Akustik İzleme – Lazer Tabanlı Katmanlı Üretimin Ticarileşmesinin Anahtarı mı?

Katmanlı üretim pazarı yükselişte. Sektör araştırma tahminleri gösterdiği gibi, 2020 yılında 7,17 milyar Euro değerinde olan küresel metal ve polimer katmanlı üretim pazarı, 2026 yılına kadar 19,23 milyar Euro'a genişlemesi bekleniyor. Bu büyüme eğrisi, altı yıl içinde neredeyse üç kat artışı işaret ediyor.

Çeşitli sektörler, üretim hedeflerine ulaşmak için katmanlı üretimden yararlanıyor. Özellikle raporlar, havacılık, türbin ve helikopter sektörlerinin önde olduğunu, en büyük payı aldığını gösteriyor. Bunu, tıp sektöründeki önemli benimseme yakından takip ediyor.

Pazarın büyüklüğü ve uygulama yelpazesinin sürekli genişlemesiyle birlikte, katmanlı üretim hem biçim hem de uygulanabilirlik açısından büyük ölçüde çeşitlenmiştir. Bu alandaki önemli bir gelişme, lazer tabanlı katmanlı üretimdir. Takip eden bölümlerde, ticari potansiyelini ve akustik izlemenin başarılı uygulamasında oynayabileceği önemli rolü inceleyeceğiz.

Ancak, bu yönleri daha derinlemesine incelemeden önce, lazer tabanlı katmanlı üretimin aslında neyi kapsadığını anlamak önemlidir.

Lazer Tabanlı Katmanlı Üretim Nedir?

MIT Sloan School of Management, katmanlı üretimi “bir nesneyi tek tek katmanlar inşa ederek oluşturma süreci” olarak tanımlar. Bu, nesnenin son ürün tamamlanana kadar katı bir malzeme bloğu üzerinden kesilerek oluşturulduğu çıkarımsal üretimin tersidir.

Tanıma göre, katmanlı üretim bir ürünü inşa ederek oluşturma sürecini ifade edebilir. Ancak pratikte, üç boyutlu baskıya (3D baskı) atıfta bulunur.

3D baskının tarihine baktığımızda, 1977 yılında Wyn Kelly Swainson, sıvı plastik içinde batırılmış bir tepsiye lazerin hedeflenmiş kullanımını patentledi; bu, üstte bir katı plastik tabakası kaynaştırıyordu. 1999 yılında Wake Forest Institute for Regenerative Medicine araştırmacıları bir mesane 3D baskı yaptı. Bu, insan tarihindeki ilk 3D baskı organı oldu. İlk fonksiyonel 3D baskı mobilya 2005 yılında ortaya çıktı. Daha büyük ölçekli endüstriyel bir kullanım ise Boeing'in FAA onaylı 787 Dreamliner için 3D baskı titanyum parçalarını piyasaya sürmesiyle gerçekleşti.

Katmanlı üretimin en başından itibaren lazerler kritik bir bileşen olmuştur. Laser Systems Europe, endüstriyel lazer sistemlerinin malzeme işleme için entegratörleri ve kullanıcıları için Cambridgeshire merkezli bir yayın, lazer katmanlı üretimi “bir lazer ışını kullanılarak tel veya toz malzemenin ardışık katmanlarının kaynaştırılması veya eritilmesiyle 3D nesne oluşturulması” süreci olarak tanımlar.

Bu teknoloji, yüksek mukavemetli metal alaşımlardan termoplastiklere ve reçinelere kadar çeşitli malzemelere uygulanabilir. Önemli bir hassasiyet seviyesinde karmaşık şekiller oluşturabilir.

Teknoloji ilerledikçe, lazerler geleceğimizi şekillendirmede kritik bir rol oynamaya hazırlanıyor. Uygulamaları iletişim, savunma, sağlık, temiz enerji/nükleer füzyon ve daha birçok alanda geniş yer bulmaktadır. Lazer tabanlı katmanlı üretim de aynı şekilde çeşitli uygulamalara ve birçok avantaja sahiptir.

Teknoloji ilerledikçe lazerlerin önümüzdeki on yıllarda kritik bir rol oynayacağını öğrenmek için buraya tıklayın.

Lazer Tabanlı Katmanlı Üretimin Türleri ve Avantajları

Lazer tabanlı katmanlı üretim, toz yatak kaynaştırma, doğrudan enerji biriktirme, malzeme püskürtme, levha lamine etme ve stereolitografi gibi farklı türlerde olabilir.

En belirgin avantajlarından biri, optimize edilmiş geometrilerle karmaşık yapılar oluşturabilmesidir. Geleneksel katmanlı üretim teknikleri bu hassasiyet seviyesine ulaşamaz.

Lazer tabanlı katmanlı üretimin sunduğu hassasiyet, son işlem ihtiyacını azaltmaya yardımcı olur. Malzeme atığını minimuma indirir ve geleneksel üretim süreçlerine kıyasla enerji tüketimini büyük ölçüde azaltır.

Lazer tabanlı katmanlı üretim süreçleri, tam ihtiyaca göre otomatikleştirilmesi ve özelleştirilmesi kolaydır. Yöntemin hassasiyeti ve otomasyon özellikleri, düşük maliyetli hızlı prototipleme için verimli bir çözüm sunar.

Lazer tabanlı katmanlı üretim montaj gerektirmediği için, talebe tam uygun şekilde, yalnızca gerekli malzemeler kullanılarak fazla veya israf olmadan üretilebilir. Ayrıca lojistik, taşıma ve atık yönetiminden kaynaklanan karbon ayak izini azaltarak çevreye fayda sağlar.

Lazer Tabanlı Katmanlı Üretimin Uygulama Alanları

Lazer katmanlı üretimin uygulama alanı geniştir. Örneğin, havacılık sektöründe yüksek performanslı ve hafif parçalar üretmede kritik bir rol oynar. Bu teknolojinin faydaları otomotiv sektörüne de uzanır; motor, şanzıman, egzoz sistemi ve frenler gibi temel bileşenlerin üretiminde kullanılır.

Ayrıca, lazer katmanlı üretim sağlık sektöründe, özellikle hasta‑spesifik karmaşık tasarımların oluşturulmasında önemli bir rol oynar. Bu, kalça ve diz implantları ile diş implantları gibi çeşitli protez çözümlerini kapsar.

Elektronik alanında, lazer katmanlı üretimin hassasiyeti yüksek hassasiyetli PCB'ler (baskı devre kartları) üretmek için kullanılır. Bu hassasiyet, antenler, sensörler ve transistörler gibi daha ince özelliklere sahip elektronik ürünlerin üretilmesini sağlar.

Teknolojinin potansiyeli, mikroelektromekanik sistemler (MEMS) üretiminde de görülür. Burada, ivme ölçerler ve jiroskoplar gibi karmaşık bileşenlerin oluşturulmasını kolaylaştırır.

Enerji sektöründe, lazer katmanlı üretim gaz ve rüzgar türbini parçalarının onarımında faydalıdır. Ayrıca impeller, vana ve ısı değiştiriciler gibi bileşenlerin üretiminde kritik bir rol oynar. Ancak, lazer katmanlı üretimin çok yönlü kullanım potansiyeline rağmen, henüz yeterince ticarileşmemiştir.

Lazer Katmanlı Üretim: Ticarileşme Eksikliği

2016 yılında yapılan bir çalışma, lazer katmanlı üretimin ticarileşme seviyelerinin ampirik analizine odaklandı. Bu araştırma, tüm lazer kaynaklarını kapsayan küresel endüstriyel lazer pazarının büyüklüğünü yaklaşık 3,3 milyar ABD doları olarak tahmin etti. Bu geniş pazarda, katmanlı lazer kaynakları yalnızca 100 milyon ABD doları değerindeydi. Yüzde olarak, lazer kaynakları toplam pazar değerinin sadece %3'ünü oluşturuyordu.

Bu sayılar, sektörden alınan niteliksel bilgilerle de doğrulanabilir. Örneğin, havacılık sektöründe düzenleyici ortam, lazer katmanlı üretimin kullanımını büyük ölçüde prototiplemeye sınırlamış ve ticari uçaklarda kullanılmasına izin vermemiştir. Benzer şekilde, otomotiv sektöründe lazer katmanlı üretim parçalarının sertifikalı kullanımı ancak yakın zamanda başlamıştır.

Bu nedenle, lazer katmanlı üretimin yaklaşan büyümesi, büyük üretim endüstrilerinde kullanım bulmasına bağlı olacaktır. Ayrıca, yeniliklerle desteklenerek potansiyelini daha belirgin bir şekilde ortaya koyması gerekecektir.

Akustik İzleme: Lazer Katmanlı Üretim İçin Oyun Değiştirici

Lazer tabanlı katmanlı üretimin beklenen ivmeyi kazanamamasının temel nedeni, beklenmeyen kusurlarla ilgili zorluktur. Bu kusurlar, termal görüntüleme ve makine öğrenimi algoritmaları gibi geleneksel yöntemlerle genellikle tespit edilemez.

Bu nedenle, kusurları gerçek zamanlı olarak verimli bir şekilde tespit etme yeteneği kritik öneme sahiptir. Bu yetenek, lazer katmanlı üretimin gerçek ticari potansiyelini gerçekleştirmesine önemli ölçüde yardımcı olabilir.

Kısaca açıklamak gerekirse, akustik izleme yöntemi, lazer katmanlı üretimde kusurları tespit etmek için, yazıcının kusursuz bir baskı ile hatalı ve düzensiz bir baskı sırasında çıkardığı ses farkına dayanan gerçek zamanlı bir çözümdür.

Akustik izlemenin lazer katmanlı üretimde kusur tespiti açısından öneminden bahsederken, EPFL'in Mühendislik Okulu, Termomekanik Metalurji Laboratuvarı Başkanı Prof. Roland Loge şöyle dedi:

“Araştırmamız sadece ilgili olduğunu doğrulamakla kalmıyor, aynı zamanda geleneksel yöntemlere göre avantajını da vurguluyor.”

Bu süreç, özellikle Lazer Toz Yatak Kaynaştırma (LPBF) ile üretilen ürünlerin kalite artırımında maliyet etkilidir. Lazer Toz Yatak Kaynaştırma işleminde, bir toz tabakası yapı platformuna yayılır. Lazer ışını, belirli bölgelerde tozu seçici olarak eritmek için kullanılır. Kaynaştırma tamamlandıktan ve katı bir nesne oluştuğunda, yeni bir toz tabakası tekrar üzerine yayılır ve süreç tekrarlanır. Bu katman‑katman tekrar, nihai ürün elde edilene kadar devam eder.

En iyi katmanlı üretim ve 3D baskı hisse senetleri listesi için buraya tıklayın.

Akustik İzleme ile Kusur Tespit Teknolojisi

EPFL ekibi, Paul Scherrer Enstitüsü (PSI) ve İsviçre Federal Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Laboratuvarları (Empa) ile iş birliği içinde tasarımı geliştirdi.

Hedeflerine ulaşmak için ekip, baskı odasına ultra hassas mikrofonlar yerleştirdi. Bu mikrofonlar, rejim değişiklikleri sırasında akustik sinyaldaki belirgin kaymaları tespit etmeye yardımcı oldu ve sonunda üretim kusurlarını tanımladı.

Araştırma, lazer katmanlı üretim alanına değer kattı; araştırmacılar bulgularının havacılık ve hassas üretim gibi lazer katmanlı üretimin endüstriyel uygulamalarını önemli ölçüde etkileyeceğine inanıyor.

Daha geniş etkileri göz önüne alındığında, lazer katmanlı üretimde yer alan birçok şirket çeşitli ürün ve çözümler sunmaktadır. Bu firmalar, çalışmayı daha fazla inceleyerek faydaları süreçlerine entegre etmeye hazırdır.

Lazer Tabanlı Katmanlı Üretimi Ticarileştiren Önde Gelen Şirketler

#1. IPG Photonics Corporation

IPG lazerlerini kullanan iki lazer katmanlı üretim süreci vardır: LMD (Lazer Metal Biriktirme) ve SLM (Seçici Lazer Eritme). SLM, geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip tamamen yoğun metal parçalar üretmede kritik bir rol oynarken, LMD süreci, tozu odaklanmış lazer noktasına eş eksende besleyen bir memeye sahiptir ve tamamen yoğun fonksiyonel metal bileşenlerin üretilmesini kolaylaştırır.

Bu süreçleri geliştirmede, IPG fiber lazerleri kritik bir rol oynar. Özellikle çok kilovat güç seviyelerinde, daha hızlı toz birikimi veya toz biriktirme oranları sağlayan sistem ve süreçlerin geliştirilmesinde belirleyicidir.

The range of materials compatible with IPG’s laser additive manufacturing process is notably diverse, including, but not limited to:

• Polimerler
• CoCr
• Alüminyum
• Ti alaşımları
• Paslanmaz çelik
• Alet çelikleri

Bu teknolojik ilerlemelerin başarısını gösteren IPG Photonics Corporation (IPGP ), 31 Aralık 2022'de sona eren yıl için güçlü finansal sonuçlar açıkladı. Şirket, 1,4 milyar ABD dolarının üzerinde bir gelir kaydetti ve hisse başına (temel) net gelir 2,17 ABD doları olarak belirlendi.

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

Yenilikçi bir lazer katmanlı üretim çözüm sağlayıcısı olan LMI, teknolojiyi her tür ve büyüklükteki şirketlere erişilebilir kılma vizyonuyla çalışmaktadır.

Ana ürünü Alpha 140, 200W gücünde hava soğutmalı bir fiber lazer kullanır ve paslanmaz çelik, nikel alaşımları, alet çeliği alaşımları ve alüminyum alaşımları işleme ile uyumludur. 140 µm odak çapı, ince detaylar ve ince duvarlarla hassas çıktılar üretmeye yardımcı olur. Mil tabanlı eksen sistemi, yüksek konumlandırma ve tekrarlama doğruluğu sağlar.

Sistemin 1,75 m x 0,95 m boyutları, ortamlar ve araştırma laboratuvarlarında alan verimliliği sağlar. Alpha 140 tarafından üretilen bileşenler, geleneksel LPBF makineleriyle üretilenlerle güç ve yoğunluk açısından karşılaştırılabilir.

LMI 1996 yılında kuruldu ve 2020'de, otomotiv, tıp ve havacılık gibi sektörlere katmanlı üretim çözümleri sunan bir makine üreticisi olan Kurtz Ersa ile iş birliği yaparak Alpha 140'ı Kurtz Ersa'nın dünya çapındaki dağıtım ağı ve 24 saat hizmetiyle pazarlamaya başladı.

#3. Prima Additive

Prima Additive, Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa'nın bir bölümü olarak, lazerin termal enerjisini kullanarak bir nesnenin bir bölümünü metal toz katmanına kaynaştıran Lazer Toz Yatak Kaynaştırma (LPBF) veya Seçici Lazer Eritme çözümleri sunar.

Prima Additive lazer çözümleri, karmaşık geometriler, küçük parti üretim sistemleri ve prototipler üzerinde çalışırken etkili olduğunu kanıtlamıştır. Toplamda beş çözümü bulunmaktadır.

Print Sharp 150, çelik, alüminyum, nikel, titanyum ve kobalt krom alaşımları gibi çeşitli malzemelerin işlenmesi için Ar‑Ge uygulamalarında etkilidir.

Başka bir modele geçince, Print Genius 150, çoklu lazer teknolojisinin çok yönlülüğüyle öne çıkar. Buna karşılık, Print Green 150 varyantı, saf bakır, bakır alaşımları ve yüksek yansıtıcılığa sahip malzemelerin işlenmesinde özellikle yararlı olan yeşil bir lazer kullanır.

Daha büyük ölçekli operasyonlar için, 300 Family çözümü mükemmel bir uyum sağlar. Yüksek verimlilik senaryoları için tasarlanmış olup, orta ve büyük boyutlu bileşenlerin üretimi için idealdir.

Son olarak, Print Genius 400, 1 metre yüksekliğe kadar büyük bileşenler üretmek için yüksek otomasyonlu bir seçenek sunar.

Gelir açısından, Prima Additives'in ana şirketi Prima Industries Spa, 30 Eylül 2022'de sona eren dokuz ay için 327 milyon Euro'dan fazla net gelir kaydetti. Bu, 30 Eylül 2021'de sona eren dokuz ay için 281 milyon Euro'dan fazla kaydedilen gelire göre önemli bir artıştı.

Akustik İzleme ve Diğer Yeniliklerle Lazer Katmanlı Üretimin Geleceği

Yenilikler devam ettikçe, lazer katmanlı üretimin gerçek ticari potansiyeline ulaşması sadece zaman meselesidir. Bu arada, akustik izleme kritik bir araç olarak devreye girer. Bu teknoloji, üretim tekniklerini daha tutarlı hâle getirmeye katkı sağlayacak. Kusurları erken tespit edip düzeltmelerini kolaylaştırarak, yakın gelecekte ürün kalitesini önemli ölçüde artırmaya hazırlanıyor.