Metal Katmanlı İmalat: Kapsamlı Bir Kılavuz

Metal Katmanlı İmalata Genel Bakış

Metal eklemeli üretimMetal 3D baskı olarak da bilinen eklemeli üretim, metal parçaların doğrudan 3D model verilerinden hızla üretilmesine yönelik dönüştürücü bir teknolojidir. Malzemeyi kaldıran CNC işleme gibi eksiltici üretim yöntemlerinin aksine, eklemeli üretim, paslanmaz çelik, alüminyum, titanyum, nikel alaşımları ve daha fazlası gibi metalleri kullanarak bileşenleri katman katman oluşturur.

Geleneksel üretimle karşılaştırıldığında metal AM, ağırlığı, malzeme kullanımını ve teslim sürelerini azaltabilen daha fazla tasarım özgürlüğü, özelleştirme ve optimizasyon sağlar. Parçalar tek parça halinde birleştirilebilir, konformal soğutma kanalları ile gömülebilir veya döküm veya işleme ile mümkün olmayan organik şekillerle tasarlanabilir. Metal 3D baskı, havacılık, tıp, otomotiv ve enerji gibi sektörlerde inovasyon için yeni bir potansiyel getiriyor.

Bu kapsamlı kılavuz, çeşitli metal AM süreçleri, malzemeleri, uygulamaları, faydaları ve sınırlamaları hakkında teknik ayrıntılar sunmaktadır. Önemli bilgiler, farklı metal 3D baskı teknolojilerinin yeteneklerini ve ödünleşimlerini vurgulamak için karşılaştırması kolay tablolarda sunulmuştur. Katmanlı üretimin metal imalatında nasıl devrim yarattığını derinlemesine incelemek için okumaya devam edin.

Metal Katmanlı İmalatın Başlıca Önemli Noktaları:

• Dijital 3D CAD modellerinden tamamen yoğun, son kullanım metal parçaları üretir
• Talaşlı imalat gibi eksiltici yöntemlerin aksine malzemeyi katman katman ekler
• Döküm veya talaşlı imalat ile mümkün olmayan karmaşık, optimize edilmiş geometrilere olanak sağlar
• Geleneksel tekniklere kıyasla atık, enerji kullanımı ve teslim sürelerini azaltır
• Doğrudan parça üretiminin yanı sıra hızlı prototiplemeyi de kolaylaştırır
• Havacılık, tıp, otomotiv ve diğer sektörlerde genişleyen uygulamalar

Metal Katmanlı Üretim Süreçlerinin Türleri

Metal parçaların katkılı olarak basılması için çeşitli yaklaşımlar vardır. Ana metal AM süreci kategorileri arasında toz yatağı füzyonu, yönlendirilmiş enerji biriktirme, bağlayıcı püskürtme ve tabaka laminasyon yer alır. Her birinin malzeme, doğruluk, maliyet ve daha fazlası açısından benzersiz yetenekleri vardır.

Tablo 1: Başlıca Metal Katmanlı Üretim Süreçlerine Genel Bakış

Toz yatağı füzyonu Seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışını eritme (EBM) gibi teknikler şu anda en yaygın kullanılan metal AM süreçleridir. Talaşlı imalatla eşit düzeyde yüksek çözünürlük, iyi malzeme özellikleri ve paslanmaz çeliklerden nikel bazlı alaşımlara kadar geniş bir metal yelpazesi sunarlar. Hammadde, katmanlar halinde yayılan ve kontrollü bir atmosfer odasında odaklanmış bir ısı kaynağı tarafından seçici olarak eritilen ince bir metal tozudur.

Yönlendirilmiş enerji birikimi Lazerle tasarlanmış ağ şekillendirme (LENS) gibi yöntemler, bir eriyik havuzunu bir alt tabakaya odaklayarak sürekli olarak malzeme ekler. Bu, eritilmiş toz veya tel besleme stoğunun biriktirilmesiyle daha büyük boyutlu parçaların oluşturulmasına olanak tanır. Çözünürlük daha düşüktür ancak yapı boyutu toz yatağı yöntemleri gibi sınırlı değildir. Daha az son işlem gerekir ancak yüzey kalitesi daha kötüdür.

Bağlayıcı püskürtme metal tozu katmanlarını bir araya getirmek için sıvı bağlayıcı madde kullanır. Ortaya çıkan "yeşil" parçalar daha sonra sinterlenmeli ve tam yoğunluğa ulaşmak için bakır veya bronz ile infiltre edilmelidir. Malzeme seçenekleri şu anda sınırlı olsa da, bağlayıcı püskürtme çok sayıda küçük karmaşık metal parçayı daha uygun maliyetle üretebilir.

Levha laminasyonu Yapıştırıcı veya kaynak kullanarak ince metal levha katmanlarını birbirine bağlar. Lazerler veya CNC işleme daha sonra yığını 3 boyutlu bir şekle keser. İyi bir doğruluk sağlar ancak sac kalınlığına bağlı olarak geometri sınırlamaları vardır.

Her sürecin avantajları ve en uygun uygulamaları vardır. Doğru metal AM teknolojisinin seçilmesi malzeme gereksinimleri, hassasiyet, yüzey kalitesi, parti boyutu ve maliyet gibi faktörlere bağlıdır.

Metal Katmanlı Üretim için Malzemeler

Paslanmaz çelikten süper alaşımlara kadar çok çeşitli metaller toz yatak füzyonu, yönlendirilmiş enerji biriktirme, bağlayıcı püskürtme ve tabaka laminasyon yöntemleri kullanılarak basılabilir. En yaygın kullanılan metal AM malzemeleri şunlardır:

Tablo 2: Yaygın Metal Katmanlı İmalat Malzemeleri

Paslanmaz çelikler 316L ve 17-4PH gibi ürünler, mukavemetleri, korozyon dirençleri ve nispeten kolay baskı ve sonradan işleme özellikleri sayesinde endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Alüminyum alaşımlar gibi AlSi10Mg işlenmesi veya dökümü zor olan hafif havacılık ve otomotiv parçalarını mümkün kılar.

Titanyum alaşımları Ti64 gibi, biyouyumluluğun yanı sıra yapısal bileşenler için ideal olan yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahiptir.

Nikel süperalaşım toz Inconel 718 ve 625 gibi zorlu uygulamalar için yüksek sıcaklıklarda mükemmel mekanik özelliklere sahiptir.

Kobalt krom alaşımlı toz tıbbi implantlar ve takımlar için uygun yüksek sertlik, biyouyumluluk ve aşınma direncine sahiptir.

Takım çelikleri H13, D2 ve Maraging Steel dahil olmak üzere enjeksiyon kalıpları veya dövme kalıpları gibi takımlar için çok yüksek sertlik, mukavemet ve termal stabilite sunar.

Ar-Ge çalışmaları, AM süreçleriyle uyumlu metallerin listesini genişletiyor. Değerli altın veya platin gibi daha egzotik alaşımlar da mücevher veya elektronik gibi özel uygulamalar için benimseniyor.

Metal Katmanlı Üretim Spesifikasyonları

Herhangi bir metal AM makinesinin kapasitesini belirleyen temel faktörler yapı hacmi, katman çözünürlüğü, hassasiyet ve desteklenen malzemelerdir. Doğruluk, yüzey kalitesi ve ısıl işlem gibi gereksinimler özel uygulamaya bağlı olacaktır.

Tablo 3: Metal AM Ekipman Özellikleri ve Yetenekleri

Hacim oluşturun Çoğu toz yatağı ve yönlendirilmiş enerji sistemi için birkaç inç küp ile yaklaşık bir fit küp arasında değişir. Bağlayıcı püskürtme veya tabaka laminasyon işlemleri için daha büyük ekipmanlar mevcuttur.

Katman kalınlığı Oluşturma işlemi sırasında, bir makinistin finiş sırasına göre ince çözünürlük için 20-100 mikron arasında değiştirilebilir. Daha ince katmanlar yüzey kalitesini iyileştirir ancak aynı zamanda yapım süresini de artırır.

Hassasiyet Kullanılan özel AM makinesine bağlı olarak toz yatağı füzyonu için ±0,1-0,2 mm ve yönlendirilmiş enerji biriktirme için ±0,5 mm'dir.

Ulaşılabilir yüzey kaplaması Yapıldığı haliyle 10-25 mikron (Ra) ve 20-100 mikron (Rz) arasında değişmektedir, ancak iyileştirmek için aşındırıcı son işlem gibi son işlem gerektirecektir.

Neredeyse tüm metalik alaşımlar paslanmaz çeli̇kler için titanyum ve nikel alaşımları basılabilmektedir ve malzeme seçenekleri son yıllarda iki katına çıkmıştır.

Metal Katmanlı Üretim Ekipmanı Tedarikçileri

Bir dizi şirket endüstriyel metal AM sistemlerinin yanı sıra baskı hizmetleri de sunmaktadır. Toz yatağı füzyonu, yönlendirilmiş enerji biriktirme, bağlayıcı püskürtme ve tabaka laminasyon ekipmanı sunan önde gelen satıcılar şunlardır:

Tablo 4: Metal Katmanlı Üretim Sistemlerinin Başlıca Tedarikçileri

Alman şirketi EOS doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) teknolojisine öncülük etmiştir ve titanyum, alüminyum ve nikel alaşımları gibi metaller için çok çeşitli endüstriyel yazıcılar sunmaktadır.

SLM Çözümleri ayrıca çelik, titanyum, alüminyum ve daha fazla metali 500 inç küpe kadar yapı hacimleriyle işleyebilen toz yataklı füzyon ekipmanı da sağlamaktadır.

HP, Masaüstü Metal, ve ExOne kaldıraçlı bağlayıcı püskürtme, küçük, karmaşık paslanmaz çelik veya alaşımlı çelik bileşenlerin yüksek hacimli üretimine odaklanmıştır.

Sciaky ve Optomec Titanyum, alüminyum ve nikel süper alaşımları kullanarak büyük ölçekli metal baskı için yönlendirilmiş enerji biriktirme sistemleri tedarik eder.

Fabrisonic metal parçaların içine kablo, sensör ve daha fazlasını yerleştirebilen patentli ultrasonik eklemeli üretim kullanıyor.

Metal AM ekipmanı tipik olarak üretim kapasitesine bağlı olarak $100,000 ila $1 milyon+ başlangıç sermaye yatırımı arasında değişmektedir, ancak fiyatlar hızla düşmektedir. Malzeme maliyetleri kullanılan özel alaşıma göre büyük ölçüde değişmektedir.

Metal Katmanlı Üretim Uygulamaları

Metal katmanlı üretim, havacılık, tıp, otomotiv ve genel endüstriyel uygulamalar için çok uygun yeni tasarım özgürlüğü ve yetenekleri getiriyor:

Havacılık ve Uzay: Hafif braketler ve karmaşık yapılar, konformal soğutmalı motor bileşenleri ve ağırlığı, malzeme kullanımını ve teslim sürelerini azaltmak için parça konsolidasyonu

Tıbbi: Özelleştirilmiş ortopedik implantlar, kemik ile osseointegrasyonu iyileştirmek için ince duvarlı ve kafes yapılı cerrahi aletler, diş restorasyonları

Otomotiv: Hafif kafes yapılar, bileşenlerin kitlesel olarak özelleştirilmesi, fabrika iş akışlarını iyileştirmek için jig ve fikstür gibi takımlar

Endüstriyel/Tüketici: Organik şekiller, kitlesel özelleştirme ve hafif kafes yapılardan yararlanan aydınlatma, mobilya, spor malzemeleri ve müzik aletleri

Aletler: Konformal soğutma kanalları, çevrim sürelerini azaltmak için enjeksiyon kalıplarına, kalıplara ve takım eklerine yerleştirilebilir. Yedek takım parçalarının hızlı geri dönüşü.

Petrol ve Gaz: Özel boru hattı bağlantı parçaları, yüksek basınçlı / aşındırıcı ortamlar için teçhizatlar ve valf blokları gibi yapısal bileşenler.

Bu teknoloji aynı zamanda birçok sektörde ürün geliştirmede hızlı takımlama, fikstür ve prototipleme için de kullanılmaktadır. Aşağıda metal AM uygulamalarına ve geleneksel üretime kıyasla avantajlarına ilişkin bazı örnekler yer almaktadır:

Tablo 5: Metal Katmanlı Üretim Uygulamaları ve Faydaları

Katmanlı üretim, mühendislere döküm, talaşlı imalat veya diğer geleneksel üretim teknikleriyle mümkün olmayan veya ekonomik olmayan metal bileşenleri üretmek için benzeri görülmemiş bir tasarım özgürlüğü sağlar.

Metal AM'nin Avantajları ve Dezavantajları

Eksiltici imalat ve diğer geleneksel metal imalat yöntemleriyle karşılaştırıldığında, AM birçok önemli avantajın yanı sıra dikkate alınması gereken sınırlamalar da sunar:

Tablo 6: Metal Katmanlı Üretim - Artıları ve Eksileri

Metal AM'nin başlıca faydaları şunlardır tasarım özgürlüğü, parça konsoli̇dasyonu, özelleşti̇rmeve daha hızlı ürün geliştirme döngüler. Havacılık ve otomotiv gibi endüstriler için hafifletme ve malzeme tasarrufu da mümkündür.

Ancak, daha küçük hacim oluşturma, daha yüksek maliyetlerve eksikliği malzeme Ticari ölçekte kullanılabilirlik, geleneksel üretime kıyasla engel teşkil etmeye devam etmektedir. Çoğu metal AM uygulaması, özelleştirme ve teslim süresini kısaltma avantajlarının günümüzde daha yüksek basılı parça maliyetlerinden daha ağır bastığı düşük ila orta üretim hacimleri için en uygunudur.

Metal AM ekipman ve malzeme fiyatları düştükçe, üretim hacimleri ve uygulamaları daha fazla sektörde genişlemeye devam edecek. Kalite ve daha büyük yapı boyutlarındaki ilerlemelerle birlikte, yüksek hacimli üretim için benimseme hızlanacaktır.

Metal Katmanlı İmalatın Geleceği

Halen gelişmekte olan bir teknoloji olsa da, metal katkılı üretim önümüzdeki yıllarda önemli bir büyüme göstermeye hazırlanıyor. Genişleyen uygulamalar, yeni oyuncular ve tedarik zincirlerinde artan benimseme, pazarın genişlemesini sağlayacaktır.

• Küresel metal AM pazarının 2021'den bu yana iki kattan fazla artarak 2028 yılına kadar $15 milyarı aşacağı tahmin ediliyor. Havacılık ve tıp sektörlerinin talebin 50%'sinden fazlasını oluşturması bekleniyor.
• Sistem üreticileri, seri üretim uygulamalarına odaklanan daha büyük üretim hacimli makineler, çoklu lazer ve daha yüksek üretkenlikli ekipmanlar geliştiriyor.
• Daha yüksek mukavemetli alüminyum ve çelikler, değerli metaller, magnezyum, takım çeliği ve daha fazlası dahil olmak üzere nikel süper alaşımlarının ötesinde genişletilmiş malzemeler mevcut hale gelmektedir.
• Deneme ve hatayı en aza indirmek için gelişmiş makine kontrolleri, yazılım ve kolaylaştırılmış iş akışları ile kalite ve tekrarlanabilirlik gelişmeye devam ediyor.
• AM yoluyla tedarik zinciri optimizasyonu, teslim süreleri kısaldıkça ve teknoloji sadece prototipleme yerine son kullanım bileşenleri için daha uygun maliyetli hale geldikçe sektörler arasında ilgi görmektedir.
• Özelleştirilmiş, merkezi olmayan üretim, tedarik zinciri risklerini ve lojistik maliyetlerini azaltabilir. Talep üzerine yerelleştirilmiş üretim artacaktır.
• Hükümetler endüstriyel metal AM araştırmalarına, işgücü geliştirme programlarına ve teknoloji etrafında bölgesel üretim ekosistemlerini geliştirmeye önemli yatırımlar yapıyor.

Henüz olgunlaşmakta olan metal katkılı üretim, havacılık motorlarından hastaya uygun implantlara kadar çeşitli uygulamalarda geleneksel üretime kıyasla belirgin faydalar ortaya koymuştur. Tedarik zincirlerinde daha fazla paydaş AM'yi benimsedikçe, AM üretimi dönüştürecek ve yeni bir tasarım inovasyonu çağını mümkün kılacak şekilde konumlanmaktadır.

Metal AM Sıkça Sorulan Sorular

S: Hangi malzemeler metal 3D baskı ile uyumludur?

C: Paslanmaz çelikler, alüminyum alaşımları, titanyum, takım çelikleri, nikel süper alaşımları ve daha fazlası dahil olmak üzere çoğu endüstriyel metal basılabilir. Bazı süreçler altın, gümüş ve platin gibi değerli metalleri de destekler.

S: Metal katkılı üretim ne kadar doğrudur?

C: Çoğu toz yatağı füzyon işlemi için boyutsal doğruluk, CNC işlemeye benzer şekilde ±0,1-0,2 mm civarındadır. Yönlendirilmiş enerji birikimi ±0,5 mm veya daha fazladır.

S: Metal AM herhangi bir son işlem gerektiriyor mu?

C: Yüzey bitirme ve ısıl işlem gibi bazı son işlemlere genellikle ihtiyaç duyulur. Destek yapıları çıkarılır ve yüzey işlenir, zımparalanır veya parçaları pürüzsüzleştirmek ve bitirmek için kimyasal olarak işlenir.

S: Metal AM'nin döküm veya talaşlı imalata göre bazı avantajları nelerdir?

C: Faydaları arasında tasarım özgürlüğü, hafif yapılar, parça konsolidasyonu, azaltılmış takımlama, daha hızlı teslim süreleri, toplu özelleştirme ve daha fazlası yer almaktadır. AM, eksiltici tekniklerle mümkün olmayan optimize edilmiş şekiller sağlar.

S: Hangi sektörler metal 3D baskının benimsenmesini sağlıyor?

C: Havacılık ve uzay, tıp/diş, otomotiv ve sanayi sektörleri günümüzde bu teknolojiyi en çok benimseyen sektörlerdir. Teknoloji, özelleştirme ve ağırlık azaltmanın avantajlı olduğu karmaşık, düşük hacimli üretim için idealdir.

S: Metal AM geleneksel üretime kıyasla ne kadar pahalı?

C: Basılı metal parçalar seri üretim için daha pahalı olmaya devam etmektedir. AM, 1000 birimin altındaki küçük parti boyutları için maliyet açısından rekabetçi olabilir ve tasarım esnekliği, daha hızlı pazara sunma süresi, parça konsolidasyonu ve özelleştirme avantajlarıyla dengelenebilir.