1. GİRİŞ

3 boyutlu baskı, hızlı prototip üretme ya da serbest formlu üretim adları da verilen eklemeli imalat, “makineyle işleme gibi çıkarmalı üretim yöntemlerinin aksine, malzemelerin 3 boyutlu model verilerinden nesneler yapmak için genellikle üst üste katmanlar şeklinde birleştirilmesi sürecidir”.

Eklemeli Üretimin (EÜ) metal tozları ile birlikte kullanılması yeni ve büyümekte olan bir endüstri sektörüdür ve bu alanda önde gelen şirketlerin çoğu Avrupa’da bulunmaktadır. Bu yöntem, daha önce olduğu gibi sadece prototipler değil, metalden bitmiş şekilli karmaşık parçalar üretmek için de uygun bir yöntemdir.

Eklemeli üretim artık havacılık-uzay, enerji, otomotiv, tıp, aletler ve tüketici ürünleri gibi çeşitli endüstriyel sektörlerde hem bir tasarım devrimine hem de bir endüstriyel devrime olanak vermektedir.

Fine metal part designed by Bathsheba Grossman (Courtesy of Höganäs AB - Digital Metal®)

Bathsheba Grossman tarafından tasarlanmış hassas metal parça (Höganäs AB’nin izniyle – Digital Metal®)


Fonksiyonların entegrasyonu, daha az sayıda parça, ağırlıktan tasarruf ve performansın arttırılması için Al-, Ti- ve Ni-bazlı tozlar ile Seçici Lazerli Ergitme kullanılarak üretilmiş parçaların birleştirilmesi yoluyla yapılmış gaz türbini demosu (çap 250 mm ve ağırlık 600 mm) (Fusia’nın izniyle)

1.1 Lügatçe

ASTM standardı F2792-10’a göre eklemeli imalat, “geleneksel makineyle işleme gibi çıkarmalı üretim metodolojilerinin aksine, malzemelerin 3 boyutlu model verilerinden nesneler yapmak için genellikle üst üste katmanlar şeklinde birleştirilmesi sürecidir”. Metallere yönelik çok sayıda eklemeli imalat teknolojisi vardır, dolayısıyla aşağıdaki grafikte görülebileceği gibi çok çeşitli terimler ve kısaltmalar üretilmiştir. Ancak günümüzde endüstri pazarlarında en yaygın kullanılan terim eklemeli imalatdir, tüketici pazarında ise daha çok 3 boyutlu baskı kullanılmaktadır.

3D Printing 3B baskı
Rapid Prototyping Hızlı Prototipleme
Rapid Manufacturing Hızlı İmalat
Additive Manufacturing (AM) Eklemeli Üretim (EÜ)
Additive Layer Manufacturing (ALM) Katmanlı Üretim
FreeForm Fabrication (FFF) Bağımsız Form Üretim
Solid Freeform Fabrication (SFF) Katı Bağımsız Form Üretim
Laser Beam Melting (LBM) Lazer Işın Ergitme
Selective Laser Melting (SLM) Seçimli Lazer Ergitme
Selective Laser Sintering (SLS) Seçimli Lazer Sinterleme
Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Doğrudan Lazer Metal Sinterleme
Electron Beam melting (EBM) Elektron Işın Ergitme
Powder bed fusion Toz yatak kaynaştırma
Laser Metal Deposition (LMD) Lazer Metal Biriktirme
Laser Cladding Lazer Kaplama
Direct Energy Deposition (DED) Doğrudan Enerji Biriktirme
Direct Metal Deposition (DMD) Doğrudan Metal Biriktirme
Powderfed fusion Toz besleme kaynaştırma
Eklemeli Üretim lügatçesi ve Türkçe karşılıkları. Kalınlaştırılmış olanlar genel kullanıma geçmiş kelimelerdir.

1.2 EÜ teknolojilerinin diğer TM (Toz Metalürjisi) teknolojilerine göre konumu

Eklemeli üretim, diğer toz metalürjisi (TM) teknolojilerini tamamlamaktadır.

Sıcak İzostatik Presleme (HIP) gibi, EÜ de küçük ve orta büyüklükte parça serilerinin üretimi için daha uygundur. HIP prosesi genellikle birkaç yüz kilogramlık büyük bitmiş ürüne yakın şekilli parçaların üretimi için kullanılırken, EÜ prosesi birkaç kilogramlık daha küçük parçalar için daha uygundur ve daha yüksek tasarım serbestliği sayesinde karmaşık metal parçaların üretilmesi için daha iyi bir kabiliyet sağlamaktadır.

Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM) ile pres ve sinterleme teknolojileri de bitmiş şekilli parçalar üretme olanağı sunmaktadır, ancak bunlar büyük hacimli küçük parça serileri için önerilmektedir.

4-1

Farklı Toz Metalurjisi teknolojilerinin parça büyüklüğü ve ağırlığının üretim adedine göre karşılaştırması

1.3 EÜ teknolojisinin faydaları

Metal eklemeli imalat teknolojileri birçok temel fayda sunmaktadır.

  • Konvansiyonel döküm ve makineyle işlemeye karşı daha yüksek tasarım serbestliği
  • Ya kafes yapılı tasarımın kullanılmasıyla ya da parçaların – başka kısıtlamalar olmadan – malzeme sadece olması gereken yerde olacak şekilde tasarlanmasıyla mümkün kılınan hafif yapılar
  • Karmaşık iç kanallar ya da tek bir parça halinde üretilmiş birkaç parça gibi yeni fonksiyonlar
  • Bitmiş şekil süreci, makineyle işlemeye karşı 25 kata kadar daha az ham madde tüketimi anlamına gelmektedir ve pahalı ya da işlenmesi zor alaşımlar söz konusu olduğunda önemlidir. Bitmiş şekil kabiliyeti, karmaşık parçaların tek bir adımda oluşturulmasına yardımcı olur, böylece kaynak ve sert lehimleme gibi birleştirme işlemlerinin sayısını azaltır.
  • Kalıplar ya da metal şekillendirme ve çıkarma aletleri gerektiren diğer konvansiyonel metalürji proseslerinin aksine alet gerekli değildir.
  • Kısa üretim döngüsü süresi: karmaşık parçalar, eklemeli makinelerde birkaç saatte katmanlar halinde üretilebilir. Son işlemler (post-processing) dahil toplam döngü süresi genellikle birkaç gün ya da hafta kadardır ve çoğu kez birkaç aylık üretim süreleri gerektiren konvansiyonel metalürji süreçlerinden genellikle çok daha kısadır.
    Proses, parçaların küçük seriler halinde üretimi için önerilmektedir

 

Hydraulic prototype with complex internal channels

Karmaşık iç kanallara sahip hidrolik prototipi, (Kaynak: AB projesi COMPOLIGHT)


316L vacuum permeator

LBM yoluyla üretilmiş, konvansiyonel prosesler ile üretilmesi imkansız ITER için 316L vakum permeatörü prototipi. (IK4-Lortek’in izniyle)


Ti6Al4V support to satellite antenna

Topoloji optimizasyonu ile sağlanmış hafif bir tasarıma sahip, EBM yoluyla üretilmiş Ti6Al4V uydu anteni desteği. (Poly-Shape’in izniyle)


Ti6Al4V implant - acetabular cup

Gelişmiş osseointegrasyon için yüksek özgül yüzey tasarımına sahip Ti6Al4V implant (asetabular kapak). (ARCAM’ın izniyle)

Toz yatak teknolojileri ile geleneksel parçalar üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında özelleştirilebilir ve karmaşık tasarımlar ek bir maliyet gerektirmeden gerçekleştirilebilir ( Fraunhofer'in izniyle)

Toz yatak teknolojileri ile geleneksel parçalar üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında özelleştirilebilir ve karmaşık tasarımlar ek bir maliyet gerektirmeden gerçekleştirilebilir (Fraunhofer’in izniyle)

1.4 EÜ teknolojisinin sınırları

EÜ teknolojilerinden tam olarak faydalanabilmek için, bazı kısıtlamaların farkında olmak önem taşımaktadır:

  • Parça büyüklüğü: Toz yatak teknolojisinde, parça boyutu, standart toz yatak sistemleri için 250x250x250 mm olan toz yatak boyutu ile sınırlıdır. Bununla birlikte, doğrudan enerji biriktirme (ya da lazer metal biriktirme) süreçleri ile parça boyutları daha büyük olabilir. Ancak toz katmanlarının düşük kalınlığı nedeniyle, yüksek parçaların ya da büyük parçaların yapılması çok yavaş ve maliyetli olabilir.
  • Üretim serileri: EÜ prosesleri genellikle üniter ya da küçük seriler için uygundur ve toplu üretim için uygun değildir. Ancak makine üretkenliğini arttırma ve dolayısıyla daha büyük serilerin üretimine olanak verme yolunda ilerlemeler kaydedilmektedir. Küçük boyutlu parçalar için, yılda 25000 parçaya kadar seriler halihazırda mümkündür.
  • Parça tasarımı: toz yatak teknolojisi ile ilgili olarak, çıkıntı (overhang) açısı 45°’nin altında olduğunda sökülebilir destek yapıları gereklidir. Tasarımla ilgili olarak dikkate alınması gereken diğer hususlar, tasarım kuralları hakkındaki bölüm 4’te görülebilir.
  • Malzeme seçimi: birçok alaşım mevcut olmakla birlikte, kaynaklanabilir olmayan metaller eklemeli imalat ile işlenemez ve kaynaklanması zor alaşımlar ise özel yaklaşımlar gerektirir.
  • Malzeme özellikleri: eklemeli imalat ile üretilen parçalar, Z ekseninde (yapım yönü) anizotropi (eşyönsüzlük) gösterme eğilimindedir .
  • Bunun yanında, %99,9’a kadar yoğunluklara ulaşılabilecek olmakla birlikte, bazı artık iç poroziteler (gözeneklilik) olabilir. Mekanik özellikler döküm parçalara göre genellikle daha üstün nitelikli, ancak dövme parçalara göre genellikle daha düşük niteliklidir.

1.5 Pazar perspektifleri                                               

Eklemeli üretim teknolojisinin kullanımı, birçok endüstride gelişmektedir:

  • havacılık-uzay
  • enerji
  • tıp, özellikle cerrahi implantlar ve dental uygulamalar
  • özellikle plastik işlemede kullanılan aletler
  • otomotiv ve ulaşım
  • tüketici ürünleri
  • vb.

EÜ teknolojisi artık sadece prototip üretimi için değil, aynı zamanda metal parça üretimi için de kullanılmaktadır; metal parçaların üretimi için EÜ sistemlerinin satışında 2012 yılında bu yana görülen güçlü artış bundan kaynaklanmaktadır (aşağıdaki grafiğe bakın).

Metal parçalar için EÜ sistemleri satışları, Kaynak: 2015 Wohlers Raporu. (Wohlers Associates'in izniyle)

Metal parçalar için EÜ sistemleri satışları, Kaynak: 2015 Wohlers Raporu. (Wohlers Associates’in izniyle)

Ayrıca, pazardaki mevcut büyümenin, EÜ teknolojisinin maliyet açısında rekabet edebilirliği üzerinde de pozitif bir etkisi olması gereklidir. Gerçekten de, 2013 yılında yapılan ve 75 EÜ uzmanı ile görüşmelerin gerçekleştirildiği bir DMRC anketine göre, 2018 yılına kadar makine yapım hızının en az dört kat artması beklenmektedir.

Bunun yanında, eklemeli imalat için metal tozu üretimin artması, toz maliyetlerini de azaltabilir. Bununla birlikte, çoklu lazer tarayıcılar ve artan karmaşıklık nedeniyle makine kullanımının biraz düşmesi beklenmektedir. Ayrıca yapım hızındaki artış, parçanın geometrisi (örneğin duvar kalınlığı) ile sınırlanabilir.

Grafik: euro/cm³ olarak metal EÜ maliyetleri (Roland Berger'in izniyle)

Grafik: euro/cm³ olarak metal EÜ maliyetleri (Roland Berger’in izniyle)