Katmanlı İmalat Teknolojisi (Additive Manufacturing Methodology) Nedir?

Türkiye, son yıllarda birbiri ardı sıra gerçekleştirmiş olduğu savunma sanayisi projeleri ile imalat teknolojileri alanında daha üstün kabiliyetlere ihtiyaç duymakta ve uzay ve havacılık sektörü gibi yüksek hassasiyetli parçalara ihtiyaç duyan sektörler için “Katmanlı İmalat Teknolojileri” İngilizce adı ile “Additive Manufacturing Methodology” yenilikçi imalat çözümleri ile sektörün ihtiyaç duyduğu parçaları imal edebilmek için gereken imkanı sağlayabilmekte… Bu yazımızda katmanlı imalat teknolojileri nedir, katmanlı imalat yöntemleri nelerdir, katmanlı eklemeli imalat nasıl olmaktadır, hangi tezgahlarda katmanlı imalat yapılabilmektedir gibi sorulara cevap vermeye çalışacağız…

Katmanlı (Eklemeli) İmalat Teknolojileri Nedir?

Katmanlı imalat teknolojisi, bilindik torna ve freze gibi aşındırmalı imalat yöntemleri ve kaynaklı imalat gibi sınırlı imalat yöntemlerinin aksine farklı üretim teknikleri sayesinde malzeme ekleme ve bütünleştirme işlemleri ile ihtiyaç duyulan karmaşık parçaların üretimini tek bir proseste gerçekleştirilmelerine imkan sağlayan ve çok farklı malzeme kullanımı gibi birçok avantajı içinde barındıran bir imalat yöntemidir.

Katmanlı imalat teknolojilerinin tarihçesine baktığımızda 1980’li yıllarda hızlı prototipleme (rapid prototyping) alanında kullanılmaya başlanmış ve bu alanda büyük avantajlar sağlaması ile gelişimine ağırlık verilmiştir. Tarihler 1987 yılına geldiğinde 3D Systems tarafından Stereolithography (SL) tekniği olarak isimlendirilen yöntemle plastik işleme alanında ilk ticari faaliyetler başlamıştır. SL tekniği kullanılarak mor ötesi ışığa duyarlı polimer malzeme, lazer vasıtasıyla katman katman dondurularak, tasarımcılar için gerekli prototip üretimleri kolaylıkla yapılabilmesini mümkün kılmıştır.

Polimer tabanlı katmanlı imalat teknolojileri 1990’lı yıllarda Stratasys tarafından geliştirilen “fused deposition modeling (FDM)”, Cubital firmasının “solid  ground curing (SGC)”, Helisys firmasının “Laminated Object Manufacturing (LOM)” metodlarının kullanımı ile ticarileşme ve gelişme göstermiştir. Bu dönemde polimer malzemelere ek olarak toz maddelerin eritilmesi yöntemi DTM firması tarafından “Selective Laser Sintering” (SLS) olarak üreticilere sunulmuş, 1994 yılında ise EOS firması, EOSINT M160 ve  EOSINT M250 model tezgahlarında doğrudan metal tozu katılaştırma (Direct Metal Laser Sintering) yöntemi ile bronz ve çelik malzeme karışımlarını işleyebildiğinden, elde edilen ürünler metal alaşımı özelliğinden ziyade kompozit malzeme özelliği göstermektedir. Lazerle metal işleme teknolojisi yöntemiyle 1990’lı yılların sonlarında Optomec ve Röders gibi firmalarda ticari çözümler geliştirmekle birlikte ExtrudeHone isimli firma, MIT tarafından geliştirilen bir teknik ile alet tasarımına yönelik “Prometal Rapid Tooling System RTS-300” ü geliştirerek toz içerisinde ham şekillerin lazer yardımıyla eritilmesi işlemini gerçekleştirmiştir. Precision Optical Manufacturing firması 2002 yılında lazer ile metal kaplama teknolojini (Direct Metal Deposition) tanıtmıştır.

Katmanlı İmalat Yöntemleri Nelerdir

Katmanlı imalat yöntemleri, kullanılan yöntem ve malzemelere göre sınıflandırılmaktadır. En genel olarak katmanlı imalat yöntemleri şunlardır;

• Lazer Eritmeli Sistemler (Laser Melting/Laser Sintering)
• Erimiş Malzeme Şekillendirme (Fused Deposition Modelling – FDM)
• Stereolithografi
• Malzeme Jeti (Material Jetting)
• Yapıştırıcı ile Katmanlı İmalat (Binder Jetting)
• Elektron Kaynağı (Electron Beam Melting)

Toz Yataklı Lazer Eritmeli Sistemler (Powder Bed Laser Melting/Sintering)

Lazer eritme yöntemi olarakta isimlendirilen bu teknikte, toz içerisinde üretilmek istenen parçanın bir kesiti lazer ile eritilir ve bir sonraki katman için ilk katmanın üzerine ilave edilen toz tekrar eritilir ve böylelikle parça katman katman üretilmiş olur. Bu yöntemde elde edilen katmanlar yaklaşık 20-100 µm kadardır ve bu teknolojide birden çok ve farklı özellikteki lazerler soy gaz ortamında birlikte kullanılmaktadır. Bu teknikle yapılan ticari ürünler “Selective Laser Meltin (SLM)”, “Laser Curing”, “Direct Metal Laser Sinterin (DMLS)” gibi isimlerle aranılarak detaylı bilgi elde edinebilir. Bu tekniğin tamamen vakum içerisinde uygulandığı “Electron Beam Melting (EBM)” sistemi de piyasada kullanılan yöntemler arasında yer almaktadır. Lazer eritmeli sistemler konusunda belli başlı tezgah üreticileri olarak Concept Laser, EOS, Realizer, Renishaw, SLM Solutions, 3D-Systems, Arcam AB, Matsuura gibi firmalar bulunmaktadır. Katmanlı imalat ile elde edilen parçalarda yüzey düzeltme yada çapak alma gibi tesviye ve ısıl işlemler imalat sonrası uygulanmaktadır.

Toz Beslemeli Lazer Eritmeli Sistemler (Powder Fed Laser Melting)

Lazer Kaplama (laser cladding), Yönlendirilmiş Enerji Birikimi (Directed Energy Deposition), Lazer Metal Biriktirme (Laser Metal Deposition) gibi farklı isimlerle anılan bu yöntemde, lazer veya elektron ışını gibi kaynaklarla eritilen toz halindeki ham metal, istenilen noktalara püskürtülerek parça imal edilmesi sağlanır. Bu yöntemin tercih edildiği tezgahların kabiliyetlerine göre 100 µm kadar ince yapıların üretilmesi mümkün olabilmektedir. Bu tekniğin gelişmiş versiyonunu kullanan Optomec firması “Laser Engineered Net Shaping” yöntemi ile mevcut bir yapıya kaplama yaparak zarar vermeden tamiratın gerçekleşmesine olanak verebilmektedir. Bu teknikte öne çıkan firmalar ise Optomec, Sciaky, DMG Mori, BeAM, Trumpf gibi firmalardır.

Metal tabanlı bu sistemlerde çok farklı metal tozları kullanılmaktadır, sistem içerisinde kullanılabilmeleri için küçük çaplı ve eşit boyda kürecikler halinde getirilir. Bu alanda en çok tercih edilen metal alaşımları şu şekildedir;

• Alüminyum alaşımlar; AlSi10Mg / AlSi7MG / AlSi12
• Kobalt tabanlı alaşımlar; ASTM F75 / CoCrWC
• Alet Çeliği; AISI 420 / Marage 300 / H13 / AISI D2 – A2 S7
• Nikel tabanlı alaşımlar; Inconel 718 – 625 – 713 – 738 / Hastelloy X
• Paslanmaz Çelik; SS 304 – 316L – 410 – 440 / 15-5 PH / 17-4 PH
• Titanyum Alaşım; Titanyum Grade 2 / Ti6Al4V / Ti6Al4V ELI / TiAl6Nb7
• Değerli Metaller; Altın ve Gümüş türevleri
• Bakır alaşım; CC 480 K

Yapıştırıcı ile Katmanlı İmalat (Binder Jetting)

Toz malzeme üzerine mürekkepli yazıcı benzeri hareketli bir kafa ile yapıştırıcı uygulanır ve üzerine yeni toz malzeme serilerek sertleştirilir, bu yöntem genel olarak kalıp imalatında kullanılmaktadır. Bu yöntemde esas bağlayıcı yapıştırıcı malzeme olduğundan daha kırılgan parça üretimi gerçekleştirilir. Bu tekniğin en yaygın olarak kullanıldığı alan olan döküm uygulamaları için kum kalıp benzeri erkek ve dişi kalıp üretimi yapan ExOne firmasının tezgahları örnek gösterilebilir.

Elektron Kaynağı

Isı kaynağı olarak elektron tabancı kullanılan bu sistemde, ısıtma yapılan odak merkezine eritilecek olan materyal kablo şeklinde besleme ile gönderilir ve eritilip katman oluşturması sağlanır. Bu teknikte hassasiyet çok fazla olmamakla, geniş ve büyük imalatların yapılmasında tercih edilmektedir. Katmanlı bir şekilde gerçekleştirilen bu üretim daha sonra bilindik imalat yöntemleri ile işlenerek en son hale getirilmektedir.

Erimiş Malzeme Şekillendirme (Fused Deposition Modelling – FDM)

Bu yöntem 3 boyutlu yazıcı olarak isimlendirilmektedir ve genel olarak plastik, polimer malzemeler kullanılarak, malzemelerin eritilip hareketli kafa sayesinde katmanlar halinde üst üste yapıştırılarak istenilen parça üretilir ve ortam sıcaklığında sertleştirilir. Bu yöntem genel olarak hızlı prototip ihtiyaçlarında ve az sayıda üretilecek olan parçalar için tercih edilmektedir.

Malzeme Jeti (Material Jetting)

Bu teknikte, mürekkepli yazıcı benzeri bir kafa tarafından sıvı yada eriyik haldeki balmumu türü malzemeler kontrollü bir şekilde püskürtülerek ve kürlenerek imal edilir. Bu yöntemin tercih edilme sebebi, hassas ve parlak yüzeylerin kolayca elde edilebiliyor olmasıdır fakat dezavantaj olarak kırılgan ve zaman alacı bir proses olmasıdır.

Stereolithografi

Bu teknikte, ışık ile kür edilebilen polimer malzeme, lazer vasıtasıyla istenilen üretim için katman katman oluşturularak imal edilir. Bu yöntem sayesinde hassas şekil verme ve düzgün yüzeyler elde etmek mümkündür fakat fotopolimer malzemeler yapı itibariyle çok kararlı olmaması ve de mekanik özelliklerinin değişken olması sebebiyle, hızlı prototip yapma ve bazı kalıp uygulamalarında kullanılmaktadır.

Katmanlı İmalat İçin Tezgahlar

Katmanlı imalat yapabilmek için gereken tezgah konusunda Amerika ve Almanya firmalarının üstünlüğü bulunmaktadır. Aşağıda teknoloji, ülke ve firma isimlerine göre katmanlı imalat tezgah üreticileri listemiz bulunmaktadır;

Amerika (ABD) Menşeili Tezgah Üreticileri

• ExOne; Binder jetting teknolojisi kullanmaktadır
• Stratasys (ABD-İsrail); Polimer tabanlı teknoloji kullanmaktadır
• 3D Systems; Büro tipi ürünler, Polimer tabanlı ürünler, Stereolithografik ürünler, Toz yatağında lazer eritme teknolojileri kullanmaktadır
• Sciaky; Elektron kaynağı teknolojisi kullanmaktadır
• RPM Innovations; Toz beslemeli lazer kaynağı teknolojisi kullanmaktadır
• Envisiontech; Polimer tabanlı ürünler teknolojisi kullanmaktadır.

Almanya Menşeili Tezgah Üreticileri

• EOS; Toz yatağı içerisinde lazer ile metal ve plastik katmanlı imalat teknolojisi
• ConceptLaser; Toz yatağında lazer eritme yöntemi (LaserCussing) teknolojisi
• Renishaw; Toz yatağında lazer eritme yöntemi teknolojisi
• Trumpf; Toz yatağında lazer eritme yöntemi teknolojisi
• Realizer; Toz yatağında lazer eritme yöntemi teknolojisi
• SLM Solutions; Toz yatağında lazer eritme yöntemi teknolojisi
• OR-laser; Toz beslemeli lazer kaynağı teknolojisi
• DMG Mori; Toz beslemeli lazer kaynağı teknolojisi

Japonya Menşeili Tezgah Üreticileri

• Matsuura; Toz yatağında lazer eritme ve frezeleme ile kalıp imalatı

Hollanda Menşeili Tezgah Üreticileri

• Additive Industries; Toz yatağında lazer eritme ve otomasyon teknolojisi

İsveç Menşeili Tezgah Üreticileri

• Arcam; Toz yatağında lazer eritme yöntemi

Katmanlı İmalat Yapan Tezgah Boyutları ve Fiyatları

Katmanlı imalat yöntemleri, kullanılan ileri düzey alaşımlar ve yüksek maliyetli geleneksel imalata göre avantajlar doğurabilmekte fakat en büyük dezavantajı ise ticari olarak mevcut tezgahların boyut kısıtlarıdır. Metal katmanlı imalat için şuanda mevcut en büyük tezgah 630 x 400 x 500 mm’dir. Aşağıda, ölçüleri ve kullanılan materyale göre katmanlı imalat tezgahları ve satış fiyatları yer almaktadır.

• 355x305x305 mm – polimer  –  180 Bin Dolar
• 406x355x406 mm – polimer  –  200 Bin Dolar
• 914x610x914 mm – polimer  –   800 – 900 Bin Dolar
• 125x125x75 mm – metal         –  450 Bin Euro
• 280x280x350 mm – metal.   –  800 Bin Euro
• 500x280x325 mm – metal    –  1,2 Milyon Euro

Katmanlı imalat alanında ülkemizde TEİ tarafından üretilmiş olan aşağıdaki parça Türkiye’nin katmanlı imalat ile üretilmiş en karmaşık havacılık motor parçası midframe 330 parçadan 1 parçaya dönüşmüş hali olarak sergilenmektedir.

Tei Katmanlı İmalat ile Üretilmiş Parça

Yine dünyadan bir örnek vermek gerekirse, Ferrari tarafından üretilen ve 3D printed teknolojisi ile titanyumdan üretilen F1 araçları için fren pedalının her biri sadece 30 gram ağırlığındadır.

Ferrari – Katmanlı İmalat 3D Printed Titanyum Fren Pedalı

Türkiye’de Katmanlı (Eklemeli) İmalat (TEİ)

Türkiye’deki katmanlı (eklemeli) imalat konusunda en yetkin firmalardan birisi TEİ olmaktadır. TEİ’nin gerçekleştirmiş olduğu eklemeli imalat teknolojisi şu sırayla aşamalar kaydetmiştir;

• 2014 yılında ilk eklemeli imalat projesi olarak Yakut projesine başlanmıştır.
• 2016 yılında konvansiyonel yöntemler kullanılarak 9 parçadan oluşan TEI-TJ90 motorunun yanma odası yekpare biçimde üretilmiştir.
• 2017 yılında eklemeli imalat ile üretin yanma odası parçası yer testlerini başarılı bir şekilde tamamlamıştır.
• 2017 yılında yeni eklemeli imalat sistemi yatırımı ile imalat kapasitesi ve malzeme çeşitliliği arttırılmıştır.
• 2018 yılında yerli iş birlikçi ile eklemeli imalat için toz ham malzeme üretimi projesine başlanılmıştır.
• 2018 yılında eklemeli imalat yöntemi ile elde edilen braket parçaları, ilk motor uçuş testini başarı ile tamamladı.
• 2018 yılında elektron ışını ile ergitme teknolojisi kullanılarak titanyum alaşımları ile proses geliştirme faaliyetlerine başlanmıştır.
• 2019 yılında devam eden özgün motor projelerinde eklemeli imalat ile üretilen parçalar prototip ve %50’ye varan final parça olarak kullanılmaktadır.
• 2020 yılında mini ve mikro odağa sahip X-ışını endüstriyel bilgisayarlı tomografi (CT) sistemleri tedariki tamamlandı ve hem AR-Ge ve hem seri üretim projelerinde kullanılmaya başlandı.