01.12.2023
Zorluk
Kompozit malzemeler; epoksi gibi bir polimer reçineden oluşan bir ana malzeme (matris) ile ona geliştirilmiş veya özel mekanik, ısıl ya da elektriksel özellikler kazandıran bir veya daha fazla katkı maddesinden oluşur.
Nanografi, nano ve mikron boyutlu katkılar içeren 1.000'den fazla ileri malzeme satmaktadır; en çok talep gören ürünleri arasında, üstün özellikleri nedeniyle havacılık ve uzay sanayiinde ileri malzeme olarak büyük ilgi gören nano boyutlu grafen ve grafen oksit (GO) katkılı polimer kompozitler yer alır. Bu malzemeler, mikron boyutlu büyük grafen topaklarına sahip geleneksel epoksi-grafit kompozitlere kıyasla daha iyi performans gösterir. Alti Dynamics, gelişmiş özelliklere ve uygulamalara sahip kompozitler veren katkı maddelerinin araştırılmasında uzmanlaşmış bir Nanografi iş ortağıdır. Mevcut süreç, en iyi fiziksel ve mekanik özelliklere sahip kompoziti geliştirmek için deneme-yanılma aşamalarında yoğun insan kaynağı harcanan bir "sentezle-test et-iyileştir" döngüsüne dayanmaktadır. Ancak epoksi polimerin türü, grafen katmanlarının dağılımı ve ön işlem koşulları gibi pek çok parametre bu özellikleri etkilediğinden, bu deneyler hem maliyetli hem de zaman alıcıdır. Ayrıca GO tabakalarının epoksi reçine içinde homojen dağılımı ve reçineye güçlü tutunması malzeme özelliklerinin iyileştirilmesi için kritik olmakla birlikte, yüksek dağılımlı grafen tabakaları elde etmek ve bunların epoksi matrisle etkileşimini artırmak yalnızca deneylerle karşılanması güç bir zorluktur. Bu nedenle Alti Dynamics, nanokompozit üretimi için patentlenebilir, eniyilenmiş reçeteler elde etmenin hem maliyetini hem de süresini azaltmanın yollarını aramaktaydı.
Çözüm
Deneyde geliştirilen çözüm, epoksi/GO nanokompozitlerin malzeme özelliklerindeki olası iyileştirmeleri YBH sistemlerinde hesaplamalı kimya yöntemleriyle simüle etmek ve parametreleri kontrol ederek simüle edilen iyileştirmeleri incelemektir. Simülasyonlar üretilen numunelerle doğrulandı. GO üzerindeki fonksiyonel grupların türü ve sayısı, reçine matrisindeki GO kütle yüzdesi ve epoksi reçinenin yapısı eniyilendi. Nanografi tarafından sentezlenen epoksi/GO nanokompozitlerin üretilen numuneleri Alti Dynamics tarafından mekanik ve ısıl özellikler açısından test edildi; eş zamanlı olarak ODTÜ'deki YBH uzmanları, gözlenen özellikleri moleküler düzeyde çözümlemek ve daha iyi malzeme özellikleri için eniyilenmiş reçetelere yol göstermek üzere YBH altyapısını kullanarak bunları modelledi. Bu uzmanlar, YBH merkezinin altyapısıyla iş birliği içinde, gerçek sentez aşaması için güçlü adayları belirlemek amacıyla klasik moleküler dinamik (MD) kullanarak Alti Dynamics ve Nanografi kompozit modeli için hesaplamalı bir yol uygulanmasına yardımcı oldu. Sistemin boyutu ve moleküler düzeydeki etkileşimlerin etkisi nedeniyle bu simülasyonlar büyük bir YBH altyapısı gerektirir: her bir simülasyon, periyodik sınır koşulları altında 30.000'den fazla atomu 5 nanosaniye boyunca, bir YBH merkezinde 48 CPU çekirdeğiyle 24 saatten kısa sürede veya GPU çekirdekleriyle birkaç saatte simüle etmektedir. Epoksi/GO kompozit parametrelerini belirlemek üzere, kompozitlerin pahalı ve zaman alıcı sentez aşamasını kolaylaştıran ve üretim sürecini kısaltmaya yardımcı olan bir simülasyon iş akışı tasarlandı.
Ticari, toplumsal ve çevresel etki
Bu deney sayesinde Alti Dynamics, YBH tabanlı simülasyon sonuçlarını çeşitli ileri havacılık uygulamaları için yüksek kaliteli epoksi-grafen nanokompozit malzemeler elde etmekte kullanmakta; geliştirme süresini %15'e, maliyetleri %20'ye varan oranlarda azaltırken rekabet gücünü artırmaktadır. YBH sonuçları, gelişmiş özelliklere sahip epoksi/GO nanokompozitlerin daha kısa sürede ve daha yüksek doğrulukla büyük ölçekli üretimi ve ticarileştirilmesi için eniyilenmiş parametrelere ulaştıran içgörüler sağladı. Simülasyon tabanlı iş akışına geçişle şirketler, test malzemesi israfını %75 (yılda yaklaşık 260.000 €) ve ham madde tüketimini %40 (yılda yaklaşık 315.000 €) azaltmayı beklemektedir. YBH tabanlı iş akışının yeni yetenekleri Alti Dynamics'e rekabet avantajı ve buna karşılık gelen bir gelir artışı sağlayacak; bu artışın önümüzdeki 3-4 yılda 750.000 € olması beklenmektedir.
Nanografi, Alti Dynamics'in YBH simülasyonlarıyla birlikte yürüttüğü performans testi çalışmalarının sağladığı eniyileme sayesinde, özellikle otomotiv ve havacılık şirketleri ile tedarikçilerine önemli ölçüde daha fazla ham grafen ürünü satabilecektir; bu her iki şirket için de kârlı bir ilerlemedir. Sanayi ortaklarının ticarileştirme faaliyetlerinin ardından grafen, havacılık malzeme uygulamalarında çok istenen mekanik performans artırıcı ve ağırlık azaltıcı bir katkı olarak kompozit pazarında daha güçlü bir yer edinecektir.
Faydalar
Alti Dynamics, uygulama testleri sırasında azalan deneme-yanılma süreci sayesinde israf edilen ve ham malzemelerde yılda 260.000 €'nun üzerinde tasarruf beklemektedir.
Alti Dynamics ilk yıl yaklaşık 150.000 € yıllık gelir elde etmeyi öngörmektedir. YBH simülasyonlarının sağladığı sonuçlarla Alti Dynamics için öngörülen getiri, 3-4 yıl içinde yaklaşık 750.000 € gelir artışıdır.
Nanografi, 3 yıl içinde grafen ile ilgili ürün satışlarını 10 kat artırmayı beklemektedir.
Katılan kuruluşlar
Teknoloji uzmanı: Alti Dynamics
YBH uzmanı: ODTÜ
YBH merkezi: TÜBİTAK
Son kullanıcı: Nanografi
Ortak TÜBİTAK, Türkiye Ulusal Yetkinlik Merkezi'nin (NCC) parçasıdır.
Kaynak: FF4EuroHPC başarı öyküsü
