Eklemeli İmalat Mı? CNC İşleme Mi?

“Metal eklemeli imalatı; performans, tedarik süresi ve maliyet faydalarının güçlü anlam ifade ettiği uygulamalarda tercih ediyoruz.” – Leo Christodoulou – Eklemeli İmalat Teknoloji Uzmanı, Boeing

Boeing ve diğer üreticiler metal eklemeli imalatın değerini CNC işleme ile karşılaştırmak için üç ana kriter kullanmaktadır: parça performansı, maliyet, tedarik süresi. Geçmişte, metal eklemeli imalat sistemleri maliyetli ve yavaştı. Sonrasında imalatta kullanımları, öncelikle geliştirilmiş parça geometrilerinin kattığı değerlerin, zaman ve maliyetteki kayıba ağır basmasıyla gerçekleşmiştir.  Yüksek hızlı, düşük maliyetli eklemeli imalat teknolojileri sayesinde artık talaşlı imalattaki hız ve maliyetleri yakalamak mümkün olmaya başlamıştır.

Boeing ve diğer üreticiler metal eklemeli imalatın değerini CNC işleme ile karşılaştırmak için üç ana kriter kullanmaktadır: parça performansı, maliyet, tedarik süresi. Geçmişte, metal eklemeli imalat sistemleri maliyetli ve yavaştı. Sonrasında imalatta kullanımları, öncelikle geliştirilmiş parça geometrilerinin kattığı değerlerin, zaman ve maliyetteki kayıba ağır basmasıyla gerçekleşmiştir.  Yüksek hızlı, düşük maliyetli eklemeli imalat teknolojileri sayesinde artık talaşlı imalattaki hız ve maliyetleri yakalamak mümkün olmaya başlamıştır.

Talaşlı İmalat (Eksiltmeli İmalat)

Talaşlı imalat (talaşlı işleme) düşük hacimli üretimler için sağladığı esneklik ve hassas, mukavim parça üretimi kabiliyetinden dolayı en çok tercih edilen yöntemdir. Talaşlı imalat; iş parçasının (torna) veya kesici takımının (freze) dönme hareketine bağlı olarak, iş parçası üzerinden talaş kaldırılarak geometri eldesi sağlanan imalat yöntemidir. Bu kesme işlemleriyle ulaşılan ölçüsel hassasiyet yüksektir ve parça geometrisi, malzeme uyumluluğu açısından geniş bir aralığa sahiptir. Bunlara ek olarak, özel takım gereksinimlerinin (kalıp vb.) bulunmaması, sabit giderlerin düşük ve tedarik sürelerinin kısa olmasını sağlamaktadır. Düşük hacimli imalat, kalıp imalatı ve son kullanım ürünleri için sıklıkla ilk tercihtir.

Talaşlı işleme düşük hacimli üretimlerde çok avantajlı iken, yüksek hacimli üretimlere ölçeklendiğinde genelde maliyetler yüksektir. Eksiklikleri arasında; yüksek atık malzeme, tezgah maliyeti ve tecrübeli operatör gereksinimi sayılabilir. Titanyum ve takım çeliği gibi sert metallerin kesme süreleri oldukça uzun ve kesme takımlarını aşındırmaları da kolaydır. Bu tip kısıtlamalardan dolayı yüksek hacimli üretimlerde; üreticiler döküm, presleme ve dövme gibi imalat yöntemlerine başvurmaktadır.

Sona Yakın Biçimli Üretim ve Buy-to-Fly Oranı

Birçok metal imalat yöntemi (döküm, dövme, eklemeli imalat), doğrudan son ürüne uygun olacak şekilde dar toleranslar ve iyi yüzey kaliteleri gibi özelliklerde parça imalatı sağlayamamaktadır. Bu yöntemlerle üretilen parçaların ardıl işlemler ile istenenlere erişebilmesinden dolayı, bu yöntemlerden çıkan parçalar “sona yakın biçimli” olarak ifade edilirler. Basit bir ifadeyle, talaşlı işleme iki adımdan oluşur; “kaba işleme” aşamasında yüksek kesme hızlarında kabaca bir geometri kesilmesi sağlanır, “ince işleme” aşamasında düşük kesme hızlarında yüksek hassasiyet ve iyi yüzey kalitesi ile bir işlem gerçekleşir. Bu yüzden çeşitli imalat yöntemlerinin süre ve maliyetini hesaplarken hem sona yakın biçimli üretim hem de ince işleme aşamalarını göz önünde bulundurmak gerekir.

Buy-to-Fly Oranı, imalat yöntemindeki girdi olan ham maddenin ağırlığının (Buy), nihai parça (Fly) ağırlığına oranıdır. Buy-to-Fly, kaba işlemede harcanan malzeme miktarını ve harcanan süreyi ifade eder. Hammadde olarak çubuk veya kütük kullanan talaşlı işlemede, buy-to-fly oranı oldukça yüksektir. “Havacılıkta ortalama 11:1’dir.” – John Barnes, Barnes Group Advisors ve 30:1’e kadar çıkması az görülen bir durum değildir. Bu bakış açısından bakılacak olursa, havacılık sektöründeki büyük bir üretici 50 tonluk ham titanyumdan her gün 4.5 tonluk işlenmiş parça elde edebilmektedir. Aşağıda görülebilecek örnekte 17:1 buy-to-fly oranına sahip parçada, iş parçasının %94’ü atık malzemeye gitmektedir ve kaba işleme süresinden kaynaklı toplam imalat süresi oldukça uzundur.

“Havacılık sektöründe geçmişte buy-to-fly oranları parça geometrisine ve imalat yöntemine bağlı olarak 15:1 ile 30:1 arasında değişmekteydi. Gelecek birkaç yıl içinde eklemeli imalatın bu oranları önemli derecede düşüreceğine ve maliyet açısından avantajlı konuma geleceğine inanıyoruz.” Leo Christodoulou – Eklemeli İmalat Teknoloji Uzmanı, Boeing

Eklemeli İmalat ile Sona Yakın Biçimli Üretim

Metal eklemeli imalat maliyet açısından geleneksel yöntemlerin yerini alabilecek bir sona yakın biçimli üretim yöntemidir. Eklemeli imalat, parçayı katmanlar halinde belirli noktalara malzeme yığarak üretim gerçekleştirmektedir. Bazı teknolojiler için bu durum, atık malzeme miktarını CNC ile işlemeye kıyasla azaltmaktadır. Buna ek olarak eklemeli imalatta yazılım hazırlığı, CNC için takım yolu hazırlamaktan daha hızlı olabilir. Sonuç olarak metal eklemeli imalat kalıp vb. gerektirmediği için takım gerektiren (döküm, dövme veya presleme) imalat yöntemlerinden, düşük-orta hacimli üretimlerde, daha uygun maliyetler sağlayabilir.

Eklemeli imalatın, CNC işlemeye göre sona yakın biçimli üretimde düşük buy-to-fly oranı sunabilmesi ciddi bir üstünlük sağlar. Bu tip uygulamalarda, atık malzemenin azaltılması ve kaba işleme zamanlarının kısalması oldukça değerlidir. Eğer eklemeli imalat ile sona yakın biçimli parçalar hızlıca üretilebilirse zaman ve maliyet açısından büyük oranlarda fayda sağlanır.

“Havacılık sektöründe geçmişte buy-to-fly oranları parça geometrisine ve imalat yöntemine bağlı olarak 15:1 ile 30:1 arasında değişmekteydi. Gelecek birkaç yıl içinde eklemeli imalatın bu oranları önemli derecede düşüreceğine ve maliyet açısından avantajlı konuma geleceğine inanıyoruz.” – Leo Christodoulou – Eklemeli İmalat Teknoloji Uzmanı, Boeing

Talaşlı İşleme ve Eklemeli İmalat – Zaman ve Maliyet Tasarrufuna Bir Örnek

Bu başlık altında düşük üretim hacimli bir titanyum parçası üzerinden eklemeli imalatın sağladığı tasarruf gösterilecektir. Popüler bir malzeme olduğu için bu uygulamada Titanyum Ti-64 seçilmiştir. 5 kiloluk bir parçanın 100 adetlik üretimi için hazırlanan örnek, havacılık gibi düşük hacimli endüstriler için idealdir. Yukarıda 17:1 buy-to-fly oranı için gösterilen şekildeki geometri baz alınmıştır ve eklemeli imalat yöntemi olarak Joule Printing seçilmiştir.

Tedarik süreci şu şekildedir;

CNC işleme için genel bir iş akışı ve zaman çizelgesi şu adımları içermektedir:

İş Akışı Adımı Zaman (Gün)
Fikstürlerin tasarımı ve CNC için takım yolu programlanması 2-4
Kesici takım için kesme hareketinin programlanması 2-4
Fikstür ve parça imalatı için gerekli bütün malzeme ve bileşenlerin temini 10-20
İmalat ve kalite kontrol fikstürleri 2-4
Makine kurulumu ve ilk parçaların test üretimi + Kalite Kontrol 2-4
Takım yolu, kesici takım ve işleme parametrelerinin optimizasyonu. (Fiziksel denemelerin yanında simülasyon da gerekebilir.) 2-4
Kaba işlemenin hızlı parça değişimleri ile seri olarak yürütülmesi 10-30

CNC işleme ile parça tasarımından imalatına kadar sona yakın biçimli parça üretimi 30 ile 70 iş günü arasında değişebilmektedir.

Joule Printing temelli sona yakın biçimli parça için bir eklemeli imalat iş akışı şu şekildedir:

İş Akışı Adımı Zaman (Gün)
Joule Printing için Takım Yolu Hazırlığı 1-3
Joule Printing işleminin hızlı parça değişimleri ile seri olarak yürütülmesi 10-20
Kalite Kontrol 1

Eklemeli imalatın iş akışı birkaç adım ile daha sadedir. Buradaki tedarik süresi kaba işlemenin yarısından daha azdır. Bu zaman tasarrufunu sağlayan temel noktalar; programlama, malzeme tedariği, imalat fikstürleri ve işleme zamanıdır. Ayrıca özelleştirilmiş fikstür ihtiyacının bulunmaması da önemli bir zaman ve malzeme tasarrufu sağlamaktadır.

Maliyetlerin Karşılaştırılması

Sona yakın biçimli işlemede ana maliyet bileşenleri; donanım (CNC işletme zamanı, kesici takımlar, bakım), malzeme (parça ve fikstür için kütükler, fikstür bileşenleri) ve işçilik (programlama, kurulum, parça sökülmesi/takılması, kalite kontrol). Titanyum gibi işlenmesi zor, yüksek maliyetli malzemeler ile çalışılırken en büyük maliyet gideri hammadde ve işletme zamanı olmaktadır.

Titanyum – Havacılık Kalitesi (*$40/kg ile $70/kg arasında kütük ebatı, sayısı, piyasa dinamiklerine göre değişebilmektedir. Ortalama alınmıştır.) $55/kg*
Titanyum talaşından geri dönüştürülen malzeme -$5/kg
Titanyum için ortalama kaba işleme maliyeti (Bütün bileşenler dahil) $50/kg
5 kg’lık titanyum için toplam ortalama programlama maliyeti (15 saat x $100/saat) $1500
5 kg’lık titanyum için toplam ortalama fikstürleme maliyeti ($500 malzeme, $500 üretim) $1000
Toplam ortalama makine kurulum maliyeti (2,5 saat x $100/saat) $250
 

Eklemeli imalat için sona yakın biçimli parça üretiminde ana makiyet bileşenleri; üretim (sistem zamanı, bakım), malzeme (tel ve yan sarfları) ve işçilik (programlama, kurulum, parça sökülmesi/takılması, kalite kontrol).

Titanyum teli – Havacılık Kalitesi ($150/kg ile $180/kg arasında kütük ebatı, sayısı, piyasa dinamiklerine göre değişebilmektedir. Ortalama alınmıştır.) $165/kg
Joule Printing için ortalama maliyet $78/kg
Titanyum için ortalama kaba işleme maliyeti (Bütün bileşenler dahil) $50/kg
Üretim başına sabit giderler (Bu senaryoda bir baskıda bir parça üretildiği kabul edilmiştir.) $78/kg
Toplam ortalama programlama maliyeti $100

Yukarıda çıkarılan veriler ışığında; sona yakın biçimli birim parça imalatı maliyeti ($/kg), buy-to-fly oranının bir fonksiyonu olarak şu şekilde bir grafik elde edilmektedir.

Grafikten görülebileceği üzere, eklemeli imalatta birim maliyet parça geometrisinden bağımsızken, CNC işlemede maliyet buy-to-fly oranıyla doğru orantılıdır. İki yöntem için sabit giderler (programlama, fikstürleme ve kurulum) 100 adet üzerine çıkıldığında göz ardı edilebilir giderlerdir, ancak birim maliyeti için baskın olan giderler malzeme ve üretim sürecidir. Titanyum parçalar için bu örnekte, 3:1 buy-to-fly oranından yükseldikçe eklemeli imalat CNC işlemeden daha verimli olmaktadır. 7:1 buy-to-fly oranından itibaren eklemeli imalat CNC işlemenin yarısı bir maliyet ile işletilmektedir. Çoğu endüstriyel ve havacılık parçası için buy-to-fly oranı 15:1 ve 30:1 arsaında değiştiği için eklemeli imalat bu noktada büyük bir potansiyele sahiptir.

“Eklemeli imalat; kalıp, takım ve atık malzeme olmaksızın, konfigürasyon yönetimi (CM*) süreçleri boyunca küçültülmüş bir ayak izi sağlar.” – Leo Christodoulou – Eklemeli İmalat Teknoloji Uzmanı, Boeing

 *Ürün veya sistemin ömür devri (yaşam döngüsü) boyunca hem fiziksel hem de fonksiyonel konfigürasyonunun izlenmesi ve kontrol edilmesi sürecidir.

Metal eklemeli imalatın tercih edilmesiyle sağlanan faydalar arasında titanyumun fiyat dalgalanmalarından kaçılabilmesi ve çevresel sürdürülebilirlik sayılabilir. Titanyum ve diğer yüksek performanslı metaller sadece yüksek maliyetlere değil aynı zamanda değişken fiyatlara da sahiptir. Bu da yılda binlerce ton satın alan büyük üreticiler için önemli bir konu olmaktadır. Bu noktada malzeme sarfiyatının azaltılması işletmenin dinamik malzeme fiyatlarına hassasiyetini de azaltmış olacaktır. Metal eklemeli imalat ayrıca enerji ve malzeme kaynaklarını da verimli kullanarak çevresel ayak izini daraltabilir. Talaşlı işlemede 1 kg titanyumun işlenmesi için 40kwh enerji harcanırken, Joule Printing ile 1 kwh’den az bir enerji sarfiyatı söz konusudur. Bu da buy-to-fly oranıyla çarpıldığında önemli bir enerji verimliliği farkı yaratacaktır.

 Sonuç olarak, metal eklemeli imalat, eklemeli imalat için CNC işleme karşısında, zaman ve maliyet tasarrufları sayesinde önemli bir potansiyele sahiptir. Bu noktada lider üreticilerin yüksek buy-to-fly oranlarına sahip parçalar için metal eklemeli imalata yönelmeleri şaşırtıcı değildir.