2. EKLEMELİ İMALAT TEKNOLOJİLERİ

2.1 Metal tozları ile lazerli ergitmenin esasları

Lazer ışınlı ergitme (Laser Beam Melting) sırasında, 100 μm gibi bir çapa sahip lazer ışını, toz yatağındaki üst toz katmanını yerel olarak ergitecektir. Lazer, metal tozu tanecikleri tarafından kısmen emilecek ve hızla katılaşan bir eriyik havuzu oluşturacaktır. Lazer gücü tipik olarak 200 W’tan 1000 W’a kadar değişir.

8-1

Lazerin toz tanecikleriyle etkileşimi

Seçici lazerli ergitmede (Selective Laser Melting), farklı tarama stratejileri mümkündür. Lazer tarama paternleri porosite seviyesini, mikro-yapıyı, yüzey pürüzlülüğünü ve bitmiş metal bileşenlerdeki ısı köprüsünü etkileyecektir. Şerit paterni, tarama vektörü genişliği (yani şerit genişliği), bitişik yollar arasındaki çizgi alanı, tarama yönü ve komşu şeritler ile örtüşme tarafından tanımlanan bir banttır.

[Şerit paterni (Istituto Italiano di Tecnologia and Politecnico di Torino’nun izniyle)]

Aşağıdaki çizimde gösterildiği gibi, her bir katmanda birkaç lazer tarama konfigürasyonu /ya da çizgi paternleri) mümkündür.

Tarama stratejileri (Istituto Italiano di Tecnologia and Politecnico di Torino'nun izniyle)

Tarama stratejileri (Istituto Italiano di Tecnologia and Politecnico di Torino’nun izniyle)

2.2 Metal eklemeli imalat süreçlerine genel bakış

Temel metal tozu eklemeli imalat teknolojilerinin şeması

Temel metal tozu eklemeli imalat teknolojilerinin şeması

Işın-tabanlı toz yatak sistemlerinde (LBM [Laser Beam Melting] ya da EBM [Electron Beam Melting]), ilk olarak bir yapım platformunun üzerinde bir toz katmanı uygulanır. Ardından bir lazer ya da elektron ışını, tozun üst katmanını seçmeli olarak ergitir.

Ergitmenin ardından platform alçaltılır ve bu döngü, parça toz yatağa gömülü olarak tamamen üretilene dek tekrarlanır.

Toz yatak üretim döngüsü (Fraunhofer'in izniyle)

Toz yatak üretim döngüsü (Fraunhofer’in izniyle)

2.2.1 Lazer Işınlı Ergitme [Laser Beam Melting (LBM)] (ya da Seçici Lazerli Ergitme [Selective Laser Melting (SLM)])

Lazer ışınlı ergitme sürecinde, ilk önce bir tekrar kaplayıcı (bıçak ya da silindir) ile bir yapım platformunun üzerine bir toz katmanı uygulanır ve bir lazer ışını toz katmanını seçmeli olarak ergitir. Ardından platform 20’den 100 μm’a kadar alçaltılır ve yeni bir toz katmanı uygulanır. Lazer ışınlı ergitme işlemi tekrar edilir. Birkaç bin döngüden sonra (parçanın yüksekliğine bağlı olarak), üretilen parça toz yataktan kaldırılır.

Toz yatak üretim döngüsü (Fraunhofer'in izniyle)

Toz yatak üretim döngüsü (Fraunhofer’in izniyle)

Manufacturers

  • 3D Systems (ABD)
  • Concept Laser (Almanya)
  • EOS (Almanya)
  • Matsuura (Japonya)
  • Realizer (Almanya)
  • Renishaw (İngiltere)
  • SLM Solutions (Almanya)

 

Bir SLM 500HL toz yatak makinesindeki toz akışı (SLM Solutions'ın izniyle)

Bir SLM 500HL toz yatak makinesindeki toz akışı (SLM Solutions’ın izniyle)

Complex CoCr Fuel Injection Swirler made by Laser Beam Melting

Lazer Işınlı Ergitme ile üretilmiş karmaşık CoCr Yakıt Enjeksiyon Döndürücü (EOS GmbH’nin izniyle)


Inside a Laser Beam Melting Machine

Bir Lazer Işınlı Ergitme Makinesinin içi (Concept Laser GmbH’nin izniyle)


Hollow Ni 718 turbine blade made by Laser Beam Melting

Lazer Işınlı Ergitme ile üretilmiş oyuk Ni 718 türbin kanadı (SLM Solutions’ın izniyle)


Tooling insert by Laser Beam Melting

Lazer Işınlı Ergitme ile üretilmiş alet bağlantı yuvası (BMW’nin izniyle)


Ni 718 Combustion chamber made by Laser Beam Melting

Lazer Işınlı Ergitme ile üretilmiş Ni 718 yanma odası (Concept Laser GmBH’nin izniyle)


316L Surgical guide made by Laser Beam Melting

Lazer Işınlı Ergitme ile üretilmiş 316L cerrahi kılavuz (IK4-Lortek’in izniyle)

Yeni bir trend, aşağıdaki tablodan görülebileceği gibi daha büyük toz yataklarına sahip yeni sistemler geliştirilmesidir

ÜRETiCİ Küçük Toz Yatağı Boyutu
(Genellikle 100 mm çapında)
Standard Toz Yatağı Boyutu
(Genellikle 250x250x20 mm)
Büyük Toz Yatağı Boyutu
(1 veya 2 kenarı >500 mm)
3D Systems US& F X X X
Concept Laser GmbH DE X X X
EOS GmbH DE X X X
Realizer GmbH DE X X
Renishaw UK X
SLM Solutions GmbH DE X X X

Lazer ışınlı ergitme toz yatak sistemlerinin üreticileri

Büyük toz yatak sistemi örnekleri

ProX400 by 3D Systems

ProX400, Üretici: 3D Systems, Platform boyutu: 500x500x500 mm


X Line 2000R by Concept Laser GmbH

X Line 2000R, Üretici: Concept Laser GmbH, Platform boyutu: 800x400x500mm


EOS M 400 by EOS GmbH

EOS M 400, Üretici: EOS GmbH, Platform boyutu: 400x400x400 mm


SLM500HL By SLM Solutions GmbH

SLM500HL, Üretici: SLM Solutions GmbH, Platform boyutu: 280x500x320 mm

2.2.2 Elektron Işınlı Ergitme [Electron Beam melting (EBM)]

EBM prosesi, yüksek ergitme kapasitesi ve yüksek verimlilik için ihtiyaç duyulan enerjiyi üreten yüksek güçlü bir elektron ışınına dayanır. Elektron ışını, son derece hızlı ve doğru ışın kontrolü sağlayan elektromanyetik bobinler tarafından yönetilir. EBM prosesi (1×10-5 mbar ya da daha iyi bir baz basınca sahip) vakum içinde ve yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir, bu da gerilimi giderilmiş bileşenler sağlar. Elektron ışını, yapımdaki her bir katman için toz yatağın tamamını, kullanılan malzemeye özgü optimum bir ortam sıcaklığına kadar ısıtır. Sonuç olarak, EBM prosesi ile üretilen parçalar neredeyse hiç artık gerilme içermez ve martensitli yapılar içermeyen bir mikro-yapıya sahip olur.

[EBM prosesi (Arcam’ın izniyle)]

Ti6Al4V acetabular cups with integrated Trabecular StructuresTM for improved osseointegration

Gelişmiş osseointegrasyon için entegre Trabeküler Yapılara™ sahip Ti6Al4V asetabular kapaklar (Arcam’ın izniyle)


Low Pressure Turbine blade in γ-titanium aluminide

γ-titanyum alüminitten yapılmış düşük basınçlı türbin kanadı (AvioAero’nun izniyle)

2.2.3 3 Boyutlu baskı [3D Printing]

3 boyutlu baskı, iki adımdan oluşan dolaylı bir prosestir.

Yapım platformuna bir toz katmanı uygulandıktan sonra, toz, yazıcı nozülü yoluyla beslenen bir bağlayıcı sayesinde toplanır.

İşlem, parçalar üretilene kadar tekrar edilir; bunun ardından hala « yeşil » aşamada olan parçaların toz yatağından dikkatle kaldırılmaları gereklidir.

Metal parçanın sertleştirilmesi ikinci bir adımda, bir bağlayıcıdan arındırma ve sinterleme işlemi sırasında gerçekleşir, bu adımı bazen bir infiltrasyon adımı izler.

Üreticiler

  • Digital Metal
  • ExOne

3 boyutlu baskı teknolojisi, lazer ışınlı ergitmeden daha verimlidir ve herhangi bir destek yapısı gerektirmez. Ayrıca, aşağıdaki birkaç son işlem (post processing) tekniğinden birinin kullanılması ile daha iyi bir yüzey kalitesi sağlar:

  • Ortalama Ra 3,0 μm için Bilya püskürtme/Kumlama/Tamburda Yuvarlama
  • Ortalama Ra 1,0 μm’den < 1,0μm’e kadar hassas bitirme (son işlem)

Ancak kullanılabilir malzemeler sınırlıdır ve elde edilen mekanik özellikler, lazer ve elektron ışınlı ergitme ile elde edilenlerden daha düşük olabilir.

3 boyutlu baskının ardından toz yatağındaki parçalar (Höganäs AB - Digital Metal®'in izniyle)

3 boyutlu baskının ardından toz yatağındaki parçalar (Höganäs AB – Digital Metal®’in izniyle)


[3 boyutlu baskı ile yapılmış paslanmaz vidalar

3 boyutlu baskı ile yapılmış paslanmaz vidalar (Höganäs AB – Digital Metal®’in izniyle)

2.2.4 Doğrudan Enerji Biriktirme [Direct Energy Deposition (DED)] (ya da Lazer Metal Biriktirme [Laser Metal Deposition (LMD)])

Doğrudan enerji biriktirme prosesinde, çok eksenli bir kol üzerine monte edilmiş olan bir nozül, ergimiş malzeme belirlenen yüzey üzerinde biriktirir ve malzeme bu yüzey üzerinde sertleşir.

Bu teknoloji, seçici lazerli ergitmeden daha yüksek verimlilik ve ayrıca daha büyük parçalar üretme kabiliyeti sağlar, ancak tasarım serbestliği çok daha kısıtlıdır: örneğin, kafes yapıların ve iç kanalların yapılması mümkün değildir.

Üreticiler

  • BeAM (Fransa)
  • DMG Mori (Almanya)
  • Hybrid Manufacturing Technologies (İngiltere)
  • INSSTEK (Kore)
  • MAZAK (Japonya)
  • Optomec (ABD)
  • Trumpf (Almanya)

[SLM’ye karşı LMD’nin karşılaştırması (Fraunhofer’in izniyle)]

Doğrudan Enerji Biriktirme CLAD prosesinin şeması (BeAM’in izniyle)

Lazer Metal Biriktirme prosesi

Lazer Metal Biriktirme prosesi (BeAM’in izniyle)

Lazer Metal Biriktirme ile üretilmiş Ti6Al4V kompleks demo (BeAM'in izniyle)

Lazer Metal Biriktirme ile üretilmiş Ti6Al4V kompleks demo (BeAM’in izniyle)

Kanat onarımı ya da yapımı için Doğrudan Enerji Biriktirme (Fraunhofer ILT'nin izniyle)

Kanat onarımı ya da yapımı için Doğrudan Enerji Biriktirme (Fraunhofer ILT’nin izniyle)

15-4

Doğrudan Enerji Biriktirme prosesinin faydaları

  • Yeni topolojik özellik olanakları
  • Parçaların bugüne kadar mümkün olmayan onarımları
  • Mevcut parçalara aynı ya da farklı bir malzemeyle yeni işlevler eklenmesi
  • Boyut sınırı yok (makine boyutu haricinde)
  • En az döküm kadar iyi mükemmel metalürjik kalite
  • Biriktirilen malzemenin kontrolü (eğimler, çoklu malzemeler, monolitik …)
  • Eko yenilikçi proses: daha az malzeme kaybı, alet prosesi yok…

2.3 Ana proses adımları

Metal bir parçanın eklemeli imalat teknolojileri ile üretimi, 3 boyutlu modelleme ile başlar. Ardından veri hazırlığının organize edilmesi gereklidir ve parça yönünün tanımını, destek yapılarının konumlarını ve modelin dilimlenmesini içerir. Parçanın üretilmesinden sonra, son işlem (post processing) operasyonları gereklidir.

[Proses adımlarının özeti (Fraunhofer’in izniyle)]
[Magics yazılımı ile desteklerin oluşturulması ve dosya dilimleme (Materialise’ın izniyle)]

Lazer ışınlı ergitme işlemi

Lazer ışınlı ergitme işlemi (EOS’un izniyle)


Tozun kaldırılmasının ardından platformdaki dental parçalar

Tozun kaldırılmasının ardından platformdaki dental parçalar (BEGO medical’in izniyle)

Son işlem (post processing) operasyonları aşağıdakileri içerebilir:

  • Makineyle işleme
  • EDM
  • Bilya püskürtme, Taşlama,
  • Cilalama, yüzey işleme
  • Isıl işlem
  • Artık poroziteleri gidermek için sıcak izostatik presleme (HIP)
  • Kontrol

[HIP son işleminin, SLM ve EBM ile üretilmiş parçaların yorgunluk dayanımı üzerindeki etkisi (MTC’nin izniyle)]