Fiziksel ve/veya kimyasal özellikleri birbirinden farklı olan, birden fazla farklı bileşenin bir araya gelerek oluşturduğu üstün özellikli yeni malzemelere "kompozit malzeme" denilmektedir. Odun, diş ve kemik gibi doğada birçok örneği olan kompozit malzemeler; 21. yüzyılda savunma, havacılık, uzay, enerji ve ulaştırma gibi çığır açıcı teknolojilere şekil vermektedir.
Kompozit malzemeyi oluşturan bileşenlere göre proses yöntemleri seçilmektedir. Proseslerin gelişimine bakıldığında basitten kompleks yöntemlere doğru bir evrim olduğu, genel itibariyle üretilecek parçaların mekanik (çekme, basma, kesme mukavemetleri), termal (sıcaklık dayanımları, sıcaklık karşısında genleşme ve çekmeleri), fiziksel (yoğunluk, boşluk oranı) ve çok işlevli (elektriksel, manyetik, vb.) gereksinimleri güdümünde ilerlemiş olduğu gözlemlenmektedir. Polimer matrisli kompozit malzemelerin üretiminde basit araç ve gereçler ile tamamen insana bağımlı olarak değerlendirilebilecek el yatırması tekniğinden robotik teknolojilere kadar araştırmalar ve uygulamalar bulunmaktadır.
Geleneksel polimerik kompozit imalatında takviye ve matris malzemelerinin prosese eş zamanlı dahil olduğu ıslak olarak adlandırılabilecek proseslerin yanı sıra; yarı mamul olarak ön emdirilmiş takviye malzemelerinin (İng. prepreg) kullanıldığı kuru prosesler de tercih edilmektedir. Takviye malzemesinin tipi, açısı, katsayısı; kullanılan matris malzemesi, matris malzemesinin takviye malzemesi ile uyumu gibi konular, kompozit malzeme ve proses konfigürasyonunu belirlemekte ve hedeflenen kompozit malzeme özelliklerinin elde edilmesini sağlamaktadır. "Islak proses" ve "kuru proses" olarak adlandırılan her iki polimerik kompozit yaklaşımında tamamen operatör bağımlı vakum torbalama, vakum infüzyon, reçine geçişli kalıplama (İng. Resin Transfer Molding - RTM) veya yarı otomatik filaman sargı, şerit sargı, presleme yöntemleri kullanılmakta ve proseslerin parametrelerini belirleyen kritik olarak değerlendirilebilecek yerleştirme, serme, strateji uygulama parametreleri operatör kontrolünde gerçekleştirilmektedir. Kompozit malzeme proses konfigürasyonundaki katmansal dizilim ve açı, ara proses ve malzeme kaynaklı uygunsuzlukların operatör uygulama ve kontrolünde gerçekleştiriliyor olması, istenilen geometride imalatın ilgili gereksinimler ile sağlanamamasına sebep olabilmektedir. Ayrıca geleneksel kompozit teknolojileri ile kompleks geometrili parçaların tek seferde üretimi mümkün olmayıp; ikincil kompozit prosesi veya talaşlı imalat proseslerine ilgili gereksinimlerin sağlanabilmesi için ihtiyaç duyulabilmektedir.
4. Endüstri Devrimi (Endüstri 4.0) ve robotik alanındaki gelişmeler, otomasyon ve dijitalleşme ile desteklenerek farklı sektörlerde uygulama bulmaya başlamıştır. Bu uygulamaların 21. yüzyılın imalat teknolojilerinde belirleyici olacağı aşikardır. Polimerik kompozit malzeme proses teknolojilerinde, bu teknolojik gelişmeler yakından takip edilerek hızlı bir şekilde uygulama bulmaya başlamıştır.
Gelenekselden robotik imalat teknolojilerine geçişte, aşağıda belirtilen polimerik kompozit imalat teknolojisi alanlarında birçok araştırma ve uygulama bulunmaktadır:
1. Takviye malzemesi olan elyaf temelli kumaş ve ön şekil üretimlerinde kullanılan üç boyutlu dokuma ve örme teknolojileri
2. Polimerik kompozit üretim proseslerinde bant temelli üretim yaklaşımları için robotik kesim, seçme ve yerleştirme (İng. pick and place), yapıştırma, montaj, talaşlı imalat prosesleri ile tahribatsız muayene ve metroloji süreçleri
3. Otomatik Fiber Serme - OFS (İng. Automated Fiber Placement - AFP) makinaları
Polimerik kompozit prosesleri arasında en eski otomatik imalat teknolojilerinden olan filaman sargı prosesinin, gelişen robot teknolojisi etkisiyle yeni bir hâl aldığı OFS makinaları büyük boyutlu, kalın ve kompleks geometriye sahip parçaların imalatında; özellikle savunma, havacılık ve uzay uygulamalarında tercih edilmeye başlanmıştır. Filaman sargı makinalarına göre çok daha fazla eksende hareket kabiliyetine sahip malzeme besleme kafasında bulunan farklı tipteki kuru ve ön emdirilmiş formda elyaf ve şerit kumaşlar, farklı bir eksen takımı üzerine oturtulmuş kalıp üzerine uygulanarak, toplamda 20’den fazla eksende hareket ile serim prosesleri gerçekleştirilebilmektedir. Takviye malzemesi olarak kuru elyaf veya kumaş, termoset veya termoplastik matrisli ön emdirilmiş elyaf veya kumaşın kullanılabildiği OFS makinalarında, Şekil 1’de gösterildiği üzere serim kafası üzerinde bulunan ultraviyole (UV), kızılötesi (IR) veya sıcak gaz kaynağı ile kalıp üzerine pozisyonlanacak malzemenin ön ısıtması ve sıkıştırma silindiri yardımıyla ön şekil verilmesi sağlanabilmektedir. OFS makinası üzerinde bulunan malzeme kesim sistemi, üretilecek parça üzerinde yaratılmak istenen pencere, boşluk, yarık gibi tasarımsal detayları içeren net geometride imalat sağlamaktadır. Bu durum, üretilecek kompozit parçanın ikincil bir talaşlı imalat prosesine gerek kalmaksızın, süre, maliyet ve olası ikincil proses hatalarının önüne geçme yönünden avantajları ile üretime imkân sağlamaktadır. OFS prosesinde üretim izleme yöntemlerinin geliştirilmesi konusu ise makine üreticilerinin ve bilim insanlarının üzerinde çalıştığı yeni bir konudur. Bu yaklaşım ile OFS makinesine tanımlanacak hataların OFS serim kafasına entegre edilecek yüksek çözünürlüklü kamera yardımıyla proses esnasında izlenerek tespit edilmesi amaçlanmaktadır.
Savunma, havacılık ve uzay sektörlerinin lokomotif olduğu robotik teknolojiler, özellikle bu sektörlerin gereksinim duyduğu büyük boyutlu, kompleks geometrili, aşırı yapısal, çevresel ve çok işlevli özelliklerin ön plana çıktığı; proses hatalarına toleransın olmadığı parça imalatları için tercih edilmektedir. Polimerik kompozitlerde operatör bağımlılığını, makina-insan iletişimine indirgeyen bu teknolojinin polimerik kompozitlere olan güveni artırarak, diğer malzeme ve proses alternatiflerine göre kompozitleri ve robotik prosesleri tercih sebebi yapacağı aşikardır.
OFS konusundaki çalışmalar son dönemde daha kompleks veya çift eğrili (İng. double curvature) ve büyük geometrili parçaların imalatı konusuna yoğunlaşmaktadır 2]. OFS’de kullanılan robot sisteminin yol planlama ve hesaplamaları, yol düzeltme programlamaları ve simülasyonları üretilecek parçada serim sonrası oluşacak istenmeyen hataları minimize etme noktasında kritik öneme sahiptir 3]. OFS ile üretilen parçalarda proses doğasından kaynaklanan boşlukların proses esnasında matris akış kanalı olarak değerlendirilebileceği gibi; boşlukların istenmediği durumlarda takviye malzemelerinin üst üste binecek şekilde tasarımlarının gerçekleştirilmesi gerekmektedir. OFS proseslerinin proses esnasında çevrimiçi robot yolu düzeltmesi 4]; OFS proseslerinin modellemesi ve simülasyonu 5]; OFS’de elektron ışını şekillendirme 6]; OFS temelli ve entegre katmanlı imalat proseslerinin geliştirilmesi 7] ve Şekil 2’de gösterildiği üzere çoklu robotik OFS cihazlarının kullanıldığı proses sistemleri konularında literatürde birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalar, OFS’nin uygulama sektörlerinde ihtiyaç ve problemli görülen noktaları iyileştirilmesini hedeflemektedir.
OFS prosesi ile NASA’nın uzay uygulamalarına yönelik kriyojenik tank (Şekil 3); ESA’nın uzay ve roket-füze uygulamalarına yönelik termoplastik motor gövdesi (Şekil 4) üretimine yönelik çalışmaları bulunmaktadır. Bu çalışmaların birçoğu tamamlanma aşamasına gelmiş olup, yüksek Teknoloji Hazırlık Seviyelerine (THS) ulaşılmıştır. Bu çalışmalarda OFS cihazı üreticisi olan firmalar ile malzeme ve parça üreticisi firmaların yakın çalışmaları neticesinde başarıya ulaşılmış olduğu gözlemlenmektedir.
Roketsan’ın Otomatik ve Robotik Kompozit İmalat Projeleri
Roketsan Operasyonlar ve Enerjik Sistemler (OES) Genel Müdür Yardımcılığı, Malzeme Teknolojileri Müdürlüğü tarafından yürütülmekte olan otomatik ve robotik imalat teknolojilerinin kullanıldığı birçok çalışma bulunmaktadır. Üç boyutlu dokuma ve robotik örme teknolojilerinin kullanıldığı Roketsan projelerinde parça ve proses geliştirme faaliyetleri tamamlanmış olup kalifikasyon süreçleri devam etmektedir.
Bir diğer robotik kompozit imalat çalışması ise 2019 yılında tamamlanan Avrupa Birliği destekli “EIROS - Buzlanmaya ve Aşınmaya Dayanıklı Kompozit Malzemelerin Geliştirilmesi” projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada Roketsan’ın proje partnerlerinden İngiltere’de yer alan National Composites Centre (NCC) altyapısında bulunan Coriolis marka OFS makinesi kullanılmıştır. Bu proseste EIROS projesi kapsamında Roketsan’ın uzay uygulamalarına yönelik kriyojenik tank geliştirme çalışmaları kapsamında potansiyel olarak belirlenen malzeme ve proses kombinasyonları kullanılarak, test plakası üretim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı plaka seviyesinde Roketsan altyapısında filaman sargı tekniği; NCC altyapısında OFS ve sonrasında RTM ve vakum infüzyon teknikleri ile üretilen test plakalarının proses edilebilirlik, maliyet, süre ve elde edilen malzemenin karakterizasyon testleri sonuçları açısından farklılıklarını ortaya koymaktır. Çalışma neticesinde elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde; proseslerin kendi içerisinde avantaj ve dezavantajlarının bulunduğu saptanmış olup parça gereksinimlerine göre ilgili prosesin seçilmesinin önemi anlaşılmıştır.
Malzeme Teknolojileri Müdürlüğü tarafından, 2020 yılında başlatılan robotik kompozit imalat yöntemleri ile ilgili son proje ise “Havacılık/Uzay Uygulamaları için Otomatik Fiber Serme Yöntemi ile Tasarım, Üretim, Kalite Kontrol Yöntemlerinin Geliştirilmesi ve Geliştirilen Yöntemlerin Doğrulanması” isimli TÜBİTAK 1003 programı destekli projedir. Sabancı Üniversitesi - KTMM (Kompozit Teknolojileri Mükemmeliyet Merkezi) ana proje ve Roketsan alt proje yürütücülüğünde sürdürülecek projenin amacı, Roketsan’da mevcutta geleneksel yöntemler ile üretilen bir kompozit parçanın OFS ve geleneksel yöntem ile tasarım, analiz, üretim, üretim izleme ve doğrulama aşamalarının karşılaştırmalı olarak çalışılması ve Roketsan uygulamalarına yönelik robotik OFS yöntemi ile üretimin fizibilite çalışmasının yapılmasıdır.
Kaynak: Roketsan dergisi 17.sayısı / Lider Mühendis Erdal Sapancı / Yönetici Mühendis Dr. Sıla Güngör
