Optimization of Thrust Force with Taguchi Method and Estimation by Regression Analysis in Drilling of Composite Materials

Öz

Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) composites are used in many engineering applications due to their superior properties than other materials. Drilling is widely used in the assembly of these composites. It is very important to determine the drilling parameters for high hole surface quality, minimum deformation and thrust force when drilling GFRP materials. Therefore, optimum drilling conditions must be determined to minimize hole surface damage during the drilling process. In this study, the thrust force in the drilling process was optimized by using the Taguchi Method. In addition, mathematical models have been developed to predict thrust force. The contribution rates of the drilling parameters on the thrust force were determined by analysis of variance. According to variance analysis, it was seen that the most effective parameter on the thrust force was the feed rate. Taguchi Method, first and second order regression models were used to estimate thrust force. The results obtained were compared with the experimental results. Among the developed models, the model with the highest prediction ability is the second-order regression model with the highest R2 value (98.14%) and the lowest average absolute error value (1.86%). When the three-dimensional graphs are examined, it has been shown that the thrust force decreases as the amount of multi-walled carbon nanotubes and the cutting speed increases, and the thrust force increases as the amount of feed increases. Additionally, when three-dimensional graphs are examined, it has been shown that as the % multi-walled carbon nanotube ratio and cutting spees increases, the thrust force decreases and the thrust force increases as the feed rate increases.

Anahtar Kelimeler

• Drilling process
• GFRP
• Thrust force
• Taguchi Method
• Regression Analysis
• Variance Analysis
• Multi wall carbon nanotube

Kompozit Malzemelerin Delme İşleminde İtme Kuvvetinin Taguchi Metodu ile Optimizasyonu ve Regresyon Analizi ile Tahmini

Öz

Cam Elyaf Takviyeli Polimer (CETP) kompozitler, diğer malzemelere göre daha üstün özelliklere sahip olmasından dolayı birçok mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu kompozitlerin montajında delme işlemi yaygın olarak uygulanmaktadır. CETP malzemelerin delinmesinde; yüksek delik yüzey kalitesi ile minimum deformasyon ve itme kuvveti için delme parametrelerinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Bu yüzden, delme işlemi sırasında oluşan delik yüzeyi hasarını en aza indirmek için optimum delme koşulları belirlenmelidir. Bu çalışmada, delme işleminde itme kuvveti Taguchi Metodu kullanılarak optimize edilmiştir. Ayrıca, itme kuvvetinin tahminine yönelik matematiksel modeller geliştirilmiştir. Delme parametrelerinin itme kuvveti üzerindeki etki oranları varyans analizi ile belirlenmiştir. Varyans analizine göre itme kuvveti üzerindeki en etkili parametrenin ilerleme olduğu görülmüştür. İtme kuvvetini tahmin etmek için Taguchi Metodu, birinci ve ikinci dereceden regresyon modelleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Ayrıca, üç boyutlu grafikler incelendiğinde, % çok duvarlı karbon nanotüp oranı ve kesme hızı arttıkça itme kuvvetinin azaldığını ve ilerleme arttıkça itme kuvvetinin arttığını göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Delme işlemi
• CETP
• İtme kuvveti
• Taguchi Metodu
• Regresyon analizi
• Varyans analizi
• Çok duvarlı karbon nanotüp

Kaynakça

1. 1. Kılıçkap, E., 2010. CETP Kompozitlerin Delinmesinde Oluşan Deformasyona Delme Parametrelerinin Etkisinin İncelenmesi, 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi, Balıkesir, 76-84.
2. 2. Bayraktar, Ş., Turgut, Y., 2012. Elyaf Takviyeli Polimer Kompozit Malzemelerin Delinmesi Üzerine Bir Araştırma, 3. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Ankara, 153-158.
3. 3. Karaca, F., 2016. Cam Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitlerde Delme Parametrelerinin Deformasyon Faktörüne Etkisinin Araştırılması, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(2), 23-27.
4. 4. Mittal, G., Dhand, V., Rhee, K.Y., Park, S.J., Lee, W.R., 2015. A Review on Carbon Nanotubes and Graphene as Fillers in Reinforced Polymer Nanocomposites, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 21, 11–25.
5. 5. Advani, S.G., 2007. Processing and Properties of Nanocomposites, World Scientific Publishing, Singapore, 450.
6. 6. Karimi, Z.N., Heidary, H., Yousefi, J., Sadeghi, S., Minak, G., 2018. Experimental Investigation on Delamination in Nanocomposite Drilling, FME Transactions, 46(1), 62-69.
7. 7. Wern, C.W., Ramula, M., Schukla, A., 1996. Investigation of Stresses in the Orthogonal Cutting of Fiber-Reinforced Plastics, Experimental Mechanics, 36, 33-41.
8. 8. Abrao, A.M., Faria, P.E., Rubio, J.C.C., Reis, P., Davim, J.P., 2007. Drilling of Reinforced Plastics: A Review, Journal of Materials Processing Technology, 186(1-3), 1-7.

9. 9. Khashaba, U.A., 2004. Delamination in Drilling GFR-Thermoset Composites, Composite Structures, 63(3-4), 313-327.
10. 10. Davim, J.P., Reis, P., 2003. Drilling Carbon Fiber Reinforced Plastics Manufactured by Autoclave-Experimental and Statistical Study, Materials & Design, 24(5), 315-324.
11. 11. Bilge, T., Motorcu, A.R., Ivanov, A., 2017. Kompakt Laminatın Delinmesinde Boyutsal Tamlık için Delme Parametrelerinin Gri İlişkisel Analiz ile Optimizasyonu, Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 9(2), 1-22.
12. 12. Davim, J.P., Reis, P., António, C.C., 2004. Experimental Study of Drilling Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP) Manufactured By Hand Lay-Up, Composites Science and Technology, 64(2), 289-297.
13. 13. Saeedifar, M., Fotouhi, M., Ahmadi Najafabadi, M., 2016. Investigation of Push- Out Delamination using Cohesive Zone Modelling and Acoustic Emission Technique. Journal of Composite Materials, 50(25), 3577-3588.
14. 14. Unal, E., 2019. Temperature and Thrust Force Analysis on Drilling of Glass Fiber Reinforced Plastics. Thermal Science, 23(1), 347-352.
15. 15. Singh, K. K., Kumar, D., 2018. Experimental Investigation and Modelling of Drilling on Multi-Wall Carbon Nanotube–Embedded Epoxy/Glass Fabric Polymeric Nanocomposites. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B:Journal of Engineering Manufacture, 232(11), 1943-1959.
16. 16. Vankanti, V. K., Ganta, V., 2014. Optimization of Process Parameters In Drilling Of GFRP Composite Using Taguchi Method. Journal of Materials Research and Technology, 3(1), 35-41.
17. 17. Vyas, N.S., Patel, A.R., Gajera, H.M., 2015. An Investigation on Thrust Force and Circularity of GFRP Sheet by Applying Regression Analysis. IJSRD, 3, 278-283.
18. 18. Başar, G., Akın, H.K., Kahraman, F., 2020. Tepki Yüzeyi Metodolojisi Kullanılarak Nanokompozitin Delinmesinde oluşan İtme Kuvvetinin Modellenmesi ve Analizi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 8(2), 293-305.
19. 19. Y urdakul, M., Güneş, S., İç, Y.T., 2016. Honlama Prosesinde Yüzey Kalitesinin Taguchi Metodu ile İyileştirilmesi, Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 31(2), 347-360.
20. 20. İç, Y.T., Yıldırım, S., 2012. Çok Kriterli Karar Verme Yöntemleriyle Birlikte Taguchi Yöntemini Kullanarak Bir Ürünün Tasariminin Geliştirilmesi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 27(2), 447-458.
21. 21. Başar, G., Mıstıkoğlu, S., 2019. Cu/Al Levhaların Sürtünme Karıştırma Kaynağında Taguchi Metodu ile Çekme Mukavemeti ve Sertlik için Optimum Kaynak Parametrelerinin Tahmini, Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 34(3), 1595-1608.
22. 22. Gökçe, H., 2020. Bakır Malzemenin Delinme Performansının Kesme Kuvveti ve Takım Sıcaklığı Açısından İncelenmesi, El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 7(3), 1039-1053.
23. 23. Başar, G., Kahraman, F., Kuş, H., 2018. Bronz Esaslı Kompozit Sürtünme Malzemelerin Üç Nokta Eğme Mukavemetinin Taguchi Metodu ile Optimizasyonu, El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 5(2), 626-634.
24. 24. Ci ftci, I., Gökçe, H., 2019. Molibden Alaşımlarının İşlenmesinde Kesici Takım ve Kesme Parametrelerinin Taguchi Metodu ile Optimizasyonu, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34(1), 201-213.
25. 25. Başar, G., Kahraman, F., 2017. Delik İşleme Prosesinde Kesme Parametrelerinin Taguchi Metodu ve Regresyon Analizi Kullanılarak Modellenmesi ve Optimizasyonu, 2nd International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2017), Adana, 688-695.
26. 26. Basar, G., Kirli Akin, H., Kahraman, F., Fedai, Y., 2018. Modeling and Optimization of Face Milling Process Parameters for AISI 4140 Steel, Tehnički glasnik, 12(1), 5-10.
27. 27. Fedai, Y., Ünüvar, A., Akın, H.K., Başar, G., 2019. 316L Paslanmaz Çeliklerin Frezeleme İşlemindeki Yüzey Pürüzlülüğün ANFIS ile Modellenmesi, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(2), 98-110.
28. 28. Tsao, C.C., Huang, C.C., 2015. Analysis of Thrust-İnduced Drilling in Composite Materials using a Hemispherical Drill, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 80(1–4), 607–613.
29. 29. Premnath, A.A., 2019. Drilling Studies on Carbon Fiber-Reinforced Nano-Sic Particles Composites using Response Surface Methodology, Particulate Science and Technology, 37(4), 478-486.
30. 30. Palanikumar, K., 2011. Experimental investigation and Optimisation in Drilling of GFRP Composites, Measurement, 44(10), 2138–2148.
31. 31. Kumar, D., Singh, K.K., 2019. Investigation of Delamination and Surface Quality of Machined Holes in Drilling of Multiwalled Carbon Nanotube Doped Epoxy/carbon Fiber Reinforced Polymer Nanocomposite, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 233(4), 647-663.
32. 32. K us, H., Basar, G., Kahraman, F. 2018. Modeling and Optimization for Fly Ash Reinforced Bronze-Based Composite Materials using Multi Objective Taguchi Technique and Regression Analysis, Industrial Lubrication and Tribology, 70(7), 1187-1192.