Mehmet ERMURAT, Fehmi ERZİNCANLI, İbrahim UZMAN

TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi
26-28 Nisan 2006 - BALIKESİR
LAZERLİ DİREKT METAL PARÇA İMALATI SİSTEMLERİ
Mehmet ERMURAT1, Fehmi Erzincanlı2, İbrahim Uzman3
1
2
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Tasarım ve İmalat Mühendisliği - GEBZE
[email protected]
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Tasarım ve İmalat Mühendisliği - GEBZE
[email protected]
3
Kocaeli Üniversitesi, Makine Mühendisliği - KOCAELİ
[email protected]
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 Terimler:Hızlı 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
Lazer ışın spot çapı
Malzeme tipi
Toz büyüklüğü, şekli
Toz besleme debisi
Lazer ilerleme hızı
Atmosfer
:
:
:
:
:
:
:
120W
0.5mm
Paslanmaz Çelik 316
+106-150µm, PREP atomize (küresel)
10gr/dk.
8.33mm/sn.
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