İçindekiler tablosu:
3D baskı olarak da bilinen eklemeli üretim (AM), karmaşık yapıları katman katman inşa etmeye yönelik bir süreçtir. Daha önce yalnızca 3D modeller olarak görselleştirilebilen geometrilerin hızlı ve kaynak tasarrufu sağlayan bir şekilde oluşturulmasını sağlar ve bu nedenle geleneksel eksiltici süreçlere bir alternatif teşkil eder. AM, Endüstri 5.0’da merkezi bir rol oynayacak olsa da, yüksek yüzey pürüzlülüğü, gözeneklilik, büzülme etkileri ve katman yapışma kusurları gibi önemli üretim sapmalarıyla mücadele etmek zorundadır. Bunların üstesinden gelmenin bir yolu, termal analizin kilit bir rol oynadığı süreç kontrolüdür. Karmaşık ve dinamik üretim süreci nedeniyle, malzemenin termal iletkenliği, ısı kapasitesi ve termal kararlılığı gibi termal özelliklerinin kesin olarak bilinmesi, başarılı ve hatasız işleme için çok önemlidir.
En önemli eklemeli imalat süreçleri
AM iş akışı, genellikle stereolitografi veri formatı stl’de işlenen dijital CAD tabanlı bir 3D model ile başlar. Bu model, 3D yazıcının aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli teknikler kullanarak birbiri ardına oluşturduğu katmanlara ayrılır
- Toz yatak füzyonu (PBF): Seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışını eritme (EBM) gibi teknikler toz halindeki malzemeleri eriterek katı katmanlar haline getirir.
- Malzeme ekstrüzyonu (ME): Örneğin, termoplastik filamentlerin eritildiği ve katman katman uygulandığı kaynaşmış biriktirme modellemesi (FDM).
- Binder Jetting (BJ): Sıvı bir bağlayıcı, toz malzeme katmanlarını birbirine bağlar.
- Malzeme püskürtme: sıvı malzeme damlacıkları katman katman kürlenir.
- Fotopolimerizasyon (PP): Stereolitografi (SLA) Bir fotopolimer reçine bir ışık kaynağı ile sertleştirilir.
- Levha laminasyonu (SL): İnce malzeme katmanları (örn. metal veya kağıt) kesilir ve birbirine yapıştırılır veya kaynaklanır
Bu yöntemler hız, malzeme uyumluluğu ve uygulama açısından farklılık göstererek farklı sektörler ve kullanım durumları için uygun hale gelir.
Termal özellikler ve bunların AM için önemi
Malzemelerin termal özellikleri, AM süreçlerinin başarısı için çok önemlidir. Örneğin, toz malzemenin termal iletkenliği ve kapasitesi, SLM gibi lazer tabanlı proseslerde enerji girdisi üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Termal özelliklerin sıcaklığa bağımlılığının bilinmesi, uygun termal yönetim ve eriyik havuzu üzerinde daha iyi kontrol ve dolayısıyla daha iyi hata yönetimi sağlar. Modern termal analiz teknikleri, proses koşulları altında hassas malzeme karakterizasyonu sağlar ve üreticilerin doğru malzemeleri seçmelerine ve proses parametrelerini optimize etmelerine yardımcı olur.
Katmanlı üretimde malzemeler
AM, aşağıdakiler de dahil olmak üzere geniş bir malzeme yelpazesi için uygundur:
- Polimerler: Tipik temsilciler PLA (ME), PA12 (PBF), epoksi reçine (PP), PMMA (BJ), sıvı fotopolimerler (MJ), PVC (SL)
- Metaller: Alüminyumdan yapılmış metal alaşımları, Ti64 gibi tıbbi olarak uyumlu titanyum alaşımları ve paslanmaz çelik endüstride ve havacılık sektöründe kullanılmaktadır.
- Seramikler: Zirkonyum dioksit ve alüminyum oksit gibi malzemeler biyoaktif ve yüksek sıcaklık bileşenleri için idealdir.
- Biyomalzemeler: hidrojeller ve kolajen çığır açan tıbbi uygulamaların önünü açıyor.
- Kompozitler: Modern elyaf takviyeli polimerler yapısal uygulamalar için giderek daha popüler hale gelmektedir.
Şimdiye kadar, katkı sürecinin yüksek serbestlik derecesi, sınırlı malzeme mevcudiyeti ile kısıtlanmıştır. Dolgu maddeleri ve katkı maddeleri eklenerek, ürün yelpazesini sürekli genişletmek ve bazen yeni malzeme karışımlarının daha fazla termal analizini gerektiren yeni uygulamalar geliştirmek için girişimlerde bulunulmaktadır.
Sektörler arası uygulamalar
AM'nin çok yönlülüğü, havacılık ve otomotivden sağlık ve inşaat sektörlerine kadar tüm sektörleri kapsamaktadır. Örneğin:
- Havacılık ve Uzay: Hafif, karmaşık geometriler yakıt verimliliğini ve performansı artırır.
- Sağlık hizmetleri: Özelleştirilmiş implantlar ve protezler hasta sonuçlarını iyileştirir.
- İnşaat: Betonun büyük ölçekli 3D baskısı sürdürülebilir inşaat uygulamalarında devrim yaratıyor.
Termal analiz, bu uygulamaların aşırı sıcaklıklarda veya mekanik stres altında çalışma gibi katı gereksinimleri karşılamasını sağlar.
Avantajlar ve gelecek potansiyeli
AM, geleneksel üretime göre çeşitli avantajlar sunmaktadır:
- Karmaşık geometriler: Geleneksel yöntemlerle elde edilemeyen karmaşık tasarımlara olanak sağlar.
- Hızlı prototipleme: 3D modellerden hızlı prototip oluşturma
- Malzeme verimliliği: Sadece gereken malzemeyi kullanarak atıkları azaltır.
- Özelleştirme: Özellikle sağlık sektöründe kişiye özel çözümler sağlar.
- Küçük seriler için maliyet verimliliği: Küçük serilerin üretimi için uygun maliyetli.
Malzeme bilimi ve süreç otomasyonunda yapay zeka destekli optimizasyon gibi gelecekteki ilerlemeler, AM’nin potansiyelinden yararlanacak ve üretim sürecini Endüstri 5.0’a uygun hale getirecektir. İşlem öncesi ve sonrası olarak termal analiz değişmez bir köşe taşı olmaya devam edecek ve yeni malzeme ve süreçlerin geliştirilmesine önemli bir katkı sağlayacaktır.
Bilimsel perspektifler
Son araştırmalar, süreç kontrolünü ve enerji tüketimini optimize etmek için dijital ikizleri kullanarak ısı dağılımını gerçek zamanlı olarak simüle etmek ve tahmin etmek için bilgisayar modellemesi ve termal analizin entegrasyonunu vurgulamaktadır [7]. Termal analizin yerinde veya süreç içi ölçüm yöntemi olarak üretim sürecine kalıcı bir şekilde entegre edilmesi, süreç anlayışının daha da geliştirilmesinde önemli bir adımı temsil etmektedir.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/
