Endüstri 4.0'ın Temel Teknolojileri

KATMANLI ÜRETİM

Katmanlı imalat veya diğer bir deyişle 3 boyutlu baskı, dijital bir 3 boyutlu çizimin veya modelin katmanlar şeklinde basılarak fiziksel bir nesne oluşturma sürecidir. 3B yazıcılar, karmaşık ekipman olmadan çok karmaşık ürünler yaratma potansiyeline sahiptir. 3B yazıcılarda plastik, alüminyum, paslanmaz çelik, seramik ya da gelişmiş alaşımlar gibi birçok farklı malzeme kullanılarak bir fabrikanın yapabileceği işler yapılmakta, rüzgâr türbinlerinden oyuncak yapımına kadar, çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. 3B yazıcıların, ürün geliştirme, üretim çevrim süresinin kısalması, imalat gücünün şirketlerden bireysel üreticilere kayması, baskı malzemeleri tedarik eden yeni sektörler gibi yeni girişim fırsatlarının doğması şeklinde önemli etkilere sebep olacağı beklenmektedir. Farklı bileşimler, örneğin kemik yapmak için titanyum ve benzer alaşımlarının tozları kullanılarak organların katmanlı bir şekilde basılması öngörülmektedir.Uzmanlar 2024 yılında 3B baskılı ilk karaciğer naklinin yapılacağını tahmin etmektedirler. Bu yöntemle insan sağlığı açısından devrimsel bir gelişme olacağı, kişiselleştirilmiş tıp uygulamalarının yaygınlaşacağı ve bu alanda çalışan sektörlerin gelişeceği düşünülmektedir. 3B yazıcılar, elinde bu ürüne sahip olan herkesin imalat yapmasına olanak sağladığı için üretimde kişiselleşmeye doğru bir yönelim beklenmektedir. Bu aynı zamanda sipariş üzerine üretimi kolaylaştırarak, stok maliyetlerini azaltmaktadır. Uzmanlar 2025 yılına gelindiğinde tüketici ürünlerinin %5’inin 3B teknolojisiyle üretileceğini öngörmektedirler. 3B yazıcıların gelişmesi aynı zamanda tüketici ürünlerinin geliştirilmesi ve üretilmesiyle ilgili farklı sektörlerin de ortaya çıkacağına işaret etmektedir.
Eklemeli İmalat Yöntemleri
• Fotopolimerizasyon: Fotopolimerizasyon yöntemleri, ışın ile (çoğunlukla mor ötesi) katılaşabilen polimer malzemelerin kullanımı esasına dayanır.
• Malzeme Ekstrüzyonu : Malzeme ekstrüzyonu, çoğunlukla polimer esaslı malzemelerin makaralar yardımıyla sıkıştırılması ve eritilerek iplik iplik katmanların oluşturulması esasına dayanır.
• 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. Bu yöntem, vakum gerektirmektedir. Bu sayede toz taneciklerinin birbirine kaynaştırılması kolaylaşmakta, güç tüketimi azaltılmakta ve dayanım özellikleri iyileşmektedir.
• Malzeme Püskürtme: 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.
Katmanlı imalat (Additive Manufacturing), tasarımlara imalat yöntemi kaynaklı sınır getirmemesi ve çok farklı malzeme kullanımı gibi büyük avantajlara sahiptir. Bilinen torna/freze türü aşındırmalı imalat yöntemlerinin aksine, malzeme ekleyerek ve bütünleştirerek imalat yapılmaktadır. 1980’lerde ilk uygulama, büyük kolaylıklar sağlaması nedeniyle hızlı prototipleme (rapid prototyping) alanında olmuştur. 1987’de 3D Systems, Stereolithography (SL) tekniği olarak bilinen plastik işleme yöntemi ile ilk ticari çözümler sağlanmıştır. Bu yöntem ile, morötesi ışığa duyarlı polimerler bir lazer yardımıyla katman katman dondurulmakta ve özellikle mühendis ve tasarımcılara etkili prototip/mokap çözümler oluşturulmaktadır. 1990’larda, polimer tabanlı katmanlı imalat teknolojileri özellikle Stratasys tarafından geliştirilen “fused deposition modeling (FDM)”, Cubital firmasının “solid ground curing (SGC)”, Helisys firmasının “Laminated Object Manufacturing (LOM)” metodlarının kullanımı ile ticarileşmiştir. DTM firmasının, toz maddelerin eritilmesi yöntemi “Selective Laser Sintering (SLS)” çözümü de bu dönemde tanıtılmıştır. 1994’de EOS firması, doğrudan metal tozu katılaştırma (direct metal laser sintering) tekniğini pazara tanıtmış, sonrasında EOSINT M160 ve M250 modeli tezgâhları geliştirmiştir; ancak, elde edilen çözümler, bronz benzeri düşük sıcaklıklarda eriyen ve çelik gibi mukavim metallerin karışımı işlendiğinden, metal alaşımlardan çok kompozit malzemelerin özelliğini göstermektedir. 1990’ların sonlarında, Optomec ve Röders firmaları benzer lazer işlem teknolojileri ile çözümler geliştirmiştir. ExtrudeHone firması, MIT’nin geliştirdiği bir teknoloji ile toz içerisinde ham şekillerin lazer yardımıyla eritilerek oluşturulması yöntemini, alet tasarımına yönelik olarak “Prometal Rapid Tooling System RTS-300”ü geliştirmiştir. 2002 yılında ise Precision Optical Manufacturing firması da lazer ile metal kaplama (Direct Metal Deposition-DMD) teknolojisini tanıtmıştır.