Talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti işlemlerinin kompozit balistik malzemeler üzerinde karşılaştırmalı deneysel çalışması ve eniyilenmesi

Abstract

Kompozit malzemelerin tüm dünyada, özellikle havacılık ve savunma sanayilerindeki kullanımları gün geçtikçe artmaya devam etmektedir. Sivil havacılıkta önde gelen hedef, yakıt ekonomisini artırmak olup, bu hedefe ulaşım uçak gövdelerinde her geçen gün daha fazla kompozit esaslı malzemelerin kullanılması olarak ilerlemektedir. Savunma sanayinde ise kompozitlerin çeşitli yapısal elemanlar ve zırh malzemeleri olarak kullanımı artarak devam etmektedir. Bu sanayide dayanım-ağırlık oranını artırmak, yani ürünlerdeki mukavemeti artırırken aynı zamanda ağırlıklarını azaltmak en önemli motivasyondur. Ülkemizde Ankara bölgesinde bulunan pek çok havacılık ve savunma sanayi firmasının kompozit malzeme kullanımının, dünyadaki bu gelişmelere paralel olarak sürekli arttığı izlenmektedir. Bu malzemelerin ilk işlemlerinden sonra, havacılık ve savunma sanayilerinin ihtiyacı olan hassas boyutsal isterlere göre net-şekle getirilmeleri kritik önem taşımakta olup, bu alanda talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti rekabet eden iki ana teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında savunma sanayisinde hafif balistik zırh malzemesi olarak sıklıkla kullanılan Aramid Fiber Takviyeli Polimer Matris (AFRP) ve Ultra Yüksek Modulus Polietilen (UHMWPE) üzerinde, trim, delik ve cep operasyonları gerçekleştirmek suretiyle, talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti teknolojileri kullanımı sırasında, parametrelerin performans ölçütleri üzerindeki etkilerini anlamak için pek çok sayıda deney yapılmıştır. Bu deneyler, deney tasarımı yöntemi ile tasarlanmış ve sonuçları varyans analizi ve yanıt yüzey metotları ile incelenmiştir. Ayrıca örnek işlemlerden alınan numuneler, SEM mikroskopu ile incelenerek kesim yüzeylerinin morfolojileri araştırılmıştır. Deneyler sonucunda elde edilen regresyon bağlantıları kullanılarak, seçilen operasyonlar üzerinde Parçacık Sürü yöntemi (PSO) ve Bastırılmamış Sınıflandırmalı Genetik Algoritma (NSGA-III) ile çok-amaçlı eniyileme çalışmaları yapılmış. Bu çalışmalarda özellikle çelişen performans ölçütlerinin ödünleşmelerini gösteren 3-Boyutlu Pareto optimal çözüm setleri elde edilmiştir. Son aşamada, elde edilen tün sonuçlar, talaşlı imalat ve aşındırıcılı su jeti işlemlerinin avantaj ve dezavantajları karşılaştırabilmek için değerlendirilmiştir.

Use of Polymer Matrix Composites (PMC) has been an increasing trend in Defense and Aviation industries. In aviation, recent top objective is improving fuel economy that leads to use of more composites because of their lightweight structure. In Defense industry, PMCs are mostly use as structural components and shields. Similarly, composites are preferred because of their superior strength-to-weight ratio properties compared to conventional metal alloys. In Ankara region, it can be observed that, use of PMCs has been increasing considerably by major defense companies and their primary suppliers. In this thesis, Aramid Fiber Reinforced Fiber (AFRP) and Ultra-High Modulus Polyethylene (UHMWPE) which used in defence industry as soft ballistic armour used as specimens for trimming, drilling and pocketing experiments using machining and abrasive water jet technology (ASJ) in order to lay out parameter effects on performance measures. Design of experiments (DOE) method has been used for all experiments and results are analyzed with Analysis of Variance (ANOVA) and Response Surface Method (RSM). Also, for selected specimens, cutting surfaces have been imaged by Scanning Electron Microscopy (SEM) to investigate surface morphology. Furthermore, a novel evolutionary optimization method known as Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) and Nondominated Sorting Genetic Algorithm technique has been applied to find out trade-offs between conflicting performance measures to selected operations and resulting 3D Pareto optimal solutions sets have been generated. As the last stage, all regression-based relations obtained from experiment have been evaluated in order to compare machining and ASJ technologies and their advantages and disadvantages.