Mini autoclave system for composite curing process

En az iki bileşenden oluşan kompozit malzemeler, imalat kalitesine oldukça bağımlıdır. Kompozitlerin iki fazlı olması nedeniyle, kupon test örneği seviyesinde bile onları imal etmek için özel yöntemler tercih edilmektedir. Çok yaygın olarak kullanılan bir yöntem yüksek sıcaklık ve basınç altında otoklavlar aracılığıyla kürlemedir; bu da boşlukların minimum olmasını ve kalitenin çok iyi elde edilmesine yardımcı olur. Günümüzde otoklav sistemleri, sıcaklık, basınç ve vakum süreçlerinin birlikte uygulanmasını gerektiren sistemlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Otoklavlar işlemlerin fiziksel boyutlarına göre istenilen boyutlarda üretilir ve genellikle sterilizasyon, vulkanizasyon ve kür esaslı üretimde kullanılırlar. Uygulama alanları, tıbbi alanda donanım sterilizasyonu ile havacılık sektöründe çok daha büyük yapıların üretilmesi arasında geniş bir yelpazede bulunmaktadır. Birçok farklı amaçla kullanılmak üzere üretilmiş olan otoklav sistemlerinin yanı sıra, sterilizasyon otoklavları için öncelikli olan sıcaklık kontrolüyken; ileri kompozit üretimi için tasarlanan otoklavlarda başlıca kontrol mekanizmaları sıcaklık, basınç ve vakum kontrolüdür. Otoklavların tasarım ve imalat parametreleri cihazın kullanım alanına bağlıdır, ancak genel olarak sıcaklık, basınç ve vakum miktarı en önemli hususlardır. Otomatik kontrol cihazları, önemli parametreleri zaman içinde ayarlayarak sistemin kullanıcı / süreç gereksinimleri için karmaşık bir kontrol sağlar. Oransal, integral ve türev (PID) kontrol algoritması, sıcaklık, basınç ve vakumun zamana bağlı ve kademeli olarak değiştirilmesi gereken otoklav sistemlerinde genellikle kullanılır. Bu algoritmayı kullanmak için önce sistemin matematiksel modelinin çıkarılması gerekir. Sistemin her bir bölümünün matematiksel modeli diferansiyel denklemler olarak türetildikten sonra sırasıyla Laplace uzayına dönüştürülür ve sistemin transfer fonksiyonu elde edilir. Bu aktarım işlevi, otoklav sisteminin PI kontrolörünü matematiksel olarak ve / veya simülasyon ortamında tasarlamak için kullanılır. Otoklav sistemi için tasarlanmış PI kontrol algoritması, bir elektronik kontrol cihazına yüklenerek sistemi kontrol eder. Gerekli algoritmanın denetleyicileri, programlanabilir mantıksal denetleyiciler (PLC), mikroişlemciler ve mikro denetleyiciler olabilir. Otoklavların gerektirdiği sıcaklık; elektrik ve / veya yanıcı gazlar tarafından sağlanır. Isıtıcı kaynağı, otoklavın boyutuna ve ulaşması gereken maksimum sıcaklığa göre seçilir. Sterilizasyon otoklavları genelde elektrikle ısıtılırken, vulkanize olan ve kompozit üreten otoklavlar elektrik ve / veya yanıcı gazlar tarafından ısıtılır. Yanıcı gazların kullanıldığı büyük otoklav sistemleri genelde yüksek sıcaklıkları, uzun süreler boyunca gerektirir. Bu sebeple ısıl kapasitesi yüksek gazlar, ebatça büyük otoklavlarda tercih edilir. Elektriğin ve yanıcı gazların aynı anda kullanıldığı otoklav sistemlerinde genelde elektrik ön ısıtıcı olarak kullanılmakta, yanıcı gazlar ise sıcaklıkta devamlılık sağlamaktadır. Sadece elektriğin kullanıldığı otoklavlar ise genellikle küçük ebatlarda üretilirler. Havacılık endüstrisinde kullanılan otoklav sistemlerinin amacı, özellikle hava taşıtlarının yapımında kullanılan büyük boyutlu parçaların çok kaliteli üretilme gereksinimidir. Bu parçalar, sıcaklığın, basıncın ve vakumun altında katman olarak hazırlanan kompozit kumaşların sertleştirilmesi ile üretilir. Termoset tabanlı kompozit malzemelerin, mekanik performanslarını arttırmak amacıyla elyaf /reçine oranını arttırmak veya malzeme içerisinde üretim anında oluşan hava boşluklarının tamamen giderilmesi gerekmektedir. Üretim sırasında kalan boşluklar, parçanın mukavemetini düşürmektedir. Standart kompozit üretim metodlarında, parça 1 atm lik hava basıncı altında üretilmektedir. Vakum torbasıyla kompozit üretimi anında parça düzenli, kontrol edilebilir ve 1 atm den yüksek bir basınç altına alınırsa, malzeme içerisindeki hava boşlukları minimuma indirilebilir. Otoklav sistemleri üretilen kompozit malzemenin fiziksel özelliklerini arttırmak için ihtiyacı duyulan dış basıncı uygulayabilen, sıcaklık ve vakum kontrolü bulunan cihazlardır. Dış basıncın miktarı, üretilecek olan kompozitin türüne göre değişmekte ve otoklav sistemide bu ihtiyaca göre tasarlanıp üretilmektedir. Havacılık sektöründe üretilmesi gereken parçaların boyutları büyük olduğundan, otoklav sistemleri de bu gereksinimler doğrultusunda tasarlanıp üretilebilmektedir. Bu tezde tasarlanan ve üretilen otoklav sistemi sıcaklık, basınç ve vakum ortamında kompozit malzemeleri iyileştirmeyi amaçlıyor. Üretilen otoklav, endüstride kullanılan otoklavların boyutundan çok daha küçüktür (30x30x5 cm). Bu küçük çalışma alanının başlıca nedeni, ASTM (American Society of Testing Materials) standartlarına göre mekanik test için kupon örnek boyutlarında havacılık endüstrisinde kullanılmak üzere araştırılmış ve geliştirilmiş olan kompozit malzemeler üretme kabiliyetidir. Araştırma ve geliştirme aşamasında farklı yapısal bileşenlere sahip kompozit malzemeler üretme kabiliyeti, prototip materyallerin mekanik karakterizasyonu için büyük önem taşır. Kompozit malzemelerin üretilmesi amacı, havacılık uygulamaları için önceki malzeme türüne göre daha esnek, daha hafif, daha yüksek mukavemetli ve daha esnek malzemeler sunmaktır. Bu tezde tasarlanacak ve uygulanacak olan otoklav, bahsedilen standartlarda belirtilen mekanik test için yüksek kaliteli kompozit numuneler elde etmeye hizmet edecektir. Bu tezde tasarlanan ve üretilen otoklav çalışma sıcaklığı maksimum 250oC, 7 bar basınç ve -1 bar vakum ortamlarına sahiptir ve sistem ilgili sıcaklık ve basınçta plastik deformasyona uğramamalıdır. Otoklav, odanın iç yüzeyinde yüksek sıcaklık ve basınçta üretilen kuvvetlere dayanmak zorundadır. İç yüzeye uygulanan bu kuvvetler sırasında otoklav sisteminin plastik bozulma yaşamadan esnemesi gerekmektedir. İç yüzeydeki kuvvetler ortadan kalktığında malzeme eski haline tam manasıyla geri dönebilmelidir. Otoklavın cidar kalınlığı tasarımı bu kritere bağlı olarak yapılmıştır. Sistem maksimum çalışma koşullarında çalışırken, otoklavın ürettiği malzemenin bükülme miktarı elastik deformasyon bölgesinde kalmalıdır. Bu nedenle, bu tezde üretilen otoklav için paslanmaz çelik metal tercih edilir. Otoklavın duvar kalınlığı Von Misses analizi ile optimize edilmiş ve cıvataların çapı, cihazı ana gövdeye bağlayan mahfazayı birleştirerek Von Misses analizi ile tekrar hesaplanmıştır. Cihazın ilgili üretim proseslerini gerçekleştirmesi için gerekli ısı miktarı hesaplanmış ve bu ısıyı sağlamak için plakalı ısıtıcı tercih edilmiştir. Otoklav tasarımı ve üretimi tamamlandıktan sonra, kompozit malzeme üretim testleri gerçekleştirilmiş ve cihaz kalibre edilmiştir. Bu özel otoklav, nano-mühendislik ve polimer nanokompozitlerin mekanik özellik araştırmalarına odaklanmış araştırma ve geliştirme projelerinin geliştirilmesi amacıyla İstanbul Teknik Üniversitesi Havacılık ve Uzay Araştırmaları Merkezi'nde (ITUARC) kullanılmaktadır.