Derin Okuma — Otoklav Kompozit

Yedi kat, bir fırın, bir ömür

Bir Boeing 787 gövdesi, Charleston'daki dev bir çelik silindirin içine kayar. Silindirin çapı altı metreye yakın, boyu bir futbol sahasından uzun. İçeride karbon prepreg katmanları, henüz yumuşak, henüz kararsız. Kapı kapanır. Sıcaklık ve basınç tırmanmaya başlar. Yedi saat sonra açıldığında, içerideki şey artık bir uçak parçasıdır. Ama o yedi saatte ne olduğunu kimse dışarıdan göremez.

Otoklav kompozit, bu görünmez yedi saatin mühendisliğidir. Havacılık gövdesinin yarısından fazlası artık bu fırından çıkıyor. Peki neden bir fırın, bir kalıptan daha önemli hale geldi?

Reçine neden akmak zorunda

Karbon fiber tek başına bir yapı değildir. İpek gibi bir kumaştır. Çekici, hafif, ama kendi başına yük taşımaz. Onu yapıya çeviren şey, içine emdirilmiş reçinedir. Prepreg denen bu yarı-hazır malzeme, fiberin reçineyle önceden ıslatıldığı bir banttır. Buzdolabında saklanır, çünkü oda sıcaklığında bile yavaş yavaş sertleşmeye başlar.

Tipik raf ömrü eksi on sekiz derecede altı ay, oda sıcaklığında ise otuz gündür. Süre geçince bant çöpe gider. Bir 787 üreticisi için bu, ayda tonlarca malzemenin takvimle yarışması demektir. Prepreg, planlı üretimin en katı kısıtıdır. Buzdolabından çıkan rulo, belirli bir sıcaklığa gelmeden serilemez. Serildikten sonra da "out-time" sayacı başlar.

Toplam açık kalma süresi tipik olarak yüz elli saatle sınırlıdır. Aşarsan bant yapışkanlığını kaybeder, katmanlar birbirini tutmaz.

Otoklavın işi, bu sertleşmeyi kontrollü ve tek seferde bitirmektir. Reçine ısındıkça önce akışkanlaşır, sonra kimyasal olarak çapraz bağlanır ve katılaşır. Aradaki o akışkan pencere kritiktir. Reçine çok erken sertleşirse katmanlar arasında hava boşlukları kalır. Çok geç sertleşirse fiberler kayar. Otoklav, bu pencereyi saniye hassasiyetinde tutar.

Basınç burada devreye girer. Altı bar civarındaki dış basınç, yumuşamış reçineyi katmanların arasından sızarak fazlalığı dışarı itmeye zorlar. Buna "bleed" denir. Kanama. Reçinenin bir kısmı emici kumaşa sızar, geriye kalanı fiberi sarar. Sonuç, hacimce yüzde 55-60 fiber oranına sahip, gözeneksiz bir laminattır.

Bleed miktarı kör ayarlanmaz. Reçine içeriği, prepreg bandının kendi reçine yüzdesiyle başlar. Tipik bir havacılık prepreg'i kütlece yüzde 32-38 reçine taşır. Kür sonunda hedef, hacimce yüzde 2'den az gözenek ve kütlece yüzde 28-32 reçine aralığıdır. Aralığı tutturmak için emici kumaşın gramajı, delikli filmin delik çapı ve bleed süresi birlikte ayarlanır. Yanlış gramaj, ya kuru fiber bırakır ya da reçineyi fazla çeker. İkisi de aynı parçayı hurdaya çıkarır.

Emici kumaşın gramajı tipik olarak metrekarede 80 ila 200 gram arasındadır. Delikli filmin delik çapı ise milimetrenin onda biri mertebesinde. İki parametre, reçinenin ne kadarının çıkacağını belirler. Kalın bir gövde panelinde, katman sayısı arttıkça toplam reçine de artar. Aynı emici kumaş, kalın parçada daha az oransal bleed yapar.

O yüzden her parça için ayrı bir yığın reçetesi vardır. Mühendisler buna "layup schedule" der. Katman sayısı, fiber yönü, emici gramajı ve delik düzeni tek bir tabloda yazılır. Tablo değişirse parça sertifikası da değişir.

Sıcaklık eğrisi neden bir imzadır

Otoklavın sıcaklık programı, düz bir çizgi değildir. Önce dakikada 1-3 derece gibi yavaş bir rampa ile 120-180 dereceye çıkılır. Rampa hızı, parçanın kalınlığına göre değişir. Kalın bir gövde paneli, ince bir kanatçıktan çok daha yavaş ısınmak zorundadır. Yoksa dış yüzey sertleşirken iç kısım hala akışkan kalır ve iç gerilme oluşur.

Rampa hızı doğrudan bir ısı denklemiyle bağlıdır. Parçanın kalınlığı arttıkça iç ve dış yüzey arasındaki sıcaklık farkı büyür. On milimetre kalınlığındaki bir laminatta bu fark, rampa sırasında on dereceyi bulabilir. Yirmi milimetrede otuz dereceye çıkar. Otuz derecelik bir gradyan, dış yüzey kürlenirken iç kısmın hala akışkan olduğu anlamına gelir. Soğuma sırasında iç kısım büzülür, dış kısım direnir.

Sonuç, katmanlar arasında kalıcı bir iç gerilmedir. Gerilme çatlak başlatır, yorulma ömrünü kısaltır.

Kür sıcaklığına ulaşıldığında, belirli bir süre beklenir. 180 derecede tipik kür süresi iki saat civarındadır. Süre, reçinenin çapraz bağlanma derecesini belirler. Eksik kür, düşük mukavemet demektir. Aşırı kür, reçineyi gevrekleştirir. İkisi de uçuşa elverişsizdir.

Kür derecesi, cam geçiş sıcaklığı denen bir eşikle ölçülür. Kısaca Tg. Reçinenin camsı, sert halden yumuşak, kauçuksu hale geçtiği sıcaklıktır. Bir 180 derece epoksi için Tg tipik olarak 190-200 derece arasındadır. Uçuş sırasında gövde yüzeyi güneş altında 80 dereceyi görebilir. Tg bu değerin çok üstünde olmalıdır ki parça sertliğini korusun. Yetersiz kür, Tg'yi düşürür ve parça sıcakta yumuşamaya başlar.

Tg'nin ölçümü tek başına kür derecesini vermez. Mühendisler artık diferansiyel taramalı kalorimetre kullanır. Kısaca DSC. Bir numune ısıtılırken emilen ısı miktarı ölçülür. Kür sırasında açığa çıkan artık reaksiyon ısısı, kürleşmenin ne kadarının tamamlandığını gösterir. Hedef, yüzde 95'in üzerinde dönüşümdür.

Yüzde 90'ın altındaki bir parça, laboratuvarda "yeşil" sayılır ve uçuşa gitmez. Test, her üretim partisinden alınan tanık numuneye uygulanır. Parçanın kendisi değil, aynı çevrimde kürlenen küçük bir refakatçi örnek.

Soğuma da programlıdır. Kontrolsüz soğuma, termal şokla delaminasyona. Katmanların birbirinden ayrılmasına. Yol açar. Kritik eşik, reçinenin Tg'sinin altına inene kadar basıncın korunmasıdır. Basınç erken kesilirse, hala sıcak olan parça içindeki çözünmüş gazlar genleşir ve gözenek oluşturur.

Gazlar nereden gelir? Reçinenin içindeki çözücü kalıntıları, nem ve kür sırasında açığa çıkan uçucu yan ürünler. Yüksek basınç bunları çözeltide tutar. Basınç düşerse çözünürlük düşer ve gaz kabarcık olarak çıkar. Bir milimetreküplük bir gözenek, bir kanat kirişinde yorulma çekirdeği olabilir. Havacılıkta gözenek oranı, numune kesitlerinin mikroskop altında incelenmesiyle ölçülür.

Görüntü analizi, gözenek alanının toplam alana oranını verir. Eşik, birincil yapıda yüzde iki, ikincil yapıda yüzde dörttür.

O yüzden otoklav, dakikada 1-2 derece hızla soğutur ve basıncı en son bırakır. Toplam çevrim süresi, parçaya göre 4 ila 12 saat arasında değişir. Bir gövde paneli için bu süre, bir vardiya demektir.

Bir otoklavın içinde ne olur

Parça, kalıba yatırılır. Üzerine ayırıcı film, sonra emici kumaş, sonra delikli film, en üste vakum torbası serilir. Katmanlı sandviç, "vacuum bag" düzeneğidir. Vakum torbası çekilir, içerideki hava alınır. Parça artık atmosfer basıncının altındadır. Hedef vakum, deniz seviyesinde yaklaşık 0,85 bar negatif basınçtır. Yani içeride kalan hava, dışarıdakinin yüzde on beşi kadardır.

Otoklav kapısı kapanınca iki basınç aynı anda çalışır. İçerideki vakum, hava boşluklarını emer. Dışarıdaki otoklav basıncı, parçayı kalıba doğru bastırır. İkisinin farkı, reçinenin nereye akacağını belirler. Denge bozulursa parça ya gözenekli çıkar ya da kalıba yapışır. Vakum torbası yırtılırsa içerideki basınç kaybolur ve parça kalıptan ayrılmaya başlar. O yüzden her çevrimde torba bütünlüğü basınç sensörleriyle izlenir.

Vakum torbası birkaç derecelik sıcaklık artışıyla esneyen bir naylon filmdir. Tipik kalınlığı elli mikron civarındadır. Kür sırasında yüz seksen dereceye dayanması gerekir. Film, yüksek sıcaklıkta yumuşar ve köşelerde incelir. Keskin bir kalıp kenarı, filmi delinebilir.

O yüzden kalıp kenarları yuvarlatılır. Yarıçap tipik olarak üç milimetreden az olmaz. Vakum kaçağı, çevrimin en sık başarısızlık nedenidir. İyi bir torba, saniyede bir milibardan az kaçak verir.

Sıcaklık dağılımı otoklavın en zor problemidir. On metre çapındaki bir silindirin her noktasında aynı sıcaklığı tutmak için içeride fanlar ve ısıtıcı bantlar dolaşır. Yine de birkaç derecelik farklar kalır. Farklar, büyük parçalarda iç gerilme haritası oluşturur. Mühendisler bu haritayı önceden modeller, çünkü sonradan düzeltmek imkansızdır.

Otoklav içindeki termal kütle de bir değişkendir. Kalıbın kendisi, çelik veya Invar denen düşük genleşmeli bir alaşımdan yapılır. Invar, ısındığında neredeyse hiç genleşmez. Karbon fiber ise ısındığında genleşir. İkisi aynı oranda büyümezse, soğuma sırasında parça kalıba sıkışır ya da kalıptan ayrılırken çatlar.

Invar'ın genleşme katsayısı, çeliğin onda biri kadardır. Karbon fiberin boyuna genleşmesi ise sıfıra yakındır, ama enine genleşmesi daha büyüktür. Yönlü fark, karmaşık bir eşleşme problemidir. Bir gövde panelinde fiber yönü uzunlamasına ise kalıp da o yönde Invar olur. Enine yönde ise farklı bir malzeme gerekebilir. Bazı üreticiler kalıbı karbon fiberden yapar.

O zaman kalıp ve parça aynı oranda genleşir ve sıkışma olmaz. Ama karbon kalıp, çelik kalıba göre çok daha pahalıdır ve ömrü kısadır. Tipik bir Invar kalıp bin çevrim dayanırken, karbon kalıp iki yüz çevrimde deformasyona uğrar.

Piyasa Hafızası - 787'nin ilk gövdesi

Boeing 787 Dreamliner'ın birinci kompozit gövde bölümü, 2009 yılında Everett'teki montaj hattına ulaştığında, sektör bunu bir dönüm noktası olarak okudu. Uçak, ağırlığının yarısından fazlasını kompozitten yapıyordu ve gövde, tek parça halinde sarılmış karbon fiberden geliyordu. Ancak üretim ilk yıllarda otoklav kapasitesine takıldı. Büyük gövde bölümlerini kürlemek için gereken dev otoklavların sayısı sınırlıydı ve her çevrim saatler sürüyordu. Tedarikçi ağı, bu darboğazı aşmak için yıllarca uğraştı. Ders açıktı. Kompozit tasarımı ne kadar zarif olursa olsun, üretim hızı otoklavın kapısına bağlıydı.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Dikkat edilmesi gereken şey, malzemenin toplam maliyetin yarısından azını oluşturmasıdır. Geri kalan, otoklavın saat ücreti ve işçiliktir. O yüzden bir otoklavı daha hızlı çevirmek, malzemeden tasarruf etmekten çok daha büyük kazanç sağlar. Hurda oranındaki bir puanlık iyileşme, yılda milyonlarca dolarlık fark demektir.

Duyarlılık burada keskinleşir. Çevrim süresini sekiz saatten altı saate indirmek, teorik olarak kapasiteyi yüzde otuz üç artırır. Ama rampa hızını yükseltmek, kalın parçada iç gerilmeyi büyütür. Kür süresini kısaltmak, Tg'yi düşürür. Yani kazanç, hurda oranına geri döner. Otoklav ekonomisi, hız ile kalite arasında bir denge değil, bir geri besleme döngüsüdür.

Otoklavsız yol nereye kadar

Otoklav dışı kürleme yöntemleri var. Reçine transfer kalıplama, pres kürleme, mikrodalga. Hepsi daha hızlı, hepsi daha ucuz.

Ama hiçbiri, otoklavın verdiği fiber oranı ve gözeneksizliği tek seferde yakalayamıyor. Havacılıkta birincil yapı. Kanat kirişi, gövde. Hala otoklav ister.

Otoklav dışı yöntemlerin en ciddi rakibi, reçine transfer kalıplama. Kısaca RTM. Kuru fiber önce kalıba serilir, sonra reçine basınç altında içeri enjekte edilir. Otoklav yok, sadece kapalı bir kalıp ve bir enjeksiyon presi. Çevrim süresi dakikalarla ölçülür, saatlerle değil.

Ama fiber oranı tipik olarak yüzde 50-55'te kalır. Otoklavın yüzde 60'ına ulaşamaz. Daha da önemlisi, ince cidarlı karmaşık geometride reçine ön cephesi düzensiz ilerler. Kuru lekeler ve hava cepleri kalır.

Bir mühendislik tercihi değil, sertifikasyon gerçeğidir. Bir parçanın uçuşa elverişli sayılması için gözenek oranının belirli bir eşiğin altında olması gerekir. Otoklav, bu eşiği en güvenilir şekilde tutan araçtır. Yeni yöntemler bu eşiğe yaklaşıyor ama henüz geçemedi.

Sertifikasyon, sadece parçayı değil süreci de kilitler. Bir otoklav çevrimi onaylandığında, sıcaklık eğrisi, basınç profili ve vakum değeri donar. Üçlü değişirse parça yeniden sertifiye edilmelidir. O yüzden otoklav programları, fabrika duvarına asılı bir pano gibi değil, bir hukuki belge gibi işler. Değişiklik, yıllarca süren test ve denetim demektir.

Otoklav kompozit, bir üretim yöntemi değil, bir kalite garantisidir. Uçağın ömrü, o yedi saatlik çevrimin ne kadar tekrarlanabilir olduğuna bağlıdır.