HI-Rate Composite Uçak üretimi

Günümüzde havacılıkta üretimin zorluklarından birisi de, yeni uçakları hızlı bir şekilde inşa etmenin bir yolunu bulmaktır. Bu sayımızda Aerospace & Defense dergisinden ilgili yazıyı sizlerle paylaşıyoruz.  

NASA’nın en yeni projelerinden biri olan Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing (HiCAM) proje grubunun  bu zorluğun üstesinden geleceği düşünülmektedir.

HiCAM, NASA ve endüstri, akademi ve hükümetteki ortaklarının havacılığı yeşil teknolojiler kullanarak daha sürdürülebilir hale getirmek için çalıştığı Sürdürülebilir Uçuş Ulusal Ortaklığı’nın (SFNP) bir parçası olarak yer alıyor.

NASA ve paydaşları,  HiCAM, uçak kanatları ve gövdeleri gibi büyük uçak bileşenlerinin kompozit malzemelerden, metalik malzemelerden yapılmış uçaklara kıyasla daha yüksek bir hızda nasıl üretileceğini araştırıyor. Plastik, grafit ve seramik gibi malzemelerin özel olarak hazırlanmış bir karışımı olabilen kompozitlerden daha fazla uçak bileşeni inşa ederek, bir uçağın ağırlığı önemli ölçüde azaltılabilir ve uçağı yakıt açısından daha verimli hale getirir. Peki kompozitler bu yenilikçi tasarımları nasıl mümkün kılabilir?

Kompozitler, genellikle plastik olan fiber takviyeli malzeme katmanlarına sahiptir. Bu tabakalar çok incedir - bir kağıt tabakasının kalınlığı - ve insan saçından 10 kat daha küçük, sert, hafif grafit liflerden yapılmıştır. Her katman farklı bir yönde ilerler ve birlikte istiflenip sertleştirildiklerinde kolayca kırılmayan sert bir yapı oluştururlar. Bu nedenle kompozitler, şu anda uçak yapımında kullanılan metallerden bile daha güçlü ve daha hafif olabilir. Bu kalite aynı zamanda uçak tasarımcılarının yakıt kullanımını azaltmaya yardımcı olabilecek yenilikçi aerodinamik şekiller bulma konusunda daha yaratıcı olmalarını sağlamaktadır.

Şekil1 de görüldüğü üzere: Boeing 787 Dreamliner’ın ön kısmı, kompozit bir üretim aracının içinde yapım aşamasında gösterilmektedir. 787’nin çoğu, uçağın ana gövdesi ve kanatlarının bölümleri de dahil olmak üzere kompozit malzemelerden yapılmıştır.

Önümüzdeki 20 yıl boyunca, dünya çapındaki ticari havacılık filosunun, artan hava yolculuğu talebini karşılamak ve eskiyen uçakların yerini almak için yaklaşık 40 bin yeni uçağa ihtiyacı olacak. Eski uçakların kullanımdan kaldırılması, hava yolculuğu talebinde beklenen büyüme ile birleştiğinde, mevcut küresel filonun çoğunun değiştirilmesi ve boyutunun iki katına çıkarılması anlamına geliyor. Bu yeni uçakların tek koridorlu olması tercih edilecektir.

HiCAM Proje Müdürü Rick Young:   “Şu anda Boeing 737 gibi tek koridorlu uçaklar ayda yaklaşık 60 uçak hızında inşa ediliyor ve metalik yapılardan yapılıyor. Airbus A220 veya daha büyük Boeing 787 Dreamliner gibi halihazırda kompozit kullanan uçaklar ayda en fazla 14 adet üretiliyor”  demiştir.

HiCAM’ın amacı, kompozit malzemeler kullanarak ayda 80 uçak inşa etme kabiliyetini hedefleyen bu süreci hızlandırmaktır. Bunu başarmak için araştırmacılar, bu yüksek üretim hızına en iyi şekilde hangi kompozit malzemelerin ve yapım yöntemlerinin hızlandırılabileceğini araştırıyorlar. Üretim hızı, parçaları imal etmek, büyük uçak bileşenleri yapmak için bir araya getirmek ve sonuçları kalite açısından incelemek için geçen zamana bağlı olarak değişmektedir.

Şu anda kompozitlerden yapılan çoğu uçak bileşeni, evin çevresinde kullanılan iki parçalı epoksilere benzer şekilde çalışan termosetlerdir. İki malzeme karıştırıldığında ve ısıtıldığında, bunları katı, katı bir nesnede birleştiren kimyasal bir reaksiyon meydana gelir. İşlem geri döndürülemez ve iki malzeme tekrar ayrılamaz.

Her parça için, ham kompozit malzemeler bir kalıba katman katman yerleştirilir. Kalıp malzemeleri, otoklav adı verilen büyük bir fırında yüksek ısı ve basınç altında kürlenerek katı hale getirilir. Toplamda, bu, malzemelerin kalıba yerleştirildiği, otoklav için hazırlandığı, otoklavın içinde sekiz saate kadar kürlendiği, soğutulduğu ve bitmiş bileşenlere monte edildiği uzun bir süreçtir – süreç boyunca kontroller gerekmektedir.

HiCAM’ın çalışmasının merkezinde, hangi kompozit malzemelerin otoklavda en hızlı kürlendiğini, hangilerinin otoklav kullanılmadan kürlenebileceğini ve uçak yapımına uyarlanabilecek ek kompozitlerin olup olmadığını incelemek yer alıyor. Örneğin, proje termoplastik malzemelerin kullanılması fikrini düşünüyor. Termosetlerin aksine, termoplastikler bir yapışkan çubuk veya sıcak tutkal gibidir. Isıtıldıklarında sıvı halde erirler. Soğuduklarında, yaratılan yeni şekil ne olursa olsun katı hale gelirler.

Young'un belirttiği üzere: “Termoplastikler, termosetlerin yaptığı sekiz saatlik uzun pişirme süreci gerektirmez. Uçak içlerinde, örneğin overhead bin’lerde  yaygın olarak kullanılmış olup, uçak imalat endüstrisinde kanatlar veya gövde gibi daha büyük bileşenler için hiç kullanılmamışlardır.

HiCAM, termoplastiklere ek olarak, kürlenme süresini saatler yerine dakikalara indirmek ve hatta otoklav ihtiyacını tamamen ortadan kaldırmak için yeni reçinelerin kullanımını araştırıyor. HiCAM’ın üretim hızını hızlandırmak için aradığı başka bir yol da montaj süresini azaltmaktır. Şu anda kompozitlerden yapılan uçak bileşenleri daha küçük parçalar halinde yapılıyor ve binlerce bağlantı elemanı kullanılarak bir araya getiriliyor. HiCAM’ın üzerinde çalıştığı bir çözümde:  kompozit parçaları sertleştirilmeden önce Young'un elemanları gerektirmeyen büyük bir kompozit bileşeni etkin bir şekilde üretmek.

Üretim sürecindeki diğer zaman alıcı adımlar, çalışanların inspection  gibi belirli görevleri yerine getirmesidir. Bazen bu, özellikle bir bileşenin kusurlu olduğu tespit edilirse, tüm montaj hattını yavaşlatabilir. Bu gecikmeleri gidermek için HiCAM, denetimler gibi işleri hızlandıracak görevler için daha fazla otomasyonu dahil etmenin yollarını araştırmaktadır.

HiCAM, kompozit üretim süreçlerinin geliştirilmesinde Advanced Composites Consortium’daki endüstri ortaklarıyla birlikte çalışmaktadır. Endüstri ortakları arasında uçak üreticileri, ekipman ve yazılım geliştiricileri ve malzeme tedarikçileri bulunmaktadır.

Altı kuruluş geçen yıl NASA’nın Gelişmiş Kompozit Konsorsiyumu’na katılarak konsorsiyumun 13 üyesini güçlendirdi.

Ekibe son eklenenler arasında şunlar yer alıyor: Aurora Flight Sciences; Collier Araştırma Şirketi; Yörünge ATK; Spirit AeroSystems; McNair Merkezi (Güney Karolina Üniversitesi); ve Wichita Eyalet Üniversitesi Ulusal Havacılık Araştırmaları Enstitüsü (NAIR).

NASA’nın Gelişmiş Kompozit Projesi Proje Müdürü Dr. Richard Young, “Bu altı kuruluş, mevcut ekibi tamamlayan teknik uzmanlıklarına ve maliyetleri paylaşma yeteneklerine dayanarak konsorsiyuma katılmaya davet edildi” ni belirtmiştir.

NASA’nın Gelişmiş Kompozit Konsorsiyumu, kompozit malzemeleri ve yapıları geliştirmek ve sertifikalandırmak için gereken süreyi azaltarak Amerikan endüstrisinin uçak üretiminde rekabet avantajını korumasına yardımcı olan bir kamu-özel ortaklığıdır. Konsorsiyum üyeleri, üç alana odaklanan araştırmalara katılır:

Kompozit yapıların sağlamlığının ve ömrünün doğru tahmini

Kompozitlerin hızlı denetimi

Üretim süreçlerinin verimli gelişimi

Robotik flaş termografisi kullanarak geniş alan incelemeleri.

Robotik flaş termografisi kullanarak geniş alan incelemeleri.

Proje ve Konsorsiyum yakın zamanda son teknoloji değerlendirmeleri tamamlamış ve yüksek getiri potansiyeli olan araç ve yöntemleri belirlemiştir

Emniyetli günler dileği ile…

Referanslar:

NASA Aero research page.

Aerospace&Defense Magasine