Katmanlı İmalat ve Katmanlı İmalat Yöntemleri | Otonom Fabrika | Endüstri 4.0

Katmanlı İmalat ve Katmanlı İmalat Yöntemleri

Tahmini Okuma Süresi:7 Dakika, 43 Saniye

1. Giriş

Katmanlı imalat, katman katman malzemenin birbirine eklenmesi ile 3 boyutlu nesnenin üretilmesi işlemidir. Bilgisayar ortamında tasarımı yapılan parça, gerekli formata (*.STL) çevrilerek katmanlara bölünür ve katmanlı imalat makinaları bu katmanları, kendilerine has tekniğe göre, oluşturur ve birbirine kaynaştırır.

Katmanlı imalat sistemlerinin öncelikli kullanım amaçları; karmaşık geometrilerin imalatı, imalat/devreye alma sürelerinin azaltılması, üretim yatırım maliyetlerinin düşürülmesi ve küçük ölçekli üretimlerde (özel üretim) kullanılmasıdır [1].

2. Katmanlı İmalat Teknolojisinin Avantajları ve Dezavantajları

Katmanlı imalat teknolojisi, dezavantajlarını elimine ederek sürekli gelişimi sürdürmeye devam ediyor. Günümüzde geldiği noktada avantaj ve dezavantajlarını sıralayacak olursak;

Avantajları:

  • Değişen ürün gamına sahip üreticiler için üretim yatırım maliyetlerini azaltmaktadır. (Örn. kalıp maliyetleri yoktur.)
  • Kişiye özel üretimin önünü açmaktadır.
  • Çok karmaşık geometriler üretilebilmektedir.
  • Geleneksel yöntemlere kıyasla montaj işlem sayısını düşürmektedir.
  • Prototip üretim zamanını oldukça düşürerek ürün geliştirme faaliyetlerini oldukça hızlandırmaktadır.
  • Talaşlı imalat için yetkin çalışanlar gerekliyken katmanlı imalat için çoğunlukla üretimde yetkinlik aranmaz.
  • Talaşlı imalat tekniklerine göre daha az malzeme israfına (geri dönüşüm dahil) neden olur.
  • Renkli malzemeler üretilebildiğinden, parçaların tekrar boyanması gerekmeyebilir.

Dezavantajları:

  • Birçok teknolojinin üretme hızlarını hala düşüktür (Saatte birkaç milimetre).
  • Kullanılan güç kaynaklarına bağlı olarak maliyetleri oldukça yüksek olabilmektedir (300bin dolardan 1.5 milyon dolara kadar).
  • Üretim dışında mekanik tasarım, malzeme ve proses bilgisi gerektirdiğinden uzman eksikliği yaşanabilir.
  • İmalat sonrası yüzey pürüzlülüğü, iç gerilmeler, iç boşluklar gibi sorunlar olabileceğinden ek işlemler gerekebilir.
  • Ek işlemlerden sonrası bile mekanik özellikler gereksinimleri karşılamayabilir.
  • 1 metreden büyük parçalar henüz üretilememektedir.
  • İmalatta kullanılacak malzemelerin türleri henüz sınırlıdır.

3. Katmanlı İmalat Yöntemleri

3.1. Fotopolimerizasyon

Fotopolimerizasyon yöntemleri, ışın ile (çoğunlukla mor ötesi) katılaşabilen polimer malzemelerin kullanımı esasına dayanır [2].

3.1.1. Stereolitografi (Stereolithography – SLA)

STEREOLİTOGRAFİ,(STEREOLITHOGRAPHY - SLA), otonom fabrika
Şekil 1. SLA Çalışma Prensibi

Stereolitografi (Stereolithography – SLA) teknolojisi ile mor ötesi (ultraviyole-UV) ışınla katılaşabilen reçine vasıtasıyla 3B nesne imal edilir. Şekil 1. de gösterildiği üzere lazer kaynağından çıkan mor ötesi ışın, üretilecek katmanın kesit görüntüsüne uygun olarak aynadan yansıtılarak reçine yüzeyini tarar ve temas ettiği reçine katmanını katılaştırır. İlk katman katılaştırıldıktan sonra hareketli platform, bir katman derinliğinde aşağı iner ve sonraki katmanın kürleştirilme işlemi başlar. Lazer kaynağı aşağıdan ya da yukarıdan katılaştırma işlemi yapabilir. Şekil 1. de katılaştırma işlemi yukarıdan yapılmaktadır.

SLA’da katman kalınlıkları çoğunlukla 50 – 100 mikrometre arasında değişmektedir. Nokta nokta, bu kalınlıktaki katmanların katılaştırılıp sonraki katmanlara geçildiği düşünülürse, bir saatte ancak birkaç milimetre katman katılaştırılabilmektedir [3].

3.1.2. Dijital Işık İşleme (Digital Light Processing – DLP)

Dijital ışık işleme (Digital Light Processing – DLP) teknolojisi ile Stereolitografi birbirine oldukça benzerdir. Aralarındaki fark; Stereolitografi’de lazer ışını nokta nokta katılaştırma yaparken, dijital ışık işleme’de bir projektör aracılığıyla 2 boyutlu düzlem (katman: 3B nesnenin 2B kesiti) UV ile topyekûn taranır ve katılaştırılır.

Dijital Işık İşleme (DLP), Stereolitografi (SLA) teknolojisine göre daha hızlıdır. Ancak, stereolitografi teknolojisi nokta nokta katılaştırma yaptığından dijital ışık işlemeden daha hassas katılaştırma işlemi (daha yüksek çözünürlükte) gerçekleştirir. Dolayısıyla yüksek hız ancak düşük çözünürlük için DLP kullanılırken, daha düşük hızda daha keskin geometriler için SLA kullanılır.

SLA teknolojisinin kullandığı UV lazer kaynakları, UV ışık projektörlerine göre daha pahalıdır. Dijital ışık işlemede, projektör çoğunlukla aşağıdan yukarı doğru katılaştırma yapar.

3.1.3. Sürekli Dijital Işık İşleme (Continuous Digital Light Processing – CDLP)

Sürekli dijital ışık işleme (Continuous Digital Light Processing – CDLP) teknolojisi daha hızlı üretim için geliştirilmiştir. Patent dosyasına buradan erişebilirsiniz. Bu teknoloji “Sürekli sıvı arayüz üretimi” (Continuous Liquid Interface Production – CLIP) olarak da bilinir. Dijital ışık işlemede olduğu gibi, bir projeksiyondan çıkan UV ışıklar ile komple katmanların taranmasına dayanır. Ancak, sürekli dijital ışık işleme teknolojisinde, hareketli platform sürekli yukarı hareket eder; yani katılaştırma dijital ışık işlemede olduğu gibi katman katman değil süreklidir. Dolayısıyla bir algoritma, en iyi katılaştırma zamanını dikkate alarak, yazıcıya sürekli, neredeyse gerçek zamanlı, 2B kesit resimler gönderir.

cdlp, katmanlı imalat, otonom fabrika, sürekli dijital ışık
Şekil 2. CDLP (CLIP) Teknolojisi

CDLP teknolojisi bu baskı hızını, oksijenden faydalanarak sağlamaktadır. Şekil 2. de gözüktüğü üzere, DLP’den farkı oksijen sayesinde oluşturulan “ölü bölge”de mikrometre seviyesinde sıvı reçine tabakası oluşmasını sağlayarak, katman temizliğine (peeling) ihtiyaç duyulmasını engellemesi ve katılaştırmanın sürekli olmasını sağlamasından ileri gelir. CDLP teknolojisi ile 50mm/saat yazma hızlarını aşılabilmektedir [4].

3.2. Malzeme Ekstrüzyonu

Malzeme ekstrüzyonu, çoğunlukla polimer esaslı malzemelerin makaralar yardımıyla sıkıştırılması ve eritilerek iplik iplik katmanların oluşturulması esasına dayanır.

3.2.1. Eriyik Yığma (Fused Deposition Modelling – FDM)

Eriyik Yığma (FDM) teknolojisi, Şekil 3. de gözüktüğü üzere, makaralara sarılmış filamentler (iplik), makaralar aracılığıyla nozüle doğru itilir. Nozül çıkışından hemen önce, bir ısıtıcı aracılığıyla eritilerek X-Y düzleminde iplik iplik katılaştırma işlemi gerçekleştirilir. Çoğunlukla ABS, karbon fiber ve PLA esaslı filamentler kullanılmaktadır. Destek kısımları oluşturmak, farklı renkler vb. elde etmek amacıyla; nozül sayıları artırılarak, aynı anda farklı malzeme esaslı filamentler ile katılaştırma işlemi gerçekleştirilebilir.

eriyik yığma, fdm, katmanlı imalat, otonom fabrika
Şekil 3. Eriyik Yığma (FDM veya FFF) Teknolojisi

Su veya diğer karışımlarla çözülebilen malzemeler, destek yapılarında kullanılarak, yazdırma işlemi sonunda, çözündürerek uzaklaştırılabilmektedir. İşlem sonunda elde edilen 3B geometride iplik izleri görülecektir.

Eriyik Yığma (FDM) teknolojisinde parça basım hızları düşüktür. Ancak basılmış malzemenin mekanik, kimyasal ve termal özellikleri birçok uygulama için yeterlidir. Maliyetlerinin de düşük olmasının etkisiyle endüstri dışı kullanımda ilk sırada yer almaktadır. Dayanım özelliklerini artırmak amacıyla polimer filamentler metal ya da seramik tozlarla da karıştırılabilir.

3.3. Toz zeminde Füzyon

Toz zeminde füzyon teknolojileri, toz hale getirilmiş malzemelerin lazer, kızıl ötesi lamba, elektron ışını gibi bir güç kaynağından faydalanarak, eritilerek veya ısıtılarak kaynaştırılması esasına dayanır.

Toz zeminde füzyon teknolojileri vakum gerektirmektedir. Bu sayede toz taneciklerinin birbirine kaynaştırılması kolaylaşmakta, güç tüketimi azaltılmakta ve dayanım özellikleri iyileşmektedir.

3.3.1. Seçici Lazer Sinterleme (Selective Laser Sintering – SLS)

SLS teknolojisi ile toz hale getirilmiş malzemeler (polimer, seramik ve bazı metaller), bir lazer kaynağının yarattığı ısı sayesinde erime noktalarının altındaki bir sıcaklıkta birbirine kaynaştırılarak katmanlar oluşturulur.

lazer sinterleme, sls, katmanlı imalat, otonom fabrika
Şekil 4. Seçici Lazer Sinterleme (SLS) Teknolojisi

Şekil 4. de görüldüğü üzere, 1 numaralı haznede toz hale getirilmiş malzeme bulunmaktadır. Tezgah üzerinde hareket eden 3 numaralı silindir (toz serici), 1. numaralı hazneden tozu sürükleyerek, sinterleme işleminin yapıldığı 2 numaralı platformun üzerine getirir. Burada lazer kaynağı, 3B modelin kesitine uygun olarak, toz parçacıklarını ısıtarak birbirlerine kaynaşmasını sağlar. Daha sonra 2 numaralı platform bir katman boyu kadar (yaklaşık 100 mikron) aşağı iner. Süreç bu şekilde imalat bitene kadar tekrarlanır. Toz hanelerinden, silindir (toz serici) ile toz transfer edildikten sonra, bu platformlarda bir katman yukarı çıkar.

Bu yöntemde malzeme israfı oldukça düşüktür. İşlemlerden sonra geride kalan tozlar tekrar kullanılabilir.

3.3.2. Doğrudan Metal Lazer Sinterleme (Direct Metal Laser Sintering – DMLS)

Çalışma tekniği SLS teknolojisi ile aynıdır. Aralarındaki fark, SLS teknolojisi çoğunlukla polimer-seramik tozlar için kullanılırken DMLS teknolojisinin çoğunlukla metal tozları için kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Gerekli görülürse, imalattan sonra ısıl işlemler (tavlama) uygulanarak iç gerilmeler giderilebilir.

3.3.3. çok püskürtmeli Ergitme (Multi Jet Fusion – MJF)

Çok püskürtmeli ergitme (MJF) teknolojisi, güç kaynağı olarak lazer yerine kızıl ötesi lambalar kullanmaktadır. Toz zemine 2 tip yapıştırıcı sıvı püskürtülmektedir. Sıvının birisi, toz tanecikleri arasında ısının iletimini güçlendirirken, diğeri zayıflatır. Böylece, kaynaşması ve kaynaşmaması istenen toz kesitlerine ayrı sıvılar gönderilerek, oluşturulacak 3B nesnenin yüzeyinin/kenarlarının keskin olması ve daha homojen bir yapı sağlanır.

3.3.4. Elektron Işınlı Ergitme (Electron Beam Melting – EBM)

Elektron ışınlı ergitme (EBM) teknolojisi, odaklanmış bir elektron ışını vasıtasıyla toz malzemenin eritilerek kaynaştırılması prensibine dayanır. SLS teknolojisine benzer olmakla birlikte farkı, sinterleme yerine eritme yapmasıdır.

Yüksek mukavemetli parçaların imalatında tercih edilmektedir. Bu malzemelerinin tozlarını eritmek için yüksek güç gerektiğinden, kısa sürede işlemi gerçekleştirebilmek için elektron ışın kaynakları gibi güçlü kaynaklara ihtiyaç duyulmaktadır.

3.3.5. Seçici Lazer Eritme (Selective Laser Melting – SLM)

Seçici lazer eritme teknolojisi, SLS ve DMLS teknolojisiyle oldukça benzer çalışma prensibine bağlıdır (Şekil 4). Bu teknolojinin SLS ve DMLS’den farkı, sinterleme değil, eritme yapmasıdır. İmalatta kullandığı malzemenin sıcaklığı eritme noktasının üzerine çıkarır ve orada kaynaştırır. Titanyum, alüminyum gibi metal tozlarından homojen parçalar imal eder. Çoğunlukla havacılık, medikal ve otomotiv uygulamalarında kullanılır.

Metallerin eritilmesi için yüksek güce sahip lazer sistemleri gerektiğinden, yatırım maliyetleri yüksektir ve kontrolü zordur.

3.4. Malzeme Püskürtme

3.4.1. Çoklu Püskürtme (PolyJet – PJ veya Multijet – MJ)

çoklu püskürtme, polyjet, multijet, otonom fabrika
Şekil 5. Çoklu Püskürtme (PolyJet/MultiJet)

Çoklu Püskürtme (PolyJet – PJ veya MultiJet – MJ) teknolojisinde, üzerinde onlarca nozül bulunan bir püskürtme kafası vardır. Bu püskürtme kafasındaki nozüller 40-50 mikron büyüklüğünde fotopolimer sıvı damlacık püskürtebilirler. Buna ilaveten püskürtme kafası UV ışık kaynağı da taşımaktadır. Püskürtme kafası, üretilecek parçanın kesitine (katman geometrisine) uygun olarak fotopolimer sıvı damlacıklarını püskürtürken, onu takip eden UV ışık kaynağı, polimer damlacıklarını ısıtarak katılaşmalarını engeller. Böylece, yeni katman için püskürtülen fotopolimer damlacıklar, katılaşmamış bir katmana temas ettiğinden daha iyi kaynaşır.

Ürettiği ürünler polimer tabanlı olduğundan yüksek dayanım gerektiren uygulamalarda kullanılamamaktadırlar. Ancak UV ışık kaynağından ötürü katmanlar birbirlerine daha iyi kaynaşmaktadır ve yüksek çözünürlükte imalat yapabilmektedirler. Dolayısıyla, işlem sonunda pürüz giderme gibi ek operasyonlara gerek kalmamaktadır.

4. Sonuç

Günümüzün ve geleceğimizin en önemli imalat yöntemlerinden olan katmanlı imalat için çok fazla bilimsel ve teknolojik çalışma yürütülüyor. Geçen zamanla birlikte dezavantajları bir bir elimine edilip verimlilikleri artırılarak endüstriyel kullanım alanları genişleyecektir. Olgunlaşan çalışmalar ile birlikte bu imalat yönteminin üretimde bir devrim yapma olasılığı oldukça yüksektir. Bu doğrultuda, bizler de, ilerleyen yazılarımızda konuyu derinleştirecek ve çeşitli uygulama örnekleri paylaşacağız.

5. Referanslar

  • 1: Sürmen H.K., “EKLEMELİ İMALAT (3B BASKI): TEKNOLOJİLER VE UYGULAMALAR”, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 24, Sayı 2, 2019
  • 2: Duman B, Kayacan M.C.. “Seçmeli Lazer Sinterleme Tezgâhı İçin İmalat Yazılımı Geliştirilmesi”, SDU International Journal of Technologies Science 2016;8(3):27-45.
  • 3: I. Gibson, D. W. Rosen, B. Stucker, Additive Manufacturing
    Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing
    (Springer, New York, 2010).
  • 4: John R. Tumbleston et all., “Continuous liquid interface production of 3D objects”, Science ,347 (6228), 1349-1352.

Bunları da sevebilirsiniz

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir