Termoplastikler uçmaya hazır mı?

TUSAŞ tarafından 3 ayda bir yayımlanan "TUSAŞ MAG" dergisinin 114. sayısının “Teknoloji” bölümünde, termoset malzemelerin özelliklerini ve kullanım şekillerini konu edinen bir yazıya yer veriliyor.

"TUSAŞ MAG" dergisinin 114. sayısına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “Termoplastikler Uçmaya Hazır mı?” başlıklı yazıyı, takipçilerimize sunuyoruz:

Her geçen gün yenilenen ve büyük bir değişime uğrayan havacılık sektöründe son yıllarda termoset malzemeler oldukça revaçta. Hava araçlarının ağırlıklarının hafifletilmesinde ve buna bağlı olarak enerji tasarrufunun yapılabilmesinde önemli bir etken olan termoset malzemeler şirketimiz içinde büyük önem arz ediyor. Termoset malzemelerin özelliklerini ve kullanım şekillerini çalışma arkadaşlarımız Teknoloji Geliştirme Mühendis Merve Özkutlu, İleri Malzeme, Proses ve Enerji Teknolojileri Merkezi (İMPET) Şefi Remzi Ecmel Ece, Teknoloji Geliştirme Mühendisi Zelal Yavuz, İleri Malzeme, Proses ve Enerji Teknolojileri Merkezi (İMPET) Şefi Remzi Ecmel Ece, Teknoloji Geliştirme Mühendisi Mete Bakır, Teknoloji Geliştirme Mühendisi Salih Özbay bizler için derledi.

Havacılık sektörü yüksek mekanik performans, hafiflik ve rekabetçi fiyatlandırma için sürekli olarak kendini yenilemek zorundadır. Ağırlıklı olarak metallerin kullanıldığı havacılık araçlarında güç geçtikçe karbon elyaf takviyeli termoset malzemeler daha fazla kullanılmaktadır. Metal malzemeler yerine termoset malzemelerin kullanılması, hava araçlarında ağırlık hafifletilmesi ve bu bağlamda büyük ölçekli enerji tasarrufu sağlamaktadır. Ancak termoset malzemeler, yapılarında bulunan çapraz bağlardan dolayı geri dönüşüme uygun olmayıp, herhangi bir hasarda yeniden şekillendirilememektedir. Bu endişeler nedeniyle havacılık endüstrisi yeni nesil plastik malzemelerin geliştirilmesini hedeflemektedir. Termoplastik malzemeler ısıl işlem uygulandığında yeniden şekillendirilebilmeleri nedeniyle havacılık uygulamalarına bir alternatif olabilmektedir. Polieter eter keton (PEEK), Polifenilen sülfid (PPS) ve Polieter imid (PEI) havacılıkta kullanılan gelişmiş termoplastiklere örnektir. Bu malzemelere ait bazı termal ve mekanik özellikler Tablo 1’de görülebilir.

Termoplastiklerin termosetlerin yerini alması için pek çok neden sıralanabilmektedir. Bunlardan en önemlisi termoplastiklerin otoklav dışı, daha hızlı ve seri üretime yatkın üretim yöntemleriyle üretilebilme potansiyelidir. Termoplastik malzeme kullanımının parça üretim prosesini termoset kullanımına göre %20-30 aralığında kısaltabileceği öngörülmüştür. Bir diğer önemli neden de termoplastiklerin geri dönüştürülebilir olmasıdır. Avrupa Birliği Kara Atıkları Direktifi, rüzgâr türbini kanatları gibi büyük termoset kompozit parçaların gömülerek bertarafını yasaklayan bir yasa çıkarmıştır. Doğası gereği geri dönüştürülebilir olan termoplastik reçineler, artan kompozit atık yönetmelikleri nedeniyle potansiyel olarak daha iyi bir tasarım tercihidir. Termoplastik malzemelerin çevresel avantajlarından biri de düşük yoğunluklarına rağmen termosetlerle aynı mekanik dayanıma sahip olmalarıdır. Bu durumda hafifletilmiş malzemeler uçağın da ağırlığını azaltarak, uzun vadede, büyük oranda yakıt tasarrufu sağlayabilecektir. Örneğin havacılık sektörünün önde gelen isimlerinden GKN, Gulfstream G650’nin tüm kuyruk alanını, irtifa dümenini ve elevatörünü termoplastik malzemeler kullanarak üretmiş, bu sayede bileşenlerin ağırlığını geleneksel malzemelere göre %25 azaltmıştır. Son yıllarda termoplastik malzemelerin, termosetler yerine kullanılmaya başlanmasının bir diğer nedeni de bu malzemelerin, yeniden şekillendirilebilir olmasıdır. Termoplastik parçalar herhangi bir hasar sonrasında uygun bir ısıl işlem uygulanarak tekrar kullanılabilmektedir. Bunun yanı sıra ısı değişimlerinden etkilenmemesi, herhangi bir özel depolama koşulu gerektirmemeleri ve çok uzun raf ömürleri uzun vadede termoplastik malzemeleri termosetlere kıyasla daha ekonomik kılmaktadır. Termoplastik malzemelerin büyük ölçekli kullanımı uzun zamandır planlanmakta olup, THS 9 seviyesindeki uygulamaları yenidir.

Dünya havacılık sektöründe termoplastiklerin yeri

Havacılık sektöründe, termoplastik matrisli kompozit malzemelerin yapısal parçalarda kullanımında öncü olan, en önemli uygulama Fokker 50 uçağının iniş takımları kapısı olmuştur. Kapı, karbon fiber/Polifenilen sülfid (PPS) prepreglerden üretilmiş rib ve spar parçalarını da içermektedir. Bu alanda devam eden çalışmalarla, Fokker Aerostructures BV tarafından hava aracı üretici firması olan Gulfstream Aerospace Corp.’a ait kıtalar arası uçan jetler için 1990’lı yılların ortalarından itibaren yer panelleri tedarik edilmiştir. Geçtiğimiz 10 yıl içerisinde, termoplastik kompozit kullanımı hava araçlarında artarak devam etmiş ve 2002 ile 2007 yılları arasında kullanıma sunulan Airbus A340-600 ve A380’de kaburga kısmında yer alan braketler ile uçak kanat kısmında yer alan rib gibi önemli yapısal parçalarda termoplastik malzemeler göze çarpmaktadır. Bu hava araçlarında, ısı ile birleştirilmiş rib parçaları ile güçlendirilen yapılar kullanılarak alüminyuma kıyasla %20 oranında daha fazla bir hafiflik elde edildiği kaydedilmiştir. Boeing ve Lockheed Martin gibi büyük firmaların bu alandaki Ar-Ge faaliyetleri büyük bir hızla devam etmekle birlikte, Airbus A320neo ve Boeing 737 MAX için gerçekleştirilen malzeme seçim prosesinde termoplastik matrisli kompozitlerin kullanımına verilen öncelik ve bu konudaki yoğun çabalar gelecekteki çalışmaların termoplastik malzemeler üzerine yoğunlaşacağının da habercisidir.

Termoplastikte TUSAŞ

Şirketimizde de termoplastik konusunda gerçekleştirilen çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Şirketimiz, termoplastik kompozitlere yönelik çalışmalarına MİR Ar-Ge ile birlikte “Havacılıkta Kullanılan Karbon Elyaf Takviyeli Termoplastik Reçineli Prepreg Geliştirilmesi (KOZA) Projesi” ile başlamıştır. Termoplastik prepreglerin üretim yöntemlerinin yerli imkânlarla geliştirilmesi, Türkiye’de üretimi bulunmayan bu malzemelerin kazanılması, bu projenin ana hedefidir. Bunun yanı sıra Yapısal Genel Müdür Yardımcılığımız “Termoplastik Malzeme ile Proses ve Ürün Geliştirme” başlıklı proje ile şirket bünyesinde termoplastik kompozit üretim yöntemleri üzerine çalışmaktadır. Katmanlı imalat ve kaynak yöntemleriyle termoplastik parça üretimi de Yapısal Genel Müdürlüğü Yardımcılığımızın hedefleri arasındadır.

İnovasyon Müdürlüğümüze bağlı İMPET Teknoloji Merkezi’nde bu konuda yapılan araştırmalarda, termoplastik reçinelerin temini, üretimi, mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi ve birleştirme teknikleri üzerine çalışılmaktadır. Eylül ayında ilk termoplastik rib parça, kurulan pres cihazıyla sıcak formlama yöntemiyle üretilmiştir. (Resim 1)

Üzerinden çalışılan bir diğer konu da termoplastik parçaların birleştirme teknikleridir. Bu alanda rezistans ve indüksiyonlu birleştirme yöntemleri üzerine yoğunlaşılmış ve cihaz kurulum aşamaları başlatılmıştır. Birleştirme süreç parametrelerinin optimizasyonu amacıyla yürütülen modelleme çalışmalarının gerçekleştirilmesi de hedefler arasındadır. Bunların yanı sıra dışa bağımlılığın azaltılması amacıyla termoplastik prepreglerin üretimi ve modifikasyonları konusunda da çalışmalar yürütülmektedir. Bu alanda kaydedilmesi öngörülen en önemli gelişmeler, prepregler içerisinde kullanılan karbon elyaf malzemelerin modifikasyonları ve matris olarak kullanılacak termoplastik malzemenin mekanik ve ısıl özelliklerini iyileştirecek takviye malzemelerinin çalışılması olacaktır. Termoplastik malzemelerle uyumlu elyaf üretimi çalışmaları için bir deneysel düzenek tasarlanmış ve düzeneğin tedarik işlemleri başlatılmıştır. TUSAŞ’ta termoplastik malzemeler üzerine gerçekleştirilen çalışmalar büyük bir hızla devam etmekte ve kısa süre içinde ürünlere entagrasyon ile ilgili çıktıları olacağı düşünülmektedir.

Mevcut çalışmalar kapsamında şirketimizde, 3 Ekim 2019’da Boeing firması ile bir çalıştay gerçekleştirilmiş ve kullanılabilecek termoplastik yapısal parçalar ile ilgili değerlendirmelerde bulunulmuştur. (Resim 2) Çalıştayda altyapı ve teknoloji yol haritaları üzerine karşılıklı fikir alış verişinde bulunulmuş ve potansiyel iş birlikleri üzerine konuşulmuştur. Bu kapsamda, Boeing’in mevcut ve üretilmesi öngörülen yeni nesil yolcu uçakları için termoplastik kompozit malzemelerin üretilmesi üzerine karşılıklı iş birliği ile teknoloji geliştirilmesi konusunda mutabakat sağlanmıştır. Bu vasıtayla şirketimiz bünyesinde bölümler arası oluşturulan paydaşlık esasıyla inovatif termoplastik kompozit teknolojisi ülkemizde ilk olarak hayata geçirilecektir.