaki kullanımı genişlemeye devam etmiş ve uygulama alanı sürekli olarak genişlemiştir. Şekil 1, havacılık ve savunma endüstrilerinde TPC'nin birkaç önemli uygulama örneğini göstermektedir. Örneğin, Airbus için geliştirilen CF-PPS tabanlı J-burun bileşeni, ticari havacılıkta TPC'nin uygulanmasının temelini oluşturmuştur.

Şekil 1: Havacılık ve Uzay Alanında Termoplastik Kompozit Malzemelerin Başlıca Uygulamaları

Termoplastik kompozit malzemeler, uçakların yapısal ve yapısal olmayan bileşenlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. 1990’lı yıllardan bu yana, TPC, iniş takımı kapaklarının kirişleri ve kanat kirişleri gibi önemli bileşenlerde kullanılmaktadır. Bu malzemelerin en büyük kullanıcılarından biri olan Airbus, A340-600 ve A380 modellerinde termoplastik kaplamalar, paneller ve ön kenar bileşenleri kullanmaktadır.

Bunun yanı sıra, TPC ticari uçaklarda, jetlerde ve askeri helikopterlerdeki klipsler, kelepçeler, braketler ve zeminler gibi küçük bileşenlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Gulfstream G650 uçağında TPC tarafından üretilen dümen ve kuyruk kanatlarının kullanılması buna tipik bir örnektir.

Yaygın olarak kullanılan termoplastik iç mekan bileşenleri arasında koltuk şasileri, koltuk arkalıkları, tepsiler ve koltuk iskeletleri yer alır. Airbus A330 ve A340 modellerinde yan duvarların ve tavan bağlantı raylarının üretimi, kabin uygulamalarına ilişkin tipik bir örnektir. TPC’den üretilen yaygın bileşenler arasında kirişler, braketler ve takviye kirişleri bulunur.

 

3D Baskı teknolojisi

3D baskı teknolojisi, havacılık ve uzay endüstrisine yeni uygulama olanakları sunuyor. Şu anda birçok havacılık ve uzay şirketi, 3D baskılı termoplastik bileşenleri test ediyor ve kullanıyor; bu bileşenlerin hızlı ve hassas üretim avantajlarından tam olarak yararlanıyorlar. Örneğin, Boeing, 737, 747, 777 ve 787 Dreamliner serilerinde 3D baskılı parçalar kullanmıştır ve yalnızca 787 modeli $3 milyon gelir elde etmiştir. Bu teknoloji, özellikle karmaşık geometrik şekillere sahip parçaların hızlı ve hassas bir şekilde üretilmesi için uygundur. Airbus A350 XWB uçağı, bin adetten fazla PEI bazlı 3D baskılı bileşen kullanmaktadır; bu da büyük uçaklarda ve gelecekteki havacılık projelerinde 3D baskı teknolojisinin uygulanmasının önünü açmaktadır. Hızlı, hafif, dayanıklı ve yüksek hassasiyetli özellikleriyle bu teknoloji, geleneksel malzemelerin ve süreçlerin yerini kademeli olarak almaktadır.

Birçok havacılık ve uzay şirketi, büyük ve küçük roket bileşenlerini üretmek için farklı termoplastik işleme teknikleri kullanmaktadır. Örneğin, ATEK projesinde [4], Alman Havacılık ve Uzay Merkezi, alüminyum bazlı ana yapıyı yerinde üretilen CF-PEEK kompozit malzemelerle değiştirmiş ve bunları sondaj roketi test bileşenleri için kullanmıştır. Proje, üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla yeniden kullanılabilir ve geri dönüştürülebilir uzay aracı bileşenleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. İlgili araştırmalar için lütfen şekle bakınız.

Resim: ATEK programında kullanılan roket ve CF-PEEK termoplastik kompozit malzemelerle değiştirilen orijinal alüminyum bileşenler.

Airbus, ekonomik açıdan verimli uçak kanatları üretmek üzere yeni malzemelerden yararlanan yeni üretim süreçleri geliştirmek amacıyla birçok havacılık şirketiyle işbirliği yaparak 2015 yılında “Wings of Tomorrow” (WOT) projesini başlattı. WOT çerçevesi kapsamında GKN Aerospace, performansı alüminyum veya termoset kompozit malzemelerle karşılaştırılabilir düzeyde olan termoplastik kompozit kanat kirişi malzemeleri geliştirdi ve bu malzemelerle korozyon direncini artırırken ağırlığı da azalttı.

Birçok Avrupa havayolu şirketi ve kurumu, havacılık endüstrisinde termoplastik kompozit malzemelerin (TPC) geliştirilmesini ve uygulanmasını teşvik etmek amacıyla işbirliği yapmıştır. “Termoplastik Ekonomik Uçak Ana Yapı İttifakı” (TAPAS) projesi, TAPAS1 ve TAPAS2 olmak üzere iki aşamaya ayrılmıştır.

Hollanda, TAPAS projesini ilk olarak 2009 yılında başlatmış ve 2017 yılına kadar sürdürmüştür; bu proje, yeni TPC bileşenlerinin araştırma ve geliştirilmesini ortaklaşa desteklemek üzere çok sayıda havacılık şirketini ve kurumunu bir araya getirmiştir. TAPAS1 projesi kapsamında gösteri amaçlı bileşenlerin, gövdenin ve tork kutusunun üretimi tamamlanmıştır; TAPAS2 projesi ise yeni bir tork kutusu ve gövde teknolojisi geliştirmiştir. Şu anda bu projeler, teknik çözümleri daha da iyileştirmek ve işbirliğinin kapsamını genişletmek amacıyla “Clean Sky” programı kapsamında koordine edilmektedir.

Clean Sky (2008-2016) ve Clean Sky 2 (2017-2021), AB’nin Horizon 2020 programının önemli bileşenleridir. “Clean Sky 2” programındaki en önemli başarılardan biri, maliyetleri ve ağırlığı azaltmak amacıyla termoplastik kompozit malzemelerden üretilen ve kabin sistemlerinde kullanılması planlanan çok işlevli bir gövde prototipinin piyasaya sürülmesidir. Planlanan uçak yapısı şemada gösterilmiştir.

Resim: Termoplastik kompozit malzemeden yapılmış gövde bölümü

 

PEKK ve LMPAEK’in havacılık ve uzay alanındaki uygulamaları

Havacılık alanındaki deney ve araştırmalara bakıldığında, poliarieterketon (PAEK) malzeme ailesinden PEEK, PEKK ve LMPAEK en yaygın olarak kullanılan ve en geniş uygulama alanına sahip malzemelerdir. Örneğin, TAPAS2 projesinde GKN Fokker, termoplastik kompozit gövde malzemelerinin maliyet etkin bir şekilde üretilmesini sağlamak amacıyla “Docking Orthogonal Grid Technology” (Ortogonal Izgara Birleştirme Teknolojisi) sistemini piyasaya sürdü.

Bir diğer önemli uygulama ise, “Clean Sky” ekolojik tasarım projesine ait bir tanıtım örneğinde CF/PEEK menteşeleri, CF/PEEK klipsleri ve CF/PEEK C-çerçevelerini birleştirmek için çevrimiçi ultrasonik nokta kaynak teknolojisinin kullanılmasıdır [9]. Araştırmalar, gerçek ihtiyaçlara göre farklı malzemelerin seçilip aynı ürün içinde birleştirilebileceğini göstermiştir.

PEKK, sadece havacılık ve uzay sektörü için uygun olmakla kalmayıp, uzay yapıları alanında da geniş bir uygulama potansiyeline sahiptir. Lockheed Martin Space Company, NASA’nın Orion uzay aracı için yeni nesil 3D baskılı termoplastik bileşenler geliştiriyor ve bu konuyla ilgili araştırma ve geliştirme projeleri yürütüyor.

Üretim verimliliğini ve uçak üretim hızını artırmak amacıyla, havacılık endüstrisi uçak yapılarının tasarım ve üretim süreçlerinde sürekli yenilikler yapmaktadır. Bunlar arasında, kapsülleme kalıplama için PEEK kullanımı temsil edici bir teknolojidir. Örneğin, şekilde gösterilen PEEK ızgara takviyeli demonstrasyon paneli, sıkıştırma kalıplama ve enjeksiyon kalıplama süreçlerini birleştirerek, sürekli elyaf kompozit malzemelerin yüksek performansını enjeksiyon kalıplı ızgaraların geometrik sertliğiyle bir araya getirmektedir. Tüm kalıplama döngüsü iki dakikadan az sürmekte ve bu da önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlamaktadır.

Resim: Kapsülleme teknolojisiyle üretilmiş CF/PEEK ızgara takviye prototipi

LMPAEK, Clean Sky 2 büyük uçak test projesinde tek yönlü (UD) prepreg olarak kullanıldı ve 30 aylık proje kapsamında üretilen ilk lamine panellerden biri oldu. LMPAEK ilk olarak TAPAS1 projesinde tanıtılmış ve Airbus Nantes, 2013 Paris Havacılık Fuarı'nda entegre takviye çubuklarına sahip bir gövde paneli sergilemiştir. Panel, TenCate tarafından sağlanan CF/LMPAEK bandı kullanılarak üretilmiş ve Otomatik Elyaf Yerleştirme (AFP) işlemiyle kaplamaya kaynaklanmış Omega ve T-kirişler eklenmiştir. AFP, damgalama ve kaynak işlemleri, otomatik bant serme (ATL) gibi otomatik üretimde iyi performans gösteren LMPAEK'in işlenmesi için özellikle uygundur. Şekil 11, ATL ve sıkıştırma kalıplama süreçleri kullanılarak üretilmiş bir lamine levhayı göstermektedir.

 

PPS kompozit malzemeler

Polifenilen sülfür (PPS) kompozit malzemeler, havacılık ve savunma endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve devre kartları, soketler, fişler, elektronik bileşenler ve uçaksavar sistemlerinde kullanımları onaylanmıştır.

Termoformlama, sıkıştırma kalıplama ve enjeksiyon kalıplama gibi termoplastik malzemelerin yaygın üretim süreçleri genellikle yüksek sıcaklık ve yüksek basınç ortamları gerektirirken, polieterimid (PEI) ise yüksek sıcaklık direnci ve istikrarlı mekanik özellikleri sayesinde geniş uygulama olanaklarına sahiptir. 3D baskı teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, şirketler havacılık ve uzay alanında birçok çığır açan gelişme kaydetmiş ve ilgili araştırmalar için yeni örnekler sunmuştur. Bu teknoloji, yüksek kaliteli prototiplerin, fikstürlerin ve küçük seri parçaların hızlı bir şekilde üretilmesini sağlar. Örneğin, Aurora Flight Sciences, Stratasys ile işbirliği yaparak dünyanın ilk 3D baskılı jet drone’unu geliştirdi; bu drone’un ortak bileşenlerinden 80%’si PEI bazlı malzemeler kullanılarak basıldı. Genel tasarım, hafiflik, yüksek hız ve yüksek üretim verimliliğini bir araya getiriyor.

 

ABS kompozit malzemeler

ABS, genellikle yüksek mukavemet ve yüksek sıcaklık direnci gerektirmeyen uygulamalarda, geleneksel havacılık malzemelerine hafif bir alternatif olarak kullanılır. Diğer malzemelerle modifikasyon veya karıştırma yoluyla, ABS istenen performansı elde etmek üzere önemli bileşenlerin üretiminde de kullanılabilir. ABS ve karışımları, mükemmel kimyasal dirençleri ve alev geciktirme özellikleri nedeniyle ticari uçak kabin iç mekanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. ABS, aşırı yüksek yapısal mukavemet gerektirmeyen, ancak hafif, ekonomik, dayanıklı ve bakımı kolay bileşenler için ideal bir seçimdir. Örneğin, CF/ABS termoplastik kompozit sandviç yapılar, quadcopter'lar için çift eğimli sabitleme aparatlarının üretiminde kullanılmıştır ve testler, bu yapıların performansının geleneksel tek parça yapılara göre daha üstün olduğunu göstermiştir.

 

TPC malzemeleri

Termoplastik kompozit malzemeler (TPC), sahip oldukları avantajlar sayesinde havacılık ve uzay endüstrisinde geleneksel malzemelere karşı giderek önemli bir alternatif haline gelmektedir. Geri dönüştürülebilir, şekillendirmesi kolay, kaynaklanabilir, hafif ve dayanıklı TPC malzemeleri, uzun yıllardır bu alanda önemli bir araştırma ve uygulama alanı oluşturmaktadır. Buna ek olarak, 3D baskı teknolojisi, insansız hava araçları ve diğer havacılık ve uzay alanlarında termoplastik kompozit bileşenlerin imalatı için özellikle uygundur.

Öte yandan, geri dönüştürülebilirlik özelliği sayesinde TPC, gelecekteki havacılık ve uzay projelerinde önemli bir uygulama potansiyeline sahiptir. MQ ayrıca, üst düzey malzemeler için ekstrüzyon üretim hatları sunmaya kararlıdır; bu sayede yüksek performanslı malzemelerin özellikleri daha da öne çıkacaktır.