Hızlı Prototipleme

Mikro Kalıplama Ürünü

Tersine mühendislik uygulamalarında ve ürün geliştirme sonucunda elde edilen ilk örnek model, prototip olarak adlandırılır. Prototipin seri üretimdeki yöntemlerle imal edilmesinin maliyeti çoğu zaman yüksektir. Ayrıca gelişme aşamasında tasarımda birçok değişiklik yapılması gerekir ve bu da prototipin birkaç kez revizyon görebileceği anlamına gelir. İşte bu aşamayı daha hızlı ve verimli hale getirmek için hızlı prototipleme (rapid prototyping, RP) teknolojileri geliştirilmiş ve halen de geliştirilmektedir.

RP yöntemine olan ihtiyacın nedenleri ve bu yöntemin kullanım alanları şu şekildedir;

  • AR-GE ve ÜR-GE süreçlerinin geliştirme aşaması bittiğinde deneme ve saha testlerinin gerçekleştirilmesi gerekir.
  • Üretilecek model sayısı sınırlı olduğundan, mevcut imalat yöntemleri maliyet ve zaman açısından rekabetçi değildir.
  • Tasarımlar bilgisayar ortamında gerçekleştirildiği için karmaşıklaşmış ancak üretilmesi de buna paralel olarak daha da zorlaşmıştır. Bazı prototip geometrilerine RP haricindeki üretim yöntemleriyle ulaşmak mümkün olmaz.
  • Bilgisayar destekli analiz haricinde kütle-hacim-ağırlık dengesi gibi saha testleri ile güvenilirliğinin sağlanması zorunlu olan ticari çalışmalar için gereklidir.
  • Medikal uygulamalarda prototipten ziyade doğrudan imalat teknolojisi olarak kullanılır. İmplant ve protez üretimini mümkün kılar, hatta ameliyat planlaması için de kullanılır.
  • Az sayıda parçaya ihtiyaç duyulan kimi sektörlerde plastik enjeksiyona göre daha hızlı ve ucuz üretim sağlayabilir. Plastik enjeksiyonda kalıp maliyetleri düşünülürse, belli orandaki üretim kapasitesinin altında bu yöntem verimsiz bir seçim olur.
  • Tek seferde istenen geometri elde edildiği için işlem süresi kayda değer şekilde düşer.
  • Karmaşık geometrileri üretmedeki sınırsız yeteneğiyle mimari ve sanatsal çalışmalarda da RP teknikleri kullanılmaktadır.

Hızlı Prototipleme Teknikleri

RP süreci beş adımda gerçekleştirilir. Öncelikle ürün modeli bilgisayar ortamında tasarlanılır ya da 3 boyutlu ölçüm cihazlarından temin edilir. İkinci aşamada prototipi üretilecek olan CAD dosya formatı STL’ye çevrilir. STL formatıyla parça yüzeylerinin üçgen yüzeylerle tanımlanması sağlanır. Böylece yüzeydeki her bir üçgenin (x,y,z) koordinatlarının tanımlanması ile yüzeyin basitleştirilmiş hali RP yazılımına aktarılır. Yüzey kalitesini düşüren bu işlemden sonra ek yazılımlar ile yüzey kalitesi artırılabilir. Dördüncü işlemde uygun yöntem seçilerek(FDM, SLS gibi) parça imal edilir. Son aşamada prototip üzerinde gerekli değişiklikler uygulanır.

Sırasıyla cad, stl ve katman geometrisi
Sırasıyla cad, stl ve katman geometrisi

En çok kullanılan iki teknik FDM ve SLS’tir. Hassas döküm yönteminin kullanıldığı durumlar da vardır. Her ikisinde de bilgisayar modelinin tabakalara ayrılıp bu tabakaların tek seferde imal edilmesi prensibi geçerlidir.

  • FDM (Fused Deposition Modelling, Eritilmiş Malzeme Yığma) yönteminin prensibi tabakaların ergitilmiş olarak yığılmasıdır. Besleme makarasından gelen malzeme nozuldan platforma enjekte edilerek ergimiş halden soğumaya bırakılır. Her bir katman kendi geometrisinde oluştuktan sonra, parçanın üzerinde bulunduğu platform katman kalınlığı kadar aşağı iner. Yani besleme ünitesi sadece iki boyutta çalışır ve her bir katmanı ergitilmiş malzemeden kendi geometrisinde oluşturmakla görevlidir. Yer çekiminden kaynaklanan konum sapmalarını önlemek için destek malzemesi kullanılır. İkinci bir nozuldan yararlanarak bu destek malzemesi ile prototip üretilir ve daha sonra esas parçadan destek malzemesi ayrılır. Daha yeni teknolojilerde kullanılan destek malzemesi suda çözünebilir özellikte geliştirilmiştir. Bu sayede hızlı elde edilen ve kaliteli yüzeylere sahip prototipler sağlamak mümkün olmuştur.
  • SLS (Selective Laser Sintering, Seçici Lazer Sinterleme) yönteminin prensibi de katmanların imalatına dayanır. Ancak bu yöntemde farklı olarak, bilgisayardan alınan veriler referans alınarak toz halindeki malzeme lazer ışınıyla taranır. Eriyen ve eridiğinde birbirine kaynaşabilen toz kullanılır. Burada lazer ısıtma etkisini sağlar. Toz yığını üzerinde yalnızca ilgili katmanın geometrisi taranır, taramanın dışında kalan toz aynen kalır. Bu nedenle destek malzemesine gerek yoktur, malzemenin kendisi zaten destektir. Metal tozu da kullanılabileceği için burada imal edilen parçaların dayanımı FDM‘e göre yüksektir. Ancak maliyeti de FDM yöntemine oranla oldukça yüksektir.
FDM ve SLS çalışma prensipleri
FDM ve SLS çalışma prensipleri

3 Boyutlu Yazıcılar

Hızlı prototipleme teknolojilerinin prensibini kullanan 3 boyutlu yazıcılar kompakt kullanımlarıyla da hayatımıza girmiştir. Henüz endüstri için seri imalatta kullanılamasalar da “geleceğin sanayi devrimine öncülük edecek teknoloji” olarak gösterilmiştir. Endüstrisi gelişmiş ülkelerin bu tanımlamayı yapması mutlaka tesadüf değildir. Bu tanıma gelişmiş prototipleme teknolojileri de dahildir. En önemli avantajlarından birisi bu yöntemle elde edilen ürünlerin kompleksliği açısından herhangi bir sınırlama olmamasıdır. Ayrıca imalat sonucu atık malzeme yok denecek kadar azdır. Malzeme olarak termoplastik, metal ve bakır kullanılmaktadır ve mevcut üretim yöntemleri ile kıyaslanınca atık malzeme olmaması çok önemli bir maliyet avantajıdır. Ancak günümüzde binlerce çeşit malzeme kullanıldığı göz önüne alınırsa bu kadar az sayıda malzemeye olanak tanıyan prototipleme yönteminin önemli bir eksikliği olduğu aşikardır. Tüm bu üretim teknolojilerinin ekonomik ve endüstriyel etkileri bir yana yasal ve etik sorunlara da yol açacağı düşünülebilir. Ev tipi kullanıma uygun 3 boyutlu yazıcılar ile silah parçalarını evde üretmenin mümkün olduğu gösterilmiştir. Çeşitli hafif silahların CAD datalarına ulaşmanın günümüzde bile zor olmadığı düşünülürse, gelecekte bu teknolojinin olumsuz toplumsal etkileri de olacağı tahmin edilebilir.

Konuyla ilgili ayrıntılı bilgi için yararlanılan kaynaklar ve akademik çalışmalar;

  1. http://www.belgeler.com/blg/lzb/hizli-prototipleme-sistemleri-ve-uygulama-esaslari-the-rapid-prototyping-systems-and-fundamentals-of-applications
  2. http://www.belgeler.com/blg/kq3/hizli-prototipleme-teknikleri-ile-kompleks-yapidaki-paralarin-retilebilirliklerinin-aratirilmasi-the-investigation-of-manufacturability-of-parts-having-complex-structure-by-rapid-prototyping-technologies
  3. http://www.belgeler.com/blg/17w3/prototipleme-teknolojilerinin-rn-tasarimina-etkileri-the-effects-of-prototyping-technologies-on-product-design
  4. http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling
  5. http://www.custompartnet.com/wu/selective-laser-sintering

Written by Osman Öztürk

2010 TOBB ETÜ Makina Mühendisliği mezunuyum, Selçuk Üniversitesi'nde yüksek lisans eğitimi ile birlikte Araştırma Görevliliği'ne devam etmekteyim.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.