Derin Okuma — SLM Metal 3D

Tozun içinde eriyen bir uçak parçası

Bir gaz türbini yakıt enjektörünün içinden geçen yakıt kanalları, geleneksel dökümde iki parçanın birleştirilmesiyle yapılır. Birleşim yerinde mikro çatlak riski vardır, akış yolu keskin köşelerle döner, basınç kaybı olur. Aynı parçayı bir toz yatağının içine katman katman eriterek ürettiğinizde, kanal tek parça halinde, iç yüzeyi pürüzsüz ve istediğiniz eğriyle çıkar. Yirmi yıl önce bu parçayı uçuran mühendisler, "acaba dayanır mı" sorusunu her uçuşta yeniden sormak zorundaydı. Bugün soru değişti. Soru artık "hangi parçayı hala dökümle yapıyoruz" haline geldi.

Seçici lazer eritme aslında ne yapıyor

SLM, yani seçici lazer eritme, bir toz yatağının üzerinde gezen bir lazerin belirli bir geometriyi tarayıp metali eritmesi, sonra yatağın bir katman aşağı inip yeni bir toz tabakası serilmesi ve işlemin tekrarlanmasıdır. Katman kalınlığı tipik olarak 20 ile 60 mikrometre arasındadır. Bir insan saçı kabaca 70 mikrometre kalınlığındadır, yani her katman saç telinizden ince bir film kadar.

Lazer, 200 ile 400 watt gücünde bir fiber kaynaktır ve odak noktasında nokta çapı 50 ile 100 mikrometreye iner. Tarama hızı saniyede 700 ile 1.500 milimetre arasında değişir. Üç sayı, yani güç, hız ve katman kalınlığı, parçanın yoğunluğunu ve iç gerilmesini belirleyen ana koldur. Aynı geometriyi farklı parametrelerle ürettiğinizde aynı parçayı elde etmezsiniz.

Taramada "hat aralığı" denilen dördüncü bir parametre vardır. Komşu iki tarama çizgisi arasındaki mesafedir ve tipik olarak 60 ile 120 mikrometre arasındadır. Hat aralığı, erime havuzunun genişliğinden küçük seçilirse komşu izler birbirine kaynar ve gözeneksiz bir yapı çıkar. Aralık havuz genişliğini aşarsa iki iz arasında erimeyen bir toz şeridi kalır ve parçanın içinde dikey bir gözenek sırası oluşur.

Erimiş metal, lazer geçtikten sonra saniyede milyonlarca derece mertebesinde soğur. Soğuma hızı, malzemenin içinde dökümde asla oluşmayan ince taneli bir yapı bırakır. İnce tane, çatlağa karşı direnç demektir. Ama aynı hızlı soğuma, parçanın içinde kalıntı gerilme biriktirir ve bu gerilme bir gün parçayı tabandan ayırabilir.

Katmanlar arası tarama yönü de her seferinde döndürülür. Bir katmanda X ekseninde tarayan lazer, bir üst katmanda 67 derece döndürülmüş bir açıyla tarar. Dönüşün amacı, aynı yönde üst üste binen izlerin yarattığı anizotropiyi dağıtmaktır. Sabit yönde basılan parçada çekme dayanımı yönler arasında yüzde 10 ile 15 fark ederken, döndürmeli stratejide bu fark yüzde 3 civarına iner.

Erime havuzunun içinde ne oluyor

Lazerin geçtiği yerde oluşan sıvı metale "erime havuzu" denir. Havuzun uzunluğu tipik olarak 100 ile 300 mikrometre, genişliği 80 ile 150 mikrometre arasındadır ve ömrü milisaniyelerle ölçülür. Kısa ömür boyunca havuzun içinde üç şey aynı anda olur. Metal buharlaşır, buhar bir kanal açar, kanalın arkası kapanırken sıvı metal yüzeye doğru akar.

Buharlaşmanın açtığı kanala "keyhole" denir, anahtar deliği benzetmesiyle. Lazer enerjisi belli bir eşiği geçtiğinde havuz yüzeyi kaynamaya başlar ve buhar basıncı sıvıyı iki yana iter. Keyhole rejimi derin ve dar bir erime sağlar, ama kararsızdır. Kanal aniden çökerse içinde bir gaz boşluğu kalır ve parçanın içinde gözenek olarak donar. Lazer gücü bu eşiğin altında kalırsa rejim "conduction" moda döner, erime sığ ve geniş olur, gözenek riski düşer ama üretim yavaşlar.

Eşik, malzemeye ve lazer nokta çapına göre değişir. Titanyum alaşımı için 100 mikrometre nokta çapında keyhole eşiği kabaca 150 ile 200 watt arasında başlar. Aynı güçte nokta çapını 50 mikrometreye indirirseniz yoğunluk dört katına çıkar ve rejim çoktan keyhole'a geçmiş olur. Yani güç tek başına anlam taşımaz, gücün nokta alanına bölümü, yani "enerji yoğunluğu" belirleyicidir.

Havuzun içindeki sıcaklık gradyanı, yüzey gerilimi farkı yaratır ve sıvıyı merkezden kenara doğru sürükler. Akışa "Marangoni akışı" denir. Akışın yönü, malzemenin içindeki alaşım elementlerinin nereye gideceğini belirler. Titanyum alaşımında alüminyum buharlaşmaya daha yatkındır, yani lazerin geçtiği her izde alaşımın bileşimi bir miktar kayar. Aynı parçanın farklı katmanlarında farklı alaşım oranı bulabilirsiniz.

Kaymanın ölçüsü küçük görünür ama toplanır. Bir izde alüminyum oranı binde birkaç düşer. Ancak keyhole rejiminde sıcaklık 2.500 dereceyi aştığında buharlaşma hızlanır ve kayıp, iz başına binde onlara çıkar. Yüzlerce katman boyunca tekrarlanan bu kayıp, parçanın üst bölgesinde alt bölgeye göre ölçülebilir bir bileşim farkı yaratır. Bazı üreticiler bu yüzden tozu bilinçli olarak alüminyumca zengin başlatır.

Tozun kendisi bir tedarik zinciri

SLM'de kullanılan toz, gaz atomizasyonuyla üretilir. Eriyik metal bir nozuldan geçerken yüksek basınçlı argon gazıyla püskürtülür ve kürecikler halinde katılaşır. İstenen tane boyutu dağılımı genelde 15 ile 45 mikrometre arasındadır. Aralığın dışındaki toz, ya yatağa serpilmez ya da lazer altında düzgün erimez.

Dağılımın şekli de en az aralık kadar önemlidir. Tane boyutları çan eğrisi biçiminde dağılırsa, küçük taneler büyüklerin arasındaki boşlukları doldurur ve yatak daha sıkı serilir. Tek tepeli dar bir dağılım, yatağı gevşek bırakır ve parçada yoğunluk düşer. O yüzden toz şartnameleri ortalama çapı değil, dağılımın genişliğini de tanımlar.

Tozun akışkanlığı, nem oranı ve oksijen içeriği doğrudan parça kalitesine yansır. Oksijen içeriği milyonda 1.000 seviyesinin üzerine çıktığında titanyum alaşımlarında gözenek oluşumu hızlanır. O yüzden toz, kapalı bir döngüde, argon atmosferi altında taşınır ve kullanılmayan toz elenip yeniden sisteme verilir.

Yeniden kullanım sınırsız değildir. Her döngüde tozun bir kısmı lazer altında sıçrar, oksitlenir veya topaklanır. Tipik bir tesiste toz, 10 ile 20 döngü arasında tazelenir. Bu, hammadde maliyetinin parça başına hesaba katılması gereken gizli bir kalem olduğu anlamına gelir.

Döngü arttıkça tane boyutu dağılımı sağa kayar. Küçük taneler sıçramayla kaybolur, geriye iri taneler kalır. Onuncu döngüde ortalama çap ilk partiye göre yüzde 10 ile 20 büyümüş olabilir. İri toz, yatağa aynı kalınlıkta serpilse bile daha az sayıda tane içerir ve erime davranışı değişir. O yüzden bazı tesisler döngü sayısına göre lazer parametrelerini yeniden ayarlar.

Tozun kendisi de bir kalite kontrol nesnesidir. Her parti için tane boyutu dağılımı, akışkanlık ve kimyasal bileşim ölçülür. Bir parti toz, kabul edilmeden önce numune parça basılıp çekme testine sokulabilir. Yani toz tedarikçisi, sadece hammadde satmaz, sertifikalı bir süreç parametresi satar. Havacılıkta bu sertifika zinciri kırılırsa parça uçamaz.

Havacılıkta neden bu kadar zor

Havacılık parçaları, üretimden sonra bir dizi doğrulamadan geçer. Bilgisayarlı tomografi ile iç gözenekler taranır, çekme ve yorulma testleri yapılır, yüzey pürüzlülüğü ölçülür. Bir parçanın uçuşa uygun sayılması için bu testlerin her birinden geçmesi gerekir. SLM parçalarında yüzey pürüzlülüğü, döküm parçalara göre daha yüksektir ve bu yüzey genelde talaşlı işlemeyle düzeltilir.

Yüzey pürüzlülüğünün ölçüsü mikrometre cinsinden ifade edilir ve yönlüdür. Yatay yüzeylerde pürüzlülük 8 ile 15 mikrometre arasında kalırken, destek gerektiren eğimli alt yüzeylerde 25 mikrometreyi aşar. Aşırı eğimli yüzeyde "basamak etkisi" oluşur, çünkü her katman bir öncekinin üzerine yarım mikrometre kayarak biner. Basamaklar talaşlı işlemede ek paso gerektirir.

Destek yapıları, bu sürecin en can sıkıcı kısmıdır. Erimiş metal, altında destek olmadan havada duramaz. O yüzden parçanın altına ve eğimli yüzeylerine ince kafes yapılar eklenir. Baskı bittikten sonra bu destekler kesilir, taşlanır ve parça yüzeyi yeniden işlenir. Destekler hem malzeme hem zaman yer.

Desteklerin bir de ısıl işlevi vardır. Baskı sırasında parçanın altındaki taban plakasına ısı kaçar ve bu kaçış, parçanın içinde dikey bir sıcaklık gradyanı yaratır. Destek kafesi, bu gradyanı yumuşatır ve parçanın altındaki hızlı soğumayı yavaşlatır. Destekler gereğinden seyrek olursa, alt bölgede gerilme birikir ve parça tabandan kalkar. O yüzden destek yoğunluğu, parçanın üst bölgesinde seyrek, alt ve eğimli bölgelerinde sık seçilir.

Bir diğer kısıt, baskı odasının boyutudur. Tipik bir endüstriyel SLM makinesi 250 x 250 x 300 milimetre ile 400 x 400 x 400 milimetre arasında bir hacme sahiptir. Daha büyük parçalar için ya makine büyütülür ya da parça bölünüp sonradan birleştirilir. Birleştirme, SLM'in tek parça avantajını kısmen geri alır.

Parçanın yönü de kritiktir. Aynı geometri, yatağa farklı açıyla yerleştirildiğinde farklı mekanik özellik verir. Katmanlar arası bağ, katman içi bağdan zayıftır.

Yani parçanın en zayıf düzlemi, yatağa paralel olan düzlemdir. Bir mühendis, parçayı yatak düzlemine göre 45 derece eğerek bu zayıflığı yük yönünden uzaklaştırabilir. Ama o eğim, destek ihtiyacını ve baskı süresini artırır. Her yerleşim kararı bir ödünleşimdir.

Bir parçanın gerçek maliyeti

Havacılıkta bir SLM parçasının maliyeti, sadece toz ve makine saatinden oluşmaz. Baskı öncesi hazırlık, destek tasarımı, baskı sonrası ısıl işlem, destek sökümü, yüzey işleme ve kalite kontrol zinciri toplam maliyetin büyük kısmını oluşturur. Bir parçanın baskı süresi 8 saatse, toplam üretim döngüsü 3 ile 5 güne çıkabilir.

Makine kullanım oranı, bu işin ekonomisini belirleyen en kritik değişkendir. Bir SLM makinesi yılda kabaca 6.000 saat baskı yapabilir. Saatin altında kalırsa, makinenin sabit maliyeti parça başına yüksek düşer ve parça pahalılaşır. O yüzden tesisler, aynı odada birden fazla parçayı aynı anda basarak doluluk oranını yükseltmeye çalışır.

Isıl işlem, maliyetin görünmeyen ama zorunlu kalemidir. Baskıdan çıkan parça, içinde birikmiş kalıntı gerilme taşır. Gerilme, parçayı tabandan keserken eğip büken bir kuvvete dönüşür. Parça, tabandan ayrılmadan önce genelde 600 ile 900 derece arasında bir tavlama işlemine girer. Işlem, taneleri yeniden düzenler ve gerilmeyi azaltır. Fırın süresi 2 ile 8 saat arasında değişir ve her parti için ayrı bir program gerekir.

Tavlama sonrası bazı parçalar sıcak izostatik preslemeye girer. Parça, 900 ile 1.000 derece arasında ve 100 megapaskalın üzerindeki argon basıncı altında sıkıştırılır. Basınç, içeride kalan küçük gözenekleri kapatır ve yorulma ömrünü belirgin biçimde artırır. Ancak işlem, parça başına maliyeti yüzlerce dolar yükseltir ve yalnızca kritik parçalarda kullanılır.

Piyasa Hafızası - 1995, Fraunhofer Enstitüsü

1995 yılında Almanya'daki Fraunhofer Enstitüsü'nde bir araştırma ekibi, metal tozunu lazerle katman katman eriterek ilk kez bir parçayı üretti. O dönemde teknoloji, laboratuvar ölçeğinde ve yalnızca birkaç milimetre boyutunda örneklerle sınırlıydı. Kimse bunun yirmi yıl içinde uçak motoru parçası üreteceğini öngörmüyordu. Ancak o ilk deney, "toz yatağında eritme" fikrinin çalıştığını kanıtladı ve sonraki yirmi yılın parametre araştırmasının temelini attı. Bugün havacılıkta uçan SLM parçalarının kökeni, o laboratuvar tezgahına kadar gider.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tabloda en dikkat çeken kalem, toz maliyetinin toplam içinde küçük kalmasıdır. Maliyetin ağırlığı baskı süresi ve baskı sonrası işlemlerdedir. Makine saat ücreti 80 dolardan 120 dolara çıktığında toplam maliyet yüzde 20'den fazla artar. Buna karşılık toz fiyatı yarıya inse bile toplam maliyet yalnızca yüzde 11 civarında düşer. Yani bu işin ekonomisi hammadde fiyatına değil, makine verimliliğine ve baskı sonrası zincire bağlıdır.

Bir başka duyarlılık, doluluk oranında saklıdır. Aynı odada tek parça basarsanız, 14 saatlik baskının tamamı o parçaya yazılır. Odaya beş parça sığdırıp aynı 14 saatte beşini birden basarsanız, parça başına makine maliyeti beşe bölünür. Ama beş parçanın destek ve yüzey işlemi ayrı ayrı yapılır, yani baskı sonrası zincir bölünmez. O yüzden SLM ekonomisinde kazanç, baskı odasının doluluğundan gelir, baskı sonrası işçilikten değil.

Okuma çerçevesi

Birincisi, SLM'in değeri tek parça üretmek değil, dökümle yapılamayan geometriyi üretmektir. İç kanallı, hafifletilmiş, tek parça bir yapı, dökümde birleştirme ve kaynak riskini ortadan kaldırır. İkincisi, bu teknolojinin darboğazı lazer değil, baskı sonrası zincirdir. Destek sökümü, ısıl işlem ve kalite kontrol, toplam maliyetin yarısından fazlasını yer.

Üçüncüsü, tedarik zinciri açısından SLM, stok tutmayı azaltır ama toz tedarikine ve makine kapasitesine bağımlılık yaratır. Bir tesisin yıllık üretim kapasitesi, kaç makinesi olduğuyla değil, o makinelerin kaç saat baskı yaptığıyla ölçülür. Toz erir, parça kalır, ama ekonomiyi belirleyen hep o erimeyen saatlerdir.