3B dokuma nedir? Üç eksende dokunan ön şekiller

2B dokuma ile 3B dokuma arasındaki fark

Geleneksel dokuma kumaşlarda (bez ayağı, dimi, saten) çözgü ve atkı iplikleri aynı düzlemde birbirinin altından ve üstünden geçer. Böyle bir kumaşın kalınlığı genellikle milimetrenin kesirleri düzeyindedir. Kalın bir kompozit parça üretmek için bu kumaşlardan kesilen katlar üst üste serilir, reçineyle birleştirilir ve kürlenir. Ortaya çıkan yapıya laminant denir.

Laminantta elyaflar yalnız kat düzleminde uzanır. Kalınlık doğrultusunda katları birbirine bağlayan tek unsur, katlar arasında kalan ince reçine tabakasıdır. Reçinenin dayanımı ve tokluğu elyafınkinden çok düşük olduğundan laminant, düzlem içi yüklerde güçlü, kalınlık yönündeki çekme ve kayma gerilmelerinde ise zayıftır. Katların birbirinden ayrılması, yani delaminasyon, bu zayıflığın en bilinen sonucudur.

3B dokumada ise kalınlık, dokuma işleminin kendisinde oluşur. Tezgâh, üst üste dizilmiş çok sayıda çözgü katını aynı anda besler; atkı iplikleri bu katların arasına yerleştirilir ve bağlayıcı iplikler kalınlık boyunca ilerleyerek katmanları birbirine bağlar. Yapıda birbirinden bağımsız kat kavramı ortadan kalkar; ön şekil, dokunduğu andan itibaren tek parçadır.

Üç eksen: çözgü, atkı ve bağlayıcı iplik

• Çözgü (X): Tezgâhın boyuna doğrultusunda, kumaşın dokunduğu yönde uzanan ipliklerdir. 3B dokumada birden fazla çözgü katı üst üste bulunur.
• Atkı (Y): Çözgüye dik olarak katların arasına yerleştirilen ipliklerdir. Her atkı atımında farklı yüksekliklere birden fazla atkı ipliği yerleştirilebilir.
• Bağlayıcı iplik (Z): Çözgü doğrultusunda beslenen, ancak kalınlık boyunca yukarı ve aşağı hareket eden ipliklerdir. Katmanları mekanik olarak kilitleyen ve delaminasyona karşı direnci sağlayan bu ipliklerdir.

Eksen adları kompozit mühendisliğindeki koordinat gösterimiyle örtüşür: X ve Y düzlem içi doğrultuları, Z ise kalınlık yönünü ifade eder. Bağlayıcı ipliklerin toplam elyaf içindeki payı genellikle küçüktür; düzlem içi yükleri yine büyük ölçüde çözgü ve atkı iplikleri taşır. Bağlayıcı oranı arttıkça kalınlık yönündeki bağlantı güçlenir, düzlem içi doğrultulara ayrılan elyaf miktarı ise azalır. Bu denge, dokuma deseni tasarımının temel kararlarından biridir.

3B dokuma nasıl yapılır?

3B dokuma tezgâhı, geleneksel dokumanın temel işlemlerini korur, ancak bunları çok katlı bir çözgü düzeninde uygular. Bir dokuma çevrimi sırayla şu adımlardan oluşur:

1. Ağızlık açma: Çözgü ve bağlayıcı iplikler, dokuma desenine göre farklı yüksekliklere kaldırılır ve katlar arasında birden fazla açıklık (ağızlık) oluşur.
2. Atkı atma: Açılan ağızlıklardan atkı iplikleri geçirilir.
3. Tefeleme: Yerleştirilen atkılar tarak ile dokuma çizgisine doğru sıkıştırılır.
4. Bağlayıcı hareketi: Bağlayıcı iplikler desene göre üst veya alt yüzeye taşınır ve atkı sütunlarını kalınlık boyunca sarar.

Dokuma deseni, hangi ipliğin hangi atkı atımında hangi yükseklikte duracağını tanımlayan bir tablodur ve çoğu zaman bilgisayar kontrollü ağızlık sistemleriyle uygulanır. Desen, dokuma sırasında parçanın kesitine göre değiştirilebilir. Bu sayede tezgâh düz bir plakanın yanı sıra kalınlığı değişen veya kıvrımlı ön şekiller de üretebilir. T, Π ve H kesitli profillerin ön şekilleri tezgâhta kapalı (katlanmış) olarak dokunur; tezgâhtan çıktıktan sonra açılarak kesiti oluşturur.

Karbon elyaf gibi kırılgan ve aşınmaya duyarlı ipliklerin çok katlı olarak dokunması, iplik gerginliğinin ve sürtünmenin dikkatle yönetilmesini gerektirir. Literatürde dokuma sırasında ipliklerde oluşan hasarın ve kıvrımın kompozitin düzlem içi özelliklerini etkileyebildiği belirtilir (Mouritz ve Cox, 2010). Tezgâh tasarımı ve dokuma parametreleri bu nedenle 3B dokunmuş ürünün kalitesini doğrudan belirler.

3B dokuma mimarileri

Bağlayıcı ipliklerin kalınlık boyunca izlediği yol, 3B dokumanın mimarisini tanımlar. Literatürde üç ana tür öne çıkar (Tong, Mouritz ve Bannister, 2002).

Ortogonal dokuma

Bağlayıcı iplikler kalınlığın tamamını dik olarak geçer; çözgü ve atkı iplikleri büyük ölçüde düz kalır. Düz uzanan iplikler düzlem içi rijitliğe katkı sağlar, bağlayıcılar ise üst ve alt yüzeyi doğrudan birbirine bağlar. Yukarıdaki diyagramda gösterilen kesit bu mimariye aittir.

Katmandan katmana açı kilitli dokuma

Bağlayıcı iplikler kalınlığın tamamını değil, yalnız komşu katmanları eğik bir açıyla bağlar. Katmanlar zincir halkaları gibi birbirine kenetlenir. Bu yapı genellikle kalıba daha kolay uyar ve kalınlık, katman sayısı artırılarak büyütülebilir.

Kalınlık boyunca açı kilitli dokuma

Bağlayıcı iplikler tüm kalınlığı eğik bir açıyla geçer. Kalınlık yönündeki bağlantı ile düzlem içi özellikler arasında ara bir denge kurar.

Mimari seçimi; parçanın yük durumu, kalınlığı, kalıba uyum ihtiyacı ve üretim hızı birlikte değerlendirilerek yapılır. Aynı parça içinde bölgeye göre farklı desenler kullanmak da mümkündür.

Hibrit 3B dokuma

3B dokumada çözgü, atkı ve bağlayıcı iplikler tezgâha ayrı ayrı beslendiği için her eksende farklı bir elyaf kullanılabilir. Yükün taşındığı doğrultuda karbon elyaf rijitlik sağlarken bağlayıcı ipliklerde ya da darbeye açık yüzeyde aramid, maliyetin veya elektriksel yalıtımın öncelikli olduğu doğrultuda cam elyaf tercih edilebilir. Farklı elyaflar tek bir ön şekil içinde bağlayıcı ipliklerle birbirine kilitlenir; farklı malzemelerden katların üst üste serildiği hibrit laminantlardan farklı olarak malzeme geçişleri kalınlık yönünde de bağlı kalır. Hibrit 3B dokuma yapılar literatürde yaygın olarak incelenir. Elyafların rijitliği ve kopma uzaması birbirinden farklı olduğundan elyaf ve desen seçimi, parçanın yük durumu ve kullanım koşuluyla birlikte değerlendirilir.

Ön şekilden kompozite

3B dokuma tezgâhından çıkan ürün kuru bir elyaf ön şeklidir; henüz reçine içermez. Kompozit parçaya dönüşmesi için ön şekil bir kalıba yerleştirilir ve reçine, basınç veya vakum yardımıyla ön şeklin içine emdirilir. Bu amaçla en yaygın kullanılan yöntemler reçine transfer kalıplama (RTM), vakum yardımlı reçine transfer kalıplama (VARTM) ve vakum infüzyondur. Reçine kürlendikten sonra parça kalıptan çıkarılır ve gerekirse CNC ile işlenir.

Kuru ön şeklin tek parça olması üretimde de avantaj sağlar: onlarca katın tek tek kesilip serilmesi gerekmez; katların kayması veya yanlış açıyla serilmesi gibi hatalar oluşmaz. Buna karşılık kalın ve sıkı dokunmuş ön şekillerin reçineyle tam olarak doldurulması dikkatli bir süreç tasarımı gerektirir. Reçine akışı yetersiz kalırsa kuru bölgeler ve boşluklar (porozite) oluşabilir.

Avantajlar ve sınırlar

Literatürde 3B dokunmuş kompozitlerin öne çıkan özellikleri şöyle özetlenir (Mouritz ve diğerleri, 1999; Tong ve diğerleri, 2002):

• Katlar arası kırılma tokluğu ve delaminasyon direnci, eşdeğer 2B laminantlara göre belirgin biçimde yüksektir.
• Darbe hasarı daha küçük bir alanda kalır; darbe sonrası basma dayanımı (CAI) daha yüksek olur.
• T, Π ve H gibi birleşim bölgeleri tek parça dokunabildiği için yapıştırma hattı ve bağlantı elemanı sayısı azalır.
• Ön şekil tek parça çıktığından kat serme işçiliği ortadan kalkar.

Sınırlar da aynı kaynaklarda açıkça belirtilir:

• Bağlayıcı ipliklerin oluşturduğu kıvrım ve dokuma sırasında ipliklerde oluşabilen hasar, düzlem içi rijitliği ve dayanımı bazı yapılarda eşdeğer laminantın altına düşürebilir. Etkinin büyüklüğü mimariye, bağlayıcı oranına ve üretim kalitesine bağlıdır (Mouritz ve Cox, 2010).
• Bağlayıcı ipliklerin çevresinde reçinece zengin bölgeler oluşabilir ve bu bölgeler hasarın başladığı yerler olabilir (Cox ve diğerleri, 1994).
• Tezgâh ve desen tasarımı uzmanlık gerektirir; standart kumaşlara göre tedarik seçenekleri sınırlıdır.

Bu nedenle 3B dokuma her uygulama için doğru seçim değildir. En büyük kazanç, delaminasyonun, darbe hasarının veya birleşim bölgesindeki ayrılmanın tasarımı belirlediği parçalarda elde edilir.

Karşılaştırma: 2B laminant ve 3B dokunmuş kompozit

Kullanım alanları

3B dokunmuş kompozitler; havacılıkta birleşim ve bağlantı parçalarında, ticari uçak motorlarının fan kanatları gibi darbeye açık bileşenlerde, uzay yapılarında, savunma ve balistik koruma uygulamalarında, denizcilikte ve insansız hava araçlarında kullanılır ya da araştırılır. Bu uygulamaların ortak noktası, parçanın darbe, titreşim veya birleşim bölgesindeki gerilmeler nedeniyle katlar arası hasara açık olmasıdır. Mouritz ve arkadaşlarının 1999 tarihli derlemesi, uygulamaların erken örneklerini ve 3B dokumanın hangi özellikleri nedeniyle tercih edildiğini ayrıntılı biçimde ele alır.

Pratikte

3Dwovens, 2011’den bu yana 3B dokuma üzerine Ar-Ge yürütür; dokuma tezgâhları firma bünyesinde tasarlanır ve üretilir. OWC 3B dokuma karbon plaka, bu yöntemle dokunan ön şeklin epoksi reçineyle kompozite dönüştürülmesiyle üretilir. Plaka 500 × 250 × 6,5 mm ölçülerindedir, yoğunluğu yaklaşık 1,55 g/cm³’tür ve reçinesinin camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 140 °C’dir.

Test sonuçlarında 3B dokuma ve RTM numuneleri 813–993 MPa çekme dayanımına ve 94–107 GPa eğilme modülüne ulaşmıştır. Aynı testlerde tek yönlü (UD) prepreg numuneler 718–819 MPa ve 82–91 GPa, düz dokuma prepreg numuneler ise 420–454 MPa ve 39–41 GPa değerinde kalmıştır. Bu değerler belirli numuneler ve test koşulları için geçerlidir; tasarım değeri olarak kullanılmadan önce kendi yükleme koşullarınızda doğrulanması önerilir. Çizime göre dokunan T, Π, H veya kutu profiller için özel üretim sayfasından teklif istenebilir.

Sık sorulan sorular

Kaynaklar

• Mouritz, A. P., Bannister, M. K., Falzon, P. J., Leong, K. H. (1999). Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 30(12), 1445–1461.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
• Mouritz, A. P., Cox, B. N. (2010). A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven, stitched and pinned composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(6), 709–728.
• Cox, B. N., Dadkhah, M. S., Morris, W. L., Flintoff, J. G. (1994). Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metallurgica et Materialia, 42(12), 3967–3984.
• Chen, X. (ed.) (2015). Advances in 3D Textiles. Woodhead Publishing.
• ASTM D3039/D3039M. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.
• ASTM D7264/D7264M. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.