Experimental and numerical investigation of material characterization and flow monitoring in liquid composite molding processes

Sıvı Kompozit Kalıplama (LCM) yöntemleri Fiber Takviyeli Plastik Kompozit (FRPC) üretimi için yaygınca kullanılmaktadır ve bu yöntemlerin en çok kullanılanları Reçine Trasnfer Kalıplama (RTM) ve Vakum İnfüzyon (VI) yöntemleridir. Bu yöntemlerde, cam veya karbon elyaf bazlı kumaş katmanları kalıp içerisine yerleştirilip, kalıp kapatıldıktan sonra, termoset reçine ile ıslatılmaktadır. Kalıbın kuru yer kalmayacak şekilde doldurulması ve bunun tekrar edilebilirliğinin sağlanması, yani öngörülebilir bir akış ilerleyişiyle, yaklaşık olarak tahmin edilen bir sürede başarılabilmesi için kumaş geçirgenliğinin (yani akış direncinin tersi) doğru karakterize edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, VI yönteminde üst kalıp olarak plastik bir torba kullanılmasından ötürü kalıp içerisindeki reçinenin basıncı (dolayısıyla sıkıştırma basıncı) hem konuma hem de zamana bağlı olarak değişmektedir. Bu bağlamda, bu tezde şu konularda inceleme yapılmıştır: (i) elyaf katmanları arasında mikrokapsüller ya da dolgular gibi katı takviyelerin varlığında geçirgenliğin karakterizasyonu ve (ii) kalınlık varyasyonunun basınç dağılımına bağlı olarak arttığı dolum aşaması ve fazla reçinenin kalıptan çıkarılarak kalınlığın ve kalınlık varyasyonunun azaltıldığı dolum sonrası aşamalarından oluşan VI üretim yönteminde, kalınlık değişiminin deneysel olarak gözlemlenmesi ve modellenmesi. Fiber Takviyeli Plastik Kompozit'lere bazı durumlarda parçacıklar halinde katkı maddeleri katılabilir. Örneğin, elyaf katmanlarının bir arada durmasını sağlamak, mekanik, termal ve elektrik özelliklerini değiştirmek veya kompozitlere ek bir fonksiyonu mesela öz-iyileşme özelliği veya batmazlık özelliği katmak amacıyla çeşitli mikroparçacıklar katılmaktadır. Bu çalışmada, katı takviyelerin kumaş geçirgenliği üzerindeki etkisi kumaş katmanlarının arasına cam tozu eklenerek incelenmiştir. Farklı çaplar (40-800 μm) ve hacim oranlarındaki (%2.5, %5, %10) cam tozları, %40 hacim oranındaki örgü cam elyaf katmanları arasına mikroelek kullanılarak elenmiştir. Geçirgenliğin deneysel karakterizasyonunun yanı sıra, X ışınları mikrotomografisi (μ-CT) aracılığıyla mikroyapı incelenmiş ve geçirgenlik ile boşluk boyut dağılımı, boşluk anizotropisi, ve cam tozu dağılımı arasındaki ilişki araştırılmıştır. μ-CT ile elde edilen görüntüler üzerinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve boşluk oranı ile spesifik yüzey alanını baz alan Kozeny modeli kullanılarak geçirgenlik hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. VI yönteminde karşılaşılan kalınlık varyasyonunun anlaşılması ve azaltılması genellikle deneme-yanılma yoluyla olmaktadır. Bu çalışmada, kalınlığın deneysel olarak takibi ve kalınlık değişimini hesaba katan akış modellemesi kullanılması yoluyla, deneme-yanılma bazlı yaklaşıma bilimsel bir alternatif sunulmuştur. Yapısal Işıkla Tarama (SLS) temelli bir sistem, bu ihtiyaca uygunluğu doğrulandıktan sonra, deneylerde parçanın tamamındaki kalınlık değişimini takip etmek için kullanılmıştır. Kontrol Hacmi Sonlu Eleman Metodu (CVFEM) temelli ve geçirgenlik ile sıkışmanın basınca göre değişiminin hesaba katıldığı bir sayısal çözüm geliştirilmiştir. İki farklı senaryo, deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneylerin dolum ve dolum sonrası aşamalarında, kalınlık dağılımı, reçine basıncı ve kalıba giren reçine miktarı ölçülmüş ve simülasyonlar aynı sınır koşulları ve üretim parametreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kalınlık tarama sistemi kalınlığın anlık dağılımının yanı sıra, zaman içindeki değişimini de başarıyla ölçmüş ve deneylerde kalınlığın reçine girişine yakın bölgelerde deney süresince artan reçine basıncı (dolayısıyla azalan sıkıştırma basıncı) nedeniyle arttığını, ve reçinenin en son ulaştığı çıkışa yakın bölgelerle arasındaki kalınlık farkının dolum aşamasının sonunda en yüksek düzeye ulaştığını göstermiştir. Benzer şekilde, dolum sonrası aşamada, reçine basıncının tüm kalıpta neredeyse eşitlenmesi sonucunda, kalınlık varyasyonu önemli derecede azalmıştır. Simülasyonlarda elde edilen kalıp dolum süreleri ve kalıba giren reçine miktarları deneysel sonuçlarla uyum içindedir. Bunun yanı sıra, kalınlık dağılımının dolum aşamasındaki artışı ve dolum sonrası aşamadaki azalışı da başarıyla modellenmiştir.