Baş döndürücü bir hızla ilerleyen teknolojiden sivil havacılık sanayii de nasibini almakta. Önceden on yıllar boyu süren araştırma geliştirme süreçleri sonunda elde edilen yeni ürünler veya mevcut ürünlerdeki iyileştirmeler şimdi çok daha kısa sürelerde elde edilmektedir. Bunda yeni geliştirilen teknolojilerin rolü çok büyüktür. Bu teknolojilere; kompozit malzemeler, 3 boyutlu yazıcılar, Cold spray gibi yeni imalat teknikleri örnek verilebilir.
Havacılıkta, uçak imalatında kompozit malzeme kullanımı gün geçtikçe artan oranda yaygınlaşmaktadır. Önceleri sadece ikincil, yük taşımayan parçalar kompozit ile üretilirken bugün artık ana taşıyıcı elemanlar da kompozitten yapılabilmektedir. Airbus yeni nesil uçaklarında kompozit kullanımını % 50’lerin üzerine taşımış buna mukabil Boeing firması da B787 uçağının büyük bir kısmını kompozitten imal etmiştir. B777 zemin yapısı (floor structure) kompozittir ve sert, zorlu bir ortama uygulandığından bu malzemenin avantajlarını vurgulamaktadır. Havayolu işletmecileri, geleneksel alüminyum döşeme kirişlerinde (floor beam) yorulma çatlaması ve korozyon problemlerini sürekli yaşamaktadır. 10 yıldan uzun süredir uçan 565’in üzerinde B777 uçağında bugüne kadar tek bir kompozit zemin çıtası (composite floor beam) değiştirilmesine gerek duyulmamıştır.
Uçakların gövde ve kanatlarında kendine büyük bir alan bulan kompozit malzemeler, şimdi de uçak motorlarında boy göstermeye başlamıştır. Motorların kaportalarında kullanımı zaten çok yaygın olan bu malzemeler günümüzde artık motorun içine ulaşmıştır.
GE90 motorunun fan blade leri ile başlayan süreç çok hızlı ilerlemektedir. Fan blade lerde kompozit kullanımı yaklaşık 1990 yıllarda başlamış ve yeni gelişimlerle günümüze ulaşmıştır. GE firması süreci gururla anlatmaktadır. Çünkü Kompozit fan bladeler ilgili herhangi bir AD (Airworthiness Directives) veya özel bir muayene (inspection) yayınlanmasına gerek duyulmamıştır. Herhangi bir yağlama işlemi gerektirmemektedir. Hatta bakım ihtiyacı yok (maintenance free) denilmektedir. Yüzlerce kere (180’den fazla) yaşanan kuş çarpması (bird ingestion events) olayında sadece bir blade değişimi gerekmiştir. Ulaşılan 30 milyon uçuş saatinden fazlası (more than 30 million flight hours) güvenilirliklerinin ispatıdır.
Hem fan blade leri hem de fan case i kompozitten yapılan ilk motor, GE firmasının GEnx motorudur. Karbon fiber ve epoksi reçine kompozit malzemeleri GEnx performansının anahtarıdır. Şirketin geliştirdiği GEnx motoru, “blade-out” testlerini başarıyla geçti.
Bu testte, fan tam devirde çalışırken bir fan blade serbest bırakılır (fan blade kök kısmından patlatılarak diskten ayrılması- kopması sağlanır) ve fan case in mukavemeti gözlemlenir. Kompozit fan case, serbest fan blade in çarpmasına dayanıp, yapısal bütünlüğünü korumuş ve dayanıklılığını ispatlamıştır.
Kompozit fan case, iki motorlu bir uçakta 350 pound ila 700 pound civarında motor ağırlığını azaltacaktır. Uçakta genel ağırlık azalması 800 pound’dan fazladır çünkü kompozit malzemeler aynı zamanda motor tesisatında ağırlıktan kaçınmaya da fırsat vermiştir. Ağırlığın azaltılması yakıt tasarrufuna doğrudan dönüşür, faydalı yükü (payload) ve uçak menzilini arttırır.
CFM LEAP Motorunda bir fan blade imalatında yaklaşık 150.000 mil karbon elyaf kullanıldığı belirtilmektedir. LEAP motorunun fan blade leri ve fan case i, CFM için endüstride bir ilk olan 3D dokuma RTM (Resin Transfer Molding - Reçine Transfer Döküm) karbon elyaf kompozit malzemeden üretilmiştir. Bu teknoloji, yalnızca hafif değil aynı zamanda dayanıklı olan fan blade lerin üretilmesini sağlamaktadır. Bu malzeme motor ağırlığını 500 lbs azaltır. 3 Boyutlu RTM teknolojisi darbelere oldukça dayanıklıdır; bu nedenle bakım gereksinimlerini azaltır. Bu fan blade lerin dayanıklılığı ile ilgili olarak “Bir LEAP fan blade i o kadar güçlüdür ki, Airbus A350 veya Boeing 787 gibi geniş gövdeli bir uçak ağırlığını dahi destekleyebilir” denilmektedir.
Bu arada bilmeyenler için CFM ile ilgili kısa bir hatırlatmada fayda var. CFM firması Amerikan GE firması ile Fransız Safran şirketinin, kuruluşu 1974’lere uzanan ortaklığı… Bu iki firma sadece motor üretiminde değil motor parçalarının üretiminde de ayrı ortaklıklara sahip. Bunlardan birisi de konumuz olan kompozit malzemeleri üretimini yapan firma.
Kompozit malzemeler fan blade den ve fan case imalatından sonra türbin fan blade lerinin imalatında dahi kendisine yer bulmuştur. CMC (ceramic matrix composites) olarak isimlendirilen bu kompozitler ile türbin fan blade leri dahi imal edilmektedir. CMC’lerin pek çok avantajı vardır. Bunlardan bazıları; CMC’ler daha önce kullanılan nikel (Ni) süper alaşımlarının ağırlığının 1/3’üdür. CMC’ler, Ni süper alaşımlarından 260 °C daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. Daha yüksek servis sıcaklığı, daha az soğutma havasının itme (thrust) yönünden saptırılması anlamına gelir ve böylece motorlar daha yüksek itme kuvveti (thrust) üreterek daha verimli çalışırlar. Motorlar aynı zamanda daha sıcak çalışır, yakıtları tamamıyla yakar, yakıt tüketimini azaltır ve daha az kirletici emisyonlar yayar. Benzer şekilde, endüstriyel güç türbinlerinde CMC’ler emisyonları ve elektrik üretim maliyetini azaltabilir. Tek başına anlatılması gereken CMC’leri ileriki yazılarımızda daha detaylı olarak işleyeceğiz.