HAVACILIK VE UZAY TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ TEMMUZ 2005 CİLT 2 SAYI 2 (37-41) HAVACILIKTA KULLANILAN PETEK YAPILAR Y. Volkan Hava Harp Okulu Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü, 34149, Yeşilyurt/İstanbul v.pehlivan@odu.edu ÖZET Havacılık sanayisinde kullanılan malzemelerin seçimindeki en önemli aktör ağırlık olup, petek yapı ağırlık parametresi bazında getirdiği avantajlar nedeniyle tercih edilen bir yapı türüdür. Bu makale dahilinde öncelikle petek yapıların geçmişine kısa bir atıta bulunulmuş, bilahare petek yapıların neden tercih edildiği somut bir örnek ile gösterilmiş, yapının kendisini oluşturan alt elemanlara değinilmiş, üretim yöntemleri kısaca izah edilmiş, sonuç kısmında ise bazı kullanım alanı örnekleri gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler : Petek yapı, çekirdek, plaka, yapıştırıcı. ABSTRACT HONEYCOMB STRUCTURES IN THE AVIATION Almost or ourty years honeycomb structures have been used and probably are going to be used in the aviation due to their advantages. The main reason or being populerly used in the aircrat structure is its low weight ratio in comparison with solid structures. In this article, the historical perspective o honeycomb structures is briely viewed and given an example to show why the honeycomb sructures are preerred in structures. Then the sub elements which occur the honeycomb are described, the production techniques o them are given. In the last section o the article, some applications in the industry are given. Key Words : Honeycomb structure, core, plate, glue. 1. GİRİŞ Havacılıkta kullanılan petek yapıların temelinde kompozit malzemeler bulunmakta olup, kompozit malzeme; iki veya daha azla malzemenin birleşiminden meydana gelen malzeme olarak tanımlanabilir [1]. Makalenin ana konusu olan petek yapı kavramı ise literatürde değişik şekillerde tanımlanmakla beraber esas itibariyle; malzeme olarak sınılandırılmayan, ama kompozit malzemelerin kullanıldığı yapı [2] veya yapısal kompozit malzeme [3] olarak tanımlanmaktadır. Kompozit malzeme kullanımını günümüz anlayışı ile olmasa da temelde aynı mantıkla hareket eder tarzda oldukça eski çağlara kadar götürmek mümkündür. Kavramın ilk uygulama örnekleri yaklaşık 2000 yıl öncesi Çin medeniyetinde kağıttan petek yapı tarzında görülmektedir [3]. Güncel manada havacılıkta ilk 37 kullanım örneği ise 1944 yılında, Vultee BT-15 uçağında sergilenmiştir. Uçağın arka kısmında balsa ağacı çekirdek kısmı olmak üzere cam iber takviyeli paneller kullanılmaktaydı. Daha sonra ise, özellikle 1960 lı yıllarda petek yapıların kullanımı belli oranda yaygınlaşmaya başladı. O yıllarda özellikle İngilizler taraından önce grait-iber, daha sonra Amerikalılar taraından boron-iber takviye elemalarının geliştirilmesi petek yapı kullanımını hızlandırdı. [1] 1970 li yıllarda özellikle askeri uçaklarda petek yapıların kullanımı yaygınlaşmıştır. Örneğin F-111 uçağının yatay kuyruğu, F-4 uçağının dikey kuyruğu, F-15 uçağının ise hem yatay ve hem de dikey kuyruğu petek yapıdan müteşekkildi. Bu yıllarda yaygınlaşma yanında özellikle plaka malzemesi olarak kullanılan malzemede de bir trend değişiminden bahsetmek mümkündür. Zira Amerikalıların ağırlıklı olarak üzerinde çalıştığı boron iber malzemeden grait ibere doğru bir kayma söz konusuydu. Bu kaymadaki ana
aktör ise boron epoksi malzemesinin kilogramının yaklaşık 400 dolara, grait epoksinin kilogramının 90 dolara gelmesiydi. 1970 li yılların ortalarında grait epoksi ağırlıklı olarak petek yapılarda kullanılmaya başlandı. Mesela F-16 uçağının tüm kuyruk yüzeyleri, kanatlardaki ve gövdedeki diğer kumanda yüzeyleri, veya F/A-18 uçağının kanat ve kuyruk kısımları petek yapı kullanımına güzel örneklerdir. Özellikle F-18 uçağındaki kullanım takdire şayandır. Zira bu uçağın toplam yüzey alanının %35 i petek malzeme ile imal edilmiş, bu sayede ortalama ağırlık kazancı %25 mertebesine yükseltilmiştir [1]. 1980 li yıllardan itibaren ise askeri uçaklar yanında sivil uçaklarda da petek yapılar yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. 2. NEDEN PETEK YAPI? şeklinde iade edilebilir. Burada ρ c çekirdek malzeme yoğunluğunu, ρ ise plaka malzeme yoğunluğunu göstermektedir. Eğilme momenti iadesinden çekirdek kalınlığı çekilip iadede yerine koyulursa buradan; W = ( ρ + 2ρ β c ) M βσ iadesine geçilebilir. Ağırlığın betanın onksiyonu olduğu yaklaşımı dikkate alınır ve onksiyonun türevi alınıp iade sııra eşitlenirse bu takdirde; β = 2ρ değeri elde edilir. Bulunan veri dikkate alınır ve kalınlık yerine moment içeren denklem ormüle dahil edilirse sonuçta; Bilindiği üzere malzeme seçiminde değişik kıstaslar söz konusudur. Özellikle malzemenin kullanılacağı ortam ve şartlar o malzemenin sahip olması gereken özellikleri belirleyen ölçütlerdir. Bu ölçütler arasında; - Çevre, - Yorulma, - Sıcaklık, - Korozyon, - Sürünme, - Mukavemet ve rijidite, - Ağırlık sınırlaması, - Maliyet, - Ve insan aktörü sayılabilir. Ancak hava araçlarında kullanılan belkide en önemli ortak ölçüt asgari ağırlık kıstasıdır, [4]. Petek yapıların ağırlık kazanımında nasıl işe yaradığı şu örnekle daha iyi anlaşılacaktır. Elimizde petek yapıdan müteşekkil bir panelin olduğunu ve bu panelin iki taraından panele eğilme momenti uyguladığımızı düşünelim. Panelin iç yapısının yük taşımadığı düşünülür ve panel en ile boyunun birim uzunlukta olduğu dikkate alınırsa eğilme momenti; M = σ t ( t + t ). c şeklinde yazılabilir. Burada σ gerilmeyi, t yüzey malzemesi kalınlığını, t c ise plakalar arası mesaeyi iade etmektedir. Tabaka kalınlığının çekirdek yanında küçük olduğu düşünülürse moment iadesi; M = σ. t t t = β. t biçimini alır. Burada iki kalınlık arasında yukarıdaki gibi bir ilişki de tanımlanırsa sonuçta; M = σ c 2. β. tc c iadesine ulaşılır. Diğer taratan malzemenin ağırlığı ise; W = tc + 2ρ βtc 38 M W = 4ρβ βσ eşitliğine ulaşılır. Bu iade bize moment değeri ile ağırlık arasındaki ilişkiyi vermektedir. Aynı eğilme momentini taşıyan içi dolu bir malzeme için aynı eşitlik ise; 6M W s = ρ σ şeklindedir. İki ağırlık değeri oranlanırsa; W W s =1.63 bağıntısına varılır ki bu eşitlik kullanılan malzemenin ağırlık kazanımını net olarak göstermektedir. Örneğin bir alüminyum alaşımı olan 2024-T3 ün plaka malzemesi olarak kullanıldığı petek yapı ile aynı momentin sadece aynı alaşımla taşındığı yapı kıyas edilirse; ρ = 0.1 = 0.01 β = = 0.05 2ρ W = 0. 37Ws sonucuna varılır. Yani aynı eğilme momenti katı malzemenin ağırlığının %37 si ile petek malzeme yapısı kullanılarak taşınabilir. Diğer taratan petek yapılar mükemmel bir titreşim (ve lutter ) karakteristiğine sahiptirler. Yalıtım özellikleri de (ses ve ısı) oldukça iyidir [4]. β
3. PETEK YAPI ELEMANLARI Tablo 1. Örnek yüzey malzemeleri özellikleri Petek yapılar temelde üç grup malzemeden oluşmaktadırlar. Bunlar; - Alt ve üst yüzey levhaları, - Ara yapıştırıcı, - Ve çekirdek malzemesidir. Alt ve üst yüzey levhalarının mümkün mertebe ince ancak bir o kadar da mukavim olmaları istenir. Yüzey malzemeleri iki kategoriye ayrılabilir; - Kompozit yüzey malzemeleri, - Kompozit olmayan yüzey malzemeleri. Ancak diğer kıstaslar da dikkate alınarak arklı tasnilere gitmek mümkündür. Örneğin metalik ve metalik olmayan özellik baz alınarak yine iki kategori malzeme grubundan bahsedilebilir [5]; YÜZEY MALZEMESİ Epoxy UD Carbon Epoxy UD Glass Carbon Aramid Glass Phenoic Woven Glass Alüminyum Alaşımları; 2024 T3 5251 H24 6061 T6 Karbon çeliği 1006 1017 GERİLİM ÇEKİ/BASI ELASTİSİTE MODÜLÜ GPa POISSON ORANI TİPİK KALINLIK mm TİPİK AĞIRLIK Kg/m 2 2000/1300 130/115 0.25 0.125 0.19 1100/900 43/42 0.28 0.125 0.25 800/700 70/60 0.05 0.3 0.45 500/150 30/31 0.2 0.2 0.27 600/550 20/17 0.13 0.25 0.47 400/360 20/17 0.13 0.25 0.47 Ortalama; 270 150 240 Ortalama; 285 340 Ortalama 70 Ortalama 205 0.33 0.5 1.35 0.3 0.5 4.15 - Metal yüzey malzemeleri o Çelik bazlı, o Aleminum bazlı, o Diğer metal elementler bazlı, Paslanmaz çelik bazlı, Bakır bazlı, - Metal olmayan yüzey malzemeleri; o Kereste bazlı, o Alçıtaşı bazlı, o Plastik bazlı. Şekil 1. Oluklu çekirdek yapı Çelik bazlı metal yüzey malzemelerini de iki gruba ayırabiliriz; - Organik malzeme kaplı çelikler, - Metal kaplamalı çelikler, Bu ayrımda ana tema korozyona karşı korunmadır. Alüminyum bazlı yüzey malzemeleri ise; - Alüminyum magmezyum, - Alüminyum manganez, - Alüminyum magnezyum ve manganez karma alaşımıdır. Tablo 1 de metal veya metal olmayan bazı yüzey malzemelerine ait mekanik özellikler sunulmuştur [6]. Petek yapının diğer ana elemanı olan çekirdek yapı ise üç ana özelliğe sahip olmalıdır. Bu özellikler; basıya karşı yeterli direnç, eğilmeye karşı iyi bir kayma gerilme direnci ve burkulmayı önleyici özelliktir. Şekil 2. Dolgusal ve prizmatik yapı Tablo 2 de ise bazı çekirdek malzemelere ait mekanik özellikler sunulmuştur [6]. Çekirdek malzemeleri üç kategoriye ayırmak mümkün olup, bunlar; peteksel (prizmatik hücresel) [5], oluklu ve dolgusal yapılar. Aşağıda her üç tip malzeme için örnek malzemeler verilmiştir. 39
Tablo 2. Bazı örnek çekirdek malzeme özellikleri ÜRÜN YAPISI BASI KESME Yoğunuk Hücre gerilim Modül L yönünde W yönünde ebadı Kg/m 3 mm Gerilim Modül Gerilim Modül Şekil 3. Örnek yapıştırma prosesi 4. İMALAT YÖNTEMLERİ Temelde imalat yöntemleri üçe ayrılmaktadır; Petek yapıyı oluşturan ve en az diğerleri kadar önem taşıyan diğer bir yapı elemanı grubu ise yapıştırıcılardır. Yapıda yapıştırıcı önemlidir, zira çekirdek ile yüzey tabakaları arasındaki yük transerinin verimliliği yapıştırıcıya ve yapıştırma prosesine bağlıdır. Yapıştırıcılar iki kısma ayrılabilir; tek komponentli ve iki komponentli yapıştırıcılar. - Isıl pres yöntemi ki genelde düz plaka üretiminde kullanılır, - Vakum kap yöntemi ki genelde eğimli veya karmaşık yapı imalatında kullanılır, - Kalıplama yöntemi ki yarı mamülden panel seri üretimlerinde kullanılmaktadır. Tek komponentli yapıştırıcılar tek tüpten ibaret olup, genellikle doğrudan kullanıma uygundurlar. Ancak ra ömürlü malzeme özellikleri nedeniyle uygun ortam şartlarında muhaaza edilme ve belli bir süre içinde kullanılma zorunlulukları vardır. İki komponentli yapıştırıcılar ise iki ayrı tüpteki maddenin uygun bir karışım oranında karıştırılması ile elde edilirler ve daha uzun ra ömürlerine sahiptirler. Genellikle yapıştırıcı olarak termoset grubu kimyasallar kullanılır ve bu kimyasallar; İyi bir mukavemete, ısıl dayanıma, sürünme dayanımına, çözünme dayanımına sahiptirler [7]. Aşağıdaki çizim dahilinde örnek bir yapıştırma prosesi görülmektedir. Polipropilen çekirdek malzemesi başka bir kompozit ile epoksi yapıştırıcı kullanılarak, 180 derece civarı sıcaklık dahilinde, yaklaşık 0.34-1.7 atm basınç altında yapıştırma prosesine tabi tutulmaktadır. Şekil 4. İmalat öntemleri İmalat prosesinde diğer önemli bir husus ise kenar tasarımıdır. Aşağıdaki şekil dahilinde bazı kenar kapatma tasarım örnekleri görülmektedir [6]. Kenar tasarımını yönlendiren ana unsur malzemenin kullanılacağı yerin gerektirdiği ihtiyaçlardır. 40
Şekil 5. Kenar tasarımları ÖZGEÇMİŞ Hv.Müh.Yzb. Y. Volkan 1973 Yılında Erzurumda doğdu. 1993 yılında İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Uçak mühendisliği bölümünden, 1998 yılında İÜ İktisat Fakültesi Uluslar Arası İlişkiler bölümünden mezun oldu. Halen Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü Havacılık A. B. Dalı dahilinde yüksek lisans öğrenimine devam etmektedir. 5. SONUÇ Günümüzde petek yapılar başta havacılık sektörü olmak üzere gemi sanayisinde, yapı sektöründe ve diğer sanayi dallarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle ağırlık açısından sağladığı avantaj, korozyona dayanımı ve yalıtım özellikleri tercih edilme sadedinde dikkate alınan artı değerleridir. 6. KAYNAKLAR [1] Hoskin B.C., Baker A.A., Composite Materials For Aircrat Structures, AIAA Education Series, 1986 [2] Raymer D.P., Aircrat Design : A Conceptual Approach, AIAA Education Series, 1999 [3] Shackelord J.F., Introduction To Material Science For Engineers, Prentice Hall, 2000 [4] Azar J.J., Perry D.C., Aircrat Structures, Mc-Grawhill,1982 [5] Davies J.M., Leightweight Sandwich Construction, Blackwell Science Ltd., 2001 [6] www.hexcelcomposites.com, Mart 2005 [7] Karlsson K.F., Astrom B.T., Manuacturing And Applications O Structural Sandwich Components, 1997 41