Yeni Optimizasyon Yaklaşımı, Daha Hafif Karbon Fiber Kompozit Malzemelerin Tasarlanmasına Yardımcı Oluyor
Yeni tasarım yaklaşımı, karbon fiberin yönelimini ve kalınlığını optimize ederek fiber takviyeli plastiklerde ağırlık azalmasını sağlıyor.
Karbon, tüm canlı organizmaların varlığı için hayati öneme sahiptir. Çünkü tüm canlıların temelini oluşturan tüm organik moleküllerin temelini oluşturur. Tek başına bu oldukça etkileyici olsa da, son zamanlarda havacılık ve inşaat mühendisliği gibi disiplinlerde çelikten daha dayanıklı, daha sert ve daha hafif olan karbon fiberlerin geliştirilmesiyle yeni uygulamalar bulunmuştur. Dolayısıyla, karbon fiberler uçaklar, yarış arabaları ve spor ekipmanları gibi yüksek performanslı ürünlerde çeliğin yerini almıştır.
Karbon fiberler genellikle bir kompozit oluşturmak için diğer malzemelerle birleştirilir. Böyle bir kompozit malzeme, çekme mukavemeti, esnemezliği ve yüksek mukavemet-ağırlık oranı ile iyi bilinen karbon fiber takviyeli plastiktir (CFRP). Yüksek talebi nedeniyle, araştırmacılar karbon fiber takviyeli plastiklerin dayanıklılığını artırmak için çeşitli çalışmalar yürütmüşlerdir. Bu çalışmaların çoğu, dayanıklılığı artırmak için fiber yönelimini optimize eden “fiber yönlendirmeli tasarım” adı verilen belirli bir tekniğe odaklanmıştır.
Bununla birlikte, fiber yönlendirmeli tasarım yaklaşımının dezavantajları da vardır. Kompozit malzemeler üzerine araştırmalara odaklanan Japonya Tokyo Bilim Üniversitesi’nden (TUS) Dr. Ryosuke Matsuzaki “Fiber yönlendirmeli tasarım yalnızca yönlendirmeyi optimize eder ve fiberlerin kalınlığını sabit tutarak karbon fiber takviyeli plastiğin mekanik özelliklerinin tam olarak kullanılmasını engeller. Fiber kalınlığının optimizasyonunu da sağlayan bir ağırlık azaltma yaklaşımı nadiren düşünülmüştür” dedi.
Bu gelişmeler ışığında, Dr. Matsuzaki – TUS’taki meslektaşları, Yuto Mori ve Naoya Kumekawa ile birlikte – kompozit yapıdaki konuma bağlı olarak fiber yönelimini ve kalınlığını aynı anda optimize etmek için yeni bir tasarım yöntemi önermiştir. Bu, karbon fiber takviyeli plastiklerin ağırlığını, mukavemetinden ödün vermeden sabit kalınlıkta doğrusal laminasyon modeline kıyasla azaltmalarına izin vermiştir. Bulguları, Composite Structure’da yayınlanan çalışmada okunabilir.
Yöntem; hazırlık, yineleme ve modifikasyon işlemleri olmak üzere üç adımdan oluşturulmuştur. Hazırlık işleminde, katman sayısını belirlemek için sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak bir başlangıç analizi gerçekleştirilmiştir. Bu da doğrusal bir laminasyon modeli ve kalınlık çeşitleme modeli ile birlikte fiber yönlendirmeli tasarım yoluyla kalitatif bir ağırlık değerlendirmesi sağlamıştır. Yineleme işlemi, ana stres yönü ile fiber yönelimini belirlemek ve “maksimum stres teorisi” ile kalınlığı yinelemeli olarak hesaplamak için kullanılmıştır. Son olarak, modifikasyon işlemi, mukavemet iyileştirmesi gerektiren bir bölgede öncelikle bir referans “temel fiber demeti” oluşturarak üretilebilirliği hesaba katan modifikasyonlar yapmak için kullanılmıştır. Daha sonra, fiber demetlerini referans demetinin her iki tarafına yayılacak şekilde düzenleyerek son yönelim ve kalınlık belirlenmiştir.
Eşzamanlı optimizasyon yöntemi, tek başına fiber yönelimi ile elde edilenden daha yüksek yük aktarım verimliliği sağlarken, ağırlıkta% 5’ten fazla azalma sağlamıştır.
Araştırmacılar bu sonuçlardan heyecan duyuyorlar ve geleneksel CFRP parçalarında daha fazla ağırlık azaltmak için yöntemlerinin gelecekteki uygulamasını dört gözle bekliyorlar. Dr. Matsuzaki, “Tasarım yöntemimiz, enerji tasarrufuna ve CO2 emisyonlarının azaltılmasına katkıda bulunabilecek daha hafif uçaklar ve otomobiller üreterek, geleneksel kompozit tasarımının bilgeliğinin ötesine geçiyor” dedi.
Kaynak: sciencedaily.com
