METAL EKLEMELİ İMALAT İÇİN TASARIM KURALLARI

Eklemeli imalattaki en büyük efsanelerden biri sınırsız tasarım özgürlüğüdür. Metal eklemeli imalat sayesinde geleneksel imalat yöntemleri ile üretilmesi mümkün olmayan karmaşık geometriler üretilebilir fakat 3D baskı ile üretilecek parçaların da tasarımı sırasında bütün bir iş akışının kısıtlamaları hesaba katılmalıdır. Bu kısıtlamaları kısa bir kurallar listesi ile açıklamak mümkün olmayacaktır. Metal eklemeli imalat için tasarım (Desing for 3D Printing); genellikle belirli bir teknolojinin mekanik, termodinamik ve metalürjisinin yanında gerektirdiği bütün ardıl işlemlerin de inceliklerini göz önünde bulundurmayı gerektirir. Bu nedenle iterasyonlar gerektiren ve uzmanlık isteyen bir süreçtir.

Metal eklemeli imalat için tasarım kuralları göz ardı edilirse; üretim başarısız olabilir, sistemde donanımsal zararlar görülebilir ve böylece malzeme, zaman kaynaklı maddi kayıp yaşanabilir. Nihai parça performansı, üretim maliyeti, baskı kalitesi, atık oranı ve işçiliğe olan etkisinden dolayı metal eklemeli imalat için tasarım önemli bir konudur. Üretilebilirliği yeterli olmayan bir tasarımın üretim ve sonrasında başarılı olması pek mümkün değildir.

Bu yazıda bazı kritik metal eklemeli imalat tasarım kuralları ve bu kuralların önemi açıklanmaktadır. Bunların yanında metal eklemeli imalat sürecini geliştirmek için kullanılan paket yazılımlara da yer verilmiştir.

1 Başarısız Bir Üretim Sonucu

2 Fikstürü ile Birlikte Üretilmiş Bir Parça

İşlemin Fiziği

Metal eklemeli imalatın fiziği, tasarım kurallarını belirler. Günümüzde piyasada bulunan metal eklemeli imalat teknolojilerinin her biri kendi tasarım kurallarına sahiptir.
Bu süreçlerin fiziği, göz önünde bulundurulması gereken 3 temel unsur içerir:

  1. Mekanik: Hammadde, parça ve enerji nasıl yönlendirilir ve kontrol edilir?
  2. Termodinamik: Isı akışı ve termal geçmişi
  3. Metalürji: Üretim süreci ile ürettiği metalin kimyası ve kristal yapısı arasındaki ilişki

    İşlem fiziğinin tasarım kısıtlamalarına nasıl dönüştüğünün en önemli örneklerinden biri, katmanlı ergitme işleminde kullanılan ısının sebep olduğu ısıl gerilmeler ve anizotropik tanecik yapılarıdır. Isıl gerilmeler dikkate alınmazsa; parçaların eğrilmesi, çatlaması veya delaminasyonu görülebilir. Birçok tasarım kuralı; en/boy oranlarını, duvar kalınlıklarını, keskin köşe radyuslarını, baskı oryantasyonunu optimize ederek ısıl gerilmelerin etkilerini azaltmaya çalışır.

    Baskı işlemi, metal eklemeli imalat iş akışında tek başına ele alınabilecek bir adım değildir. Ardıl işlemler de; tasarım sürecinde göz önünde bulundurulması gereken farklı gereksinimlere ve kısıtlamalara sahip birçok farklı adım içerir. Örneğin; ardıl işlem olarak CNC işleme uygulanacak bir parçanın tasarımında, sabitleme ve yerleştirme işlemleri için kullanılabilecek detaylar olmalıdır.

Genel 3D Baskı Tasarım Kuralları

Her metal eklemeli imalat işlemi birbirinden farklı olsa da yeni bir tasarımda kullanılabilecek, ideal bir başlangıç noktası görevi gören bazı genel tasarım kuralları sayılabilir.

Parça Boyutu

Metal eklemeli imalat ile ufak ve karmaşık dişlilerden uçak kanadı parçalarına kadar birçok farklı boyutta parça üretilebilir. Eğer üretim tek bir tezgâh ile sınırlı ise, maksimum parça boyutunun sınırları baskı hacmi ve baskı oryantasyonu ile kısıtlıdır. Bazı durumlarda, üretim boyut kısıtlamaları baskı hacminden ziyade baskı işleminin fiziğine bağlı olabilir. Aynı zamanda parça boyutu, bazı durumlarda ekonomi açısından da sınırlandırılabilir.

Minimum/Maksimum Unsur Boyutu

Minimum unsur boyutu, büyük ölçüde baskı işleminin çözünürlüğüne bağlıdır. Baskı çözünürlüğü, işlem mekaniğine (Örneğin; lazer çapı, binder yığma kontrolü, erime havuzu çapı) ve malzemeye (Örneğin; toz parçacık boyutu veya tel çapı) bağlıdır. Kafes gibi çok ince yapılar söz konusu olduğunda, temel sınırlandırma unsur mukavemeti ve ardıl işlem sürecine dayanım olacaktır.

3 Örnek Bir Baskı Tablası

Bazı parçalarda maksimum unsur boyutu, parçanın hassasiyetini ve mekanik özelliklerini etkileyen atık gerilmeler nedeniyle kısıtlanabilir. Binder içeren işlemlerde, de-binding ve sinterleme adımlarından dolayı maksimum unsur boyutu üzerinde oldukça sınırlı kısıtlamalar söz konusu olabilir.


Tolerans

Tolerans; baskı işleminin çözünürlüğünün yanı sıra hammadde, baskı parametreleri ve parça geometrisi gibi diğer faktörlerden de etkilenir. Ayrıca, baskı oryantasyonunun ve atık gerilmelerin sebep olduğu çarpılmaların da tolerans üzerinde büyük bir etkisi olabilir. Sinterleme adımına ihtiyaç duyulan teknolojilerde, parça büzülmesinin kontrol edilmesi ve öngörüsü zor olabilir. Bu değişkenlerin tümü, parçanın hassasiyet gereksinimlerine göre değerlendirilmelidir. Eğer gerekli tolerans yalnızca baskı işlemi ile elde edilemiyorsa, istenen toleransları elde etmek için ardıl işlemlere başvurulabilir.

Sarkma Açısı ve Destek Geometrisi

Parça üzerinde bulunan yatay unsurlar destek geometrileri ile desteklenir, dikey unsurlarda destek geometrilerine ihtiyaç duyulmazken, dikeye yaklaşan açılarda da teknoloji kabiliyetlerine bağlı olarak destek gerekmeyebilir; buradaki açıya sarkma açısı adı verilir. Sarkma açısının altında kalan açılar için destek geometrisi gerekeceğinden, bu desteklerin tasarlanması ve üretilmesi gerekecektir. Destekler, çoğu işlemde baskıdan sonra fiziksel olarak çıkarılması gereken ve model geometrisine bağlı yapılardır. Böyle durumlarda, desteklerin sökülmesi için ulaşılabilir şekilde tasarlanması ve yönlendirilmesi gerekir.

Tutulmuş Malzeme

Toz bazlı eklemeli imalat işlemlerinde tasarım, tozu iç geometrilerden temizlemek gerektireceği için bir kısıt yaratır. Örnek olarak, içi boş olması istenen bir kürenin içinin boşaltılabilmesi için baskı işleminden sonra üzerinde delikler açılması gerekir. Ayrıca, iç unsur geometrilerinin baskı işlemi sonrasında tozun çıkarılmasına izin verecek şekilde olması gerekir. Soğutma kanalları (konformal soğutma) gibi uzun ve karmaşık iç boşluklarına sahip uygulamalar için tutulmuş malzeme bertarafı göz önünde bulundurulması gereken önemli bir unsur olabilir.

Baskı Oryantasyon ve İstifleme

Tasarım kuralları, parçanın baskı oryantasyonuna doğrudan bağlıdır. Oryantasyon, üretimdeki her katmanın gerçek geometrisini tanımlar ve işlem fiziğini etkileyebilir. Üretim sonuçlarını ön görmek bazı durumlarda kolay olmadığından, en iyi oryantasyonu seçmeden önce genellikle farklı oryantasyonlar denenir.

Baskı tablasına birden çok parçayı yerleştirmek, birim parça maliyetlerini büyük ölçüde etkileyebilir. Bu nedenle, metal eklemeli imalat ile üretimde genellikle tasarımın ilk aşamalarında istifleme seçeneği göz önünde bulundurulur.

Metal Eklemeli İmalat ile Tasarım Optimizasyonu

Bir tasarımcı, ekleyecek hiçbir şey kalmadığında değil, çıkarılacak bir şey kalmadığında mükemmelliğe ulaştığını bilir.

-Antoine de Saint-Exupery-

Yüksek oranda optimizasyona sahip parça tasarımları, metal eklemeli imalatın tercih edilmesi için her zaman bir itici güç olmuştur. Mühendisler, bu geometrileri geliştirmek için topoloji optimizasyonu ve üretken (generative) tasarım gibi gelişmiş, algoritmik tasarım araçlarını kullanır. Bu araçlar, yüklenme ve sınır koşullarını karşılamak amacı ile belirli bir hacim içinde geometri dağılımını optimize ederler. Bu optimizasyonlar metal tozunun görece yüksek maliyetinden dolayı, toz bazlı teknolojilerde malzeme sarfiyatını azaltmak amacı ile kullanılabilir. Ayrıca, son dönemde popüler hale gelen gelişmiş kafes yapıları da havacılık ve uzay gibi endüstrilerde yüksek mukavemetli hafiflik beklentileri için büyük değer görmektedir.

Ne yazık ki, tasarım optimizasyonu araçları henüz bu yazıda bahsedilen tüm tasarım kurallarını anlamak ve kullanmak için yeterince gelişmiş değildir. Bu nedenle metal eklemeli imalat için tasarımcılarının yetenekleri ve deneyimleri hâlen çok önemlidir.

Hem tasarımı optimize etmek hem de üretim için tasarımın uygunluğunu analiz eden yazılımlar da mevcuttur. Bu yazılımlar, destek geometrilerini en aza indirgemek için baskı oryantasyonu optimizasyonu, sarkma açısı belirleme, çarpılma vb. üretim hatalarını ön görme için baskı simülasyonu yürütebilirler. Bu yazılımların çoğu; işlevsellik ve üretim uyumluluğu açısından yeni ve kısıtlı olsa da önde gelen CAD/CAE yazılım firmaları bu konularda büyük yatırımlar yapmaktadırlar.

4 Topoloji Optimazsyonu Yapılmış Braket