Toz Yatağı Füzyonu

Genel Bakış

Toz yatağı füzyonu, parçaları oluşturmak için bir toz yatağının bölgelerini katman katman seçici olarak kaynaştırmak için termal enerji kullanan bir katkı üretim sürecidir. Günümüzde üretim uygulamaları için en yaygın kullanılan metal 3D baskı teknolojilerinden biridir.

Toz yatağı füzyonu hakkında bazı önemli ayrıntılar:

• Katmanlı üretimin vat fotopolimerizasyon ailesine aittir.
• Malzeme tozunu eritmek ve birbirine kaynaştırmak için lazer veya elektron ışını gibi bir termal enerji kaynağı kullanılır.
• Kullanılan tozlar tipik olarak paslanmaz çelik, titanyum, alüminyum, nikel alaşımları ve kobalt-krom gibi metallerdir. Bazı işlemlerde polimerler ve seramikler de kullanılabilir.
• Toz yatak füzyonu, geleneksel üretimle karşılaştırılabilir mekanik özelliklere sahip tamamen yoğun metal parçalar oluşturabilir.
• Geleneksel eksiltici tekniklerle mümkün olmayan karmaşık geometrilere olanak sağlar.
• Uygulamalar havacılık, tıp, dişçilik, otomotiv ve genel endüstriyel kullanımları kapsar.
• Popüler toz yatağı teknolojileri arasında seçici lazer eritme (SLM), doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS), elektron ışını eritme (EBM) ve bağlayıcı püskürtme yer alır.

Toz Yatağı Füzyon Prosesleri

Geliştirilmiş olan birkaç farklı toz yatağı füzyon teknolojisi vardır. Bunların başlıcaları şunlardır:

Seçici lazer eritme (SLM) günümüzde kullanılan en yaygın toz yatağı füzyon teknolojisidir. Yüksek güçlü bir lazer (örneğin fiber, CO2, YAG), eriyik havuzları oluşturmak ve malzemeyi kaynaştırmak için bir toz yatağına odaklanır. Toz yatağı her katmandan sonra alçalır ve üzerine yeni toz yayılır. SLM tam eritme kullanır, böylece tamamen yoğun parçalar üretilebilir. Paslanmaz çelik, titanyum, alüminyum, Inconel gibi malzemeler yaygın olarak kullanılır.

Doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) Benzer şekilde çalışır, ancak katı bir parça üretmek için parçacıklar arasında boyunlar oluşturmak üzere tozu yalnızca kısmen eritmeyi amaçlar. DMLS, SLM'ye kıyasla lazer gücü için daha düşük gereksinimlere sahiptir.

Elektron ışını eritme (EBM) metalik tozları katman katman eritmek için vakum altında odaklanmış enerji kaynağı olarak bir elektron ışını kullanır. Işın daha hızlı tarama yapabildiği için EBM, lazer tabanlı proseslere göre daha yüksek üretim hızları sağlar. EBM çoğunlukla havacılık ve uzay uygulamalarında titanyum alaşımları ile kullanılır.

Çoklu jet füzyonu (MJF) mürekkep püskürtmeli baskı kafalarını kullanarak bir polimer toz yatağı üzerine seçici olarak eritici madde bırakır ve bu madde daha sonra bir enerji kaynağı tarafından sinterlenir. MJF, termoplastiklerin yüksek hızda sinterlenmesini sağlar.

Bağlayıcı püskürtme İlk olarak toz malzemeyi bağlamak için seçilen alanlarda sıvı bir bağlayıcı madde biriktirir ve ardından parçayı yoğunlaştırmak için sinterleme yapar. Metaller, seramikler ve polimerler ile kullanılabilir.

Toz Yatak Füzyon Malzemeleri

Toz yataklı füzyon katkılı imalatta bir dizi malzeme kullanılabilir. En yaygın olanları şunlardır:

En yaygın kullanılanlar paslanmaz çeli̇kleriyi korozyon direnci ve mekanik özellikler sunar. Titanyum alaşımları Ti6Al4V gibi alaşımlar, çelik ve nikel alaşımlarına göre ağırlık tasarrufu sağladıkları için havacılıkta popülerdir. Alüminyum alaşımlar otomotiv ve havacılık için hafif parçalar sağlar.

Nikel süper alaşımları Inconel gibi yüksek sıcaklık türbin kanatları ve roket nozulları için kullanılır. Kobalt-krom alaşımları biyolojik olarak uyumludur ve diş restorasyonlarında yaygın olarak kullanılır. Polimerler naylonlar, PEEK ve poliamidler gibi plastik parçalar için sinterlenebilir. Seramikler zirkonya ve alümina gibi tıbbi implantlarda uygulamaları vardır.

Partikül boyutu dağılımı, akışkanlık, paketlenmiş yoğunluk ve erime noktası, işlenebilirliği ve nihai parça özelliklerini belirleyen temel toz malzeme özellikleridir.

Toz Yatak Füzyon Uygulamaları

Toz yataklı füzyon katkılı üretim, havacılık, tıp, dişçilik, otomotiv ve genel mühendislik endüstrilerinde kullanılmaktadır. Tipik uygulamalar şunları içerir:

İçinde havacılık ve uzaytoz yataklı füzyon, uydular ve İHA'lar gibi tek seferlik bileşenler için idealdir. Türbinler, nozullar, uçak gövdeleri dahil olmak üzere hafif titanyum ve nikel alaşımlı parçalar için kullanılır.

İçin tıbbiözelleştirilmiş titanyum ve kobalt krom implantlar ve protezler önemli bir uygulama alanıdır. Ayrıca kişiselleştirilmiş cerrahi aletlere de olanak sağlar.

İçinde otomotivtoz yatağı, hafif prototipler ve jig gibi özel takımlar ve fikstürler için kullanılır. İçin Endüstriyel ekipman, özel takımlar, aparatlar ve son kullanım metal parçalar sağlar.

İçinde mimarlıktoz yatak füzyonu, binalarda ve mobilyalarda dekoratif ve işlevsel unsurlar için benzersiz geometrileri kolaylaştırır.

Toz Yatak Füzyonunun Avantajları

Toz yataklı füzyon teknolojilerinin bazı temel avantajları şunlardır:

• Karmaşık geometriler - Karmaşık iç özellikler ve kafesler mümkündür.
• Özelleştirme - parçalar bireysel uygulamalara uyacak şekilde uyarlanabilir.
• Hafifletme - tasarımları optimize ederek bileşen ağırlığını azaltmak.
• Konsolidasyon - montajları tek parçalar halinde birleştirmek.
• Yüksek mukavemetli - Dövülmüş malzeme mukavemeti ile karşılaştırılabilir tamamen yoğun metaller.
• Daha kısa teslim süreleri - Dijital dosyadan parçaya hızlı geri dönüş.
• Kitlesel özelleştirme - ölçek ekonomilerini parça özelleştirme ile birleştiriyor.
• Sürdürülebilirlik - eksiltici süreçlere kıyasla daha az atık.

Özel karmaşık geometrilere sahip yoğun metal parçalar üretme yeteneği, toz yatağı füzyonunu endüstriler genelinde hafif, yüksek performanslı bileşenler için ideal hale getirir. Teknoloji, montajların tek parçalar halinde birleştirilmesini sağlayarak üretim ve envanter maliyetlerini düşürür. Katmanlı üretimin kullanımı ayrıca CNC işleme gibi geleneksel eksiltici yöntemlere göre önemli ölçüde daha az malzeme israfına neden olur.

Toz Yatak Füzyonunun Sınırlamaları

Bazı mevcut sınırlamalar şunlardır:

• Boyut kısıtlamaları - yapı hacimleri tipik olarak 1 metreküpten azdır.
• Yüzey kaplaması - Sonradan işleme gerektiren merdiven basamağı etkisi.
• Yapı hızı - yüksek hacimli üretim yöntemlerinden daha yavaştır.
• Anizotropik özellikler - Malzeme özelliklerinde yönsel değişimler.
• Standartlar - Nitelikli parçalar için kod ve spesifikasyon eksikliği.
• Yazılım - tasarım kuralları ve dosya hazırlama karmaşıklıkları.
• Maliyetler - ekipman ve malzeme maliyetleri hala nispeten yüksektir.

Maksimum bileşen boyutu, makinelerin gelişen ancak yine de genellikle 1 metreküpten daha az olan yapı hacmi ile sınırlıdır. Katman katman işlem, düzleştirme ve parlatma gerektiren zayıf yüzey kalitesi ile sonuçlanabilir.

Genel yapım hızları, enjeksiyon kalıplama gibi yüksek hacimli üretim teknolojilerine kıyasla daha yavaştır. Parçalar ayrıca yapı yönüne bağlı olarak anizotropik özellikler sergileyebilir. Basılı parçaların nitelendirilmesi için standartların ve spesifikasyonların olmaması da havacılık ve medikal gibi ağır düzenlemelere tabi sektörlerde bir kısıtlamadır. En uygun parçaları tasarlamak ve dosyaları önceden işlemek, gelişmiş yazılım uzmanlığı gerektirir.

Sistem ve malzeme maliyetleri geleneksel üretime kıyasla hala nispeten yüksektir. Bununla birlikte, artan benimseme ile maliyetler düşmekte ve birçok uygulama parça performansı, özelleştirme ve tasarım esnekliği nedeniyle maliyetleri haklı çıkarabilmektedir.

İşlem Sonrası

İşlem sonrası, bitmiş bir parça elde etmek için üretim sürecinden sonra gereken adımları ifade eder:

• Toz giderme - Parçalar fırçalar kullanılarak erimemiş tozdan ayrılır.
• Kaldırmayı destekler - Destek yapıları kesilir ve yüzey temizlenir.
• Yüzey bitirme - İyileştirmek için zımparalama, taşlama, boncuk püskürtme

Süreç Parametreleri

Toz yatak füzyonu ile özellikleri, performansı ve üretkenliği optimize etmek için ayarlanabilecek birkaç temel proses parametresi vardır:

Lazer gücü enerji girdisini, erime hızını, erime havuzu boyutlarını ve derinlik penetrasyonunu etkiler. Tarama hızı tane morfolojisini ve kusur oluşumunu etkileyen katılaşma hızını ve soğuma hızını kontrol eder.

Kapak aralığı tarama izleri arasındaki aralığı ayarlar ve katmanlar arasındaki üst üste binme, yoğunlaştırma ve yapıştırmayı etkiler. Katman kalınlığı çözünürlüğü, yüzey pürüzlülüğünü ve toplam üretim süresini belirler.

Tarama stratejisi (tarama desenleri) baskı yönüne bağlı olarak artık gerilmeleri, distorsiyonu ve anizotropik özellikleri etkiler. Süreç atmosferi oksidasyon ve kontaminasyon seviyelerini belirler.

Toz Geri Dönüşümü

• Eritilmemiş toz hasat edilebilir ve büyük partikülleri gidermek için elenebilir
• Tipik olarak 20 döngüye kadar yeniden kullanılır
• Toz maliyetlerini önemli ölçüde azaltır
• Kimyayı yenilemek ve korumak için eklenen taze toz
• Yeniden kullanım eşikleri için izlenen özellikler

Toz yatağı füzyon işlemleri, eritilmemiş tozu ek üretimler için yeniden kullanır. Tozdan arındırma işleminden sonra, gevşek toz toplanır, büyük parçacıkları gidermek için elenir ve yeniden kullanılmadan önce taze tozla karıştırılır.

Tipik yeniden kullanım oranları malzemeye, partikül boyutu değişikliklerine ve kontaminasyon seviyelerine bağlı olarak 20 döngüye kadar çıkmaktadır. Bu geri dönüşüm, malzeme verimliliğini büyük ölçüde artırır ve genel parça maliyetlerini düşürür. Yeniden kullanılan toz oranı ve özellikleri, yenileme oranlarını belirlemek için izlenir.

Kalite Kontrol

Toz yatak füzyonu ile kullanılan bazı temel kalite kontrol önlemleri şunlardır:

• Tozların kimyasal analizi
• Parçacık boyutu dağılım analizi
• Toz yeniden kullanım takibi
• Eriyik havuzu izleme
• Parça geometrisi denetimi
• Mekanik özellik testi
• Tahribatsız muayene (örn. X-ray)
• İç kusurlar için BT taraması
• Yüzey pürüzlülüğü ölçümü

Girdi toz kimyası ve partikül boyutu dağılımı, yüksek kaliteyi sağlamak için analiz edilir. Toz yenileme oranları takip edilir. Eriyik havuzu izleme gibi proses içi izleme sistemleri, üretim sırasındaki kusurları tespit eder.

Basılı parçalar geometrik toleranslar için ölçülür. Mekanik testler, proses parametrelerine ve yapı yönüne bağlı olarak özellikleri değerlendirir. Tahribatsız ve CT taraması iç kusurları tanımlar. Yüzey bitirme değerlendirilir. Süreçleri kalibre ve optimize etmek için tüm veriler analiz edilir.

Maliyet Analizi

Tipik toz yatak füzyon parça maliyetleri şunlara bağlıdır:

• Makine amortismanı
• Malzeme maliyetleri
• Ön işleme ve son işleme için iş gücü
• İnşa süresi ve enerji tüketimi
• Yeniden kullanılabilir toz miktarı
• Uçmak için satın alma oranı

Makine ekipman maliyetleri, kullanıma bağlı olarak beklenen kullanım ömrü boyunca amorti edilir. Malzeme maliyetleri, parça hacmine ve satın alma-uçuş oranına göre hesaplanır. İşçilik, dosya hazırlama, kurulum, toz alma ve son işlem adımlarını içerir.

Enerji kullanımı yapım süresine ve güç seviyelerine bağlıdır. Yeniden kullanılabilir toz, genel malzeme maliyetlerini düşürür. Yüksek değerli parçalar için 3:1'den 20:1'e kadar satın alma-uçuş oranları yaygındır.

Tedarikçiler

Başlıca toz yatağı füzyon sistemi tedarikçilerinden bazıları şunlardır:

EOS ve 3D Sistemler toz yatağı füzyonunda ilk öncülerdi ve bugün de lider konumdalar. GE Katkı Maddesi Concept Laser ve Arcam EBM'yi satın alarak hem lazer hem de elektron ışını teknolojileri sunmaya başladı. Trumpf ve Sisma endüstriyel SLM sistemleri de sağlamaktadır. AddUp Michelin ve Fives arasında metal katkılı üretime odaklanan bir ortak girişimdir.

Toz yatak füzyonu için Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology ve AP&C gibi birçok malzeme tedarikçisi de bulunmaktadır.

Maliyet Karşılaştırması

Toz yataklı sistemler, endüstriyel yazıcılar için $100.000'den büyük üretim sistemleri için $1 milyonun üzerine kadar yüksek ekipman maliyetlerine sahiptir. Malzemeler $100-500/kg arasında değişmektedir. Üretim hızları teknolojiye bağlı olarak 5-100 cm3/saat arasında değişmektedir.

CNC işleme, yaklaşık $50.000'den başlayan daha düşük ekipman maliyetlerine sahiptir. Metal malzeme maliyetleri $5-50/kg ile daha ucuzdur. Hızlar 50-500 cm3/saat aralığındadır.

Enjeksiyon kalıplama sistemlerinin maliyeti de $100,000'in üzerinde. Ancak plastik malzeme $2-5/kg ile çok ucuzdur. Hızlar 100-1000 cm3/saattir.

Bu nedenle toz yatak füzyonu yalnızca performansın daha yüksek maliyetleri hak ettiği düşük hacimli, yüksek değerli metal parçalar için uygun maliyetlidir.

Toz Yatağı Füzyonu ve Bağlayıcı Püskürtme

• Toz yatak füzyonu tamamen yoğun parçalar üretebilirken, bağlayıcı püskürtme parçaları gözeneklidir ve infiltrasyon gerektirir.
• Bağlayıcı püskürtme doğruluğu orta düzeydeyken, toz yatağı füzyonu işlem sonrası ile daha yüksek doğruluklara ulaşabilir.
• Toz yataklı füzyon yüzey kaplaması finisaj gerektirirken, bağlayıcı püskürtme katmanlı, dokulu bir finisaja sahiptir.
• Bağlayıcı püskürtme yapım hızları, enerji kaynağı ile sınırlı toz yatağı işlemlerinden çok daha hızlıdır.
• Toz yatağı daha çok son kullanım parçaları için kullanılırken, bağlayıcı püskürtme takım, döküm ve konsept modeller için daha iyidir.

Toz Yatağı Füzyonu ve Yönlendirilmiş Enerji Biriktirme

• Toz yatak füzyonu çoğunlukla metallerle kullanılırken, DED metalleri ve polimerleri kullanabilir.
• Toz yatağı füzyonu, bazı geometrik kısıtlamalara sahip olan DED'den daha yüksek karmaşıklığa izin verir.
• Toz yatağı füzyonu ile doğruluk daha yüksektir. DED doğruluğu orta düzeydedir.
• DED, katkı boncukları nedeniyle daha fazla finisaj gerektiren pürüzlü yüzeyler oluşturur.
• Toz yatağı füzyonu daha küçük parçalar üretirken, DED orta ila büyük ağa yakın şekiller üretir.
• DED, üflemeli toz yaklaşımı nedeniyle çok daha yüksek biriktirme oranlarına sahiptir.

Bu nedenle toz yatağı füzyonu genellikle orta hızlarda daha küçük, karmaşık geometriler üretir. DED, daha büyük basit şekilleri çok daha hızlı ancak daha fazla bitirme işi ile yapar.

Toz Yataklı Füzyonun Geleceği

Toz yatağı füzyonu için gelecekteki bazı gelişim alanları şunlardır:

• Birkaç metreküpe kadar daha büyük yapı hacimleri
• Yapı hızlarını artırmak için daha hızlı tarama yöntemleri
• Yüksek sıcaklık alaşımları, MMC'ler, polimerler gibi genişleyen malzemeler
• Toz yatağı füzyonu ve CNC'yi entegre eden hibrit üretim
• Otomatik toz alma ve son işleme
• Gelişmiş gerçek zamanlı izleme ve kontrol
• Daha titiz yeterlilik ve belgelendirme prosedürleri

Daha büyük üretim platformları daha büyük parçaların veya daha yüksek üretim veriminin elde edilmesini sağlayacaktır. Yeni ve daha hızlı tarama teknolojileri üretim hızlarını büyük ölçüde artırabilir. Malzeme seçenekleri özellikle yüksek performanslı alaşımlara doğru genişlemeye devam edecektir.