Metal 3D Printing: EBM – DMLS Teknik Karşılaştırması

Katmanlı imalat teknolojisinin en önemli araçlarından birisi şüphesiz metal 3 boyutlu yazıcılar olacak. Sıradışı malzemelerin kolaylıkla işlendiği, kompleks geometrilerin kolayca üretilebildiği ve yekpare tasarımların yapılabildiği bu teknolojiyi anlamak için konuyu biraz teknik ve detaylı olarak incelemek gerekiyor. Zira yorulma dayanımlarının, termal streslerin, porozitelerin  ve sıcaklık dağılımlarının kritik rol oynadığı bu teknolojide katalog bilgilerinin ötesine geçmek gerekiyor. En yoğun kullanım alanlarının havacılık, savunma ve medikal olduğu düşünüldüğünde ise bahsettiğim konuların ne kadar kritik olduğu ortada. Bu paylaşımlarımı da kataloglar üzerinde yazan bilgilere göre değil, işin tasarım, üretim ve mekanik kısmında görev almış ve hem lazer tabanlı hem de EBM sistemleri hakkında bir çok eğitime katılmış, yani mutfağında yetişmiş birisi olarak yazıyorum. Ayrıca olayı bir prototipleme olarak değil, fonksiyonel ve seri üretim parçaları olarak değerlendiriyor olacağım. Yazdığım yazı içerisindeki DMLS adı tescil olarak bir firmaya aittir ve farklı markalar aynı teknolojiyi SLS,SLM,DMS adı altında pazara sunmaktadır ancak en çok kullanılan ve bilinen isim bu olduğu için bu kelimeyi teknolojiyi tarif etmek amacıyla kullanacağım.

Metal 3D Printing yani teknik adıyla Metal Additive Manufacturing sistemi endüstrinin devrimi olarak adlandırılan teknolojinin önemli bir basamağını oluşturuyor. Pazar hakimiyeti EBM ve DMLS sistemlere ait olduğu için yazım daha çok bu iki teknolojinin karşılaştırılması üzerine olacak.

EBM ve DMLS yönteminin her ikisinde de katmanlar halinde serilen toz, üretim alanının üzerinde bulunan bir güç kaynağı ile ergitiliyor. Her ergitme işleminden sonra üretim tablası küçük adımlarda aşağı inerek üzerine yeni bir toz katmanı seriliyor ve tekrar ergitme işlemi gerçekleştirerek 3 boyutlu nesne oluşturuyor. DMLS teknolojisinde güç kaynağı olarak fiber/CO2 lazer kullanılırken, EBM sisteminde elektron ışını ile bu ergitme işlemi gerçekleştiriyor. Peki sistematik olarak aynı görünen bu teknolojiler arasında gerçekten çok büyük farklar var mı ? Bunu anlamak için farklı başlıklar altında teknik farklılıkları ve sonuçlarını anlatacağım.

1. İşlem Sıcaklığı

iki teknoloji arasındaki en büyük fark şüphesiz ön ısıtmalı ve soğuk üretim işlemidir. EBM Teknolojisi 650 ile 1100 derece arasında ön ısıtmalı olarak üretim yaparken, DMLS/SLM/SLS sistemler yaklaşık olarak 200 C ortam sıcaklığında üretim yaparlar. Bunun sonucunda aslında DMLS işlemi bir sinterleme olarak adlandırılırken, EBM yöntemi bir ergitme işlemidir. Bu ufak farklılık aslında sistemlerin bir çok noktada birbirinden ayrılmasına sebep olarken teknik anlamda firmaları bambaşka alanlara yönlendirmiştir.

Lazer sistemler ile ilk çalışmaya başladığımızda 25x25cm üretim alanı olan ve 200W’lık bir güce sahip bir cihaz ile çalışmaya başlamıştık. Üretim sırasında karşılaştığımız en büyük sorunun arka planında ise termal gerilmeler vardı. Üretim esnasında ani sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan ve kontrol edilemeyen bu gerilmeler, parçalarda burulmaya, çarpılmaya, şekil değiştirmeye ve artık streslere neden olur. Bu yüzden parçanın fırınlama sürecine kadar şekil değiştirmemesi için lazer sistemlerde parçayı mekanik olarak mutlaka tablaya bağlamanız gerekir. Bunu yapmamızdaki diğer bir gerekçe ise biriken ısıyı tablaya ileterek yüzeyin aşırı ısınmasını ve çevredeki tozların yapışarak parça yüzeyinde pürüzlülük oluşturmasını engellemektir. Diğer bir görevi de her 3 boyutlu teknolojide olduğu gibi parçaya yerçekimine karşı bir mekanik destek oluşturmasıdır. “Support” adı verilen bu mekanik yapılar ise BTech’in Türkiye distribütörü olduğu Materialise firmasının Magics yazılımı ile oluşturulmaktadır.

Materialise Magics RP Yazılımı

Dünya’daki büyük metal üreticileri neredeyse istisnasız olarak kullandığı Magics farklı kalınlıkta ve şekilde destek malzemeleri yapmamıza olanak sağlıyor. Fakat lazer sistemlerde işlem sıcaklığı sürekli olarak yüksek sıcaklıklara çıkıp geri düştüğünden parça üzerinde ciddi termal gerilmeler oluşuyor. Bu sebeple termal gerilmelerin nerelerde yüksek boyutlara çıkacağını öngörüp buralardaki destekleri güçlendirmeniz gerekli. Aksi taktirde günlerce süren üretiminiz sona yaklaştığında supportların kopması ile tüm üretiminiz hüsranla sonuçlanabilir.

Çekme Testi Parçaları – GE

Bunun dışında karşılabileceğiniz bir diğer problem ise parçanın şekil değiştirmesi, mikro ve makro çatlaklar ve serici mekanizmaya zarar vermek olabilir.

Özellikle kalın veya büyük parçaları yapmak lazer sistemlerde oldukça zor ve ciddi tecrübe isteyen işlemlerdir. 50x50x50mm boyutlarındaki bir küpü üretirken parçanın tamamını tablaya bağlasanız bile parçanın alt tabanında yırtılma olma ihtimali çok yüksektir. (Hız ve parametrelerinize bağlı) Tecrübeli üreticiler bununla başa çıkmak için lazer parametrelerinde çeşitli optimizasyonlar yaparak bu etkiyi minimum hale getirmeye çalışmaktadır. Makina üreticileri ise adacık prensibi adı verilen yöntem ile üretim alanını küçük adacıklara bölerek sinterleme yaparlar, böylece aynı bölgede oluşan termal etkiyi azaltmaya çalışırlar ancak ne yazıkki büyük parçalarda bu tür optimizasyonlar bile yetersiz kalmaktadır. En tehlikelisi ise tahribatsız muayene yapmadan anlaşılması mümkün olmayan mikro çatlaklardır. Özellikle havacılık ve medikal uygulamalarda oldukça kritik olan bu parametre için ciddi anlamda zaman ayırıp süreç iyileştirilmesi yapılması gerekiyor.

DMLS sistemlerin en önemli aşamalarından bir tanesi de fırınlama sürecidir. Yaklaşık 6-8 saat arasında süren fırınlama süreci ile üretimden çıkan parçaların geriliminin alınması ve post- proses için hazır hale getirilmesi gerekir. Parçada ne kadar gerilim oluştuğunu üretimden çıkarttıktan sonra rahatlıkla parçadan gelen seslerden anlayabilirsiniz.Titanyum ve alaşımları için ise mutlaka argon altı özel fırınlar gerektiğini de unutmamak gerekir.

2. Vakum ve Sirkülasyon Pompası

Teknolojiler arasındaki diğer önemli bir fark ise lazer tabanlı sistemler soygaz altında işlem görürken, EBM sistemler vakum altında çalışmasıdır. Çalışma prensibindeki bu farklılıklar çeşitli mekanik farklılıklar ortaya çıkmasına sebep olur.

Daha önce de bahsettiğim gibi EBM sisteminde ön ısıtmalı bir üretim yöntemi bulunuyor. Bunun sebebi ise aslında arge aşamasında ortaya çıkan bir ihtiyaçtan kaynaklanıyor. Elektron ışını üretim alanına düştüğünde,  tozun elektrostatik etkiyle dağıldığını farkeden ARCAM mühendisleri, ön ısıtma ile bu problemin üstesinden gelebileceklerini farkettiler ve aslında şu anda EBM’in getirdiği avantajların temelini oluşturan ön ısıtma sistemi ortaya çıkmış oldu.

Bu işlem yaklaşık olarak 1-1,5 saat civarında bir zaman alıyor. Aynı işlem soğuma için de gerektiğinden toplamda yaklaşık 3 saatlik ısıma-soğuma zamanından bahsetmek mümkün. Ancak ön ısıtmanın verdiği avantajlar sayesinde fırınlama ihtiyacının olmaması ve EBM üretim hızının yüksek olması sebebiyle eğer makinayı bir kaç saatliğine çalıştırmıyorsanız bu süreler tolere edilebilen sürelerdir.

EBM sisteminin ön-ısıtmalı olması sayesinde parçalar tavlanmış olarak üretimden çıkar, başka bir deyişle normalizasyon gibi bir işlem gerekmediğinden herhangi bir fırınlama ihtiyacı yoktur. DMLS sisteminden sonra başarılı bir fırınlama yapılmış parçanın mekanik özellikleri ile EBM’den çıkan parçanın fırınlanmamış halinin mekanik özellikleri benzerdir.

EBM sisteminin ön ısıtması sayesinde üretim esnasında tozlar arasında geçici, zayıf bir bağ oluşur. Bu yapışmayı ıslak bir kuma benzetebiliriz, parmağınızla rahatlıkla bu tozları birbirinizden ayırabilirsiniz ve bu tozların tamamı tekrar kullanabilmektedir. Bu yapıya ARCAM’de “production cake” deniyor.

Production Cake

Üretim sonrası yapılan analizlerde ön ısıtma esnasında birbirine yapışan tozların hala küresel şekilde olduğu ve herhangi bir mekanik etki olmadığı görülmüş. Kullanılan tozların tekrar kullanılmasında ise ARCAM PRS (Powder Recovery System) denilen bir sistem kullanıyor. Üretim sonrasında üretim haznesi PRS içerisine yerleştirilerek makina içerisindeki artık tozu kullanarak kumlama yapılıyor.

3.Destek Yapıları ve İstifleme

EBM yönteminde parçalar mekanik olarak gerilmeye uğramadığı için mekanik olarak parçaları tablaya bağlamanız gerekmez. Bu bize iki temel avantaj sağlıyor; birincisi tablaya bağlı ve yoğun destekler yerine çok kısa, (titanyum – yaklaşık 1 cm uzunluğunda) tablaya mekanik olarak bağlı olmayan destekleri kullanabilmeniz, diğeri ise üst üste dizerek üretim alanını z yönünde sonuna kadar kullanabililir. Ön ısıtma sırasında birbirine yapışan toz malzeme, parçaları yer çekimine karşı taşıyacak yeterli desteği sağlar, bu sayede üst üste onlarca parçayı üretmek mümkün hale gelir. Haliyle “lead time” denilen  “iki üretim arasında kaybolan zaman” çok ciddi anlamda düşer. ARCAM’in seri üretimlerde kullanılmasının önemli sebeplerinden birisi bu özelliğidir. Bu konuda sorulan en temel sorulardan birisi support ihtiyacı olmamasına rağmen neden 1 cm lik support malzemelerin kullanıldığıdır. Bunun en temel sebebi toz malzemenin iyi bir yalıtkan olması sebebiyle ısıyı iletmemesi ve sıcaklık dağılımı sebebiyle yüzeylerdeki hassasiyetin bozulmasıdır. Bu yüzden negatif yüzeylerde destek malzemeleri ile sıcaklığın yayılması engellenir.

DMLS ve EBM teknolojisinde ön ısıtmadan kaynaklı bir diğer farklılık ise ortam basıncı ve sirkülasyon kullanımıdır. DMLS sistemlerinde üretim alanına güç verildiğinde, toz malzemenin bir kısmı buharlaşır ancak ortam sıcaklığı düşük olduğundan buharlaşan metal tozu üretim alanının 5-10 cm üzerinde tekrar kurumlaşır. Bu aynı zamanda galvoların zarar görmemesi için de bir gerekliliktir, bu sebepler ön ısıtma kapasitesi lazerli sistemlerde sınırlıdır. Ortaya çıkan bu kurumu almak gerektiği için DMLS sistemlerde mutlaka sirkülasyon pompası ve filtrenin olması gerekir. Ancak atmosfer basıncında çalışan sirkülasyon pompası titanyum/aliminyum gibi patlama/yanma riski olan veya oksitlenen malzemelerde soygaz kullanma zorunluğu getirir. Lazer tabanlı sistemlerde Argon gazı ve filtre sarfı ise ne yazıkki üretim maliyetinin önemli bir kısmını oluşturmakta, diğer taraftan da filtrelerin patlama riskine karşı filtreleri özel işlemlerle geri dönüşüme göndermeniz gerekmektedir, bu yüzden iş güvenliği dökümanlarınızı tekrar gözden geçirmeniz gerekebilir. Aynı zamanda Argon ile okşijen seviyesini ancak yüzde 1.5-2 seviyesine indirebildiğiniz düşüldüğünde malzemenin mekanik özelliklerinde oksidasyon kaynaklı ufak değişiklikler oluşabiliyor. EBM sistemde ise ortam sıcaklığı 600-1100 derece arasında olduğu için buharlaşan metal buharı hemen kurumlaşmaz ve “heat shield” adı verilen ince metal saclar üzerine yapışır. Bu olaya da metalizasyon adı verilir. Belli bir üretim sonrasında (tavsiye edileni her üretim sonrası) bu sacları değiştirilir.

Tavsiye edildiği şekilde yaptığınızda her üretim için EBM sistemlerde yaklaşık 300-400 Euro gibi bir sabit bir sarf maliyeti ortaya çıkarken, lazer tabanlı sistemlerde üretim zamanı ile doğru orantılı olan bir gaz- filtre sarf maliyeti ortaya çıkmaktadır. Bunun dışında lazer ömrü ve EBM’de kullanılan katot da üretim süresiyle doğru orantılı olarak tüketilir. Bu yüzden yapılacak yatırım değerlendirilirken uygulama, üretilebilecek potansiyel parçalar, üretim süresi, malzeme, yatırım maliyeti gibi parametreler çok yönlü olarak değerlendirilmeli ve yatırıma karar verilmelidir.

4. Yüzey Hassasiyeti

EBM ve DMLS sistemler arasındaki en bilinen fark yüzey pürüzlüğündeki ve geometrik toleranstaki farklılıklardır. Uzun zamandır bunun ne kadar önemli olduğunu anlamaya çalışıyorum. Sayısal olarak konuşmak gerekirse DMLS’in yüzey pürüzlüğü yaklaşık 12-14 RA, EBM’in ise 18-20 Ra civarındadır. Bu farklıklar geometriye ciddi anlamda bağlı olsa da lazer sistemden çıkan üretimin yüzeyinin daha temiz olduğunu ve geometrik toleransının daha başarılı olduğunu çıplak gözle ayırt etmek mümkün.

Burada yüzey pürüzlüğüne etki eden iki temel parametreden bahsetmek gerekli. Birisi “focus diameter” dediğimiz güç kaynağının odaklanabileceği minimum alan, diğeri de yüksek sıcaklık sebebiyle yüzeye yapışan tozlar. Yüzeye yapışan tozlar her ikisinde de benzer olduğu için yüzeyi etkileyen en önemli parametre “beam size” oluyor ve bunu detaylı incelediğinizde her ne kadar iki teknolojide de teorik olarak 100 mikron civarında bir odak çapısından bahsedilse de üretim prensibinden dolayı Lazer sistemlerde daha düşük bir odak oluşturulabiliyor. Bu, dolaylı olarak geometrik toleransı da etkiliyor ve DMLS sistemlerin -katma kalınlıklarındaki farklılıklarını hesaba katarak- EBM’e göre geometrik toleranslarının daha yüksek olduğunu söyleyebiliriz. Fakat burada tecrübe ettiğimiz şeylerden bir tanesi de hangi teknoloji olursa olsun, geometrik toleranslar ve yüzey hassasiyetleri, kritik parçalarda, öpüşen parçalarda veya yivlerde hala yeterli başka bir deyişle CNC ile yarışabilir düzeyde değil. Bu yüzden AM teknolojisi için her zaman konuştuğumuz şey “near net shape” denilen, son şekle en yakın şekildir ve sonrasında bir işlem mutlaka gereklidir.

Dolayısıyla her iki sistemde de mutlaka post proses gereklidir. Bu medikal uygulamalarda basit bir kumlama veya parlatma işlemi olabilirken, savunma, kalıpçılık ve havacılık uygulamaları için CNC ile paso alma işlemi olarak gerçekleştirilebilir. Dolayısıyla yapılan en büyük hatalardan bir tanesi olan, makinayı tek bir ekipman olarak düşünmek, makinanın kullanım alanını ciddi anlamda kısıtlayabilir. Mutlaka post-prosesler için bir bütçe ayrılmalı ve buradaki işlemler iyi planlanmalıdır.

ourtesy – Zenith Tecnica 

5. Maliyet

Bir çok teknik ve finansal yöneticinin katmanlı imalat ile ilgili kafasındaki en büyük soru işareti şüphesiz ki maliyet konusudur. Firmaların çoğu katmanlı imalat ile üretim yapmanın çok maliyetli olduğunu düşünür. Bu hem doğru hem de yanlış bir yaklaşımdır. Katmanlı imalatta ister EBM olsun ister DMLS olsun önemli bir yatırım maliyeti vardır. Bu yatırım maliyeti rakamsal olarak birbirine yakın olsa da yüzdesel olarak farklı şeyler ifade eder. DMLS sistemlerde amortisman maliyetlerinin yanında toz maliyeti, sarf malzemeler (argon, filtre, tabla) önemli bir yer tutar. EBM’de ise maliyet kaleminin çok büyük bir kısmı amortisman ve toz maliyetidir. Buradaki teknik farklardan birisi lazer sistemlerin “fine grade powder” yani oldukça küçük partiküllü tozları kullanması, EBM’in ise daha kalın tozları kullanması sebebiyle toz maliyetlerinde ciddi farklılıklar oluşur. EBM tozu ortalama DMLS tozlarının yaklaşık üçte biri civarındadır. Diğer taraftan EBM sistemi vakum ortamında çalıştığından sürekli değiştirmeniz gereken filtre ünitesi ve sürekli olarak Argon tüketen bir sirkülasyon pompası yoktur. Burada Argon’un oldukça pahalı ve yüksek miktarda tüketilen bir gaz olduğunu hatırlatmakta fayda var ancak Titanyum ile çalışmak istemezseniz Argon yerine geçebilecek daha uygun yöntemler de bulunuyor. Bunun dışında EBM için her üretimde değiştirmeniz gerek metal koruyucu kalkanlar (yaklaşık olarak 150-200 Euro) ve üretim tablası (yaklaşık olarak 150 Euro) olduğundan da bahsetmek gerekir.

Tozlar arasındaki maliyet farkının ise bir kaç sebebi vardır. En önemli fark gaz atomizasyonu adı verilen yöntemde ortaya çıkan metal tozunun yaklaşık olarak %70’i EBM’in kullandığı kalınlıkta toz olurken (45-105 mikron), yalnızca yaklaşık %10’luk kısmı lazer yöntemi için (7-40 mikron ) uygundur. Dolayısıyla maliyetler arasında ciddi bir fark oluşmaktadır, diğer taraftan ARCAM, Kanada’daki AP&C adı verilen şirketi satın alarak müşterilerine en uygun fiyatlı tozu en yüksek kalitede sunmayı hedeflemektedir. EOS gibi büyük üreticilerin de kendi üretim tesisi olsa da dünyadaki bir çok üretici tozu üçüncü parti üreticilere ürettirmektedir.

Gaz Atomizasyon Yöntemi

Toz konusunda konuşulması gereken bir diğer konu ise tehlike seviyesidir. 7-10 mikron aralığındaki lazer tozlarının yüksek patlama riski sebebiyle ihracatı ve taşıması özel kanunlara tabidir. Taşıma maliyetlerini de etkileyen bu durum toz maliyetinin artmasına neden olmaktadır. Tehlikeli madde sınıfında olan bu tozlar için (özellikle Titanyum ve Aliminyum) patlama önleyici kabinetler önerilmektedir. Bir diğer risk ise 10 mikronun altındaki tozların hücre duvarından geçebilmesidir. Hangi toz kullanılırsa kullanılsın maske ile çalışmak kritik öneme sahiptir. 45 mikron üzerindeki tozlar ise tehlikeli madde sınıfında değildir ve patlama/yanma riski daha düşüktür. Tozların saklanması için ise özel kabinetlere ihtiyaç yoktur.

6.Hız

Hız konusu firmaların en çok rekabet ettiği alanlardan bir tanesidir. Alıcıların bir çoğu üretim hızlarını yetersiz bulurken bir kısmı ise çok kısa zamanda daha hızlı cihazların çıkarak makinalarının demode olmasından ve yatırımlarının ölü yatırıma dönüşmesinden korkmaktadır. Aslında düşünüldüğü gibi olmayan bu konuda hızı etkileyen faktörlere göz atmak gerekiyor. Fiber lazerin ve CO2 lazerlerin penetrasyon derinliği oldukça sınırlı olduğu bilinir, bunun en önemli sebebi verimlilik olarak da adlandırabileceğimiz absorbsiyon/yansıtma oranıdır. Bu oran düşük olduğu için malzemeye gönderilen enerjinin büyük bir kısmı yansımaktadır, bu yüzden DMLS sistemlerde 10 ile 60 mikron arasında değişen katman kalınlıkları kullanılır. Bu konuda bir diğer sınırlayıcı konu ise kullanabileceğiniz maksimum güçtür. DMLS sistemlerde gücü çok yüksek seviyelere çekseniz bile penetrasyon derinliği düşük olduğu için sıcaklık yüzeyde dağılmaya başlayacak, hassasiyet ve yüzey pürüzlüğünden kayıplar olacaktır. Bu yüzden kimi üreticiler daha güçlü lazerler yerine yan yana bir kaç scan head ve lazer koyarak üretim hızını artırmaya çalışmaktadır. Bazı üreticiler ise özel yöntemler ile daha yüksek katman kalınlığında çalışmak için araştırmalar yapmaktadır. Fakat bir takım üreticiler ise daha düşük katman kalınlıklarına inerek farklı uygulamalar için (dental, kuyumculuk) daha iyi bir yüzey ve geometrik tolerans elde etmeye çalışmaktadır. Ancak bana göre bir kaç uygulama dışında bu yöntem dünyanın gitmeye çalıştığı yönde bir çalışma değildir çünkü bu uygulamayı yaptığınızda sadece toz serme hızından diğer sistemlerden 3 ile 10 kat daha yavaş oluyorsunuz üstelik daha ince bir toza ihtiyaç duyduğunuzdan toz maliyetlerinde ciddi bir artış olmakta. Diğer taraftan yukarıda bahsettiğim güvenlik konuları gündeme gelmekte ve 10 mikron civarındaki toz, hücre duvarından geçebildiği için özel korunma önlemleri almanız gerekmektedir. Bu boyuttaki tozların yüksek patlayıcılığı olduğu için de cihaz ve ortam için ATEX patlayıcılık belgesine ihtiyacınız olabilir.

Ergitme hızında ön ısıtmanın etkisinden de bahsetmek gerekir. Üstteki birinci grafikte Tmelt malzemenin ergitme sıcaklığı, Tboil ise kompozisyonu oluşturan elementlerin bir kısmının buharlaştığı sıcaklık. Bu grafiğe baktığımızda hızı artırmak için eğer tarama hızını artırırsanız bu sefer sıcaklık Tmelt’in altında kalacağı için 100% ergitme sağlanamayacak veya yapılan ergitmenin derinliği azalacaktır. Eğer tarama hızı ile birlikte enerjiyi artırırsanız bu sefer Tboil’in üzerine çıktığınız için kompozisyonunuzun içeriği değişecektir. Buradaki kilit nokta enerjiyi düşük tutarak, tarama hızını artırmaktır. Ön ısıtmalı sistemlerde sıcaklık farkı (delta) daha düşük olduğu için enerjiyi düşük tutarak tarama hızını artırabilmek mümkün. Bu sayede EBM sisteminde aynı anda bir çok yerde “melt pool” adı verilen, ergitme havuzları oluşturulur ve bu sayede EBM’in sıradışı ergitme hızı ortaya çıkar.

Diğer taraftan EBM katman kalınlığı konusunda tamamen farklı bir yöne gidiyor. Elektron tabancasının penetrasyon derinliği ve absorbsiyon/yansıma oranı oldukça yüksek olduğundan çok yüksek bir güç kaynağı kullanılabiliyor. Lazer sistemlerde 100,200,400 ve nadiren 1000Wattlık güç kaynağı kullanılır. Lazer sistemlerinin 1000W gücün üzerine çıkmamasının başka bir sebebi daha vardır. Bu güç kaynağı ile yaptığınız sinterleme işleminde malzeme aşırı derecede buharlaşarak alaşımın kompozisyon oranlarının değişmesine sebep olmaktadır. EBM cihazlarında ise aktif olarak kullanabilen 3000 Wattlık bir güç kaynağı bulunur. Bu sayede yüksek katman kalınlığı kullanarak hem toz maliyetinde ciddi bir ekonomiklik sağlıyorlar hem de üretim hızını yaklaşık 5 kat artırabiliyorlar. Rollse Royce, GE ve Airbus gibi firmaların EBM sisteminde üretimlerini 200 mikron katman kalınlığında çalıştırdığını biliyoruz. İstenilen yüzey hassasiyetini sağlamak için her halükarda post proses işlemi yapacak olan firmalara bu kalınlıklar ciddi bir ekonomiklik ve hız kazandırıyor.

EBM ve DMLS teknolojilerinde ergitme/sinterleme hızlarındaki farklılığı anlamak için aşağıdaki iki videoyu izlemek gerekiyor.

Hız konusunu etkileyen bir diğer unsur ise gücün tablaya nasıl düşürüldüğüdür. DMLS sistemlerde mikro aynalarla bu işlem yapılır, her ne kadar hızlı olsa da mikro aynalar mekanik olarak hareket ettirilir ve üretim yapılan alanı gözünüzle rahatça takip edebilirsiniz. Ancak EBM sisteminde elektron ışını elektro manyetik olarak yönlendirilir ve mili saniyeler seviyesinde yüzlerce atış yapılabilir. Bu yüzden aynı anda tablada bir çok farklı yerde üretim yapılıyor gibi görürsünüz ancak bu ışımadan kaynaklı bir göz yanılmasıdır. ARCAM bu teknolojiye Multi-Beam dese de teknolojinin temelinde multi beam gibi çalışan tek bir güç kaynağı vardır.

EBM ve DMLS Üretim Alanları

7.Bakım Anlaşmaları ve Sarf Malzemeler

İster EBM olsun ister DMLS olsun, her iki sistemde bakım anlaşması yapmak oldukça kritik ve bana göre zorunlu olan bir hizmet. Her ne kadar bir çok firma garanti sonrasında cihazın bakım ve tamirini kendisi yapmak istese de sonuçta kendilerine özgü cihazlar ve her ne kadar belli bir yıllık bakım anlaşma maliyeti olsa da uzun vadede daha karlı bir yaklaşım olduğu kesin. Dental makinalar ve küçük makinalar ise belki bu kapsamın dışında tutulabilir ancak makul fiyatlarda bakım anlaşması yapmak hem validasyon gereği hem de fizibilite açısından değerlendirildiğinde küçük makinalar için bile daha anlamlı olabilir. Her iki teknolojide de üreticiler farklı alternatifleri kullanıcılara sunmakta. Cihazını Ar-Ge için, prototipleme için veya üretim için kullanan kullanıcılara farklı bakım anlaşması seçenekleri sunulabilmekte. Burada sistemleri birbirinden ayıran fark bakım anlaşmasının içeriğinde neyi kapsadığı. EBM sisteminde en pahalı ekipman “high-voltage unit” denilen ünitedir ancak en pahalı ekipman dense de yine fiber lazerin fiyatı ile karşılaştırıldığında oldukça küçüktür, bu yüzden ARCAM sarf dışındaki tüm ekipmanların garantisini bakım anlaşması içerisine koyar. Ancak DMLS sistemlerde bakım anlaşmaları genellikle lazer ekipmanını kapsamaz. Genellikte 3.parti lazerler kullanıldığı için lazer garantisi ek bir ücretler sağlanmaktadır. Belli bir süre ömrü olan bu lazerler sonradan kullanıcıların karşısına ciddi bir maliyet olarak çıkabilmektedir. Bu yüzden alım veya anlaşma yapılırken bu konuda dikkatli olmak gerekmektedir. Bakım anlaşmasının ne kadar gerekli olduğu veya diğer müşterilerin anlaşma yapıp yapmadığını araştırırken karşımıza ilginç bir hikaye çıktı. ARCAM’in ilk yaptığı makina dahil tüm cihazları aktif olarak çalışıyor ve tüm cihazlar bakım anlaşması yapmıştır. Sadece teknik destek değil, ekipman garantilerinin de devam etmesi sebebiyle gayet mantıklı bir adım olduğu buradan da anlaşılabilir. Lazer sistemlerde kullanılan filtre ve tablalar yerine başka çözümler bulmak da mümkün, bu noktada üretici firmanın bu kullanımlardan dolayı cihazı garanti dışına çıkartmadığından emin olmak gerekiyor. Cihazlardaki bir diğer sarf ise sericilerdir, kimi cihazlarda seramik serici kullanılsa da lastik serici, metal serici veya levha serici tüm cihazlarda yaygındır. Çok büyük bir maliyet olmasa da bilinmesi gereken konulardan bir tanesidir.

8. Üretilen parçaların mekanik özellikler

Her iki sistemin de çeşitli işlemlerden sonra statik mekanik özellikleri birbirine çok benzemektedir. Burada en önemli fark dinamik yüklemelerdeki yorulma performanslarıdır. Burada EBM teknolojisinin açık ara önde olduğunu söylemek mümkün çünkü medikal uygulamalarda pazar lideri olan ARCAM’in bir çok üreticisi CE ve FDA onaylı medikal parçalar üretmektedir, yakın zamanda Amerika’da bir kraniyal implant ilk defa FDA onayı aldı. 2006 yılından beri pazarda olan EBM üretimi implantlar ise şimdiden pazarın 3%’üne ulaştı. Peki statik özellikleri birbirine çok benzeyen bu iki teknolojinin neden dinamik özellikleri bu kadar birbirinden farklı ?

Yorulma dayanımı artırmanın en iyi yöntemlerinden birisi HIP (Hot isostatic pressing) adı verilen özel bir fırınlama yöntemidir. Yüksek sıcaklıkta ve yüksek basınçta yapılan bu fırınlama işlemi ile üretim sırasında oluşan poroziteler kaybedilerek, parçaların mekanik özellikleri artırılır. İşte bu noktada iki teknoloji birbirinden ayrılmaktadır, EBM sistemi 10e5 bar civarında bir negative basınçla yani vakum ortamında üretim yaptığı için oluşan poroziteler içerisinde negative bir basınç oluşur. Dolayısıyla HIPleme işlemi sırasında bu poroziteler kolayca kaybedilebilir ancak DMLS sistemlerde bu poroziteler içerisinde 1 atm lik bir basınç vardır ve bu poroziteleri tamamen kaldırmak çok daha zordur. Bu yüzden EBM teknolojisindeki üretimlerin yorulma dayanımları DMLS’e gore çok daha yüksektir. Bununla birlikte ön ısıtmalı sistemlerde parçalar üretim esnasında yavaşça soğuduğundan mikro yapılarında çok daha az martensitik yapılar bulunur.

9.Yatırım Maliyeti

Sistemlerin yatırım maliyetleri birbirine yakın olsa da EBM sistemlerinin yatırım maliyetlerinin Lazer sistemlere gore daha yüksek olduğu bilinmektedir. Fizibilite çalışmalarında mutlaka örnek vakalar üzerinden gidip, Op-Ex ve Cap-Ex maliyetlerini iyi öngörmek gerekir. Bu konuda aldadıcı olan konulardan bir tanesi ise cihazın maliyeti ile sistemin maliyeti arasındaki farktır. Yani burada cihazın tek başına kendi maliyetine değil, uygulamanın gerekliğine göre kurulması gereken sistemin maliyetine bakmak gerekir. Zira bir çok üreticinin cihaz maliyeti oldukça düşükken yan ekipmanlar, servis anlaşmaları, parametreler, yazılımlar, fırın, post proses ekipmanları vs gibi unsurları yan yana koyduğunuzda beklenenin çok üzerinden bir sistem maliyeti karşınıza çıkabilmektedir.

10. Araştırma Geliştirme Esnekliği 

Her iki sistem de Ar-Ge için dünyanın bir çok yerinde kullanılmaktadır, lazer sistemlerinin bir kısmı açık kaynak iken bazı üreticiler cihazda standart tozlar dışında toz kullanımını uygun bulmamakta, alaşım içeriği aynı dahi olsa kendi tozu dışındaki kullanımlarda cihazı garanti dışında bırakmaktadır. Arcam ile birlikte bazı DMLS üreticileri ise çeşitli eğitim programları ile parametre ve toz geliştirilmesi ile ilgili çalışmaların önünü açmaktadır. Yapılan bu çalışmalar ise garanti sürecine veya cihaza herhangi zarar vermemektedir.

11.Malzeme Çeşitliği

Yanlış bilinen ve müşterilerin yanlış yönlendirildiği konulardan bir tanesi de malzeme çeşitliğidir. Lazer kaynaklı sistemlerin daha basit ve kontrol edilebilir olması, bir çok marka tarafından üretilmesi ve büyük firmaların geniş Ar-Ge olanakları sayesinde DMLS sistemlerinde oldukça geniş bir malzeme çeşitliliği vardır. Aliminyum, Bakır, Çelik, Titanyum ve Inconel en çok tercih edilen malzemeler olsa da bunların dışında da bir çok malzemeye erişmek mümkündür. Ancak burada dikkat edilmesi gereken çok önemli bir husus vardır. Alıcıların bir çoğu tek bir makinada bütün malzemeleri kullanabileceğini düşünür, bu teorik olarak mümkün olsa da teknik olarak bir çok riski beraberinde getiren bir konudur. Cihaz ne kadar iyi temizlense de sirkülasyon pompası ve filtresi olan bir cihazda toz kontaminasyonu kaçınılmazdır. Farklı sıcaklıklarda işlenen malzemelerin kontaminasyonunda ise en sık rastalanan problem porozite, yoğunluk farkı ve mekanik özelliklerdeki değişimlerdir. Özellikle belli bir kalite sertifikasyonu altında üretim yapan veya cihazını valide ettiren üreticiler bir cihazda sadece bir malzeme kullanabilmektedir. Medikal uygulamalarda ise bu kesinlikle yasaklanmıştır

EBM sisteminde ise standart malzeme adı verilen 5 tane malzeme vardır, bu 5 malzemenin 3’ü titanyum alaşımıyken, diğer ikisi CoCr ve Inkonel alaşımıdır. Arcam tarafından geliştirilen, toz tedariği bulunan ve belli mekanik özelliklerin garanti edildiği bu tozlar cihaz ile birlikte gelirken, bunun dışındaki tozlar için malzeme geliştirilmesi, parametre geliştirilmesi kullanıcılara bırakılmıştır. Bu konuda şüphesiz en iyi örneği dökümü ve işlemesi çok zor olan ve türbin bıçaklarında kullanılan Titanyum Aluminate malzemesinin EBM sistemlerinde kullanan GE’ye aittir. Lazer sistemlere göre çok daha karmaşık ve zor bir sistem olan EBM’de malzeme geliştirmek ise Level 3 eğitimi adı verilen bir eğitim sonrasında yapılabilmekte ve firmaların kendi bünyelerinde ARCAM desteği ile yaptığı faliyetlerdir.

12. Operatör ve Operasyon

Hem DMLS hem EBM sistemleri kendi içerisinde özel sistemlerdir ve operatörleri belli eğitimlerden sonra cihazları kullanmaktadır. İyi bir teknisyenin veya mühendisin rahatlıkla kullanabileceği sistemlerin kullanımları benzerdir. Ancak genel anlamda bakıldığında EBM’in daha özel ve daha karmaşık bir sistem olduğundan bahsetmek mümkündür ancak bu teknolojinin en güzel yanlarından birisi sınırlı sayıdaki operatörün rahatlıkla birden fazla cihazı opere edebilmesidir.

13. İşletim Sistemi ve Kontrol Ünitesi

Çok fazla detaya girmek istemediğim bu konuda da bazı bilgiler vermek isterim. Kontrol ünitesi olarak neredeyse üreticilerin tamamı windows tabanlı sistemleri kullanır ancak windows’un hangi sürümünün kullanıldığı kritik öneme sahiptir. Zira kontrol ünitesinin yazılımı nedeniyle hala XP kullanan vey 32bit anakart kullanan üreticilerde teknik destek sorunları ortaya çıktığı, en önemlisi ise cihazın hesaplama kapasitesi nedeniyle çok fazla ağ yapı içeren, karmaşık ve yapısal parçaları hesaplama yapamadığı için üretemediği bilinen bir gerçektir. Bu konu ne kadar güncel kalır bilmiyorum ancak irdelenmesi gereken bir başlıktır.

Özet olarak baktığımızda aslında EBM ve lazer tabanlı teknolojiler birbirlerine rakip değil aslında tam tersine tamamlayıcı teknolojiler olduğunu söyleyebiliriz. Uygulama konusuna detaylı olarak değinmesem de, makina yatırımı anlamlı veya anlamsız yapan şey aslında uygulama ile finansal konuların birleşimidir. Genel olarak detaylı, hassas parçaların üretimi, prototipleme konusu lazer tabanlı sistemlere daha uygunken, kalın,büyük ve ağır parçaların üretimi, seri üretim, fonksiyonel parçaların üretimi EBM için daha anlamlıdır. Dünyadaki örneklere baktığınızda ise önemli kullanıcıların EBM ve lazer sistemleri beraber kullandığını görebilirsiniz Konu ne yazıkki bu anlattıklarımdan da ibaret değildir, oldukça teknik ve detaylı olan bu konuda yapılacak yatırımlar konuyu teknik olarak bilen kişilerle detaylı olarak tartışılarak yapılmalıdır.

Son olarak bugün piyasaları sarsan büyük bir haber aldık, General Electric stratejik bir yatırım kararıyla ARCAM’i satın alacağını duyurdu. Son olarak General Electric bünyesindeki Avio Aero’nun katmanlı imalat çalışmalarını sizlerle paylaşmak isterim.  Teknik konulardaki sorularınız için bana kuntay [at] btech.com.tr adresinden ulaşabilirsiniz.

Yazının tamamı kişisel görüşlerimi içermektedir ve yasal bir bağlayıcılığı yoktur. İzinsiz ve referanssız çoğaltılamaz ve kullanılamaz.

Kuntay AKTAŞ

Makina Mühendisi

CEO – BTech Innovation

https://www.linkedin.com/in/kuntay-akta%C5%9F-0629357b?trk=nav_responsive_tab_profile 

Referanslar:

1. Lessons Learned in Establishing the NIST Metal Additive Manufacturing Laboratory

2.An Experimental Investigation into Additive Manufacturing-Induced Residual Stresses in 316L Stainless Steel

3.INVESTIGATION OF SUPPORT STRUCTURES FOR DIRECT METAL LASER SINTERING (DMLS) OF IN625 PARTS 

4.An introductory design guide for our 3d printing in metal service

5.3D printing titanium and the bin of broken dreams

6.Electron beam melting of Tie48Ale2Cre2Nb alloy: Microstructure and mechanical properties investigation

7. Build direction dependence of microstructure and high-temperature tensile property of Co–Cr–Mo alloy fabricated by electron beam melting

8.TranPham 2016 Metal 3D Printing Insights

9.A NOVEL FABRICATION TECHNIQUE FOR THE PRODUCTION OF RF PHOTOINJECTORS

10.Properties of Inconel 625 mesh structures grown by electron beam additive manufacturing

11. Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies

12. Microstructures of Niobium Components Fabricated by Electron Beam Melting

13. Microstructures of Rene 142 nickel-based superalloy fabricated by electron beam melting

14.  Selective electron beam melting of Tie48Ale2Nbe2Cr: Microstructure and aluminium loss

15. Microstructures and properties of solid and reticulated meshcomponents of pure iron fabricated by electron beammelting

16. Tailoring the grain structure of IN718 during selective electron beam melting

17. Material Development for Electron Beam Melting

18. Electron Beam Melting of Advanced Materials and Structures

19. Comparison of Microstructures and Properties for a Ni-Base Superalloy (Alloy 625) Fabricated by Electron and Laser Beam Melting