Katmanlı İmalat Parçaların Mikroyapı ve Mekanik Özellikleri

Katmanlı imalat (Additive Manufacturing – AM), karmaşık geometrilerin ve özelleştirilmiş tasarımların üretilmesinde devrim yaratmıştır. Ancak, bu teknolojilerle üretilen parçaların mekanik özelliklerinin güvenilirliği ve tutarlılığı, mikroyapısal özellikleriyle yakından ilişkilidir. Bu makalede, farklı katmanlı imalat yöntemleriyle üretilen metalik ve polimerik parçaların mikroyapısal özelliklerinin (tane boyutu, faz dağılımı, porozite, katman sınırları vb.) mekanik özellikler (çekme dayanımı, akma dayanımı, süneklik, yorulma dayanımı vb.) üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmektedir. Ayrıca, mikroyapısal kontrol ve optimizasyon stratejileri ile mekanik özelliklerin iyileştirilmesine yönelik güncel araştırmalar ve gelecekteki potansiyeller tartışılmaktadır.

1. Giriş

Katmanlı imalat (AM), dijital bir modelden katman katman malzeme eklenerek üç boyutlu nesnelerin üretilmesini sağlayan yenilikçi bir üretim teknolojisidir. Geleneksel üretim yöntemlerine kıyasla sunduğu tasarım özgürlüğü, malzeme kullanım verimliliği ve hızlı prototipleme imkanları sayesinde havacılık, otomotiv, tıp ve tüketici elektroniği gibi birçok sektörde uygulama alanı bulmaktadır [1, 2].

Farklı katmanlı imalat yöntemleri (örneğin, toz yatağı füzyonu (SLM, EBM), direkt enerji biriktirme (DED), bağlayıcı jeti (Binder Jetting), stereolitografi (SLA), eriyik yığma modelleme (FDM)) farklı ısı girdileri, soğuma hızları ve malzeme ekleme mekanizmaları içerir. Bu farklılıklar, üretilen parçaların mikroyapısında önemli değişikliklere yol açarak nihai mekanik özelliklerini doğrudan etkileyebilir [3, 4]. Bu nedenle, katmanlı imalat ile üretilen parçaların güvenilir ve öngörülebilir mekanik performans sergilemesi için mikroyapısal özelliklerinin detaylı olarak anlaşılması ve kontrol edilmesi kritik öneme sahiptir.

Bu makalede, farklı katmanlı imalat yöntemleriyle üretilen metalik ve polimerik parçaların tipik mikroyapısal özellikleri ve bu özelliklerin mekanik davranış üzerindeki etkileri incelenecektir. Ayrıca, mikroyapıyı kontrol etmek ve mekanik özellikleri iyileştirmek için kullanılan proses parametre optimizasyonu, ısıl işlem ve son işlem teknikleri gibi stratejiler değerlendirilecektir.

2. Katmanlı İmalat Yöntemlerinin Mikroyapı Üzerindeki Etkileri

Farklı katmanlı imalat yöntemleri, malzeme işleme prensipleri ve enerji kaynakları bakımından önemli farklılıklar gösterir. Bu farklılıklar, üretilen parçaların mikroyapısında kendine özgü özelliklerin oluşmasına neden olur:

2.1. Metalik Malzemelerde Katmanlı İmalat:

• Toz Yatağı Füzyonu (SLM, EBM): Bu yöntemlerde, ince bir metal toz tabakası üzerine bir lazer (SLM) veya elektron ışını (EBM) seçici olarak taranarak toz taneciklerinin eriyip katılaşması sağlanır. Yüksek enerji girdisi ve hızlı soğuma hızları, ince taneli, dendritik veya sütunsal bir mikroyapının oluşmasına neden olabilir [5, 6]. Katmanlar arası yeniden erime ve ısıl döngüler, tane sınırlarında ve faz dağılımında heterojenliklere yol açabilir. Ayrıca, yetersiz erime veya gaz hapsolması sonucu porozite oluşumu da yaygın bir problemdir [7].
• Direkt Enerji Biriktirme (DED): Bu yöntemde, metal tozu veya tel formundaki malzeme doğrudan bir enerji kaynağı (lazer, elektron ışını veya plazma arkı) ile ergitilerek yüzeye eklenir. Daha düşük soğuma hızları ve daha büyük eriyik havuzu boyutları, genellikle daha kaba taneli bir mikroyapının oluşmasına neden olur [8]. Katmanlar arası süreklilik ve bağ kalitesi, mekanik özellikler açısından kritik öneme sahiptir.
• Bağlayıcı Jeti (Binder Jetting): Bu yöntemde, toz yatağına seçici olarak bir bağlayıcı sıvı püskürtülerek toz taneciklerinin birbirine yapışması sağlanır. Ardından, “yeşil parça” olarak adlandırılan bu yapı, sinterleme veya infiltrasyon gibi bir son işlemle yoğunlaştırılır. Sinterleme parametreleri (sıcaklık, süre, atmosfer), nihai mikroyapıyı (tane boyutu, porozite, faz dağılımı) ve dolayısıyla mekanik özellikleri önemli ölçüde etkiler [9].

2.2. Polimerik Malzemelerde Katmanlı İmalat:

• Eriyik Yığma Modelleme (FDM): Bu yöntemde, termoplastik bir filament ısıtılarak ergitilir ve bir nozülden geçirilerek katman katman bir platform üzerine ekstrüde edilir. Katmanlar arasındaki bağ mukavemeti, eriyik sıcaklığı, ekstrüzyon hızı ve soğuma koşulları gibi parametrelere bağlıdır. Zayıf katmanlar arası bağlar, anizotropik mekanik özelliklere ve düşük dayanımlara neden olabilir [10].
• Stereolitografi (SLA) ve Dijital Işık İşleme (DLP): Bu yöntemlerde, sıvı bir fotopolimer reçinesi, UV ışığı veya bir projektör yardımıyla seçici olarak katılaştırılır. Yüksek çözünürlük ve pürüzsüz yüzeyler elde edilebilirken, polimer zincirlerinin çapraz bağlanma derecesi ve kalıntı stresler mekanik özellikleri etkileyebilir [11].
• Seçici Lazer Sinterleme (SLS): Bu yöntemde, polimer toz yatağı üzerine bir lazer seçici olarak taranarak toz taneciklerinin birbirine sinterlenmesi sağlanır. Tane büyümesi ve sinterleme derecesi, lazer gücü, tarama hızı ve toz özellikleri gibi parametrelerden etkilenir [12].

3. Mikroyapısal Özelliklerin Mekanik Özelliklere Etkisi

Katmanlı imalat ile üretilen parçaların mikroyapısında oluşan farklı özellikler, mekanik davranışlarını önemli ölçüde etkiler:

• Tane Boyutu ve Şekli: İnce taneli mikroyapılar genellikle daha yüksek akma ve çekme dayanımına (Hall-Petch ilişkisi) sahipken, kaba taneli yapılar daha iyi sürünme direncine sahip olabilir. Katmanlı imalat süreçlerinde gözlemlenen sütunsal veya dendritik yapılar, anizotropik mekanik özelliklere yol açabilir.
• Faz Dağılımı: Alaşımlarda, farklı fazların varlığı ve dağılımı, sertlik, dayanım ve süneklik gibi mekanik özellikleri önemli ölçüde etkileyebilir. Katmanlı imalat sırasında oluşan hızlı soğuma hızları, denge fazlarından farklı metastabil fazların oluşmasına neden olabilir.
• Porozite: Katmanlı imalatla üretilen parçalarda sıklıkla karşılaşılan porozite (gözenekler), efektif yük taşıma alanını azaltarak çekme dayanımını ve yorulma dayanımını düşürür. Porozitenin boyutu, şekli ve dağılımı mekanik performans üzerinde kritik bir rol oynar.
• Katman Sınırları: Katmanlı imalat sürecinin doğası gereği oluşan katman sınırları, mikroyapısal süreksizlikler oluşturabilir. Bu sınırlar, çatlak başlangıcı ve ilerlemesi için tercihli bölgeler olabilir ve özellikle katmanlara dik yöndeki mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir.
• Kalite Kontrol ve Kusurlar: Katmanlı imalat süreçlerinde oluşabilecek diğer mikroyapısal kusurlar (örneğin, çatlaklar, kaynaşmamış tozlar, kalıntı stresler) de mekanik özellikleri olumsuz yönde etkileyebilir. Bu nedenle, üretim sonrası kalite kontrol yöntemleri büyük önem taşır.

4. Mikroyapıyı Kontrol ve Mekanik Özellikleri İyileştirme Stratejileri

Katmanlı imalat ile üretilen parçaların mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için mikroyapının kontrolü ve optimizasyonu büyük önem taşır. Bu amaçla kullanılan çeşitli stratejiler bulunmaktadır:

• Proses Parametre Optimizasyonu: Lazer gücü, tarama hızı, katman kalınlığı, toz besleme oranı, ortam sıcaklığı gibi proses parametrelerinin dikkatli bir şekilde ayarlanması, eriyik havuzu dinamiklerini, soğuma hızlarını ve dolayısıyla mikroyapıyı doğrudan etkileyebilir. Bu parametrelerin optimizasyonu ile daha yoğun, ince taneli ve homojen mikroyapılar elde edilebilir.
• Isıl İşlem: Katmanlı imalat sonrası uygulanan ısıl işlemler (tavlama, menevişleme, yaşlandırma vb.), kalıntı streslerin giderilmesine, faz dönüşümlerinin kontrol edilmesine, tane büyümesinin düzenlenmesine ve homojen bir mikroyapının elde edilmesine yardımcı olabilir.
• Son İşlem Teknikleri: Yüzey pürüzlülüğünü azaltmak ve yüzey kusurlarını gidermek için uygulanan mekanik (taşlama, polisaj), kimyasal (dağlama) veya diğer son işlem teknikleri, yorulma dayanımını ve korozyon direncini artırabilir.
• Hibrit Üretim Yaklaşımları: Katmanlı imalatı geleneksel üretim yöntemleriyle birleştiren hibrit yaklaşımlar, hem karmaşık geometrilerin üretilmesini sağlar hem de mikroyapı ve mekanik özellikler üzerinde daha iyi kontrol imkanı sunar. Örneğin, katmanlı imalat ile şekillendirilen bir parçanın kritik bölgelerine geleneksel yöntemlerle iyileştirilmiş özelliklere sahip parçalar entegre edilebilir.
• Yeni Malzeme Geliştirme: Katmanlı imalat süreçlerine uygun ve üstün mekanik özelliklere sahip yeni malzemelerin geliştirilmesi, bu teknolojinin potansiyelini önemli ölçüde artıracaktır.

5. Sonuç ve Gelecek Perspektifleri

Katmanlı imalat teknolojileri, üretim alanında önemli bir dönüşüm yaratmaktadır. Ancak, bu yöntemlerle üretilen parçaların mekanik özelliklerinin güvenilirliği ve tutarlılığı, mikroyapısal özellikleriyle doğrudan ilişkilidir. Bu makalede, farklı katmanlı imalat yöntemlerinin mikroyapı üzerindeki etkileri ve oluşan mikroyapısal özelliklerin mekanik davranışa yansımaları detaylı olarak incelenmiştir.

Gelecekte, katmanlı imalat süreçlerinin daha iyi anlaşılması ve kontrol edilmesiyle, daha homojen, yoğun ve istenilen mikroyapıya sahip parçaların üretilmesi mümkün olacaktır. Proses izleme ve kontrol teknolojilerindeki gelişmeler, gerçek zamanlı mikroyapı takibine ve adaptif proses ayarlamalarına olanak tanıyarak üretim hatalarının azaltılmasına ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesine katkı sağlayacaktır. Ayrıca, yapay zeka ve makine öğrenimi tabanlı yaklaşımlar, proses parametrelerinin optimizasyonu ve mikroyapı-mekanik özellik ilişkilerinin modellenmesi konusunda önemli potansiyel sunmaktadır.

Sonuç olarak, katmanlı imalat ile üretilen parçaların mekanik özelliklerinin mikroyapısal analizi, bu teknolojinin endüstriyel uygulamalarının yaygınlaşması ve güvenilir mühendislik çözümlerinin geliştirilmesi açısından kritik öneme sahiptir. Disiplinlerarası bir yaklaşımla malzeme bilimi, üretim mühendisliği ve mekanik mühendisliği alanlarındaki bilgi birikiminin birleştirilmesi, katmanlı imalatın potansiyelinin tam olarak ortaya çıkarılmasına olanak sağlayacaktır.

Referanslar:

• [1][1] Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2014). Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. Springer.
• [2][2] Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172-196.
• [3][3] DebRoy, T., Wei, H. L., Zuback, J. S., Mukherjee, T., Elmer, J. W., Milewski, J. O., … & Babu, S. S. (2018). Additive manufacturing of metallic components—Process, structure and properties. Progress in Materials Science, 92, 112-224.
• [4][4] Frazier, W. E. (2014). Metal additive manufacturing: A review. Journal of Materials Engineering and Performance, 23(6), 1917-1928.
• [5][5] Herzog, D., Seyda, V., Wycisk, E., & Emmelmann, C. (2016). Additive manufacturing of metals. Acta Materialia, 117, 371-392.
• [6][6] Yadroitsev, I., & Smurov, I. (2011). Selective laser melting technology: From the single powder particle to the metal part. Physics Procedia, 12, 192-197.
• [7][7] Thijs, L., Verhaeghe, F., Craeghs, T., Van Humbeeck, J., & Kruth, J. P. (2010). A study of the microstructural and mechanical properties of selective laser melted Ti–6Al–4V. Acta Materialia, 58(9), 3303-3312.
• [8][8] Rodríguez, A., Sola, A., López-Acevedo, V., Martín, A., & Zapatero, J. (2018). Directed energy deposition (DED) for additive manufacturing: from basic principles to a real case study. Materials, 11(11), 1908.
• [9][9] Mostafaei, A., Li, W., Rastkar Kelishami, S., Cox, C., Leonard, D., Luo, A. A., & Chmielus, M. (2021). Binder jetting additive manufacturing of metals: Process, materials, and challenges. Applied Materials Today, 23, 101034.
• [10][10] Domingo-Espin, M., Puigoriol-Forcada, J. M., García-Granada, A. A., & Llumà, J. (2016). Tensile strength of PLA and ABS parts manufactured by FFF using a desktop 3D printer: Influence of layer height, infill percentage and number of perimeters. Materials & Design, 87, 427-433.
• [11][11] Melchels, F. P. W., Domingos, M. A. N., Streekstra, G. J., Planell, J. A., Boccaccini, A. R., & Mol, J. M. C. (2012). Additive manufacturing of tissues and tissue constructs. Progress in Polymer Science, 37(8), 1079-1104.
• [12][12] Caulfield, H., McHugh, P. E., Lohfeld, S., & Browne, M. (2007). The influence of processing parameters on the mechanical properties of polyamide parts produced by selective laser sintering. Journal of Materials Processing Technology, 182(1-3), 606-613.