3 Boyutlu (3D) Yazıcılar

3 Boyutlu (3D) Yazıcılar

Günümüzde, katmanlı üretim teknolojileri (additive manufacturing technologies) kullanılarak geleneksel talaşlı üretim yöntemlerine kıyasla çok daha az malzeme girdisi ile daha esnek tasarımlara sahip ürünler üretilebilmektedir. Bu teknolojiyi esas almakta olan 3 boyutlu yazıcılar ilk olarak 80’li yıllarda kullanılmaya başlanmış ve günümüze kadar hızlı bir şekilde geliştirilmiştir. Bu gelişmeler sonucunda katmanlı üretim teknolojisinin sanayi sektöründeki alanı da büyümeye devam etmektedir.

Katmanlı İmalat Yöntemleri
3 boyutlu yazıcılar, sahip oldukları tekniğe ve kullanılan malzemelere bağlı olarak farklılık göstermekte olup bu teknolojilerden en sık kullanılanları şunlardır:
1. FDM (Ergitilmiş Katman Modelleme-Fused Deposition Modelling): Dünya genelinde okullardan hastanelere çok geniş bir kullanım alanına sahip 3 boyutlu yazıcı çeşididir. FDM’ler, filament adı verilen termoplastik polimerlerden yapılan malzemelerle çalışır. En çok tercih edilen filamentler ABS ve PLA’dır, ayrıca Naylon, PETG, PVA, FLEX gibi filamentler de kullanılmaktadır.[1] FDM’ler, filamenti ekstrüder adı verilen itici ve ısıtıcı ekipmandan geçirerek ergimiş hale getirir ve baskı tablası üzerinde katman katman işleyerek katı modeli oluşturur. FDM yazıcılarda baskı sırasından sarkma oluşmaması için destekler kullanılır. Bu destekler baskı bittikten sonra sökülmektedir. Bu işlem sonucunda ürün üzerinde fiziksel bozulmalar yaşanabilmektedir. 
Ülkemizde de tüm dünyada olduğu gibi 2009 yılı itibarıyla patent süresinin dolmasıyla birlikte FDM tipi yazıcıların kullanımı yaygınlaşmıştır. FDM makineleri, genellikle hızlı prototipleme ve az sayıda seri imalat durumlarında tercih edilmektedir [2]. Ayrıca bu makineler eğitim, hobi gibi alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 1. Yerli Üreticiye Ait FDM Tipi Bir 3D Yazıcı

2. SLA (Lazer Stereolitografi-Stereolitgography): Katmanlı üretim metotları içerisinde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. SLA makinelerinde FDM’de olduğu gibi, ağırlıkla plastik ve polimer malzemeler kullanılmaktadır. SLA tipi 3 boyutlu yazıcılarda, lazer ışını kullanılarak sıvı fotopolimer malzemelerde lokal katılaştırma gerçekleştirilir. Bu işlem tüm katmanlar için uygulanır ve belirlenmiş tasarımda katı model oluşturulur. Bu yöntemle alınan baskılarda yüzey kalitesi yüksektir; ancak, fotopolimer çok kararlı bir malzeme değildir ve mekanik özelikleri değişkendir. Hızlı prototip ve bazı kalıp uygulamalarında tercih edilebilir. Ticari olanları genellikle birkaç bin Dolara mal olmaktadır.

Şekil 2. SLA makinelerinin tezgâh yapısı

3. SLS (Lazer ile Sinterleme-Selective Laser Sintering): Güçlü bir katı model oluşturmak için kaynak olarak lazer ve toz malzeme kullanır. SLS makineleri, lazer kullanarak toz malzemenin kaynama noktasının hemen altında, toz içindeki partikülleri bir katı formda bir araya getirir. Baskı platformu aşağı hareket eder ve bir silindirin yardımı ile üst katman homojen bir şekilde tozla kaplanır. Katılaşmış tozun ardışık katmanlarının kademeli olarak bu şekilde eklenmesiyle istenen model üretilir. Model üretimi tamamlandıktan sonra fazla toz malzeme süpürülür (kumlama veya fırçalama işlemi) ve yeniden kullanılmak üzere saklanır. SLS makineleri ile sadece plastik değil seramik, cam ve hatta alüminyum, paslanmaz çelik, titanyum, nikel alaşımı, kobalt krom gibi çeşitli metal malzemelerle de baskı alınabilir. Ekonomik olanlarının fiyatları 12.000 Dolar ila 33.000 Dolar arasında değişmektedir.

Şekil 3. SLS Makinelerinin Tezgâh Yapısı

SLS’nin diğer bir varyasyonu ise kaplama işlemi (cladding) olarak adlandırılır.
4. SLM (Lazer ile Ergitme-Selective Laser Melting): Katmanlı üretim teknolojisinin, çeşitli yapısal karmaşık şekillendirilmiş metal bileşenleri üretmek ve farklı alanlardaki uygulamaları için yüksek talep gereksinimlerini karşılamak üzere geliştirilmiştir [3]. Sinterleme metoduna benzemektedir. SLM’nin, SLS makinelerinden tek farkı, toz parçacıkları lazer ile tam ergiterek katmanlar arasında birleştirmesidir. Malzeme daha yüksek sıcaklıklara maruz bırakıldığı için yanıcı ve tutucu gazların oluşumunu engellemek adına makinenin içinden dışarıya havalandırma hattı bulunur ya da içine Ti, Mg gibi koruma malzemeleri eklenir [4]. Bunun dışında üretim yöntemleri benzer olduğundan tezgâh yapılarının da benzer olduğu söylenebilir. Havacılık, otomotiv ve biyomedikal gibi sektörlerde kullanılmaktadır.

Şekil 4. SLM Makinelerinin Tezgâh Yapısı

5. LMD (Lazer Metal Biriktirme-Laser Metal Deposition): Bu sistemde, toz halindeki ham metal, istenilen noktalara lazer veya elektron ışını gibi enerji kaynakları ile ısıtılıp eritilerek püskürtülür. Lazer Kaplama (Laser Cladding), Yönlendirilmiş Enerji Birikimi (Directed Energy Deposition), Lazer Metal Biriktirme (Laser Metal Deposition) olarak da adlandırılmaktadır. Bu yöntem, kullanılan tezgâhın kabiliyetine göre 100 μm kadar ince yapıların oluşturulmasına yönelik oldukça hassas kontrol edilen bir yöntemdir. SLM sistemlerin aksine bu yöntemde metal biriktirilen yüzey/yapı çok fazla ısıtılmaz. Bu teknolojiyle var olan bir yapıya zarar vermeden kaplama ve tamiratlar yapılabilmektedir.

Şekil 5. LMD Teknolojisi

Sanayide yaygın olarak kullanılan 3 boyutlu yazıcılar; polimer ve metal ürünlerin üretiminde kullanılan yazıcılardır. Bu tip makineler ülkemizde %79 oranında prototiplemede kullanılmaktadır. SLS ve SLM makineleri, metal ürün imalatında kullanılan en yaygın 3 boyutlu yazıcı çeşitleridir. Günümüzde yapılan katmanlı üretim teknolojisi ile ilgili Ar-Ge çalışmaları genellikle metal parçaların üretiminde yoğunlaşmaktadır.

Ülkemizde sac işleme makineleri konusunda önemli bir konuma sahip olan ERMAKSAN firması, 3 boyutlu yazıcılarla ilgili olarak Bakanlığımız teşvikleriyle desteklenen Ar-Ge çalışmalarının neticesinde SLM teknolojisine sahip yazıcı üretmiş ve bu ürünün ticarileşmesini sağlamıştır [5]. ERMAKSAN tarafından yakın zamanda toz beslemeli lazer eritmeli sistemler (LMD tipinde) üzerine de Ar-Ge faaliyetlerine başlanmıştır. Bu teknolojinin önümüzdeki dönemde havacılık, petrokimya ve savunma sanayilerinde kullanılan kritik parçaların yeniden temin edilmesi yerine bunların revizyonlarının yapılmasını sağlayacak olması nedeniyle ülke ekonomisine önemli düzeyde katkıda bulunulması beklenmektedir.

Ülkemizdeki mevcut 3 boyutlu yazıcı pazarı ağırlık olarak yurtdışı menşeili ürünlerden oluşmakta olup önümüzdeki günlerde yerli markaların pazardan makul bir düzeyde pay alacakları ve bu payı önümüzdeki yıllarda artıracakları tahmin edilmektedir.

2018 yılında, 3 boyutlu yazıcıların ekonomik ve stratejik konumu göz önünde bulundurularak “kauçuk veya plastiğin işlenmesine veya kauçuk veya plastikten eşyanın imaline yönelik 3 boyutlu yazıcılar” için yeni bir Gümrük Tarifesi İstatistik Pozisyonu (GTİP) açılmıştır. Ancak metal, seramik vb. malzemeleri kullanan yazıcıların dış ticareti ise “diğer makinalar” için kullanılan bir kod üzerinden sağlanmakta olup Türkiye’deki pazar büyüklüğünün 22,5 milyon Dolar olduğu belirtilmektedir.

Tablo 1. 3 Boyutlu Yazıcılar İçin Kullanılan G.T.İ.P. Kodları

G.T.İ.P. Kodu	Açıklama
8477.80.99.00.11	Üç boyutlu (3D) yazıcılar
8479.89.97.90.00	Diğer makinalar

Dünya genelinde 2017’deki metal ürün imalatında kullanılan 3 boyutlu yazıcı satışları 950 adetten 1.800 adetlere yükselmiştir. Sektör yıllık ortalama %30-40 arasında büyüme göstermektedir. Toplam 3 boyutlu yazıcı pazarının 2018’de 8 milyar Dolar, 2020’de ise 12-20 milyar Dolar olması öngörülmektedir.

Kaynakça:
[1] https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling#read-chain
[2] STM, Sektör Değerlendirme Raporu: Katmalı İmalat Teknolojileri ve Havacılık Uygulamaları, 2016.
[3] Manfredi D. ve arkadaşları, On the Selective Laser Melting (SLM) of the AlSi10Mg Alloy: Process, Microstructure, and Mechanical Properties. Torino, 2017.
[4] https://www.additively.com/en/learn-about/laser-melting 
[5] Ermaksan, http://www.ermaksan.com.tr/tr-TR/
[6] 3D HUBS, https://www.3dhubs.com