Vacuum infusion (VI) process modeling and material characterization with viscoelastic compaction models

Vakum infüzyon (VI) imalat usulünde, kuru elyaf yatağı tek taraflı kalıp parçası ve vakum torbası arasında sıkıştırılır, daha sonra termoset reçine infüzyonuyla elyaf takviyeli kompozit parça imal edilir. Vakum torbasının üst kalıp parçası olarak kullanılması imalat masraflarını düşürür, fakat daha önemlisi rüzgâr tribünü kanatları gibi büyük parçaların imalatına olanak sağlar. Çift katı parçalı kalıpla imalat usullerine (Reçine Transfer Kalıplama, RTM gibi) kıyasla, rijit olmayan üst kalıp parçası sebebiyle VI parçalarında önemli miktarda kalınlık varyasyonu olmaktadır. Parça boyut toleranslarının düşük olması gerektiği durumlarda elyaf yatakların sıkışma karakterizasyonunun yapılması gerekmektedir. Sıkışma ve reçine akış modelleri birlikte çözülerek imalat usulü modellenmesi mümkün olur. Elastik modellere kıyasla viskoelastik modeller, elyaf kumaşların zamana bağla sıkışma davranışını temsil edebildiği için avantajlıdır. Sabit baskı basıncında bile, elyaf kumaşların önemli miktarda kalınlık değişimine uğraması nedeniyle, elastik model kullanılması VI simülasyonunun doğruluğunu azaltmaktadır. Elastik modellere kıyasla viskoelastik model kullanarak, daha yüksek doğrulukla VI'ın kalıp dolumu ve dolum sonrası fazlarının modellenmesi mümkündür. Bu, kalıp dolum süresini ve son parça kalınlık dağılımını tahmin etmeyi mümkün kılar. Parametre sayısı ve 𝑅2 göz önüne alındığında, Burgers modelinin diğer 4 modelden daha yüksek performanslı olduğu gözlenmiştir. Fakat Burgers modeli, sabit yük altında fiziksel olarak gerçekçi olmadığı halde sonsuz deformasyona uğramaktadır. Eğer simülasyonda uzatmalı yerleşme zamanı bekleniyorsa, yavaş viskoz davranışlı plastik deformasyonu temsil eden Generalized Maxwell modeli (n=2) kullanılmalıdır. Bu çalışma kompozit imalat literatürüne aşağıdaki katkıları sağlamaktadır: (1) VI da kullanılan elyaf takviye yataklarının sıkışma davranışını temsil eden sıkışma karakterizasyon deney prosedürü tasarlanmıştır; (2) işçilik hatalarını azaltmak ve tekrarlanabilirliğini arttırmak için otomasyona geçirilmiş karaterizasyon deney düzeneği kurulmuştur; (3) keçe ve dokuma elyaf yatak tipleri için, karaterizasyon veri tabanı elde edilmiştir; (4) damper ve lineer olmayan yay kullanan 5 viskoelastik sıkıştırma modeli (Maxwell, Kelvin-Voigt, Zener, Generalized Maxwell ve Burgers) ve 1 elastik model kullanılarak VI'nın farklı fazları incelenmiştir; (5) modellerin karşılaştırmaları yapılarak, farklı elemanların sıkıştırma modeline etkisi ve parametrelerin fiziksel tepkiye katkısı çalışılmıştır. Her bir elyaf tipi için 8 farklı deney seti yapılarak farklı sıkıştırma parametrelerinin (yükleme/boşaltma hızı, relaksiyon basıncı ve numunenin kuru ya da ıslak olması) karakterizasyona etkisi incelenmiştir. VI'ın her bir fazı için diferansiyel denklem çözümleyicilerinin sistem denklemleri üzerinde kullanılmasıyla fazlar arasındaki süreksizlik problemi bertaraf edilmiştir. Reçine akış modeli ve bir viskoelastik modelin (modellemesi istenen VI fazına bağlı olarak tercihen Generalized Maxwell (n=2) veyahut Burgers modeli) beraber kullanılmasıyla, VI dolum sonrası fazında kontrol aksiyonları sonucu oluşan basınç ve kalınlık dağılımı zamana bağlı geçişleri daha yüksek hassasiyetle simüle etmek mümkün olmaktadır. Elastik modeller zamana bağlı tepki veremedikleri için bu durumlarda başarısız olmakta bu sebeple bu çalışmada verilen viskoelastik modeller tercih edilmektedir.