Haz.: Doç. Dr. Ahmet DEMİRER

Transkript

1 Haz.: Doç. Dr. Ahmet DEMİRER Hızlı prototipleme, bilgisayarda hazırlanan üç boyutlu CAD (Computer Aided Design) çizimlerinden direk olarak elle tutulur fiziksel modeller elde etmemizi sağlayan imalat teknolojisidir. Ürün Geliştirme sürecinde bilgisayar teknolojilerinin kullanımıyla, sanal bir ürünün tüm detayları ile 3D CAD ortamında tamamlanması, bu datayı kullanarak fiziksel parçaların da direkt olarak bir seferde üretilmesi fikrini ortaya çıkarmıştır. Yeni ürün geliştirmede hızlı prototip imalatı sayesinde, olabilecek tasarım hataları kısa zamanda teşhis edilir, Ürünü en kısa sürede piyasaya çıkarabilmek mümkün olur. Prototipler kalıplar için mastar model olarak kullanılabilir. Prototipler, tasarım ekibi, imalat ekibi ve pazarlama ekibi arasındaki iletişimi ve ortak çalışma verimliliğini arttırır. 1

2 Hızlı Prototipleme sayesinde üretilebilecek parçalarda neredeyse bir sınırlama yoktur. Parçalar birbirine kolaylıkla yapıştırılabildiğinden, üretilmesi istenen parçalarda boyut bir sorun oluşturmaz. Hızlı prototipleme sayesinde kalıp üretimi de yapılabilir. Kum kalıp karakterini çok iyi taklit eden kalıpları ve maçaları, düşük ergime dereceli alüminyum, bakır gibi metalleri dökerek kullanabilirsiniz. Hızlı Prototipleme, eklediği maliyetle pahalı gözükebilir. Ancak, Hızlı Prototipleme sayesinde haftalar sürecek işlemler saatler içerisinde bitebilmektedir. Ürün hataları önceden anlaşılarak, çok daha pahalı düzeltmeler önlenmektedir. Bu gibi avantajlar göz önüne alındığında, hızlı prototipleme kullanılarak yapılan üretim işletmeye, yarattığı görünen maliyetten çok daha büyük tasarruflar sağlamaktadır. Hızlı Prototipleme ile üretilen parçaların maliyeti, parça boyutu, parça hacmi, parça şekli gibi pek çok faktörün etkisindedir. Bu yüzden parçaların gerçek maliyeti gerekli analizlerin yapılmasından sonra ortaya çıkmaktadır. HIZLI NUMUNE ÜRETİMİ HIZLI NUMUNE ÜRETİMİ Bilgisayar ortamında hazırlanan üç boyutlu (3B) sanal parça (3D CAD) modellerinden gerçek üç boyutlu fiziksel modeller elde edilmesini sağlayan bir imalat teknolojisidir. Bu yöntemle hedeflenen amaçlar aşağıdaki şeklide özetlenebilir. 1. Tasarımı yapılan parçaların estetik ve görsellik kontrolü yapılır ve şekilsel hatalar belirlenebilir. 2. Birden fazla parçadan oluşan mekanizmaların montaj durumu ve çalışabilirlik testi yapılabilir. 3. Hızlı numune yöntemiyle üretilen parçalar döküm işlemlerinde doğrudan veya dolaylı model olarak kullanılabilir. (Kum kalıba dökümde doğrudan, hassas dökümde dolaylı model olarak kullanılabilir.) Hızlı numune üretimiyle, üretilen numuneler fiziksel, görsel olarak incelenebilir ve işlevsellik bakımından test edilebilirler. Böylece, tasarımda yapılması gereken değişiklikler, seri imalat öncesinde hızla gerçekleştirilmiş olur. 2

3 Hızlı numune üretim yöntemleri Birbiriden çok farklı hızlı numune üretim sistemleri olmasına rağmen, temel prensipler bakımından benzerlik gösterirler. Tüm yöntemlerde, kontrol ünitesi belli sayıda dilimlere bölünmüş 3B bilgisayar modellerini esas alır. Sistem en alt dilimden başlayarak katmanlar halinde yüzeyleri üst üste inşa ederek üç boyutlu gerçek fiziksel modelleri oluşturur. Numuneler farklı renklerde, esnek, rijit, şeffaf veya mat olarak üretebilir. Numuneler üzerinde, istenirse boyama, parlatma, zımparalama, kesme, yapıştırma vs. gibi işlemler gerçekleştirilebilir. Hızlı numune üretiminde, kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri farklı olan plastik, metal, seramik ve kâğıt türü malzemeler kullanılmaktadır. Bu maksatla farklı hızlı numune üretim yöntemleri ve buna bağlı makine ve donanım sistemleri geliştirilmiştir. Hızlı numune üretim yöntemleri 1-ÇOK NOKTALI PÜSKÜRTME (Polyjet) 2- ERGİMİŞ PLASTİK EKSTRÜZYONU YÖNTEMİ (Fused Deposıtıon Modelıng, FDM) 3- SEÇİCİ LAZER SİNTERLEME YÖNTEMİ (Selective Laser Sintering, SLS) 4- SIVI REÇİNE KATILAŞTIRMA YÖNTEMİ (Stereolithography SLA) 5- ELEKTRON IŞINLI ERGİTME (Electron Beam Melting, EBM) 6- KAĞIT KATMANLAMA YÖNTEMİ (Laminated Object Manufacture, LOM) 1. ÇOK NOKTALI PÜSKÜRTME (Polyjet) Bu teknikte oda sıcaklığında sıvı halde bulunan fotopolimer reçine 2 eksende bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden enjeksiyon bloğuna yürütülür. Blok üzerinde cihazlara göre değişen adetlerde (4 veya 8 adet) enjeksiyon kafası bulunmaktadır. Her bir enjeksiyon kafası üzerindeki 16 mikron çapındaki 1536 memeden malzeme püskürtülerek boş bir tablanın üzerine bir katman oluşturulur. Püskürtülen hammadde morötesi (ultraviyole) lambalar vasıtasıyla tahliye edildiği anda dondurularak katılaştırılır. Her katmanda tablası bir adım aşağıya iner ve katmanlar halinde parça inşa edilir. Enjeksiyon kafalarından yarısı parçayı oluşturan malzemeyi püskürtürken diğer yarısı da destek görevi görecek malzemeyi püskürtür. Üretim tamamlandığında parça tablasından sökülür ve destek malzemesi parçadan mekanik yöntemlerle ayrıştırılır. Polyjet sistemlerinde kullanılan hammadde bu yönteme özgü fotopolimer reçinelerdir. Termal ve mekanik özellikleri birbirinden oldukça farklı olan bir dizi malzeme seçeneğine sahiptir. (ref: ) Bu teknoloji 1990'lı yılların sonunda Objet Geometries firması tarafından geliştirilmiştir. 2. ERGİMİŞ PLASTİK EKSTRÜZYONU YÖNTEMİ (Fused Deposition Modeling, FDM) FDM tekniğinde şerit halindeki plastik hammadde ekstrüzyon kafasına iletilir. Burada malzeme ısıtılarak eriyik hale getirilir. Ekstrüzyon kafası 2 eksende bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket edebilen bir yapıdadır ve eriyik malzemeyi damlalar halinde boş bir tabla plakasına püskürterek parçayı oluşturacak ilk katmanı oluşturur. Her katmanda tabla bir adım aşağıya iner ve böylece parça katmanlar halinde inşa edelir. Püskürtülen malzeme anında katılaşır ve tüm katmanların inşası tamamlandığında parça tabladan sökülür. İnşa sırasında destek görevi gören bir yapı oluşur ve üretim tamamlandıktan sonra bu yapı parçadan sökülür. İnşa malzemesi olarak ABS (Akrilonitril Bütadien Stiren, kimyasal formülü; (C8H8 C4H6 C3H3N)x) ve polikarbonat kullanılır. Destek malzemesi mekanik yöntemlerle parçadan sökülmekle birlikte son yıllarda geliştirilen yeni malzemeler suda çözünebilir niteliktedirler. 3

4 2. ERGİMİŞ PLASTİK EKSTRÜZYONU YÖNTEMİ 2. ERGİMİŞ PLASTİK EKSTRÜZYONU YÖNTEMİ 3. SEÇİCİ LAZER SİNTERLEME YÖNTEMİ (Selective Laser Sintering, SLS) SLS teknolojisinde toz halinde bulunan plastik malzeme bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden lazer ışınıyla taranır. Taranan bölgelerdeki malzeme sinterlenerek birbirine kaynaşır ve parçanın ilk katmanı oluşur. İkinci toz katmanı ilkinin üzerine sıvanır ve sinterleme işlemi sırasıyla devam ederek parçanın üretilmesi sağlanır. Katmanlar tamamlandıktan sonra parça toz havuzundan çıkarılır. Bu teknolojide destek yapısı kullanılmaz. İnşa malzemesi olarak çoğunlukla poliyamid (PA) kullanılır. Ancak son yıllardaki gelişmeler sonucu seramik ve metal tozları kullanılabilmektedir. 3. SEÇİCİ LAZER SİNTERLEME YÖNTEMİ 4

5 (Stereolithography SLA) (Stereolithography SLA) Stereolithography tekniği oda sıcaklığına sıvı halde bulunan fotopolimer reçine tabakasının noktasal bir morötesi (ultraviyole) veya lazer ışını vasıtasıyla belirli bölgelerinin kürleştirilmesi prensibine dayanır. Bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden lazer ışını reçine tabakası üzerinde parça geometrisini tarayarak ilk katmanı oluşturur. İkinci reçine katmanı ilkinin üzerine sıvanır ve kürleştirme işlemi sırasıyla devam ederek parçanın üretilmesi sağlanır. Katmanlar tamamlandıktan sonra parça reçine havuzundan çıkarılır. Parça oluşurken destek görevi gören yapı parçadan mekanik olarak ayrıştırılır. Şekil: [ Stereolithography teknolojisinde hammadde olarak bu yönteme özgü fotopolimer reçineler kullanılır. Termal ve mekanik özellikleri birbirinden oldukça farklı olan bir dizi malzeme seçeneğine sahiptir. Bazı malzemeler ilave kürleştirme gerektirebilir ve bunlar ultraviyole banyosunda ikincil bir işleme tabi tutulmaktadırlar. Şekil: 5

6 5. ELEKTRON IŞINLI ERGİTME (Electron Beam Melting, EBM) Elektron ışınlı ergitme (EBM) prosesi toz halindeki metallleri ısıtarak ergitme ve birleştirme prensibine dayanır. Bu yönüyle ısıtarak toz bağlama (SLS) metodu ile benzerlik gösterir o C sıcaklıkta, vakumda bulunan hareketli tabla üzerine yaklaşık 0,1mm kalınlığında tabaka oluşturacak şekilde serilen metal tozları, bilgisayar kontrollü elektron bombardımanına tutulur o C elektron kaynağından gelen elektronlar hızlandırıldıktan sonra yarım ışık hızı büyüklükte bir hız ile toza çarpar. Bu hız elektronların kinetik enerjisi metali ergitmek için yeterlidir. Ergitme bittikten sonra Tabla dikey düzlemde aşağı kaydırılır, eritilecek yeni tabaka toz serilir ve proses tüm parçanın üretimin sonuna kadar tekrarlanır. İletken maddelerde lazer kullanan SLS'ye göre daha verimli olan EBM, gözeneksiz, yoğun parçaların üretilmesi için idealdir. Ergitme işlemi vakumda gerçekleştiği için nitrat ve oksitlerden arınmış malzeme elde etmek mümkündür. Hassiyet beklenen karmaşık metal parçaların üretimine imkân sağladığı için sağlık sektöründe titanyum alaşımı implantların ve havacılık sektöründeki parçaların üretime imkân sağlar. Yüksek saflıkta( %99.99) metalik parçalar üretmek mümkündür. 6. KAĞIT KATMANLAMA YÖNTEMİ (Laminated Object Manufacture, LOM) Şekil: 6. KAĞIT KATMANLAMA YÖNTEMİ (Laminated Object Manufacture, LOM) Bu yöntemde sürücü ve sarıcı olmak üzere iki makara arasında hareket ettirilen bobin şeklinde sarılmış kağıt kullanılır. Isıtıldığında yapışma özelliğine kağıdın alt yüzü, ilgili katmanın lazerle kesilmesi sonrasında bir ısıtıcı bir rulo vasıtasıyla daha önce kesilen katman üzerine yapıştırılır. Daha sonra makinenin tablası kağıt kalınlığı kadar aşağı yönde hareket eder. Bu işlem tekrarlanarak model üretimi gerçekleştirilir. İşlem sonrasında varsa dışarı taşan çapak vs. temizlenir ve dış yüzeye vernik, boya gibi uygulamalar yapılabilir. Özellikle büyük hacimli numunelerin yapılmasına uygun olup, diğer yöntemlere kıyasla daha hızlıdır. 6. KAĞIT KATMANLAMA YÖNTEMİ 6

7 HIZLI NUMUNEDEN DÜKÜM MODELİ ÜRETME HIZLI NUMUNEDEN DÜKÜM MODELİ ÜRETME Hızlı numune üretimi yöntemiyle elde edilen modelden (dolaylı model) silikon kalıp yapımı ve bu kalıpla hassas döküm için mum modelin üretilme aşamaları (ref: Rapid Product Solutions, 1998) Kaynaklar 1. Chua, Chee Kai; Leong K.F.;Lim C.S. (2003). Rapid Protyping Principles and Applications, İkinci baskı (İngilizce dilinde), Singapur: World Scientific Publishing Co Liou, Frank W. (2008). Rapid prototyping and engineering applications: a toolbox for prototype development (İngilizce dilinde). Boca Raton, FL: CRC Press Object%20Manufacture.htm Object%20Manufacture.htm 7