TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi 26-28 Nisan 2006 - BALIKESİR LAZERLİ DİREKT METAL PARÇA İMALATI SİSTEMLERİ Mehmet ERMURAT 1, Fehmi Erzincanlı 2, İbrahim Uzman 3 1 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Tasarım ve İmalat Mühendisliği - GEBZE mermurat@gyte.edu.tr 2 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Tasarım ve İmalat Mühendisliği - GEBZE erzincanli@gyte.edu.tr 3 Kocaeli Üniversitesi, Makine Mühendisliği - KOCAELİ iuzman@kou.edu.tr Özet Son yıllarda Hızlı Prototip teknolojisinde diğer teknolojik alanlardaki gelişmelerle ilişkili olarak önemli gelişmeler kat edilmiştir. Özellikle metal parçaların direkt olarak imalatının mümkün olduğu sistemlerin geliştirilmesi ile Hızlı Prototip kavramı Hızlı İmalat olarak adlandırılmaya başlanmıştır. Direkt olarak metal parça üretilen sistemlerden en popüler sistemler lazerli sistemler olarak görülmektedir. Kalıp, talaş kaldırma ve plastik şekillendirme gibi herhangi bir geleneksel imalat yöntemi kullanılmadan karmaşık yapıdaki parçaların oluşturulmasına imkan tanıyan lazerli hızlı imalat sistemlerinin çok önemli avantajları vardır. Bu teknolojiler gelecekte bir çok endüstride karmaşık parçaların yapımında vazgeçilmez teknolojiler olacaklardır. Bu çalışmada Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Tasarım ve İmalat Mühendisliği bölümünde kurulan makinada elde edilen bazı deneysel örnekler sunulacaktır. Anahtar TerimlerHızlı prototip, Hızlı İmalat, Lazerli metal parça imalatı Abstract Some important developments have been advanced in Rapid Prototyping Technologies related to some developments of other technological improvements for the last years. Rapid Prototyping term is getting to be named as Rapid Manufacturing with the help of enhancing systems in which direct manufacturing of especially metal parts would be available. It is seen that laser assisted systems are the most popular systems of direct metal part fabrication systems. There are very important advantages of laser assisted rapid manufacturing systems which enable generation of even complex structured parts without using any traditional manufacturing methods such as molding, material removing and plastic deformation. These technologies will be indispensable for fabrication of complex parts in many industry in future. In this work, some experimental examples obtained from a machine established in Department of Design and Manufacturing Engineering in Gebze Istitute of Technology will be presented. Key words Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Laser assisted metal fabrication 1. GİRİŞ Hızlı prototip sistemleri özellikle son yıllarda prototip uygulamalarında çok çeşitli özelliklerdeki isteklere cevap verebilmekte ve ürün geliştirme süreçlerinde çok önemli avantajlar sağlamaktadır. Bu teknolojiler sayesinde sadece BDT (Bilgisayar Destekli Tasarım) bilgisi kullanılarak ileri derecede el becerisi gerektirmeden tasarımın fiziksel prototipinin çok kısa süre 187
içerisinde elde edilmesi mümkün hale gelmiştir. Özellikle bazı sistemlerle imal edilen parçalar mekanik, boyutsal, ve malzeme gibi özelliklerinde büyük ilerlemeler kaydedilmesiyle artık prototip hizmetlerini aşarak direkt parça olarak kullanılır hale gelmişlerdir. Bu kapsamda özellikle metal parça imalatına olanak tanıyan sistemler çeşitli endüstri alanları için üzerinde ciddi bir şekilde durulması gereken bir önem taşımaktadır. Genelde yüksek güçlü lazerler kullanılan bu sistemlerde belirli şekillerde ve boyut aralıklarında üretilen toz malzemeler kullanılmaktadır. Bu sistemlerle imal edilen parçalarda aranan bazı özellikler vardır. Bunlar parçanın yoğunluğu, boyutsal doğruluğu ve hassasiyeti, küçük yapıdaki girinti-çıkıntılar için detay boyutları, mekanik özellikleri, yüzey özellikleri ve pürüzlülüğü gibi parametreler olarak sıralanabilir. Bu parametreleri etkileyen en önemli ortak kriter ise malzemenin beslenme şekli olarak adlandırılabilir. Yüksek güçlü lazerlerin kullanıldığı bu sistemler de kullanılan metal toz malzemesinin beslemesi ve buna bağlı olarak bazı kısımlarındaki sistem gereksinimleri bakımından genelde iki farklı tipe ayrılır. Bunlar önceden beslemeli ve eşzamanlı beslemeli olarak adlandırılabilir. Önceden beslemeli sistemler, toz metal malzemesinin önceden bir platform üzerine belli bir katman kalınlığında serilmesi ve daha sonra aynalar vasıtasıyla lazer ışınının katman üzerine odaklanarak hedef kesit alanı oluşturacak şekilde taramasına dayanır. Bu sistemlerde şu anda özellikle malzeme yönünden bazı sınırlamalar vardır. Bu sınırlama malzeme çeşitliliği konusunda göze çarpmakla birlikte asıl problem esas malzeme arasına yabancı malzeme katılması zorunluluğu olarak görülmektedir. Bunun nedeni esas toz malzemelerin birbirlerine bağlanabilmesi için daha düşük erime sıcaklığına sahip yabancı malzemelerin bağlayıcı vazifesi görmesi isteğidir. Bu durum parçanın gerek yoğunluğunu ve malzeme yapısını etkilediğinden dolayı mekanik özelliklerini, gerekse farklı çekme miktarları ve porozite oluşumuna zemin hazırladığından dolayı boyutsal ve yüzeysel hassasiyetini etkilemektedir [1]. Mekanik özelliğini kazanması için yapılan infiltrasyon ve sinterleme işlemleri bir yandan ek maliyet getirdiği gibi diğer yandan da yine boyutsal hassasiyetlerini olumsuz etkileyen bir sonuç çıkarır [2]. Eşzamanlı beslemeli olarak adlandırdığımız sistemlerde ise toz malzeme nozul vasıtasıyla lazerin etki ettiği odak noktasına eksenel olarak enjekte edilir. Her iki tip sistem üzerine çok sayıda araştırma yapılmasına rağmen özellikle daha sonra değinilecek avantajlarından dolayı nozullu sistemler üzerinde çok yoğun çalışmalar gerçekleştirilmektedir. 2. LAZERLİ DİREKT METAL PARÇA İMALATI SİSTEMLERİ Malzemenin nozul içerisinden lazerin odak noktasına lazerle eşzamanlı olarak püskürtülmesi ve nozulun yatay yönde hareket ettirilmesi ile dolgu işleminin gerçekleştiği bu sistemlerde de yine aynı şekilde katmanlı imalat gereksinimine uygun olarak bütün katmanlardaki ilgili kesitlere aynı dolgu işlemi uygulanır. Bunun için her katmandaki kesit alanının oluşturulmasından sonra aynı işlem parçanın üzerinde bulunduğu platform bir katman mesafesinde aşağı indirilerek tekrarlanarak son katman da tamamlanıncaya kadar devam edilir. Farklı üniversite, araştırma kuruluşları ve şirketler tarafından geliştirilerek farklı isimlerle adlandırılmakta olan bu sistemlerden bazıları Laser Engineered Net Shaping (LENS), Direct Light Fabrication (DLF), Direct Metal Deposition (DMD) gibi sistemlerdir [3,4]. Şekil 1 de basitçe gösterilen ve bahsi geçen sistemlere benzer bir sistem olan Lazerli Direkt Metal Parça İmalatı sistemi de Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Tasarım ve İmalat Mühendisliği Laboratuarlarında geliştirilmektedir. 188
Şekil 1. Lazerli Direkt Metal Parça İmalatı Sistemi 2.1. Sistemin Olanakları Bu sistemin önceden beslemeli sistemlere göre bazı dezavantajlarının olmasının yanı sıra çok önemli avantajları bulunmaktadır. Bu sistem üzerine yapılan araştırmaların giderek artmasının nedenlerinden olan avantajlar şu şekilde sıralanabilir; çeşitli çelikler, paslanmaz çelik, nikel ve titanyum alaşımlı malzemeler gibi çok çeşitli malzemelerin kullanılabilir olması, parçanın hemen hemen her yerinde değişik özelliklerde alaşım elde edilebilmesi ve bununla birlikte melez yapıda parça imalatı yapılabilmesi, 5 eksenli bir operasyona uygun olması, parça onarımı işlemlerinde kullanılabilmesi, parçaların yüksek yoğunluklu ve yüksek mekanik özelliklerde elde edilebilmesi. Özellikle melez yapıdaki parça imalatına imkan tanıması çok önemli bir özelliktir ve çalışmalar da bu yönden yoğunlaşmış durumdadır. Bu sayede büyük ebatlı ve çok yüksek maliyetli malzemelerin kullanılması gereken durumlarda sadece bu malzemenin kullanılması gereken yer o malzemeyle imal edilip, diğer kısımların daha ucuz malzemelerle imalatı gerçekleşebilir. Sonuçta farklı malzemelerden oluşmuş tek parça halinde bir melez yapıda parça üretilmiş olacak. Aynı durum kalıplar için de söz konusudur. Kalıp çekirdek kısmının yüksek aşınma direncine sahip malzemelerden, diğer kısımların ise daha ucuza mal olan malzemelerden imal edilmesi çok önemli derecelerde maliyetleri düşürecektir [5]. Aynı bağlamda, kalıptan ısı atılmasını çabuklaştırmak için bakır malzeme üzerine çekirdek kısmının imal edilmesi önemli bir avantaj sağlayacaktır. Kalıpla ilgili olarak bir önemli konu da; soğutma kanallarının karmaşık geometriye sahip parçanın şekline göre girintili çıkıntılı olarak tamamen iç kaviteye sahip bir şekilde imalatı da mümkün olabilir. Bu özelliğinin yanı sıra yıpranmış ve aşınmış yüksek maliyetli parçaların yeniden kullanılabilmesi için dolgu yapılması gereken yerlerin bilgisayar programları vasıtasıyla tayin edilerek bilgisayar kontrollü olarak dolgusu mümkünse asıl malzemeye uygun olarak tekrardan yapılabilir. Diğer yandan özellikle kavitelerin çok olduğu ince yapılı karmaşık yapıdaki parçaların üretimi göz önünde tutulduğunda sarf edilen malzeme bakımından bu sistemin çok büyük avantajı söz konusudur. Çünkü bu sistemlerde hedef lazerin katılaştıracağı alan kadar bölgeye malzeme beslemesi gerçekleştirmektir. Bu başarıldığında neredeyse parçanın olması gereken ölçüdeki kadar bir malzeme sarfiyatı gerçekleşecektir, bu da çok önemli bir ekonomik avantaj sağlamaktadır. Bu bahsedilen önemli avantajlar özellikle sistemin nozullu bir sistem olmasından kaynaklanmaktadır. 189
Bu avantajlar bakımından bu sistem kalıp, otomotiv, medikal, savunma ve hava taşıt endüstrisinde çok yakın gelecekte vazgeçilmez bir sistem olacak özelliktedir. Şu aşamada, bu sistemle imal edilen parçaların son haline gelebilmesi için ikinci bir operasyonun gerekliliği ve özellikle destek yapısının oluşturulması zorunluluğu bu sistemin ana dezavantajlarından olarak sıralanabilir. 2.2 Çeşitli etkili parametreler Metal tozlarının bölge bölge eritilmesi ve katılaşmasının sağlanması ile değişik geometrilerde metal parçalar elde edilen sistemlerde metal tozlarının eritilmesinde kullanılan ısı yüksek güçlü lazerlerden elde edilmektedir. Özellikle sürekli ve kararlı bir ısı kaynağı oluşturmasının yanı sıra lazer ışınlarının küçük bir noktaya odaklanabilmesi ile çok sınırlı bir ısıdan etkilenmiş bölge oluşması da önemli bir avantajdır. Metal tozlarının eritilebilmesi için lazer ışınının çok küçük bir noktaya odaklanması hem yüksek yoğunluklu bir enerjinin elde edilmesini hem de oluşturulan metal parçanın karmaşık ve ince detaylara sahip olmasını sağlamaktadır. Metal parçanın geometrik doğruluğunu etkileyen önemli bir parametre olan lazer spot büyüklüğünün yanı sıra lazer tipi, lazer gücü, lazerin etki süresi, ışın odak yüksekliği gibi parametreler sistemin optik ve lazerle ilgili değişkenleridirler. Sistemde malzeme tipi, metal toz büyüklüğü, toz karakteristikleri gibi malzeme özelliklerinin yanı sıra toz besleme şekli ve miktarı, katman yükseklik miktarı, ortam atmosferi gibi değişkenleri etkileyen nozul yapısı ve şekli de göz önünde tutulması gereken parametrelerdendir[1,2,3]. 3. DENEYSEL ÇALIŞMA ÖRNEKLERİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ Sistem kurulduğundan beri çeşitli denemeler yapılmıştır. Hala sistemin stabil hale getirilmesi yönündeki çalışmaların yanısıra bir takım geometriler üzerinde parça oluşturma denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu denemelerde küresel şekilli paslanmaz çelik 316 tozları üzerine yoğunlaşılmıştır. Bunun yanısıra bakır-paslanmaz çelik tozlarının birbirleri üzerine imal etme yönünde basit denemeler yapılmıştır. Bu yapılan denemelerden bazıları işlem parametreleri ve parçadan alınan optik ve stereo mikroskop görüntüleri ile şu şekilde sıralanabilir. 3.1. Örnek I Bu işlemde, yatay yöndeki pasolar arası mesafe spot çapına eşit olacak şekilde yanyana sıralı olarak dolgular yapılmıştır. Şekil 2 de gösterilen bölge metalografik olarak incelendiğinde dolgunun oluşma yönü doğrultusunda her paso tek olarak ele alınırsa düzenli bir beslemenin gerçekleştiği söylenebilir. Fakat her dolguyu oluşturan pasolar arasında boşluklar gözlemlenmektedir. Bunların giderilebilmesi için uygun lazer gücü ve odak derinliğinin iyi tayin edilerek toz beslemesinin daha düzgün ve pasoların birbirini üzerine bir miktar bindirilecek şekilde ayarlanarak işlemin iyileştirilmesi ihtiyacı bulunmaktadır. İşlem parametreleri Lazer gücü 120W Lazer ışın spot çapı 0.5mm Malzeme tipi Paslanmaz Çelik 316 Toz büyüklüğü, şekli +106-150µm, PREP atomize (küresel) Toz besleme debisi 10gr/dk. Lazer ilerleme hızı 8.33mm/sn. Atmosfer Argon (5 lt/dk.) 190
Şekil 2. Örnek I e ait optik mikroskop görüntüleri (sağdaki resim soldaki resimde görülen bölgenin zımparalanmış görüntüsüdür) 3.2. Örnek II Bu işlemde aynı geometriye sahip iki parça iki farklı ilerleme hızı ile oluşturulmuş, ilerlemenin etkisi hedeflenmiştir. Numuneler mikroskop altında incelendiğinde gerek lazerin etki süresinin ve gerekse toz miktarı farklılığının nasıl bir sonuç oluşturduğu görülmektedir. Şekil 3 de, düşük ilerleme hızında lazerin etkileşim süresi uzun olduğundan dolayı ve ek olarak daha az ilerlemede daha fazla toz birikmesi olduğundan dolayı erime süresi daha uzun sürmüş, bundan dolayı düzensiz bir yapılaşma oluşumu gözlenmiştir. Şekil 4 de, hızlı ilerlemede elde edilen numunede pasolar daha net olarak görülmekte, Şekil 3 dekine nazaran düzgün bir yapılaşma olduğu görülmektedir. İşlem parametreleri Lazer gücü Lazer ışın spot çapı Malzeme tipi Toz büyüklüğü, şekli Toz besleme debisi Lazer ilerleme hızı Atmosfer Pasolar arası mesafe 90W 0.25mm Paslanmaz Çelik 316 +63-75µm, PREP atomize (küresel) 2.7gr/dk. 5,85mm/sn ve 6,67mm/sn Argon (5 lt/dk.) 0.4mm Şekil 3. 5,85mm/sn ile elde edilen numune sonuçları (Düzensiz oluşum) 191
Şekil 4. 6,67mm/sn ile elde edilen numune sonuçları (Düzenli oluşum) 3.3. Örnek III Şekil 5 te yapılmış olan bazı denemelerden örnekler sunulmuştur. Şekil 5. Örnek geometriler 4. SONUÇ Yapılmış olan bu örneklerde açıkça görüldüğü gibi bazı problemler sözkonusudur. Bu bağlamda lazer gücü, lazer malzeme etkileşim seviyesi, ilerleme hızı, ilerlemede hızlanma ve yavaşlamanın neden olduğu etki, toz boyutu, besleme miktarı, oksidasyon oluşumu v.s. gibi parametrelerin üzerinde çalışarak optimize edilmesi gerekmektedir. Bunlardan bir kısmı projenin lazer-optik kısmı ile, bir kısmı gaz-toz beslemesi kısmı ile bir kısmı ise nozul tasarımı ile ilgilidir. Diğer yandan, hem proses bölgesinde hem de ısıdan etkilenmiş bölgedeki ısı dağılımının gözlemlenmesi, mikroyapı ve mekanik incelemelerin ve testlerin yapılması gerekmektedir. 5. KAYNAKÇA [1] Ermurat M., Investigation of Rapid Prototyping and Manufacturing Technologies, Master Thesis, Gebze Institute of Technology, Kocaeli, 2002 192
[2] Erzincanli F. and Ermurat M., Comparison of the Direct Metal Laser Fabrication Technologies, 2nd International Conference on Responsive Manufacturing, University of Gaziantep, 2002 [3] Ermurat M., Erzincanli F., Uzman İ., New Generation Forming Process For Powder Metallurgy Laser Assisted Metal Deposition, 4. International Powder Metalurgy Conference, University of Sakarya, 2005 [4] Song Y.A., Park S., Choi D., Jee H., 3D Welding and Milling Part 1-a Direct Approach for Freeform Fabrication of Metallic Prototypes, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45, 1057-1062, 2005 [5] Lewis G.K. and Schlienger E., Practical considerations and capabilities for laser assisted direct metal deposition, Materials and Design, Vol.21, pp.417-423, 2000 193