A robust process model with two-stage optimization methodology for liquid composite molding process

Sıvı Kompozit Kalıplama Yöntemi (Liquid Composite Molding, LCM) ön şekillendirilmiş kuru kumaşın (dry preform) kalıp boşluğuna yerleştirildiği ve ardından kuru kumaşın reçine sistemi ile doldurulduğu gelişmiş kompozit üretim yöntemi ailesidir. LCM için son parçanın başarısı büyük ölçüde reçine sisteminin kuru kumaşı ıslatabilme başarısına bağlıdır. Bu başarı için, reçine giriş ve hava çıkış yerleri, yani kapıların yerleşimi büyük önem taşımaktadır. Aksi takdirde, tolerans değerlerinin ötesinde oluşan hava boşlukları ve kuru noktalar ile üretim başarısız olur. Ek olarak, bu başarının düşük dolum zamanlarında elde edilmesi gerekmektedir. Böylece, LCM işlemi, boşluk içeriği ve dolum süresinin en aza indirilmesi yoluyla geliştirilebilir. LCM sürecindeki reçine akışının matematiksel modellemesi, kütle korunumu ve Darcy Kanunu ile çözülen gözenekli ortam akışı ile gerçekleşmektedir. Reçine basınç gradyanını reçine hızı ile ilişkilendiren Darcy Kanunu, iki malzeme özelliği gerektirir: kuru kumaşın geçirgenlik tensörü ve reçine viskozitesi. Geçirgenlik tensörü bir preform özelliğidir ve preform boyunca akış kolaylığını gösterir. Genel olarak, LCM modelleri için, geçirgenlik değeri, kumaş için homojenite varsayımıyla sabit değerler olarak tanımlanır. Ancak, kalıbın veya eklerin ve kumaşın kenarları ve köşeleri arasında oluşturulan açık kanallardan (race-tracking channels) geçirgenlikte farklılıklar oluşmaktadır. Akış modellerini etkileyen diğer bir özellik olan viskozite, reçine sisteminin preform boyunca akışının direncini yansıtır ve sıcaklık ve zamanla değişimler gösterir. İdeal LCM modellemenin neden olduğu tahmin edilen ve gerçek değerler arasındaki farklar, model tahminlerinin gerçek faydasını, özellikle de optimizasyonu olumsuz yönde etkiler. Bu nedenle, modelin doğruluğu, zaman ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak yarış izleme olanakları ve viskozite ile doğru geçirgenlik verilerini gerektirir. Bu çalışmada, daha gerçekçi geçirgenlik ve viskozite parametreleri kullanarak boşluk içeriğini ve dolum süresini optimize etmeyi amaçlayan yeni bir LCM modelleme ve optimizasyon yaklaşımı sunulmaktadır. İki aşamalı bir optimizasyon yaklaşımı sunan bu çalışmada, ilk aşamada giriş ve çıkış lokasyonu optimizasyonu Genetik Algoritma (GA) adaptasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Açık kanal oluşma olasılıkları açısından geçirgenlik varyasyonlarını içeren GA uyarlaması, eşit oluş olasılıkları ile tüm olası açık kanal olasılıkları için çalışan optimum giriş ve çıkış konumlarını tanımlamaktadır. Ayrıca, GA adaptasyonu, çoklu giriş ve çoklu çıkış optimizasyon uygulamaları ile dolum süresinin daha da azaltılmasını sağlar. Daha sonra, ikinci aşamada, birinci aşamadaki kapı konumlarının kullanılarak, dolum süresi ve boşluk yüzdesi, özel olarak tasarlanmış yüksek geçirgen bir katman (distribution media, DM) yerleştirilerek daha da iyileştirilmiştir. Bu aşama, açık kanal sorunundan kaynaklanan tüm olası akış bozuklukları için minimum boşluk yüzdesi ve minimum dolum süresi ile başarısını Ayrık Optimizasyon algoritması ile DM katmanının yerleşim tasarımını içermektedir. Daha sonra bu metodoloji, farklı kısıtlamalar altında çeşitli karmaşık geometriler için Sıvı Enjeksiyon Kalıplama Simülasyonu (LIMS) kullanılarak sayısal olarak doğrulanmıştır. Reçine sistemi için viskozite değişimi ticari olarak temin edilebilen bir epoksi sisteminden elde edilmiştir. Geçirgenlik değişimi, kenarlarda çok yüksek geçirgenlik değerlerine sahip açık kanallara olarak tanımlanmıştır. Ek olarak, iki aşamalı optimizasyon metodolojisinin kullanılmasıyla, amaç fonksiyonu tanımlarındaki basitleştirmeler nedeniyle hesaplama süresi düşürülmüştür.