MMC Magazine

Göklerde Uçan Siyah Uçakların Hayali

Alüminyumdan hafif ve demirden sağlam karbon fiber takviyeli plastik (CFRP), ticari yolcu jetlerine yönelik büyük yapısal parçalar gibi uygulamalarda yer bularak yeni nesil üretime yepyeni bir boyut katan devrimci bir üründür. Japonya'da karbon fiber araştırmalarının başlangıcı 1960'ların başlarına dayanır. Havacılık ve Uzay Teknolojisi Bölümü, ACM Teknoloji Departmanı, TORAY Genel Müdürü Shunsaku Noda ve Genel Müdür Yardımcısı Hiroshi Taiko'yla karbon fiber ve CFRP gelişim sürecinin elli yıllık geçmişine dair bir röportaj yaptık.

YAKINDAN BAKIŞ

CFRP nedir?

CFRP, bir karbon fiber ve reçine kompozitidir. Kompozit malzemeler, tek bir bileşenin sağlayamayacağı güçlendirilmiş özellikleri elde etmek için birden fazla bileşen içerir. TORAYCA® Prepreg uçak parçalarında kullanılır. 5 μm kalınlığında 24.000 adet karbon fiberden oluşan bir demetin bir plakaya dönüştürülmesi ve epoksi gibi bir termoset reçineyle emprenye edilmesiyle üretilir. Bu plakanın katmanlanması ve sertleştirilmesi yüksek dayanıklılık ile karbon fiberin elastisite modülünün elde edilmesini sağlar.

CFRP performansı, karbon fiberlerin hacmine ve düzenine (fiberlerin yönü, prepreg katmanlarının yapısı) göre önemli ölçüde değişme eğilimindedir. Dolayısıyla farklı amaçlar için tasarımı modifiye ederek geniş bir özellik yelpazesinin sağlanması mümkündür.

CFRP'nin Özellikleri

• Hafiftir ve 1,7 g/cm³ gibi bir özgül ağırlık değerine sahiptir, bu değer demirin yalnızca dörtte biridir.
• CFRP'nin çekme dayanımı 7 Gpa'dır ve bu değer oldukça yüksektir.
• Yüksek yoğunluklu CFRP'nin çekme elastikliği 630 Gpa gibi oldukça yüksek bir değerdir
• Ayrıca mükemmel boyutsal kararlılığa sahiptir, vibrasyonu sönümler, termal iletkenliği yüksektir, manyetik değildir, aşınmaya dirençlidir ve yorulma dayanımı yüksektir.

Karbon Fiber Üretim Prosesleri
PAN (poliakrilonitril) bazlı karbon fiber üretimi dört prosesten oluşur:

1. Poliakrilonitril plastik işlenir ve fiber haline getirilmek üzere bir eğirme mekanizmasına pompalanır. 
2. Fiberler, alev dayanımını iyileştirmek için ısıl işleme tabi tutulur (oksitlenme).
3. Fiberler karbonlaştırmak için yeniden ısıtılır.
4. Prosesi tamamlamak için yüzey işlenir.

Bölüm 1　1950～

Karbon Fiberin Ortaya Çıkışı & Araştırma & Geliştirme

Karbon fiberin gelişim sürecinin köklerine indiğimizde Thomas Edison ve Joseph Swan'ın 19. yüzyılın sonunda bulduğu ampule ulaşıyoruz. Bu ampulde kullanılan ince tel, karbonize bambu lifinden yapılmıştı. İşte bu, dünyanın ilk karbon fiberidir. İnce tel için tungsten kullanımı popülerleştikçe karbon fiber zaman içinde unutulmuştur. 1950'lerde karbon fiber, ABD'nin yüksek ısı dayanımı gerektiren roket enjektör uçları ve motor araştırma ve geliştirmesine hız vermesiyle yeniden ilgi toplamıştır. 

Bu sırada 1959 yılında Osaka Mühendislik ve Teknoloji Enstitüsü'nde Dr. Akio Shindo, poliakrilonitrili (PAN) karbonlaştırarak yeni bir karbon fiber üretim yöntemi icat etmiştir. O zamandan sonra karbon fiber araştırma, geliştirme ve piyasaya sunma çalışmaları ivme kazanmıştır. Karbon fiber çok sağlamdır, dolayısıyla kompozit malzemeler için yüksek işlevli bir bileşen olarak idealdir. 1967 yılında dünyanın önde gelen uçak motoru üreticilerinden Rolls-Royce, CFRP'nin jet motorlarında kullanıldığını duyurmuştur. 

Neredeyse aynı tarihte TORAY, akrilik fiber kullanarak TORAYLONTM adında tam ölçekli bir karbon fiber geliştirme süreci başlatmıştır. 1970 yılında TORAY, Dr. Shindo'dan patent almıştır. Şirketler, işletmelerini, ürünlerinin gelecekteki pazarlanabilirliğine ve satış potansiyeline göre yönetmektedir. TORAY, CFRP'deki potansiyele inanmış ve bugünlerde inanılmaz kabul edilebilecek bir yatırımla üretim sistemini kurmaya öncelik vermiştir.

Bölüm 2　1971～

Üretim Karbon Fiber ve öncesi Potansiyelini Tam Olarak Anlamak

Sonraki yıl, 1971'de TORAY, PAN bazlı yüksek yoğunluklu karbon fiber TORAYCA®300'ün üretimine ve satışına başladı. Her ne kadar karbon fiber yeni nesil bir malzeme olarak ilgi çektiyse de ana kullanım alanları henüz netleşmemişti. Bununla birlikte TORAY, o zamanlar dünyanın en büyüğü olacak 12 ton üretim kapasitesine sahip yeni bir fabrika kurmaya karar verdi. 
Bu cesur karar, TORAY çalışanlarının bir gün  yüksek Mukavemetli malzemelerin büyük talep göreceği inancına dayanmaktadır. Üst yönetim de göklerde süzülecek siyah bir uçağın, çoğunluğu CFRP'den yapılmış bir uçağın hayalini kuruyordu. Yaklaşık olarak bu dönemde Rolls-Royce, CFRP kullanarak jet motoru geliştirme sürecinde büyük zorluklar yaşıyordu.

Bu sırada 1972'de TORAY'ın piyasaya sürülen ilk ticari karbon fiber ürünü olta kamışıydı. Olta kamışının ağırlığı piyasadakilerin yarısı kadardı ve pahalı olsa da performansı piyasada takdir görüyordu. Aynı yıl golf profesyoneli Gay Brewer Jr. Taiheiyo Masters turnuvasını kazanmak için CFRP'den üretilmiş siyah sopalar kullandı. Siyah golf sopaları hızla üne kavuştu ve golfçüler bunları satın almak için sıraya girdi. Daha sonra CFRP tenis raketlerinin üretiminde kullanıldı, böylece popülerliği daha da arttı. Bununla birlikte CFRP temelde eğlence ve sporda kullanım alanı bulabiliyordu. CFRP'nin endüstriyel potansiyeli düşüldüğünde dağıtımı en iyi ihtimalle dahi düşüktü.

1975'te bir dönüm noktası gerçekleşti. 1973'te patlak veren petrol krizi uçak üreticilerini, yakıt tüketimini azaltmak için gövde ağırlığını düşürmeye öncelik vermeye zorladı. Böylece uçuş güvenliğini doğrudan etkilemeyen malzemelerle yani ikincil yapısal malzemelerle ilgili olarak tüm dikkatler CFRP'ye yöneldi. İşte böylece TORAY'ın CFRP'yi uçak üretiminde kullanma hayali gerçeğe dönüştü. CFRP'nin Boeing ve Airbus tarafından uçak parçalarında kullanılmasıyla TORAYCA® karbon fiberin kümülatif üretimi 1988 itibariyle 10.000 tonu aştı. İngiltere ve ABD gibi ülkelerdeki birçok deniz aşırı üretici, CFRP işinden düşük kârlılık gerekçesiyle çekilmeye karar verdi. Bununla birlikte TORAY dahil olmak üzere teknolojilerini uzun vadeli bir perspektifle inşa eden Japon şirketleri yüksek performanslı karbon fiberleri kullanarak CFRP geliştirme ve üretme çalışmalarına devam etti. 2010 yılında Japon karbon fiber üreticileri nihayet küresel pastanın yaklaşık %70'ine sahip olmuştu.

Bölüm 3　1990～

Uçak yapı malzemesi olarak CFRP uygulamasının büyümesi

1990 yılında, TORAYCA® Önceden recine yedirilmiş  (plaka tipi CFRP) Boeing tarafından birincil uçak gövdesi yapı malzemesi (doğrudan güvenliği etkileyen önemli parçalar) olarak kullanıldı, böylece CFRP son derece güvenilir ve oldukça işlevsel bir malzeme olarak onaylanmış oldu. 

CFRP'nin ağırlığı, demirin dörtte biriyken kopma mukavemeti demirden 10 kat yüksektir. CFRP ayrıca istenen şekle sokulabilir. 
2003 yılında başlatılan Boeing 787 projesinde, CFRP, gövde ve kanatlar dahil olmak üzere uçağın toplam ağırlığının yaklaşık %50'sini oluşturuyordu. 2006'da TORAY ve Boeing, CFRP tedarikine ilişkin uzun vadeli ve kapsamlı bir anlaşmaya vardı, bu anlaşmada birincil yapı malzemesi tedarikçisi TORAY olarak belirtilmişti.

Bölüm 4　2010～

Endüstriyel Kullanım CFRP'ye Olan Talebi Hızlandırıyor

2010'lara girerken küresel CFRP talebi birçok amaca yönelik kullanımıyla hızla artmıştı. Spor ve uçak ürünlerinde kullanımı yanı sıra kullanım alanları arasında rüzgar gücüyle çalışan jeneratör palleri, çatılar, tahrik mili gibi otomobil parçaları, doğal gaz tankları ve yakıt hücreli araçlar, hızlı tren bileşenleri, bilgisayar kasaları ve daha niceleri bulunmaktadır.

Karbon fiber kompozit malzeme işletmesi, TORAY , genişleme stratejisinin temel bir parçasıdır. TORAY, otomotiv ve havacılık endüstrileri gibi büyümekte olan yeni alanlara talebi genişletmek için yatırım kaynakları aktarmıştır. 2020 yılında TORAY işlerini Kuzey Amerika'ya genişleterek yatırımlarını arttırmayı planlamaktadır.

Bu noktada karbon fiberin sağlamlığı teorik değerinin yalnızca onda biridir ve sürekli iyileştirme için yeterince alan bırakmaktadır. Karbon fiberin maliyeti piyasadaki popülerliğinin önünde bir bariyer teşkil etmektedir. Bununla birlikte otomobil parçası endüstrisindeki artan uygulama alanlarıyla toplu üretim maliyetleri önemli ölçüde düşürebilir ve yakın gelecekte talebi hızla arttırabilir.

TORAY'ın dünyada ilk ticari karbon fiber üretimine başlamasının üzerinden neredeyse yarım yüzyıl geçti. İstikrarlı pazarlar bulmak uzun süren sürekli çabalar gerektirdi. Motivasyon kaynakları neydi? TORAY'ın üst düzey yöneticileri'nin şirket felsefesi, uzun vadeli kararlılığı, CFRP yi kullanarak üretilmiş bir uçağı havada görme istekleri idi. CFRP, küresel endüstrilerin hizmetindeki en gelişmiş ve en işlevsel malzeme olarak gelişmeye devam edecek.

CFRP Tarihine Bakış

Noda: Geliştirdiğimiz ürünlerin havacılık ve uzay endüstrisinde yakıt tüketimini azaltmak gibi değişikliklerle dünyayı daha iyi bir yer haline getirmesi bizi çok mutlu ediyor. TORAY'ın CFRP'si, stratejik olarak genişleyen bir iş haline gelmiştir ve bizim misyonumuz CFRP'yi TORAY'ın işlerinin temel bir dayanağı olacak şekilde genişletmektir. Metal malzemelerin olgunluğuna kıyasla karbon fiber kompozit malzemelerin tipleri, miktarı ve uygulamaları pek bilinmemektedir. Bununla birlikte CFRP'nin sonsuz olanağa sahip olduğuna inanıyoruz ve dünyayı daha iyi bir yer haline getirmek için bu olanakları keşfetmeye devam edeceğiz.

Taiko:  Çocukluğumun uçak sevgisi uçaklar ve roketlerle ilgili bir kariyer yapmama neden oldu. Araştırma ve geliştirme sürecindeki biri olarak hayalim, bir gün kendi tasarladığım malzemelerden yapılmış bir uçağa binmek. Boeing 787'nin üretiminde kullanılan CFRP, kıdemli Ar-Ge personeli tarafından geliştirildi ve ben de sadece dolaylı olarak dahil oldum. Bir gün bu hayalimi gerçekleştirmeyi umuyorum.