Bir uçak kompozit yapısal bileşeninin sürdürülebilirlik odaklı tasarımı

Bu tez sürdürülebilir tasarım ilkeleri doğrultusunda karbon elyaf takviyeli Poly-Ether-Ketone-Ketone (PEKK/KF) matrisli kompozit malzeme rib (kaburga) yapısal uçak parçası üzerinden termoplastik kompozitlerin yeniden şekillendirilebilirlik özelliğini kullanarak çok yönlü bir araştırmayı ortaya koymayı amaçlamaktadır. Tasarım sürecine mekanik performans değerleri yanında; ekonomik, çevresel etki ve döngüsellik kriterlerini de tasarım sürecine dahil ederek bütüncül bir yaklaşım sunulmuştur. Sürdürülebilirlik odaklı yaklaşımla havacılıkta yaygın olan termoset kompozitlere karşı, termoplastik malzemeler yeniden şekillendirilebilir ve döngüsellik özelliğiyle tasarım odaklı bir alternatif olarak ortaya konmuştur. Bu kapsamda, termoplastik yapısal rib (kaburga) parçalarına çoklu termal çevrim (0.–2. çevrim) uygulanmıştır. Yapılan deneysel testlerin sonuçları çevrimlerin mekanik performans karşılaştırmalarına girdi oluştururken; Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (Life Cycle Assessment, LCA) ve Yaşam Döngüsü Maliyeti (Life Cycle Costing, LCC) değerleri yardımıyla çevresel etki ve maliyet karşılaştırmasına veri sağlamıştır. Rib (kaburga) uçak yapısal parçası, Toray Cetex TC1320 PEKK/CF bazlı, 14 katmanlı [45,0,90,-45,90,0,45]_s dizilimli malzemeden üretilmiştir. Parçalar ilk olarak tahribatsız muayene yöntemleriyle taranmıştır. Farklı çevrimlere (0.–2. çevrim) giren parçalardan alınan numunelerde basma testi (ASTM D6641/D3410) ile kiriş(chord) modülü ve basma dayanımı; diferansiyel taramalı kalorimetri (DTK) yöntemiyle kristallenme oranı; termogravimetrik analiz (TGA) yöntemiyle de ısıl bozulma ve kütle değişimi değerleri tespit edilmiştir. Elde edilen veriler tekrarlanan çevrimlerde termoplastik (TP) malzemenin değişen mekanik ve malzeme performansı değerlerine girdi oluşturmaktadır. Sürdürülebilirlik analizinde çok kriterli karar verme metotlarından Analitik Hiyerarşi Süreci (Analytic Hierarchy Process, AHP) ve İdeal Çözüme Benzerliğe Göre Tercih Sıralama Tekniği (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS) yöntemleriyle kullanılmıştır. Bu çalışmada sürdürülebilirlik analizi 3 uzman katılımcı tarafından yapılan değerlendirmeye göre hesaplanmıştır. Termal işlem görmemiş laminat plaka numunesinin maksimum basma kuvveti 4660,4 N, basma dayanımı 233,5 MPa, kiriş(chord) modül 13,4 GPa bulunmuştur. Laminat plakadan 3. çevrime kiriş(chord) modül %58,9 artışla 13,4 GPa'dan 21,3 GPa'ya yükselirken, basma kuvveti %7,8 düşerek 4295,1 N ve buna paralel olarak da basma dayanımı aynı oranında düşerek 214,7 MPa bulunmuştur. Kristallik %15,52'den %20–23 bandına çıkmış; TGA başlangıç bozunma sıcaklığı 550 °C'den 350 °C'ye gerilerken toplam kütle kaybı %12,72'den %20,89'a yükselmiştir. Sürdürülebilirlik analizi değerlendirmesinde hesaplanan TOPSIS yakınlık katsayıları: TP (0. Çevrim) 0,729, termoset (TS) 0,633, TP (1. çevrim) 0,485, TP (2. çevrim) 0,364 olarak bulunmuştur. Çevrim sayısının tekrarlanmasıyla artan kristallik oranı, artan elastik modül eğilimini doğrularken; azalan ısıl kararlılık ve artan mikroyapısal hasarlardan kaynaklı etkilerin dayanımda azalmaya sebep olduğu görülmüştür. Sürdürülebilir odaklı tasarım analizinde çok kriterli karar metoduyla yapılan karşılaştırmada en iyi alternatif TP(0. çevrim) malzemesi olmuştur. Sıralamayı termoset (TS), TP (1. çevrim) ve TP (2. çevrim) malzemeleri takip etmiştir.