EKLEMELİ İMALAT TEKNOLOJİLERİNE GİRİŞ | 4. LAZER IŞIN ERGİTME İÇİN TASARIM KILAVUZU
EKLEMELİ İMALAT TEKNOLOJİLERİNE GİRİŞ
1.2 Eklemeli İmalat (Eİ) teknolojilerinin diğer TM (Toz Metalürjisi) teknolojilerine göre konumu
1.3 Eklemeli İmalat (Eİ) teknolojisinin faydaları
1.4 Eklemeli İmalat (Eİ) teknolojisinin sınırları
1.5 Pazar perspektifleri
2. EKLEMELİ İMALAT TEKNOLOJİLERİ
2.1 Metal tozları ile lazerli ergitmenin esasları
2.2 Metal eklemeli imalat süreçlerine genel bakış
2.3 Ana proses adımları
3. EKLEMELİ İMALATA YÖNELİK METAL TOZLARI
3.2 Toz üretim prosesleri
3.3 Eklemeli üretime yönelik metal tozlarının özellikleri
3.4 Alaşımlar ve malzeme özellikleri
4. LAZER IŞIN ERGİTME İÇİN TASARIM KILAVUZU
4.1 Temel tasarım kuralları
4.2 Parça yönü
4.3 Eklemeli İmalat (Eİ) teknolojisi için tasarım optimizasyonu
5. VAKA ÇALIŞMALARI
5.5 Otomotiv ve Araba Yarışları
5.6 Tüketici ürünleri
Bu tasarım esasları sadece lazer ışınlı ergitme (yeni seçici lazerli ergitme) için geçerlidir, EBM ya da LMD için geçerli değildir. EÜ teknolojileri, parça tasarımı ve olası geometriler bakımından eşsiz olanaklar sunmaktadır.
Aşağıdaki platform örneği, makine kabiliyetlerinin birçok geometrik özellik için değerlendirmesinde yararlı olabilir; örneğin:
Minimum delik çapı
Maksimum kavis yarıçapı
Maksimum kanal çapı /kanal uzunluğu
Minimum direk çapı
Minimum aralık mesafesi
Çıkıntı açısına karşı yüzey pürüzlülüğü
4.1.1 Delikler ve iç kanallar
Makine kabiliyetlerini ve parametrelerini değerlendirmek için çeşitli standart geometrik unsurlardan oluşan platform (Fraunhofer’in izniyle)
Önerilen minimum standart delik boyutu şu anda 0,4 mm’dir. 10 mm’nin altında çapa sahip delikler ve kanallar genellikle destek yapıları gerektirmezler. Ancak 10 mm’nin üzerindeki çaplar için destek yapıları gereklidir ve lineer olmayan kanallar söz konusu olduğunda, bu yapıların sökülmesi zor olabilir. Bu durumda destek yapılarından kaçınmak için olası bir seçenek kanal profilini değiştirmektir; aşağıdaki örnekte, çıkıntı alanını en aza indiren elips bir profil görülmektedir.
Diğer bir yaklaşım, sökme işleminden kaçınmak için destekleri işlevsel olarak entegre etmek olabilir.
[Destek yapısız yuvarlak delik (Renishaw’ın izniyle)]
[10 mm’den büyük destek yapılı yuvarlak delik (Renishaw’ın izniyle)]
[Destek yapılarından kaçınmak için elips profil (Renishaw’ın izniyle)]
4.1.2 Minimum duvar kalınlığı
Önerilen minimum duvar kalınlığı genellikle 0,2 mm’dir. Ancak bu kalınlık makineye, kullanılan toza ve malzemeye göre değişiklik gösterebilir. Duvar kesitlerinin çok ince olması ya da desteklenmemesi durumunda, aşağıdaki Ni718 manifold örneğinde görülebileceği gibi yüzeyde burulma olması olasılığı vardır.
Parça tamamen yoğundur, ancak büyük parça çapı nedeniyle 200 mikron kalınlığındaki duvar kendisini destekleyememektedir. Bu durumda, burulma etkisini önlemek için duvar kesitinin kalınlaştırılması gereklidir.
İnce duvar kalınlıklarına sahip küpler (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Çok ince duvarlar nedeniyle burulma etkisi gösteren Ni718 manifold (Renishaw’ın izniyle)
4.1.3 Maksimum uzunluk-yükseklik oranı
Uzunluk-yükseklik oranı genellikle 8:1 oranını aşmamalıdır.
Aşağıdaki bisiklet kadrosu bileşeni örneğinde, uzunluk-yükseklik oranı çok büyüktür. İkinci bir tekrarda, parçanın bozulmasını önlemek için bir kafes destek yapısı eklenmiştir.
Ancak, aşağıdaki örnekte görülebileceği gibi, parçanın makul bir kesite ya da destek yapısına sahip olması durumunda, daha yüksek bir genişlik-yükseklik oranı ile üretilmesi mümkündür.
Çok yüksek uzunluk-yükseklik oranı nedeniyle burulma etkisi gösteren bisiklet şasisi bileşeni (Renishaw’ın izniyle)
Yüksek uzunluk-yükseklik oranına sahip parçalar (Renishaw’ın izniyle)
4.1.4 Minimum direk çapı ve kafes yapılar
Minimum direk çapı genellikle 0,15 mm’dir. Toz yatak EÜ teknolojilerinin sunduğu bu eşsiz tasarım olanağı sayesinde, diğer teknolojiler ile üretilmesi mümkün olmayan karmaşık kafes yapılar üretilebilir.
Kafes yapılar, parçanın sağlamlığını azaltmadan parçanın ağırlığını azaltma avantajı sağlamaktadır; bu da havacılık-uzay ve ulaşım gibi endüstrilerde çok büyük önem taşımaktadır.
[Kafes yapı örnekleri (Renishaw’ın izniyle)
0,15 mm direk çapına sahip yapı (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
İç kafes yapıya sahip hafif sap (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Kütle azaltma amaçlı kafes yapı (Airbus Helicopter ve Poly-Shape’in izniyle)
COMPOLIGHT projesine ait, bir elektrik motoru için 0,4 mm çaplı direklere sahip ısı eşanjörü prototipi (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Parçaların toz yatağındaki yönü, hem kalite hem de maliyet açısından dikkate alınması gereken temel bir noktadır. Aslına bakılırsa parça yönü yapım süresini, desteklerin miktarını, yüzey pürüzlülüğünü ve artık gerilmeleri etkiler.
En uygun parça yönünün bulunması, aşağıdakileri sağlamaya yardımcı olur:
en kısa yapım süresi; yani katmanların sayısının ve parça yüksekliğinin en aza indirilmesi
asgari miktarda destek
kolayca sökülebilmeleri için desteklere kolay erişim
olası en iyi yüzey pürüzlülüğü ve asgari merdiven etkisi
parça bozulmalarına yol açabilecek artık gerilmelerin asgari düzeye düşürülmesi
Parçayı katman katman üretirken önemli bir kural çıkıntı açısının çok düşük olmasından kaçınmaktır; çünkü her bir kaynak dikişinin, bir önceki katmanda bulunan bir önceki kaynak dikişi tarafından en azından kısmen desteklenmesi gereklidir. Parça ile yapım platformu arasındaki açı 45°’nin altında olduğunda, kötü yüzey pürüzlülüğünü ve aşağıdaki fotoğrafta görülebileceği gibi yapım hatasına yol açan bozulmayı ve çarpıklığı önlemek için destek yapıları gereklidir.
Kötü yüzey pürüzlülüğü, destek yapısını bir yapım iskelesi olarak kullanmak yerine, yapım işlemini doğrudan gevşek toz üzerinde gerçekleştirmenin sonucudur. Bu olayda, odak noktasında eritilen alan çok hızlı soğur ve ortaya çıkan gerilme, malzemeyi yukarı doğru kıvırır. Destekler, yukarıya doğru kıvrılmayı önlemek için parçaları yapım levhasına tutturan bir bağ görevi görecektir. Bunun yanında, çok kötü yüzey eritilmiş ve kısmen eritilmiş/sinterlenmiş tozdan oluşur; çünkü lazer toz yatağına nüfuz eder ve aşırı ısıyı destek yapısı yoluyla dağıtmak yerine odak noktasını çevreleyen gevşek toz taneciklerini bir araya toplamaya başlar.
İstenen profilden yüksek olması durumunda, çarpıklık ve kıvrılmış alan bir yapım hatasına da yol açabilir, çünkü yeni bir toz katmanının yayılmasını önler.
Yapım platformu ve parça arasındaki çıkıntı açısı
45°’nin altında bir çıkıntı açısında, kötü yüzey pürüzlülüğü ve parça bozulması yapım hatasına yol açabilir (Renishaw’ın izniyle)
[90°’lik açılar söz konusu olduğunda, desteklerden kaçınmanın bir yolu, 45°’lik bir pah oluşturmaktır (Renishaw’ın izniyle)]
Destek yapılarının birkaç işlevi vardır:
çıkıntılar olması durumunda parçayı desteklemek,
parçayı güçlendirmek ve yapım platformuna sabitlemek,
aşırı ısıyı ileterek uzaklaştırmak,
çarpıklığı ya da komple yapım hatasını önlemek.
Bunun yanı sıra, optimize desteklerin mekanik olarak kolayca sökülebilmeleri ve asgari ağırlığa sahip olmaları gereklidir. Parçanın yapım platformu üzerindeki konumunun ve yönünün destek yapılarına duyulan ihtiyaç ve bu yapıların niteliği, dolayısıyla üretimin kalitesi ve son işlemler üzerinde önemli bir etkisi vardır.
Aşağıda, farklı parça konumlarına ve yönlerine bağlı olarak basit bir parça üzerindeki farklı destek yapılarının örnekleri verilmiştir. Bazı durumlarda, işleme bakımından en iyi seçenek olsa da, desteklerin kaldırılması imkansız olabilir. Bunun yanında, birçok destek yapısı tasarımı mümkündür.
Farklı parça konumları ve yönleri ve bunların destek yapılarının yeri ve önemi üzerindeki etkisi (Spartacus 3D’nin izniyle)
Dental parça destekleri (Bego Medical’in izniyle)
Magics yazılımı ile desteklerin tasarlanması (Materialise’ın izniyle)
Desteklerin tasarımı, yukarıdaki işlevleri sağlamak için optimize edilmelidir; ayrıca destekler, lazer ışınlı ergitme işleminden sonra mekanik olarak kolayca sökülebilir olmalıdır.
Fraunhofer IFAM’ın aşağıdaki pervane örneğinde, iki destek tasarımı değerlendirilmiştir:
çok sayıda direğe sahip ağaç destekler
her bir kanat için bir duvarın bulunduğu duvar destekler
Bu örnekte, duvar desteğin hem son işlem hem de üretim sırasında daha gelişmiş stabilite için daha iyi olduğu görülmüştür.
Ağaç destek tasarımı (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Duvar destek tasarımı (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Ağaç desteklerin bozulması (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
4.2.3 Yüzey pürüzlülüğü
Lazer ışınıyla ergitmede, elde edilebilir yüzey pürüzlülüğü (Rz) bitmiş durumda genellikle 25 ve 40 μm arasındadır. Aşağıdaki tabloda görüldüğü gibi, cilalama çok daha düşük değerlere ulaşmaya yardımcı olur. Ancak parça tasarım karmaşıklığının, parçanın etkili bir biçimde cilalanabilmesi özelliğini etkileyebileceği unutulmamalıdır.
Cilalanmış havacılık-uzay yakıt döndürücü (EOS’un izniyle)
[Makineyle işlemeye karşı SLM ile üretilmiş parçaların standart pürüzlülüğü (Hoischen “ Technisches Zeichnen” ve EOS’un izniyle)]
Kaçınılması gereken tipik yüzey kusurları şunlardır:
Kıvrılmış yüzeyde gözlemlenebilecek olan ve dikey eksene göre yüzey açısı arttığında daha belirgin hale gelen merdiven etkisi.
Öncelikle lazer ışını tarafından üretilen ısının aşağıya dönük yüzeylerde çabuk dışarı atılamaması olgusu ile bağlantılı olan, kötü aşağıya dönük yüzey pürüzlülüğü ve düşük boyut hassasiyeti
Merdiven etkisi (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)
Kötü aşağıya dönük yüzey pürüzlülüğü (Renishaw’ın izniyle)
4.2.4 Isıl gerilme ve çarpıklık
Çarpıklık, hızlı sertleşmenin neden olduğu ısıl gerilmelerden kaynaklanır.
Çarpıklık parça bozulmasına, destekler ile bileşenler arasındaki birleşim yerlerinin kötü olmasına ve tekrar kaplama sorunlarına yol açabilir.
[Gerilmenin yapım parçası üzerindeki etkisi (Renishaw’ın izniyle)]
Artık gerilmelerden kaynaklanan parça bozulması (Renishaw’ın izniyle)
[Artık gerilmelerden kaynaklanan ve parçanın desteklerden ayrılmasına yol açan parça bozulması (Renishaw’ın izniyle)]
4.3 EÜ teknolojisi için tasarım optimizasyonu
EÜ tasarım olanaklarından tam olarak faydalanabilmek için, konvansiyonel parçaların yeniden tasarlanması önem taşımaktadır. Tasarım optimizasyonu birkaç yönde yapılabilir:
Toplam parça sayısının azaltılması
Parçaların işlevsel olacak şekilde tasarlanması
Parçaların çok işlevli olacak şekilde tasarlanması
Üretim kolaylığı için tasarım
Aşağıdaki örnekte, parça sayısını ve toplam ağırlığı önemli ölçüde azaltmak amacıyla, uydulara yönelik bir güneş paneli konumlandırma biriminin yeniden tasarım vaka çalışması gösterilmektedir.
Konvansiyonel teknoloji ile üretilen ilk tasarım, 25 ayrı parçadan oluşan mekanik bir düzenektir. DFAM’ın sistematik yaklaşımı, sadece parça sayısında değil, aynı zamanda düzeneğin ağırlığında (5 kat daha hafif) ve boyutunda da bir azalma sağlayan 3 parçalı patentli bir çözüm ile sonuçlanmıştır.
Konvansiyonel sistem ile üretilmiş 25 parçalı sisteme (solda) karşılık SLM ile üretilmiş uydulara yönelik 3 parçalı güneş paneli konumlandırma sistemi (sağda) (Thales Alenia Space ve Poly-Shape’in izniyle)
4.3.2 Topoloji optimizasyonu
Tüm EÜ tasarım olanaklarını ve kısıtlamalarını dikkate almak için, ilk adım parçayı temel işlevsel gerekliliklerine indirgemektir (işlevsel yüzeyler, yük durumu gibi). Bu adım tasarımcının sadece gerekliliklere odaklanmasına olanak verir ve tasarımını kısıtlamasını önler, böylece olası iyileştirmeleri en üst düzeye çıkarır. Bu, düzenekler (ya da hatta komple ürünler) ile çalışırken özellikle ilginçtir.
İşlevsel gerekliliklere göre, yüzeyleri birleştirmek ve (gerek mekanik, gerekse termal, akuple, vb. olsun) yük durumunu taşımak için asgari hacimde malzeme yerleştirilir. Bu ikinci adım genellikle bir yandan hacmi asgaride tutarken diğer yandan yükleri taşıyabilecek geometrileri gösteren topoloji optimizasyon araçları kullanılarak gerçekleştirilir.
Son adım, üretim kısıtlamaları (örneğin açısal yön, makine boyutları, makineyle işleme payları, vb. gibi) ile başa çıkmak için optimize hacmin yeniden tasarlanmasıdır.
Aşağıdaki örneklerde, topoloji optimizasyonuna dayanan yeniden tasarım vaka çalışmaları gösterilmektedir.
Topoloji optimizasyonu ile eklemeli imalat için yeniden tasarlanmış uydu mesnedi (Airbus Defense & Space ve Poly-Shape’in izniyle)
Eklemeli üretim için topoloji optimizasyonu ile yeniden tasarlanmış uydu bileşeni (RUAG ve Altair’in izniyle)
Topoloji Optimizasyonu, mozaiklenmenin (tesselation) neden olduğu engelli (noisy) geometrilere neden olduğundan, aşağıdaki şekillerde görüldüğü gibi genellikle model yeniden yapılandırma ve düzgünleştirme gereklidir. Özellikle optimizasyon sırasında kullanılan yük durumlarının çok spesifik olması ve ürünün yaşam döngüsünün bazı adımlarını (örneğin yüksek rijidite gerektiren makineyle işleme gibi) dikkate almaması durumunda, bu adım çok zaman alıcı olabilir.
Eklemeli üretim için topoloji optimizasyonu ile yeniden tasarlanmış uydu mesnedi: solda topoloji optimizasyonundan sonra, ortada düzgünleştirme işleminden sonra ve sağda üretimden sonra (Poly-Shape’in izniyle)
EPMA'nın hazırladığı Introduction to Additive Manufacturing Technology kitapçığından
Türkçe'ye çeviren Sentes-BİR A.Ş.