İHA Kanatlarında PLA Tabanlı Eklemeli İmalat ve Termal Yaşlanma Analizi
TÜBİTAK 1002-A araştırma projesi: Kontrollü termal maruziyet sonrası FDM baskılı NACA profillerinde boyutsal sapma ve aerodinamik verimlilik kaybının ölçülmesi
01 Problem ve Bağlam
İHA gövdelerinde kullanılan FDM baskılı PLA bileşenler, saha depolama ve operasyon sırasındaki termal yüklere (kapalı bölmeler, doğrudan güneş maruziyeti) bağlı deformasyona uğramaktadır. Termal yaşlanmış bir PLA kanat kesitinin ne zaman yenilenmesi gerektiğini belirleyen standart bir kriter mevcut değildir. Bu çalışma, termal maruziyet, boyutsal sapma ve aerodinamik verimlilik kaybı arasındaki sayısal ilişkiyi kurarak İHA bakım iş akışlarına doğrudan uygulanabilir ikili bir git/gitme bakım eşiği üretmektedir.
02 Hedefler ve Kısıtlar
- — NACA 0012, 2412 ve 4412 profillerinde 50±5°C'de 30, 60, 120 ve 240 dakikalık termal maruziyet sürelerinde veter ve açıklık boyutsal deformasyonunu karşılaştırmak
- — %40 doluluk oranında iki dolgu topolojisinin (Grid ve Tri-hex) baskı sonrası boyutsal kararlılık ve mekanik davranışa etkisini değerlendirmek
- — Ölçülen boyutsal sapma ile aerodinamik verimlilik kaybı (CL/CD oranı) arasındaki ilişkiyi sayısallaştırmak
- — İkili bakım karar kuralı tanımlamak: CL/CD sapması baskıdan çıktığı andaki taban çizgisine göre > %7 → kanat kesiti reddedilir; ≤ %7 → kullanıma devam
03 Süreç
Süreç
Araştırma Bağlamı
Bu proje, kısa geliştirme döngüleriyle uygulamalı araştırmaları destekleyen TÜBİTAK 1002-A Hızlı Destek Programı kapsamında önerilmektedir. Motivasyon, düşük maliyetli İHA gövdelerinde FDM baskılı PLA bileşenlerin artan kullanımından kaynaklanmaktadır; saha koşullarındaki operasyonel ısıl koşullar — kapalı araç bölmeleri, çatı üstü depolama, saha noktalarında doğrudan güneş maruziyeti — görünür yapısal hasar olmaksızın aerodinamik performansı bozabilecek boyutsal değişikliklere yol açabilmektedir.
Araştırma sorusu: FDM baskılı PLA kanat kesitinde termal kaynaklı boyutsal sapma, servis verilebilir ile servis dışı sınırını hangi düzeyde aşmaktadır?
Numune Tasarımı ve Baskı Protokolü
İHA kanat geometrisi ailelerinin kapsamını temsil etmek üzere üç NACA profili seçildi:
- NACA 0012 — simetrik, dengeleyici ve kontrol yüzeylerinde kullanım
- NACA 2412 — hafif kamburlu, genel amaçlı taşıma yüzeyi
- NACA 4412 — daha yüksek kavis, kaldırma kuvveti optimize konfigürasyonlar
Tam kanat geometrileri GrabCAD3D’den temin edildi ve SolidWorks’te FDM çıktısı için hazırlandı. Baskı parametreleri tüm numunelerde standartlaştırıldı: %40 doluluk oranı, iki topoloji varyantı — Grid (dikdörtgensel çapraz tarama) ve Tri-hex (üçgenleştirilmiş altıgen). Tüm numuneler standart PLA kullanılarak Bambu Lab A1 Combo’da üretildi.
Termal Maruziyet Protokolü
Numuneler, İHA saha depolaması için gerçekçi üst sınırı temsil etmek üzere seçilen 50±5°C’de kontrollü termal yaşlanmaya tabi tutuldu. Her profil × dolgu kombinasyonu için bozunma zaman serisi oluşturmak amacıyla dört maruziyet süresi test edildi: 30, 60, 120 ve 240 dakika.
Ölçüm ve Aerodinamik Analiz
Maruziyet sonrası boyutsal sapmalar, baskı hemen sonrası alınan baskı öncesi taban çizgisi ölçümlerine referansla standartlaştırılmış veter ve açıklık ölçüm pozisyonlarında kumpas ile kaydedildi. Deforme geometriler, CL/CD oranlarını çıkarmak ve baskıdan çıktığı andaki taban çizgisine göre aerodinamik verimlilik değişimini sayısallaştırmak amacıyla ANSYS Fluent kullanılarak hesaplamalı yöntemle analiz edildi.
Mekanik bütünlük paralel olarak eğilme testleri (kanat kesitiyle düzlem dışı yükleme) ve T-bone çekme testleri (çekme yükü altında katmanlar arası yapışma) ile değerlendirilerek aerodinamik veriye yapısal bir tamamlayıcı sağlandı.
Karar Kuralı Geliştirme
Birincil çıktı bir ikili bakım eşiğidir: termal sonrası CL/CD sapması baskıdan çıktığı andaki taban çizgisine göre %7’yi aşarsa kanat kesiti hizmet dışı sınıflandırılır ve değiştirme gerektirir. Bu eşiğin altında kullanıma devam edilir. %7 eşiği, üç profil ailesinin aerodinamik duyarlılık analizine dayanmaktadır ve deneysel verilerle doğrulanması hedeflenen tasarım çıktısını temsil etmektedir.
Bu çerçeveleme — sürekli bozunma verisinin ikili saha kriterine dönüştürülmesi — araştırmayı İHA bakım pratiğiyle buluşturan operasyonel çıktıdır.
04 Zorluklar ve Çözümler
Tek bir FDM platformunda belirgin biçimde farklı kavis geometrilerine sahip üç NACA profilinde boyutsal doğruluğun kontrolü
Baskı yönü ve dolgu parametreleri tüm numunelerde standartlaştırıldı; GrabCAD3D kaynak geometrileri sabit referans taban çizgisi olarak kullanılarak termal etkinin baskı varyasyonundan ayrıştırılması sağlandı
Boyutsal sapmanın aerodinamik sonucunun diğer baskı kaynaklı değişkenliklerden (yüzey pürüzlülüğü, katman yapışma kalitesi) ayrıştırılması
Test matrisi, termal maruziyet süresini tek bağımsız değişken olarak alacak şekilde yapılandırıldı; tüm numunelerde özdeş baskı ayarları karıştırıcı faktörleri en aza indirdi; eğilme ve T-bone çekme testleri mekanik bütünlük değişimini ayrıca karakterize etti
05 Sonuçlar ve Çıktılar
- ✓ TÜBİTAK 1002-A programı kapsamında araştırma önerisi sunuldu; metodoloji, test matrisi ve karar çerçevesi tanımlandı
- ✓ FDM üretimi için profil geometrileri (NACA 0012, 2412, 4412) temin edildi ve hazırlandı
- ✓ Baskı parametre matrisi belirlendi: 2 dolgu topolojisi × 3 profil × 4 termal maruziyet süresi
06 Ölçülebilir Etki
Termal maruziyet koşulları: 50±5°C'de 30 / 60 / 120 / 240 dk süreler
Dolgu konfigürasyonları: %40 doluluk oranında Grid ve Tri-hex
Bakım karar eşiği (hedef çıktı): CL/CD sapması > %7 → kanat reddi
07 Çıkarılan Dersler
- → Sürekli bir malzeme bozunma mekanizmasını (PLA'da termal sürünme) ikili bir bakım kararına dönüştürmek, tam deneysel veri kümesini tek bir uygulanabilir eşiğe indirgemesi gerekti — bu dönüşüm, fiziksel testten çok araştırma çerçevesinin temel tasarım güçlüğüydü
- → Profil geometrisi seçimi (simetrik 0012'ye karşılık kamburlu 2412/4412), hem FDM baskı karmaşıklığını hem de boyutsal sapmanın aerodinamik performansa duyarlılığını anlamlı biçimde etkiler; simetrik ve kamburlu profiller tekdüze bir numune seti olarak değil, ayrı test koşulları olarak ele alınmalıdır