Akın ODABAŞIa, Hülya KAFTELEN ODABAŞIb
aFırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, 23119, Elazığ
bFırat Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Uçak Gövde-Motor Bölümü, 23180, Elazığ
ÖZET
Bu çalışmada, havacılık sektöründe metalik parça imalatı, bakımı ve modifikasyonu konusunda son yıllarda önem kazanan, ileri imalat teknolojilerinden biri olan katmanlı imalat konusunda yapılan çalışmalar ve katmanlı imalat teknolojisinin dünya sektöründeki yeri ve ülkemizde bu konuda atılan adımlar özetlenmiştir. Katman-katman parça oluşturmaya dayanan bu teknoloji, diğer imalat yöntemleri ile karşılaştırıldığında, uçaklarda kullanılan metalik parçaların düşük maliyetli ve hızlı üretimi yanında, havacılık sektörünün teknik özelliklerini karşılayabilecek özelliklerde malzemeler üretmek mümkündür. Katmanlı imalat marketinin uluslararası ve ulusal açıdan yönetimi ve gelişim sürecinde yaşanan sektör dinamikleri katmanlı imalat yönteminin uygulanması ile ülkemiz havacılık teknolojisinde dışa bağımlılığın azaltılması yönünde büyük öneme sahip olduğu görülmektedir.
ADDITIVE MANUFACTURING FOR AEROSPACE APPLICATIONS AND MARKET ANALYSIS
ABSTRACT
In this study, the studies on additive manufacturing, which is one of the advanced manufacturing technologies which have gained importance in recent years regarding the production, maintenance and modification of metallic parts in the aviation sector, and the position of layered manufacturing technology in the world sector and the steps taken in our country are summarized. This technology, which is based on layer-layer forming, makes it possible to produce materials that can meet the technical specifications of the aviation industry, as well as the low cost and rapid production of metallic parts used in airplanes, compared to other manufacturing methods. In the light of the information given about the sector dynamics of the additive manufacturing market in international and national management and development process, it is seen that application of additive manufacturing method has great importance to reduce external dependency in aviation technology in our country.
1. GİRİŞ
Havacılık endüstrisi, maliyetleri düşürmek ve yakıt tüketiminden tasarruf edebilmek için sürekli olarak yeni üretim teknikleri üzerinde çalışmaktadır. Bu hedefe ulaşabilmek için dayanımı arttırılmış ve yoğunluğu azaltılmış ileri teknoloji malzemelerini kullanmak gerekmektedir. Üretim yöntemleri açısından uygulamaya konulması gereken stratejinin kapsamı ise uçak parça maliyetlerini düşürecek yeni üretim tekniklerinin uygulanması şeklinde olacaktır. Birim parça üretim süresini kısaltan ve emek yoğun olmayan otomasyon sistemlerine sahip üretim teknikleri tercih edilmelidir. Bu strateji kapsamında düşünüldüğünde, lazer ile malzeme işleme yöntemlerinin sahip oldukları yüksek enerjileri ile nano saniye-piko saniye kadar düşük zaman aralıklarında malzemeleri ergitip buharlaştırmaları ve CNC tezgahlar ile entegrasyonun yapılabilmesi nedeniyle rakipsiz oldukları kolayca anlaşılmaktadır. Laser sistemlerinin rakip tanımayan hızları çoğu zaman entegre oldukları pozisyonlama sistemlerinden dolayı sınırlanmaktadır [1].
Başlangıçta hızlı prototipleme (rapid prototyping) olarak isimlendirilen katman-katman parça oluşturmaya dayanan bu teknoloji, günümüzde ileri imalat teknolojisinin benzeri olmayan bir işlem felsefesini yansıtan, daha genel bir tanımlama olarak katmanlı imalat (additive manufacturing) şeklinde ifade edilmektedir. En popüler katmanlı imalat işlemleri arasında lazerlerin ısı kaynağı olarak kullanıldığı ve metalik tozları ısıtma, ergitme ve birleştirme işlemleri sayılabilir. Metalik bileşenlerin imalatı için kullanılan lazer esaslı katmanlı imalat teknolojisinin lazer-metalik toz etkileşimine bağlı olarak iki temel kategoride sınıflandırılması mümkündür. Bunlardan birincisinin lazer ışınının bir toz yatağı üzerindeki etkisini görebildiğimiz; tipik uygulamaları arasında doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) ve seçici lazer ergitme (SLM) işlemlerinin olduğunu ifade edebiliriz. İkinci durumun ise metalik tozların veya çeşitli alaşım tellerinin uygun sistem bileşenleri yardımı ile lazer ışını ile senkronize bir şekilde uygun bir çalışma noktasına beslenmesi ve bunun sonucunda lazer metal biriktirme (LMD) ve lazer ile tasarlanmış net şekillendirme (LENS) işlemlerine ve ürünlerine ulaşılmış olacaktır [2].
Katmanlı üretim tekniklerinin yukarıda yapılan tanımlamalarının yanında özellikle bilimsel yayınlarda daha farklı isimlendirmeler de yapılmıştır: lazer katman alaşımlama veya kaplama (laser cladding), lazer net şekillendirme (lasform), lazer direkt metal biriktirme (laser direct metal deposition) [3-11]. Ayrıca lazerlerin katmanlı imalat işlemleri dışında havacılık sektöründe kullanımlarına örnek olarak; lazer ile metal işleme (laser asisted milling veya laser beam micro milling), lazer markalama (laser marking), lazer ile yüzey temizleme (laser cleaning), lazer ile delik delme (laser drilling), lazer kesme (laser cutting), lazer kaynak (laser welding), lazer ateşleme (laser ignition), lazer esaslı ultrasonik tahribatsız inceleme (laser based ultrasonic nondestructive testing) ve çeşitli yüzey işlemleri verilebilir [12-16].
2. LAZER KATMANLI İMALAT YÖNTEMLERİ
2.1. Lazer Kaplama (Laser Cladding)
Sexton ve çalışma arkadaşları 2002 tarihli makalelerinde, son yıllarda havacılık endüstrisinde gaz türbin motorlarının onarımlarında kullanılacak yeni teknolojilerin araştırılması ve geliştirmeleri için yeni ve büyük hacimli kaynakların ayrıldığını belirtmektedirler. Bu konudaki çalışmalarda kullanılan geleneksel onarım aracının TIG kaynağı (Tungsten Inert Gas) olduğunu işaret etmekle birlikte çalışmalarında Şekil 1’de şematik olarak gösterilen lazer kaplama (laser cladding) olarak isimlendirilen yeni bir yöntemi uzay-havacılık uygulamalarında kullanılan parçaların koruyucu malzemeler ile kaplama işleminde kullanmışlardır [3]. Lazer kaplama işlemindeki temel amaç, altlık olarak kullanılan malzeme ile bunun üzerine katman şeklinde kaplanacak metalik tozların oluşturacağı alaşım arasında eritmeye dayalı bir bağı, porozitesiz, çatlaksız ve yüzey özelliklerinin iyileştirici bir şekilde oluşturmaktır. Sexton ve çalışma arkadaşları deneysel çalışmalarında uzay-havacılık uygulamalarında kullanılan nikel esaslı süperalaşım altlık malzemelerin (C1023, Inconel 792, Rene 80, Rene 125 ve DS Rene 142) üzerine yine nikel esaslı Inconel 625 ve Rene 142 süperalaşım tozlarını lazer kaplama yöntemi ile katmanlı bir şekilde biriktirmişlerdir (Şekil 2).
Rene 125 süperalaşım altık üzerine Rene 142 süperalaşım tozlarının kaplanmasına yönelik lazer kaplama ve TIG kaynağı kullanılarak iki farklı yöntemden elde edilen kaplamaların kesiti metalografik incelemeye tabii tutulduğunda lazer kaplama işleminde altık üzerinde üç katman oluşturulduğu, altık malzemede herhangi bir çarpılma olmadığı, altık malzeme ve birinci katman arayüzeyinin iyi bir bağ oluşturduğu ve lazer ışınının özelliklerinden olan dar bir alanda yüksek güçlü ışının ergitme etkisinden dolayı ısıdan etkilenen bölgenin oldukça küçük bir alan olduğunu gözlemlemişlerdir (Şekil 3 a). Aynı malzemelerin TIG kaynak yöntemi kullanılarak bir kaplama oluşturulduğunda ise TIG yönteminin büyük bir alanı etkileyen ergitme gücünden dolayı mekanik özellikleri etkileyecek derecede altlık malzeme ve kaplama arasında ergime geçişi ve ısının tesiri altında kalan bölgenin daha büyük olduğunu görmüşlerdir (Şekil 3 b) [3].
Liu ve çalışma arkadaşları da havacılık araçlarındaki hasarlı parçaların tamiri için laser kaplama yöntemini öne çıkarmışlardır. Kaynak edilemez olarak nitelendirilen ve uçak-uzay araçlarında kullanılan 7XXX serisi alaşımlardan olan AA7075-T651 alaşımının kaplama işleminde lazerin tercih edilmesinin nedeni, lazerlerin yaygın yöntemlerden farklı olarak malzemeleri bölgesel ve çok hızlı ergitme kabiliyeti ve oldukça dar ısıdan etkilenen bölge oluşturma özelliklerinin yanında kullanımındaki esneklik ve hassaslıktır. AA7075-T651 alaşım altlıklar üzerine değişik lazer gücü ve işlem hızları kullanılarak Al-%12Si ve 7075 Al tozları kaplanmıştır. Al-%12Si tozu kullanıldığında, kaplamada porozite ve çatlak oluşturmayan optimum deney parametrelerininin 1900 Watt lazer gücü ve 1400 mm/dk işlem hızı olduğunu tesbit etmişlerdir (Şekil 4). Al-%12Si tozu korozyona karşı göstermiş olduğu direnç nedeniyle seçilmiştir. Metalik tozun ve işlem parametrelerinin doğru şekilde biraraya getirilmesi ile altlık ve kaplama arasında iyi bir metalurjik bağ oluşturulmuştur [4].
0,06M NaCl çözeltisinde gerçekleştirilen tuz testlerinde bölgesel korozyonun ısıdan etkilenen bölgedeki tane sınırlarında ve altlık malzemenin tane içlerindeki bakır içeren partiküllerde öncelikle geliştiğini gözlemlemişlerdir. Tuz testlerinden, kaplama tabakasının, korozyona karşı hem ısıdan etkilenen bölgeden hem de altlık malzemeden daha dirençli olduğunu belirlemişlerdir. Tane sınırlarında yoğun şekilde bulunan elementel bakırın anodik etkisinden dolayı, ısıdan etkilenen bölgenin korozyona karşı duyarlı olduğunu tespit etmişlerdir [4].
Çekme testlerinde, kaplamalı numunelerin akma mukavemetlerinin altlık malzemenin akma değerinin %79’una kadar yaklaşılabildiği, maksimum çekme mukavemetinde ise çekme numunesinin kaplama yönüne bağlı olarak hazırlanmasına göre altlık malzemenin çekme dayanımının %92-96’sına kadar ulaşıldığı rapor edilmiştir (Şekil 6). Uçak gövde yapılarının yorulma dayanımlarının çok önemli olmasından dolayı numuneler yorulma testlerine tabii tutulmuş ve çekme test sonuçlarına kıyasla, yorulma ömründe çok daha kötü sonuçlar elde edilmiştir. Kötü sonuçların muhtemel sebebinin altlık malzeme-kaplama arayüzeyinin zayıflığının etkisi olduğu ileri sürülerek bu etkinin açıklanabilmesi için çok detaylı bir çalışmanın yapılması gerekliliği bildirilmiştir [4].
Liu ve çalışma arkadaşlarının işaret ettiği yorulma ömründeki düşüşün sebepleri, 3 yıl sonra Liu’nun dahil olduğu başka bir ekip tarafından araştırılmıştır. Bu çalışmada, kaplamalı numunelere derin yüzey haddeleme işlemi uygulamışlardır. Derin yüzey haddeleme işlemi, uygulandığı metalik yapıların yüzeyinde derin basma gerilmeleri oluşturduğundan yorulma ömrünü iyileştirebilir. Dolayısıyla lazer kaplama işleminden sonra derin yüzey haddeleme işlemi ileri tamirat sonrası yüzey özelliklerini geliştirici işlem olarak düşünülmelidir (Şekil 7). Derin yüzey haddeleme işleminden sonra yapılan yorulma testlerinden elde edilen sonuçlarda haddelemeye tabii tutulan kaplamalı numunelerin, yorulma ömrünün % 540 gibi dikkat çekici bir oranda iyileştiği rapor edilmiştir (Şekil 8) [5].
2.2. Lazer Biriktirme (Laser Deposition)
Havacılık alaşımlarından olan titanyum alaşımlarından üretilen çeşitli uzay-uçak uygulamalarında kullanılan ve kullanılabilecek parçaların üretim maliyetlerini düşüren yöntem/yöntemler sektörün dikkatini çekmektedir. Bu yöntemlerden biri lazer şekillendirme olarak isimlendireceğimiz Lasform işlemi özünde lazer metal biriktirme yöntemidir. AeroMet Corporation bu yöntemin ticari boyutlarda parça üretimi için gereken ölçülerdeki cihazını katmanlı üretim pazarına sunmuştur (Şekil 9). Lazer katmanlı üretim metodlarında gözlemlenen yüksek güç uygulayan lazer biriktirme teknolojisi ile doğrudan kompleks şekilli, yoğun ve üç boyutlu parçalar hızlı bir şekilde bilgisayar destekli dizayn kullanılarak kalıp gereksinimi olmadan üretilmektedir. Yöntem üzerindeki ilk çalışmalar 1997’de başlamıştır. Projenin U.S. Defense Advanced Research Projects Agency tarafından desteklendiği, ana yüklenicinin AeroMet Corporation olmakla birlikte diğer proje paydaşlarının John Hopkins ve Pennsylvania State Üniversiteleri ve MTS Systems Corporation olduğu görülmektedir [6].
AeroMet Corporation, lazer şekillendirme yönteminde, 14 kW gücündeki CO2 lazer ve titanyum tozlarını kullanarak altlık malzeme üzerinde çeşitli parçaları geleneksel metal işleme yöntemlerindeki kayıplar olmadan üretmiştir (Şekil 10). Bu parçalar 60o açılı olarak üretilebilmiştir. Isı dengesi etkisi esas alınarak tozların biriktirilme hızları kontrol edilmiş, böylece her bir tabaka arasındaki metalurjik bağın iyileştirilmesi mümkün olmuştur. Tam yoğunluğa sahip olan parçaların biriktirilme hızının 0,90-4,5 kg/saat olduğu bildirilmektedir.
Lazer şekillendirilmiş Ti-6Al-4V parçaların mekanik özellikleri incelendiğinde 839 MPa akma dayanımı, 900 MPa çekme mukavemeti, % 12,3 uzama, % 23,5 kesit alan büzülmesi ve 104 MPa m kırılma tokluğu değerlerine ulaşılmıştır. Bu değerler döküm ve dövme alaşımların göstermiş olduğu mekanik özelliklere yakın değerlerdir. Benzer yüzey özelliklerine ve ısıl işlem şartlarına sahip döküm, dövme ve lazer şekillendirilmiş Ti-6Al-4V parçaların yorulma ömürleri kıyaslandığında lazer şekillendirilmiş parçaların döküm halindeki parçalardan daha üstün olduğu, dövme parçalarla kıyaslandığında onların gösterdiği özelliklere yakın değerlere sahip olduğu Şekil 11’de verilen S-N yorulma verilerinden görülmektedir [6].
Kamran ve çalışma arkadaşları havacılık alaşımlarının lazer metal biriktirme işlem parametrelerinin ergiyik havuzu değişimlerine etkilerini incelemişlerdir. 1,5 kW lazer hem atımlı hem de sürekli dalga modlarında kullanılarak Ti-6Al-4V alaşımı üzerine Inconel 718 alaşım tozları biriktirilmiştir. Çalışma sırasında uzun mesafe mikroskop optikleri ile donatılmış yüksek hızlı kamera, Cu-buhar lazer aydınlatma kullanılarak ergiyik havuzu değişimlerini kayıt etmişlerdir. Lazerin atımlı modundaki biriktirme işlemi esnasında yüksek lazer güçlerine ulaşıldığından, ergiyik havuzunun ortalama alanının ve ortalama yüzey dağılımının arttığını tespit etmişlerdir. Ergiyik havuzunun yüzey dağılımı ve parçanın yüzey pürüzlülüğü arasında ters bir ilişki vardır. Araştırmacılar, ergiyik havuzu dağılımındaki artışın kısmen ergiyerek yüzeye dahil olan partiküllerin (Şekil 12) varlığını azaltabileceği ve işlem için yararlı etkisinin olabileceği sonucuna varmışlardır [7].
Kaplama malzemesinin Ti-6Al-4V alaşım tel olduğu ve lazer ışını ile TIG kaynak arkı kullanılarak iki farklı yöntemden elde edilen kaplama özelliklerinin kıyaslamasını hedefleyen deneyleri Brandl ve çalışma arkadaşları gerçekleştirmiştir. Elde edilen kaplamaların uzay-uçak malzemeleri normlarına uygunluğunu ölçmek için kaplamaların biriktirildiği gibi, gerilme giderme tavı uygulanmış ve tavlanmış halleri çekme ve hızlı çevrim yorulma testlerine tabii tutulmuşlardır. Her iki yöntemden elde edilen numunelerin biriktirilmiş hali ve 843 oC’de 2 saat tavlanıp fırında soğutulan hallerine ait mikrosertlik değerlerinin yakın olduğu ve tavlama işlemi sonunda benzer değişim gösterdiklerini belirlemişlerdir. Lazer ile elde edilen numunenin sertlik değeri 355±28 HV0,5 iken TIG kaynak arkı kullanılarak elde edilen kaplamanı sertlik değeri 346±16 HV0,1 şeklinde ölçülmüştür. Lazer biriktirme ile elde edilen kaplamaların akma dayanımı 791-874 MPa, çekme dayanımı 872-940 MPa, % 4,1-12,5 uzama ve kesit küçülmesi % 19,8-45,3 ölçülmüştür. TIG ark kaynağı ile oluşturulan kaplamaların akma dayanımı 856-915 MPa, çekme dayanımı 930-981 MPa, % 6,6-20,5 uzama ve %12,8-50 kesit büzülmesi değerlerine ulaşılmıştır. 600 oC’de 4 saat tutma fırında soğutma işlemi ile gerçekleştirilen gerilme giderme tavlaması veya bir başka bakış açısı ile yaşlandırma işlemi sonunda kaplama halindeki numunelerin mukavemetleri artmış süneklik değerlerinin ise düştüğü bildirilmektedir. Her iki yöntemden elde edilen numunelerin 843 oC’de 2 saat tavlanıp fırında soğutulan halleri yüksek çevrimli yorulma testine tabii tutulduklarında levha şeklindeki malzeme ile hemen hemen benzer yorulma dayanım ömürlerine sahip oldukları görülmüştür [8].
2.3. Direkt Metal Lazer Sinterleme (Direct Metal Laser Sintering)
Direkt metal lazer sinterleme metodu EOS GmbH’nin geliştirdiği bir yöntemdir (Şekil 13). Parçanın elde edileceği platforma toz şeklindeki malzeme ince bir tabaka halinde serilir. Lazer, 3 boyutlu modele bağlı olarak bu tabaka üzerinde tarama işlemi yapar böylece bir katman elde edilmiş olur sonraki katmanlar bu işlemlerin tekrarlanması sonucunda elde edilir [9].
Lazer sinterleme yöntemi ile 3 boyutlu yazıcılarda üretilen aluminyum alaşımları havacılık, savunma gibi endüstrilerde döküm aluminyum alaşımlarının yerine geçebilir. Bunun gerçekleşmesi için daha iyi mekanik özelliklere, daha az poroziteye ve iyileştirilmiş yorulma dayanımlara ulaşmak gerekmektedir. Katmanlı imal edilen aluminyum alaşımlarında çözülmesi gereken problemlerden birisi üretilen parçaların yüzey pürüzlülüğüdür. Mohammadi ve Asgari bu problemi AlSi10Mg tozlarının direkt metal lazer sinterleme yönteminde farklı işlem parametreleri kullanarak daha iyi yüzey pürüzlülüğüne ulaşmayı hedeflemişlerdir. Seçilen parametrelerin üzerinde çalışılan üç numunenin çekirdek özelliklerine etkisi olmadığı, fakat üst yüzey özelliklerinde farklı değerlere ulaşıldığını tespit etmişlerdir. En düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip olan numunede bu değerin 1,1±0,2 µm olduğu bildirilmiştir. Porozite yüzdesinin yine aynı numunede % 0,123 değeri ile en düşük oranda olduğunu ölçmüşlerdir. Muhammadi ve Asgari, tespit ettikleri değerlerin daha önceki çalışmalarda bildirilen değerlerden daha düşük olduğunu ve daha iyi yüzey özelliklerine ulaştıklarından elde ettikleri numunelerde yorulma çatlağı oluşumunun zaman alacağını belirtmişlerdir ve dolayısıyla yorulma ömrünün artacağı şeklinde bir yorum yapmışlardır [9].
2.4. Seçimli Lazer Ergitme (Selective Laser Melting)
Şeçimli lazer ergitme yöntemi 1980’lerin sonunda ortaya çıkarılan katmanlı üretim tekniklerinden birisidir (Şekil 14). İşlem sırasında, biribirini takip eden toz tabakalarının seçici olarak ergitilmesi ile bir ürün oluşturulur. Metalik tozlar lazer ışını ile etkileşime girdiğinde ergir ve bir sıvı havuzu oluştururlar. Sonrasında, ergimiş havuz soğur ve katılaşır böylece ürünün bir tabakası oluşturulur. Ürünün oluşturulduğu platform oluşturulan tabakanın kalınlığı kadar z ekseninde indirilir ve yeni bir toz tabakası biriktirilerek önceki aşamadaki işlemler tekrarlanır. Bu işlemler ürün tamamlanıncaya kadar tekrarlanır [10].
Koutiri ve çalışma arkadaşları seçimli lazer ergitme yöntemini kullanarak, biriktirilen Inconel 625 parçaların yüzey kalitesine, porozite miktarına ve yorulma davranışına yöntem parametrelerinin etkisini incelemişlerdir. Öncelikle üretilen Inconel 625 parçaların optimize edilmiş yüzey pürüzlülüğünü ve porozite miktarını sağlayan işlem parametrelerinden lazer gücü, lazer ışın çapı, tarama hızı ve yönlendirme açısının tespiti için çalışmışlardır. İkinci aşamada optimum seçimli lazer sinterleme şartlarında biriktirilmiş numunelerin yorulma dayanımları ve çatlak başlangıç noktasının ortaya çıkarılması için deneyler yapmışlardır [11].
Minimum yüzey pürüzlülüğüne ulaşılabilecek lazer gücünün ne olması gerektiğine yönelik çalışmalar sonucunda en iyi yüzey pürüzlülüğü değerini 180 Watt lazer gücü ve 10o açıda elde etmişlerdir. Porozite oranındaki en düşük değer % 0,12±0,02 ile 35o’lik açıda elde edilmiştir. Numunelerin yorulma dayanımı testleri biriktirilmiş ve parlatılmış numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yüzey parlatma işleminin yorulma dayanımını iyileştirdiğini tespit edilmiştir. Yorulma testlerinden sonra kırık yüzeylerinde yapılan incelemelerde, hasar mekanizmasında çatlak oluşumu için büyük porozitelerin ve yüzeydeki kısmen ergimemiş metalik tozların etkili rol oynadıkları elektron mikroskobu incelemelerinde açığa çıkarılmıştır [11].
3. KATMANLI İMALAT SEKTÖRÜ
3.1. Katmanlı İmalat Yurtdışı Pazarı
Katmanlı imalat teknolojisi 1987’de 3D System şirketinin stereolitografi yöntemini açıklamasıyla hayatımıza girmiştir. Yöntemde bir lazer kullanarak morötesi ışığa hassas sıvı polimerden ince katmanların katılaştırılması esasına dayanan imalat yapılmaktadır. Stereolitografi yönteminin ilk cihazı SLA-1’in pazara sunulmasından 10 yıl sonra kurulan AeroMet firması, lazer katmanlı üretim (LAM) yöntemini geliştirerek ilk defa metalik parça üretimini yapmıştır. Bu yöntemde bir yüksek güçlü lazer ve titanyum alaşım tozları kullanılarak çeşitli havacılık malzemelerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. AeroMet firması 2005 yılında kapatılana kadar servis sağlayıcı olarak havacılık endüstrisine çeşitli parçalar üretmiştir [17].
Satista adındaki istatistik-sektör analisti portalın açıklamalarına göre, katmanlı imalat pazar hacmi 2018 yılında 12,8 milyar dolara ulaşacaktır. Katmanlı imalat ve 3 boyutlu baskının küresel imalat sanayinde oldukça zorlayıcı bir güç olacağı öngörülmektedir. 2030 yılına gelindiğinde katmanlı imalatta, prototipleme işlemleri yerine, parçaların ve aksesuarların seri üretimine geçilmesi beklenmektedir. Katmanlı üretim cihazları Stratasys, 3D Systems ve EOS gibi firmalar tarafından üretildiği bildirilmektedir [18].
Katmanlı imalat teknolojisindeki ölçülen ve tahmin edilen büyümenin daha hızlı ve önemli olduğu vurgulanmaktadır. Metal tozlarının kullanıldığı katmanlı imalat cihazlarının sayısı açısından en büyük payı % 38 ile Amerika Birleşik Devletleri alırken hemen gerisinden % 10 ile Japonya ve % 9’ar oran ile Almanya ve Çin gelmektedir [19].
Katmanlı imalat sektöründe değişim, dönüşüm, ilerleme ve işbirliği hareketleri çok hızlı ve yoğun olarak gerçekleşmektedir. Sadece Ocak-Şubat 2018’i esas alarak sektörden kısa haberler incelenirse bu hareketlilik anlaşılabilir: Arjantinli ortopedik implant şirketi Imeco S.A., yakın zamanda Link3D’nin metal katmanlı imal edilmiş kalça protezi üretim sistemini kurduğunu bildirmiştir (Şekil 15). SLM Solutions Group AG ve Audi AG firmaları Audi’nin özel araçlarında kullandığı w12 kodlu motorun su dolaşım sistemi gibi parçaların SLM 280 sisteminde üretildiğini bildirmektedir. Boeing firması Oerlikon firması ile metal katmanlı imalat yöntemleri ve standart malzemelerin geliştirilmesi için 5 yıllık anlaşma imzalamıştır. Araştırmaların havacılık parçalarında uygulanan normları karşılayacak titanyum alaşımlarının üretimi hakkında olacağı bildirilmektedir [20].
CalTech’deki araştırmacılar yeni bir yöntem ile katmanlı üretilen parçaların gözle görülemeyecek derecede küçük üretilebileceğini açıklamışlardır. Yöntemin küçük tıbbi implantlar, bilgisayar çiplerinde ve çok hafif uçakların 3 boyutlu lojik devreleri gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılabileceğini bildirmişlerdir. STELIA Havacılık firması elektrik ark ve aluminyum alaşım tel kullanarak yaptıkları çalışmalarda uçak gövde panelleri üretmişlerdir (Şekil 16) [21].
Bosch ve General Electric (GE) Katmanlı Üretim Bölümü dizel motorlarda kullanılan yağ başlığı parçasının (Şekil 17) dizaynı ve katmanlı üretimi için anlaşma yapmışlardır. Yeniden dizayn edilen parçanın eskisine kıyasla daha küçük olduğu görülmektedir. Yeni parçanın testlerinde işlem dalgalanmalarının daha yumuşak hale geldiği tespit edilmiş ve doğru yere doğru miktardaki yağ gönderilebildiği bildirilmiştir [21].
Merkezi Norveç’te bulunan DNV GL firması katmanlı imalat mükemmeliyet merkezini Singapur’da kurduğunu açıklamıştır. Merkezin önceliğinin petrol ve doğalgaz, açık deniz sektörleri olacağı bildirilmektedir. GE mühendislerinin sadece 47 günde geliştirdiği bağlayıcı jet sistemi H1 cihazı ile geliştirilmesi ve dökümü birkaç sene alan bir parçanın (Şekil 18) katmanlı imalat ile 12 haftada tamamlandığı bildirilmektedir [21].
Merkezi İsveç'teki Sandvik firması, titanyum ve nikel metal tozlarının imalatı için yeni bir tesise 25 milyon dolarlık yatırım planladığını açıklamıştır. Yeni tesisin, şirketin kendi tesisindeki titanyum hammadde tedarik ve katmanlı üretim merkezine yakın olacağı açıklanmıştır. Tesisin 2020 yılında faaliyete geçmesi beklenmektedir. Finlandiya’da Patria firması tarafından katmanlı imalat teknolojisi kullanılarak imal edilen Inconel 625 motor parçası F/A-18 Hornet avcı uçağında kullanılmış ve ilk uçuşunu 5 Ocak 2018’de gerçekleştirmiştir. EOS GmbH, üretim kapasitesini genişleterek sistem üretim tesislerini yeni bir tesise yerleştirmiştir. Yeni 9000 m2'lik fabrikanın, EOS GmbH’nin üretim kapasitesini yılda yaklaşık 1.000 sisteme yükselteceği belirtilmektedir. Boeing ve Norsk Titanyum firmaları Boeing 787 Dreamliner için yapısal titanyum parçaların (Şekil 19) üretimi ile şirketlerin isteklerini karşılayan, tedarikçi yenilik ve ticari kategorilerinde Havacılık Haftası ve Uzay Teknolojisi’nde ödüle layık görülmüşlerdir [21].
GE Havacılık firmasının ilk sivil gelişmiş turboprop motoru ATP’nin ilk testini başarı ile geçtiği bildirilmektedir. GE’nin açıklamalarına göre Çekya, İtalya, Almanya, Polonya ve Amerika’da yaklaşık 400 GE çalışanının geliştirdiği bu motorun (Şekil 20) üçte birinden daha fazla parçası katmanlı imalat teknolojisi ile üretilmiştir [21].
3.2. Katmanlı İmalatın Ülkemizdeki Durumu
Havacılık sektöründe katmanlı üretim kullanımını konu alan 2013 yılına ait bir yayında ülkemizdeki durum değerlendirildiğinde hızlı prototiplemeye ve katmanlı imalata önem veren ve kullanan firmaların TUSAŞ, Arçelik ve Goldaş olduğu rapor edilmektedir [22].
TAI-TUSAŞ çalışanlarının 2015 yılındaki yapmış oldukları makalede ise TUSAŞ’ın sahip olduğu katkılı üretim teknolojisinden daha ayrıntılı bahsedilerek kurumun Şekil 21’de gösterilmekte olan iki adet ekipman (Stratasys Fortus® 900mc 3D Printer ve Dimension SST 1200esTM) varlığından ve bu cihazların üretebileceği maksimum parça boyutlarının 914x610x914 mm olduğu rapor edilmiş ve bu ekipmanlar kullanılarak üretilen parçalara örnekler verilirken (Şekil 22) genel olarak ABS, ULTEM ve PC malzemelerin kullanıldığı bildirilmiştir. Katkılı imalat yöntemlerinde metalik malzeme üretimine yönelik çalışmalarda ise bir başlangıç olarak TUSAŞ tarafından tasarlanan ve geliştirilen, TUSAŞ-TAI Hürkuş Türk Başlangıç ve Temel Eğitim Uçağı Projesinin ürünü olan eğitim uçağının havalandırma ızgarası bir Alman firmadan destek alınarak yaptırılmış ve test edilmiştir [23].
STM Savunma Teknolojileri ve Mühendislik A.Ş.’nin 2016 yılında hazırlamış olduğu Katmanlı İmalat Teknolojileri Raporunda ülkemizde sayısının 400 kadar olduğu polimer esaslı ürünlerin üretildiği 3 boyutlu yazıcıların varlığından ve bu yazıcıların büyük boyutlarda üretim yapanların sayısının 10’dan daha az ve büyük kuruluşlarda olduğu belirtilmektedir. Yine aynı raporda Türkiye’de katmanlı metal üretiminin sınırlı sayıda olduğu, Savunma Sanayi Müsteşarlığı’nın katmanlı imalat teknolojisini havacılık uygulamalarında kullanılmasını sağlamak için TEI ile çalışmalarda bulunduğu ve üniversiteler ile işbirliği yaparak bilimsel bilgi birikiminde bulunulduğundan bahsedilmektedir. TRJ628 milli bölgesel uçak, motor ve özgün helikopter üretim hedeflerimiz Türkiye 2023 vizyonuna bağlı olarak düşünüldüğünde otomotiv ve beyaz eşya sektörü gibi rekabetin ağır olduğu bu sektörlere katmanlı imalat uygulamalarının girmemesi doğal karşılanabilir fakat havacılık sektörünün genel olarak yüksek maliyeti bu yöntemi kullanılabilir kılmaktadır ve böylece hedeflenen 2023 projelerindeki birçok plastik esaslı ve metalik parçaların katmanlı üretim teknolojisi ile üretilebileceğine dikkat çekilmektedir [24].
Ükemizin 2023 hedefleri kapsamında Savunma Sanayi Müsteşarlığı Ar-Ge Paneli 2016 yılında gerçekleştirilmiş, mevcut veya planlanan sistemlerde ihtiyaç olan ve geleceğe dönük üretim yöntemlerini de kapsayan teknoloji alanları için proje çağrısına çıkma kararı alınmıştır. Çeşitli tarihlerde yapılan toplantılar sonucunda 26 Ocak 2018’de aralarında katmanlı imalat teknolojilerini ilgilendiren “Havacılık Uygulamaları İçin Katmanlı İmalata Uygun Nikel Metal Toz Geliştirilmesi (ATOM)” ve elektron Işını ile Ergitme (EBM) Metodu ile Titanyum Katmanlı İmalat Prosesi Geliştirilmesi Projesi (ELEKTRON)” isimli projelerin de olduğu 14 adet proje için sözleşmeler imzalanmıştır. Bahse konu olan projeler ile havacılık uygulamalarında kritik öneme sahip parçaların yerli olarak imalatının mümkün olacağı ve ülkemizin bu alandaki yurt dışı bağımlılığının ortadan kalkacağı vurgulanmaktadır [25].
4. GENEL ÖZET VE BEKLENTİLER
Katmanlı imalat ve lazer ışını kullanılarak yapılan çeşitli işlemler konusundaki yayınları tarama amacı ile yapılan bu çalışmada, güncel araştırmalar ve sonuçlarına yer verilmekle beraber katmanlı imalat sektörünün uluslararası ve ulusal açıdan yönetimi ve gelişim sürecinde yaşanan sektör dinamikleri ve pazarı hakkında bilgiler de verilmiştir.
Katmanlı imalat yöntemleri, geleneksel yöntemler ile gerçekleştirilemeyen karmaşık şekilli parçaları düşük maliyetlerde üretmeye imkan veren yöntemlerdir. Havacılık uygulamalarındaki katı normlar, katmanlı imalat sektörünün sınırlayıcılarındandır. Parçalardan elde edilen mekanik özelliklerin havacılık sektörü teknik özelliklerini karşılaması gerekmektedir ve son yıllarda gerçekleştirilen bilimsel araştırmaların çoğu bu yönde ilerlemektedir. Sonuçlar katmanlı imalat yöntemleri ile elde edilen parçaların statik mekanik dirençlerinin dövme ve döküm parçaların özellikleri ile rekabet edecek düzeye geldiğini göstermektedir. Üretilen parçaların servis şartlarındaki kullanım ömürlerini etkileyecek olan kriterlerden olan altlık ve biriktirilen katmanlar arasında iyi bir metalürjik bağ kurma, porozitesiz, çatlaksız ve iyi yüzey pürüzlülük değerlerine ulaşma yönündeki çalışmaların gelecekte devam edeceği öngörülmektedir.
Dünyada katmanlı imalat sektörünün temelleri 30 sene öncesine dayanmaktadır. Başlangıçta polimer esaslı ürünler elde edilmiş ve 10 yıl içinde metalik tozlardan katmanlı imalat parçaları elde edilmiştir. 30 yıllık bilgi birikimi ve teknolojik ilerlemeye sahip olunan katmanlı imalat sektöründe çeşitli firmalar zamanla kurulmuş bir kısmı katmanlı üretim yapan sistemleri geliştirip pazara sunarken bir kısmı havacılık sektöründe bu cihazları kullanarak servis sağlayıcı olarak görev yapmıştır.
Katmanlı imalat pazarının 2018-2020’de 12 milyar dolar hacmine ulaşması beklenmektedir. Sektörün ticaret hacminin artış göstereceğine dair işaretler büyük firmaların satın alma yolu ile bünyelerine katmanlı imalat servis sağlayıcı şirketleri katması yönündeki davranışlarından anlaşılmaktadır. Sektörün büyük firmalarından General Electric’in GE Additive bölümü, bünyesine Arcam AB, SLM Solution Group AG, Concept Laser, Morris Technologies ve Rapid Quality Manufacturing gibi kendisinden daha küçük ölçekli firmaları satın alma yolu ile kazanma yoluna gitmiştir. Ülkemizde katmanlı imalat sektörü ağırlığı polimer esaslı 3 boyutlu yazıcıların oluşturduğu bir sektördür. Prototipleme ve büyük boyutlu parça üretimi sadece sayısı 10’u geçmeyen firmalarda gerçekleştirilmektedir. Savunma Sanayi Müsteşarlığı Ocak 2018’de desteklediği iki proje ile metal katmanlı imalat yöntemleri ve ürünlerinin ülkemize kazandırılması yönünde büyük bir adım atmıştır. Türkiye 2023 kapsamında milli bölgesel uçak, özgün helikopter ve motor hedefleri düşünüldüğünde, metalik katmanlı imalat parça üretiminde gerçekleştirilecek çalışmaların ülkemizde katmanlı üretim yöntemlerinin gelişmesini sağlayacağı ve yurtdışına olan bağımlılığı azaltacağı düşünülmektedir.
5. REFERANSLAR
[1] Tan B (2013). Laser Material Processing for Aerospace Applications. Journal of Aeronautics & Aerospace Engineering, Vol 2 Issue 1 e120.
[2] Gu, D. (2015). Laser additive manufacturing of high-performance materials. Springer.
[3] Sexton, L., Lavin, S., Byrne, G., Kennedy, A. (2002). Laser cladding of aerospace materials. Journal of Materials Processing Technology, 122(1), 63-68.
[4] Liu, Q., Janardhana, M., Hinton, B., Brandt, M., Sharp, K. (2011). Laser cladding as a potential repair technology for damaged aircraft components. International Journal of Structural Integrity, 2(3), 314-331.
[5] Zhuang, W., Liu, Q., Djugum, R., Sharp, P. K., Paradowska, A. (2014). Deep surface rolling for fatigue life enhancement of laser clad aircraft aluminium alloy. Applied Surface Science, 320, 558-562.
[6] Arcella, F. G., Froes, F. H. (2000). Producing titanium aerospace components from powder using laser forming. Jom, 52(5), 28-30.
[7] Shah, K., Pinkerton, A. J., Salman, A., Li, L. (2010). Effects of melt pool variables and process parameters in laser direct metal deposition of aerospace alloys. Materials and Manufacturing Processes, 25(12), 1372-1380.
[8] Brandl, E., Baufeld, B., Leyens, C., Gault, R. (2010). Additive manufactured Ti-6Al-4V using welding wire: comparison of laser and arc beam deposition and evaluation with respect to aerospace material specifications. Phys. Procedia, 5(Pt 2), 595-606.
[9] Mohammadi, M., Asgari, H. (2018). Achieving low surface roughness AlSi10Mg_200C parts using direct metal laser sintering. Additive Manufacturing, 20, 23-32.
[10] Thijs, L., Verhaeghe, F., Craeghs, T., Van Humbeeck, J., Kruth, J. P. (2010). A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti–6Al–4V. Acta materialia, 58(9), 3303-3312.
[11] Koutiri, I., Pessard, E., Peyre, P., Amlou, O., De Terris, T. (2017). Influence of SLM process parameters on the surface finish, porosity rate and fatigue behavior of as-built Inconel 625 parts. Journal of Materials Processing Technology. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.12.043.
[12] Karaaslan, A. (2009). Laser ile malzeme işlemleri. Literatür Yayıncılık.
[13] Lawrence, J. R. (2017). Advances in laser materials processing: Technology, Research and Applications. Woodhead Publishing Series in Welding and Other Joining Technologies.
[14] Steen, W. M., Mazumder J. (2010). Laser Material Processing. Springer Science & Business Media.
[15] O’Briant, S. A., Gupta, S. B., Vasu, S. S. (2016). laser ignition for aerospace propulsion. Propulsion and Power Research, 5(1), 1-21.
[16] Silva, M. Z., Gouyon, R., Lepoutre, F. (2003). Hidden corrosion detection in aircraft aluminum structures using laser ultrasonics and wavelet transform signal analysis. Ultrasonics, 41(4), 301-305.
[17] Wohlers, T., Gornet, T. (2014). History of additive manufacturing. Wohlers report, 24, 118.
[18] Url-1: https://www.statista.com/statistics/284863/additive-manufacturing-projected-global-market-size/
[19] Url-2: http://www.metal-am.com/introduction-to-metal-additive-manufacturing-and-3d-printing/growth-areas-and-market-potential/
[20]Url-3:http://www.metal-am.com/link3d-enables-argentinian-orthopaedic-implant-makers-first-step-metal/
[21]Url-4: http://www.metal-am.com/metal-additive-manufacturing-3d-printing-news/
[22]Kara, N. (2013). “Havacılıkta Katmanlı İmalat Teknolojisinin Kullanımı” Mühendis ve Makina, cilt 54, sayı 636, s.70-75.
[23] Aktimur, B., Gökpınar, E. (2015). “Katmanlı Üretimin Havacılıktaki Uygulamaları” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Part:C, Tasarım Ve Teknoloji, 3(2):463-469.
[24] STM Savunma Teknolojileri ve Mühendislik A.Ş., Katmanlı İmalat Teknolojileri Raporu, 2016.
[25]Url-5: https://www.ssm.gov.tr/Website/contentList.aspx?PageID=1106&LangID=1