Bir uçak için işletme maliyetlerinin en yükseği yakıt giderleridir. Bu nedenle havayolu ekonomisi ve çevre üzerinde doğrudan etkisi olan uçak ağırlığını azaltma çalışmaları günümüzde hız kazanmıştır. Tahminlere göre ortalama bir uçaktaki 100 kg’lık bir ağırlık azalımı yıllık yaklaşık 19.000 litre yakıt tasarrufu sağlamakta ve C02 emisyonlarını ciddi oranda düşürmektedir. Sonuç olarak, havacılık endüstrisindeki uygulamalar için hafif ve yüksek mukavemetli malzemelerin kullanımı kritik öneme sahip olmuştur.

1970’li yıllarda havacılık endüstrisinde kompozit (polimerik) malzeme kullanımı %4’ten daha azdı. Bu malzemelerin öneminin anlaşılmasıyla birlikte kullanımı her geçen yıl artarak devam etti. Günümüzde, en verimli uçak gövdelerinin büyük bir kısmı karbon elyaf takviyeli polimerik kompozitlerden imal edilmektedir. Yeni nesil uçaklardan olan Airbus A350XWB ve Boeing B787’de karbon kompozitlerin kullanımı yapısal ağırlığın %50’sine ulaşmıştır. Sadece bu iki üretici değil; Bombardier, BAE Systems, Raytheon, GE Aviation ve Lockheed Martin gibi diğer şirketler de uçaklarında yüksek oranlarda kompozit malzeme kullanmaktadır.

Kompozitlerin havacılık endüstrisinde kullanımının başlamasından bu yana termoset esaslı kompozitler ve otoklav prosesi, ana malzeme sınıfı ve üretim yöntemi olmuştur. Ancak 2000’li yıllardan itibaren, endüstrinin önceliği olan daha hızlı üretim ve düşük üretim maliyetleri; otoklav dışı (OOA) işleme tekniklerine duyulan ilgiyi artırmıştır. Proses ve maliyet verimliliği göz önüne alındığında, termoplastik esaslı kompozitler yeni bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır.

Ağırlık azaltmanın yanı sıra, termoplastik esaslı kompozitler, metallerin ve termoset esaslı kompozitlerin yerini alabilecek potansiyele sahiptir;

–         Üretim esnekliği & Geri dönüştürülebilirlik: Termoplastiklerin kullanımı ile yapıştırıcı ve vidalama olmadan büyük entegre bileşenler kaynak edilebilmektedir. Hatalı üretimlerde yada ömrünü tamamlayan parçalarda; elyaflar ve matris ayrıştırılarak geri dönüşümleri sağlanabilir.

–         Zorlu ortamlara karşı direnç: Kimyasal yapıları sayesinde zorlu alev, duman ve toksisite (FST) standartlarını karşılayan bazı yüksek performanslı termoplastikler mevcuttur. Ayrıca bu yüksek performanslı termoplastikler yüksek sıcaklığa, aşınma ve yıpranmaya ve korozyona karşı dayanım özelliklerinde; alüminyum ve çelik gibi metal alternatiflerinden daha iyi performans gösterebilmektedir. Birbiri ile uyumlu olmayan malzemeler arasındaki galvanik korozyon, yapısal hataların ana nedenlerinden biridir. Termoplastikler, galvanik korozyon riskini ortadan kaldırarak uçağın daha güvenli olmasını sağlamaktadır.

Termoplastik kompozitlerin kullanımı özellikle son 10 yılda önemli bir artış göstermiştir. Daha önce yapısal uygulamalar için daha az güvenli malzemeler olarak görmezden gelinen termoplastik kompozitler günümüzde hem uçak gövdesinde hem de uçağın iç kısmında güvenle kullanılabilmektedir. Klipsler, kilitler, sabit kanatlı ön kenarlar, J-burun ön kenarlar, gövde panelleri, profiller ve braketler, köşebentler, kontrol yüzeyi parçaları, koltuk arkalıkları, pencere panelleri ve kokpit tabanı gibi uygulamalarda termoplastik kompozitler kullanılmaktadır. En öne çıkan uygulamalar; polifenilen sülfit (PPS) veya polieter eter keton (PEEK) reçineleri ile karbon elyaflardan yapılan klipsler ve kelepçelerdir. Raporlara göre Airbus A350 XWB serisinde uçak başına 8,000 kompozit parça kullanılırken, Boeing B787 ailesinde uçak başına 10.000 ila 15.000 gibi kompozit parça kullanıldığı bildirilmiştir.

Havacılık endüstrisindeki termoplastik kompozitler; laminatlar, tek yönlü bantlar ve prepreg kumaşlar formunda kullanılmaktadır. Kompozit parçalar üretmek için cam elyaf, karbon elyaf veya aramit elyaf ile birlikte en sık kullanılan termoplastik reçineler; PPS, PEEK ve polieter imit (PEI) tir. Özellikle karbon elyaf takviyeli termoplastik kompozitler modern havacılık programlarında daha sık yer almaktadır. Airbus A380 ve Boeing B787’de yaklaşık 35 ton karbon elyaf takviyeli kompozit kullanılmaktadır. A350XW’de karbon kompozit içeriği 65 tona kadar çıkmaktadır.

Karbon elyaf; mükemmel ağırlık azaltma potansiyeli, yüksek dayanım/ağırlık oranı, yüksek çekme ve sıkıştırma dayanımı, düşük ısıl genleşme katsayısı ve yüksek yorulma direnci gibi sayısız avantaj sunar ancak yüksek maliyeti en büyük dezavantajıdır. Mekanik performans olarak karbon elyafın gerisinde kalan cam elyafı, ekonomik beklentinin yüksek olduğu parçalarda karbon elyaflarından daha iyi sonuçlar vermektedir. Parça geometrisi açısından cam elyaf takviyeli en büyük uçak parçasının; PPS reçine matrisli A380’in J burnu olduğu düşünülmektedir.

Çoğu termoplastik kompozit parçalar düşük işçilik, daha az atık ve mükemmel parça geometrisi sağlayan sıcak preslerde sıkıştırılarak kalıplanmaktadır. Ancak, AFP (otomatik elyaf yerleştirme) / ATL (otomatik bant serme) yöntemleride termoplastik esaslı kompozitler için son yıllarda hızlı büyüyen üretim yöntemleri arasındadır.

Termoplastik kompozitlerin kullanımı, termoset teknolojilere kıyasla üretim süresini % 20-30 azaltabilmektedir. Ticari devler Boeing ve Airbus’ın gelecek yıllarda çok fazla termoplastik kompozit kullanımı olacağını tahmin etmek hiçte zor değil. Bu artan talebin karşılanması; tedarik zincirinde yeni yaklaşımlar ve teknolojiler gerektirecektir. Tedarik zincirinde verimlilik ve kapasite oluşturma, termoplastik kompozitlerin gelecekteki uçak programlarında kullanımını artırmak için çok önemlidir. Ancak termoplastik kompozitlerin yüksek maliyeti (metal parçadan imal edilene göre yaklaşık 2 kat) farklı uygulamalarda daha fazla oranda kullanımı için en büyük engeldir. Ayrıca, yapay zeka ve robotik alanındaki gelişmelerle birlikte otomatik süreçlerin gerçek zamanlı yönetimi sayesinde karmaşık şekillerin otomasyonu, gelişmiş özellikler, geri dönüştürülebilirlik ve düşük maliyet sağlanabilecektir.

Çok yakın gelecekte olmasa bile ilerleyen yıllarda termoplastik kompozitler, termoset kompozitlerin önüne geçebilecek noktaya gelecektir. Özellikle önümüzdeki beş yılda termoplastik kompozitler büyük bir sıçrama gösterecektir.

Kaynak: https://www.stratviewresearch.com/299/aerospace-&-defense-thermoplastic-composites-market.html