Eklemeli İmalat için Tasarım
Eklemeli imalat diğer bir adıyla 3D baskı, parça tasarımlarında ve üretme yöntemlerinde yeni bir çığır açtı. Döküm ve CNC işleme gibi geleneksel üretim yöntemlerinden farklı olarak eklemeli imalat, karmaşık geometrilerin üretilebilmesine ve çeşitli malzemelerin kullanılmasına olanak tanır. Bununla birlikte, eklemeli imalat için tasarım (İng. Design for Additive Manufacturing – DfAM), eklemeli imalat sürecini optimize etmek için kullanılan tasarım yaklaşımıdır. Bu makalede, eklemeli imalat için tasarımın temel hususlarını, vaka incelemelerini ve önemini keşfedeceğiz.
Şekil 1. Eklemeli imalat, parça karmaşıklığı arttıkça maliyet açısından avantajlı hale gelir, geleneksel imalat yöntemleriyle üretilebilirlik sınırından sonra da tasarım avantajı devam eder.
Geleneksel imalat için tasarlanmış bir parçanın yıllık üretim miktarıyla doğrudan eklemeli olarak imalatı için fizibilite çalışması yapıldığında genellikle geleneksel imalata göre daha maliyetli olduğu gözlemlenir. Eklemeli imalat sürecinin geleneksel imalat yöntemlerine kıyasla nispeten yavaş olması, bunun başlıca nedenlerindendir. Ancak parçalar eklemeli imalat için yeniden tasarlandığında, miktarlara bağlı olarak, maliyet açısından rekabet edebilir duruma gelebilmekte hatta avantajlı olabilmektedir. Yapılan bir araştırma, parçanın maliyetinin %46’sının baskı öncesi ve sonrası işlemlere bağlı olduğunu ortaya koymuştur (Wohlers Report 2018). Bu maliyetin büyük bir kısmını destek yapılarının üretilmesi ve temizlenmesi oluşturur. Eklemeli imalat için tasarlanan parçalarda destek yapılarına olan ihtiyaç büyük ölçüde azaltılarak maliyetten tasarruf sağlanır.
Eklemeli imalat için tasarım, parçaların eklemeli imalat için en iyi şekilde tasarlanmasını ve başarıyla üretilmesini kapsamaktadır. Eklemeli imalat için tasarım, metal 3D yazıcılarda parça oryantasyonundan topoloji optimizasyonuna, kafes yapılarının tasarımından destek yapılarının azaltılmasına, parça konsolidasyonundan üretim parametresi geliştirmeye kadar çeşitli tasarım ve mühendislik faaliyetlerini kapsar. Eklemeli imalat için tasarımın odak noktası, parça tasarımını optimize ederek nihai ürünün eklemeli imalatın avantajlarından maksimum fayda sağlayan, yüksek kalite ve yüksek doğruluk ile üretilmesini sağlamaktır.
Eklemeli imalat için tasarımın en önemli hususlardan biri, kullanılan malzemenin özellikleridir. Farklı malzemeler için farklı parametreler, gereksinimler ve limitler vardır. Diğer bir önemli husus, parçanın oryantasyonudur. Parça oryantasyonu, son ürünün kalitesini, üretim süresini, destek yapısı gereksinimini ve maliyetini önemli ölçüde etkilemektedir. Düşünülmesi gereken bir diğer önemli husus ise baskı işlemi sırasında parçayı yerinde tutmak ve düşük açılara sahip kısımların akmasını engellemek için kullanılan destek yapılarıdır. Baskı işlemi tamamlandıktan sonra temizlenebilirler ancak destek yapıları hem üretim maliyetini hem ardıl işlem maliyetini artırır. Bundan dolayı destek yapılarına olan ihtiyacı en aza indirmek için, parçaya pah veya radyus ekleme, parçayı belirli açılar vererek yönlendirme veya kendiliğinden destekli yapılar oluşturma teknikleri kullanabilir. Tüm bunları doğrulamak içinse eklemeli imalat için özel geliştirilmiş olan eklemeli imalat için simülasyon yazılımları kullanılabilir.
Şekil 2. Bu pervane örneğinde, üretim plakası ile 45°’den daha düşük açılı kısımlar için destek yapısı kullanılmıştır ancak 45°’den daha büyük olan açılar kendiliğinden destekli olduğu için destek kullanılmamıştır.
Şekil 3. Tamamen kendiliğinden destekli ve konformal soğutma kanalları. Konformal soğutma kanalları sayesinde soğutma performansı büyük ölçüde geliştirilir.
Şekil 4. Soldaki ve ortadaki tasarım, yapım yönü ne olursa olsun çok fazla destek malzemesi (mavi ile gösterilmiştir) gerektirir. Sağdaki tasarım, destek malzemesini minimuma indiren kendiliğinden destekli yapılar içermektedir. Tasarımlar Olaf Diegel’e aittir.
Eklemeli imalat için tasarımın geleceğinin, daha da verimli ve yenilikçi ürünler yaratmak için yapay zeka, özelleşmiş yazılımlar ve yeni optimizasyon yöntemleri gibi daha gelişmiş teknolojilerin kullanımını içermesi bekleniyor. Eklemeli imalatın geleceği olan çok malzemeli baskı, daha hassas baskı, otomasyon sistemler, büyük ölçekli baskı ve yüksek hızlı baskı teknolojileri de yeni eklemeli imalat tasarım yöntemlerinin geliştirilmesini gerektirecektir. Bu gelişmelerle eklemeli imalatın çeşitli endüstrilerde entegrasyonunun hız kazanması beklenmektedir. Ek olarak, bu gelişmeler yeni tekniklerin, malzemelerin ve hatta yeni teknolojilerin geliştirilmesine yol açacağı beklenmektedir.
Sonuç olarak eklemeli imalat için tasarım, eklemeli imalat avantajlarından yararlanılması ve maliyetlerin düşürülmesi için önemli bir faktördür. Eklemeli imalat için tasarım süreci, geleneksel imalatta da ihtiyaç duyulan üretim için tasarımdan çok farklı değildir. Bununla birlikte, döküm ve talaşlı imalat gibi yöntemler kullanılırken üretim için tasarım düzenlemeleri yapılmaktadır. Eklemeli imalat için de benzer olarak parça oryantasyonu, destek yapı ihtiyacı ve malzeme özellikleri göz önüne alarak tasarım düzenlemeleri yapılması gerekir. Eklemeli imalat için yapılan tüm bu tasarım düzenlemeleri eklemeli imalat için tasarım başlığı altında toplanır. Eklemeli imalat için tasarım, eklemeli imalatın tam potansiyelinin keşfedilmesine yardımcı olarak bu teknolojinin endüstriye entegrasyonunu daha hızlı gerçekleştirme fırsatını bulundurmaktadır.
Ömer Faruk Kocaoğlu
https://www.linkedin.com/in/omerfkocaoglu/
