mert tascioglu: 3D (Additive) MANUFACTURING

Değişim (inovasyon) ve iş hayatına etkisi üzerine dünyadaki en önemli araştırmacılardan olan Clayton M. Christensen “Meeting the Challenge of Disruptive Change” makalesinde 2 tip değişimden (inovasyon) bahseder. İlki, sürdürülebilinir (sustainable) inovasyon. Her yıl yenilenen ve iyileştirilen mevcut elektronik cihazlar, araba modelleri, verimlilik artırıcı iyileştirmeler buna iyi birer örnek.

İkincisini ise yıkıcı (disruptive) inovasyon olarak adlandırıyor. Bunlar yeni pazar yaratan, teknolojide çığır açan, mevcut yapıda rekabet gücünü (competitive advantage) elinde bulunduran ve bununla büyümüş firmaların bir anda yok olmasına veya arka sıralara düşmesine neden olan değişimlerdir.^24,25 Akıllı telefonların çıkması ile Nokia’nın pozisyonu, Mobile’in yükselişi ile Microsoft’un geldiği nokta, dijital fotografçılık sonrası Kodak firmasının durumu, disruptive inovasyona güzel örneklerdir.

Otomotiv sektöründe elektrikli araç teknolojisi, önemli bir yıkıcı (disruptive) inovasyon örneğidir. Endüstrinin en önemli rekabet avantajı olan içten yanmalı motor ve aktarma organları teknolojisini elektrikli araçlar ile beraber baştan aşağı değişime zorlanır ve teknolojideki bu değişim yepyeni lider markalar ortaya çıkarır.(Tesla, Google, Siemens vb)

İşte 3D Manufacturing’te böyle bir konu ve yakın zamanda imalat, makina ve fikstür (tooling) sanayini derinden etkileyebilecek bir teknoloji.

3D (Additive)Manufacturing, 3 boyutlu yazıcılar ile nihai ürün imalatına deniyor.

3D manufacturing her nekadar yeni bir teknoloji gibi görülse de, temel teşkil eden stereolitography teknolojisini Chuck Hull 1983’te icat etmiş.¹⁸ Stereolitography ve daha pek çok patenti ile ilgli bilgiye buradan ulaşabilirsiniz. İlk patent 1986’da alınmış.²⁰ İlk olarak plastik objelerin 3D yazıcılar ile üretimi (3D Printing) 1987 yılında başlamış. Metal parçaların katmanlar halinde 3D olarak üretimi ve seri imalat denemeleri ise 1995 yılında başlamış.²

Kaynak: Morris Technologies

Önceleri sadece hızlı prototip yapma imkanı sağladığı için öne çıkan ve tasarım süreçlerini çok hızlandırdığı için tercih edilen 3D yazıcılar, kullanılan teknolojinin gelişimiyle nihai ürün üretimi için de kullanılabilinecek seviyeye gelmiş. Günümüzde 3D AM(Additive manufacturing) teknolojisi modelleme, prototip imalatı, takım imalatı, sınırlı sayıdaki üretim parçaları, spesifik parça imalatı uygulamaları için kullanılıyor.⁴

3D Manufacturing ile ilgili dünyada en kapsamlı araştırmayı Wohlers Associates yapıyor. Yıllık olarak “Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry – Annual Worldwide Progress Report” yayınlıyorlar. Konu ile ilgili 2011 yılında yalnızca 1.600 bilimsel makale yayınlanmış, 2012 yılında ise 16.000 civarında makale yayınlanmış.⁴ 3D printing daha çok havacılık, tıp ve otomotiv endüstrisinde kullanılıyor. Otomotiv endüstrisinde daha çok prototip imalatında ve özel parçaların imalatında kullanılıyor.²2012 global additive manufacturing pazarı 1.7 milyar euro seviyesine ulaşmış, bu rakamın yalnızca %10’u metal üretimi olarak gerçekleşmiş. Roland Berger bu rakamın 2020’de 4’e katlanacağını öngörüyor.¹Wohlers Associate’e göre ise 2021 de endüstri 10 milyar dolar seviyesinde olacak.⁴

Metal 3D parça imalatı maliyetleri günümüzde konvansiyonel yöntemlere göre 10 kat daha pahalı ancak bu farkın önümüzdeki 5 sene içerisinde 5 kat’a düşeceği ve sonrasında da giderek kapanacağı öngörülüyor.¹

Teknolojinin temel avantajları tasarımda serbestlik getirmesi, çok daha ucuz maliyetlerle kompleks tasarımların imal edilebilmesi, takım ihtiyacının ortadan kalkması, Çok daha hafif tasarımlara imkan vermesi, üretim aşamalarının birçoğunun atlanarak 1 seferde nihai ürün elde edilebilmesi olarak sayılabilinir.²

Dezavantajları ise üretim hızı (yaklaşık olarak 5-20cm³/saat), yüksek ham madde ve üretim maliyetleri, tasarım ve proses kontrol olarak çok fazla parametrenin kontrol altında tutulması ihtiyacı (yaklaşık 180 farklı parametre kontrolü gerekiyor), nihai ürün yüzey kalitesi ve boyutsal toleranslar olarak finish proses ihtiyacı duyması, continuous production process’e uygun olmaması, üretilebileek maksimum parça ebatı sınırlaması (maksimum 500mmx280mmx325mm)²

Dünya çapında 90 firma metal 3D Additive Manufacturing hizmeti veriyor.² Teknolojiye öncülük eden neredeyse tüm şirketler (EOS, 3D Systems, StrataSys, SLM Solutions, Höganas, TLS Technik vb.) Almanya ve ABD merkezli.

AM teknolojisi ile üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin testi ile ilgili standart ihtiyacını karşılamak amacıyla ASTM yeni bir standart yayınlıyor. ¹² ASTM bu yayından sonra daha spesifik test standartlarının da hazırlığının başlayacağını bildirmiş.

Üretici tarafında ise GE yeni geliştirdiği LEAP uçak motorlarında yakıt nozülü imalatını (yıllık 45.000 adet) Additive manufacturing metoduyla yapmayı planlıyor. Boeing, Ford, United Technologies, BAE Systems konuyu yakından takip ediyor.⁶ Siemens geçtiğimiz Ocak ayından itibaren gaz türbünleri için ürettiği yedek parçaları 3D teknolojisiyle üretmeye başladı ve metal 3D manufacturing alanında rutin olarak teknolojiyi kullanan ilk endüstriyel firma oldu.⁸

7 temel metod ile 3D imalat yapılabiliniyor. Ekli tabloda metodlar, uygun malzemeler, ve hangi alanlarda kullanıldığı özetlenmiş.

Kaynak: Roland Berger - Additive Manufacturing: A game changer for the manufacturing Industry? p. 14

3D Manufacturing ‘in metal uygulamalarına 5-30µm boyutunda metal tozları kullanılıyor.²Metal AM uygulamalarında Titanyum alaşımları ve Paslanmaz çelik, takım çeliği, non-ferrous alaşımlar, değerli madenler kullanılabilniyor.²² .metal dışında ise gelişmiş(advanced) seramik malzemeler (Cermet (AL2O3: TiO2), Thermoplastik malzemeler. Diğer 3D Printing uygulamalarında en sık kullanılan malzemeler arasında. Plastik hızlı prototip imalatı için ULTEM malzemesi en çok kullanılan malzeme.¹¹

Metal nihai parça üretiminde en çok kullanılan teknoloji Direct metal laser sintering, Powder bed fusion veya Selective laser melting olarakta biliniyor.² Mevcut teknoloji ile üretim maliyeti yaklaşık olarak 3.14EUR/cm³ olarak hesaplanmış.² (%26 malzeme, %43 işleme, %30 diğer). Metal parça imalatı için her an yeni bir teknoloji/metod/yöntem geliştirilmeye devam ediliyor.⁸ 2010 yılında çekilen şu videodaki üretim tekniği ile günümüzü karşılaştırırsanız teknolojinin gelişim hızını daha iyi anlayabilirsiniz. (video2, video3, video4). Tabi parça tamamlandıktan sonra desteklerin sökülmesi, ısıl işlem ile serleştirme, age hardening ve istenen yüzey kalitesine göre yüzey taşlama vb. gibi post processing gereksinimi hala mevcut.

McKinsey’e göre 3D Additive Manufacturing tekniği üretim teknolojileri açısından 5 noktada önemli yenilikler meydana getirecek³