Hızlı prototipleme

Hızlı prototipleme, bilgisayarda hazırlanan üç boyutlu CAD çizimlerinden direkt olarak elle tutulur fiziksel modeller elde etmemizi sağlayan imalat teknolojisidir. Hızlı prototipleme cihazları vasıtasıyla bilgisayarda çizimi yapılmış her türlü ürünün birebir modelini saatler içerisinde elde etme imkanı doğmuştur. Hızlı prototipleme cihazları kendi içerisinde farklılıklar göstermekle beraber prensipleri aynıdır. Bu yöntemde fiziksel modeller tabandan başlayarak katman katman yüzeylerin üst üste eklenmesiyle oluşturulur..
Amacı
Hızlı prototipleme teknolojileri ürün geliştirme süreçlerinde yaşanan problemlere çözümler getirmektedir. Bilgisayarda çizilen tasarımların seri üretime geçmeden önce prototiplerinin hazırlanması ve bu prototiplerin çeşitli testlerden geçmesi gerekmektedir. Bu süreç geleneksel yöntemlerle yapıldığında günler hatta haftalarca sürebilir. Hızlı prototipleme ile bu süreç saatler içerisinde gerçekleştirilir ve elde edilen prototipler hem görsel hem de fonksiyonel açıdan test edilebilirler. Olası tasarım değişikliklerine bu prototipler üzerinden karar verilerek gerekli değişiklikler süratle uygulanır.
Uygulama alanları
Ürünün görsel kontrolü yapılabilir ve olası form hataları gözlemlenebilir.
Birden fazla komponent içeren ürünlerin birbirlerine geçme detayları ve parçaların uyumu kontrol edilebilir.
Mekanizmaların çalışabilirliği test edilebilir.
Çok parçalı bir montaj parçası tek seferde üretilip çalıştırılabilir.
Hızlı prototip modelleri kalıp yapımında master model olarak kullanılabilir.
Hızlı prototip modelleri hassas döküm işlemi için kullanılabilir.
Teknik yeterlilikleri
Bilgisayar çizimi olan her şeyi bu yöntem ile üretebilir. Parçaların hacmi, et kalınlığı veya formu bir sınırlama oluşturmaz. Malzeme konusunda ihtiyaca göre değişik malzemelerden değişik renklerde üretim yapmak mümkündür. Esnek veya rigid, şeffaf veya mat parçalar üretebilir. Parçalar istenildiğinde kolayca boyanabilir ve birebir ürün üzerinde de kullanılabilirler. Kesilebilir, zımparalanabilir ve birbirlerine yapıştırılabilirler. Termal ve mekanik özellikleri değişken malzemelerden geniş bir üretim seçeneği sunmaktır.
Hızlı prototipleme teknolojileri
Polyjet
Bu teknikte oda sıcaklığında sıvı halde bulunan fotopolimer reçine 2 eksende bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden enjeksiyon bloğuna yürütülür. Blok üzerinde cihazlara göre değişen adetlerde (4 veya 8 adet) enjeksiyon kafası bulunmaktadır. Her bir enjeksiyon kafası üzerindeki 16 mikron çapındaki 1536 memeden malzeme püskürtülerek boş bir tepsinin üzerine bir katman oluşturulur. Püskürtülen hammadde morötesi (ultraviyole) lambalar vasıtasıyla tahliye edildiği anda dondurularak katılaştırılır. Her katmanda tepsi bir adım aşağıya iner ve katmanlar halinde parça inşa edilir. Enjeksiyon kafalarından yarısı parçayı oluşturan malzemeyi püskürtürken diğer yarısı da destek görevi görecek malzemeyi püskürtür. Üretim tamamlandığında parça tepsiden sökülür ve destek malzemesi parçadan mekanik yöntemlerle ayrıştırılır.
Polyjet sistemlerinde kullanılan hammadde bu yönteme özgü fotopolimer reçinelerdir. Termal ve mekanik özellikleri birbirinden oldukça farklı olan bir dizi malzeme seçeneğine sahiptir.
Bu teknoloji 1990'lı yılların sonunda Objet Geometries firması tarafından geliştirilmiştir.
Fused deposition modeling (FDM)
FDM tekniğinde şerit halindeki plastik hammadde ekstrüzyon kafasına iletilir. Burada malzeme ısıtılarak eriyik hale getirilir. Ekstrüzyon kafası 2 eksende bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket edebilen bir yapıdadır ve eriyik malzemeyi damlalar halinde boş bir tepsiye püskürterek parçayı oluşturacak ilk katmanı oluşturur. Her katmanda tepsi bir adım aşağıya iner ve böylece parça katmanlar halinde inşa edelir. Püskürtülen malzeme anında katılaşır ve tüm katmanların inşası tamamlandığında parça tepsiden sökülür. İnşa sırasında destek görevi gören bir yapı oluşur ve üretim tamamlandıktan sonra bu yapı parçadan sökülür.
İnşa malzemesi olarak ABS ve polikarbonat kullanılır. Destek malzemesi mekanik yöntemlerle parçadan sökülmekle birlikte son yıllarda geliştirilen yeni malzemeler suda çözünebilir niteliktedirler.
FDM teknolojisi 1980'li yılların sonunda S. Scott Crump geliştirilmiş, ilk ticari cihazı 1991 yılında piyasaya sürülmüştür.
Selective laser sintering (SLS)
SLS teknolojisinde toz halinde bulunan plastik malzeme bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden lazer ışınıyla taranır. Taranan bölgelerdeki malzeme sinterlenerek birbirine kaynaşır ve parçanın ilk katmanı oluşur. İkinci toz katmanı ilkinin üzerine sıvanır ve sinterleme işlemi sırasıyla devam ederek parçanın üretilmesi sağlanır. Katmanlar tamamlandıktan sonra parça toz havuzundan çıkarılır. Bu teknolojide destek yapısı kullanılmaz.
İnşa malzemesi olarak çoğunlukla poliamid kullanılır. Ancak son yıllardaki gelişmeler sonucu seramik ve metal tozları kullanılabilmektedir.
Bu teknoloji 1980'li yılların ortalarında Dr. Carl Deckard tarafından geliştirilmiştir.
Stereolithography (SLA)
Stereolithography tekniği oda sıcaklığına sıvı halde bulunan fotopolimer reçine tabakasının noktasal bir morötesi (ultraviyole) lazer ışını vasıtasıyla belirli bölgelerinin kürleştirilmesi prensibine dayanır. Bilgisayar destekli üretim (CAM) yazılımı ile hareket eden lazer ışını reçine tabakası üzerinde parça geometrisini tarayarak ilk katmanı oluşturur. İkinci reçine katmanı ilkinin üzerine sıvanır ve kürleştirme işlemi sırasıyla devam ederek parçanın üretilmesi sağlanır. Katmanlar tamamlandıktan sonra parça reçine havuzundan çıkarılır. Parça oluşurken destek görevi gören yapı parçadan mekanik olarak ayrıştırılır.
Stereolithography teknolojisinde hammadde olarak bu yönteme özgü fotopolimer reçineler kullanılır. Termal ve mekanik özellikleri birbirinden oldukça farklı olan bir dizi malzeme seçeneğine sahiptir. Bazı malzemeler ilave kürleştirme gerektirebilir ve bunlar ultraviyole banyosunda ikincil bir işleme tabi tutulmaktadırlar.
Elektron ışınlı ergitme (EBM)
Elektron ışınlı ergitme (EBM) (ingilizce: electron beam melting) prosesi toz halindeki metallleri ısıtarak ergitme ve birleştirme prensibine dayanır. Bu yönüyle ısıtarak toz bağlama (SLS) metodu ile benzerlik gösterir. 1000oC sıcaklıkta, vakumda bulunan hareketli tabla üzerine yaklaşık 0,1mm kalınlığında tabaka oluşturacak şekilde serilen metal tozları, bilgisayar kontrollü elektron bombardımanına tutulur. 2800oC elektron kaynağından gelen elektronlar hızlandırıldıktan sonra yarım ışık hızı büyüklükte bir hız ile toza çarpar. Bu hız elektronların kinetik enerjisi metali ergitmek için yeterlidir. Ergitme bittikten sonra Tabla dikey düzlemde aşağı kaydırılır, eritilecek yeni tabaka toz serilir ve proses tüm parçanın üretimin sonuna kadar tekrarlanır.
İletken maddelerde lazer kullanan SLS'ye göre daha verimli olan EBM, gözeneksiz, yoğun parçaların üretilmesi için idealdir. Ergitme işlemi vakumda gerçekleştiği için nitrat ve oksitlerden arınmış malzeme elde etmek mümkündür. Hassiyet beklenen karmaşık metal parçaların üretimine imkan sağladığı için sağlık sektöründe titanyum alaşımı implantların ve havacılık sektöründeki parçaların üretime imkan sağlar.
2001 yılında İsveçli Arcam AB tarafından ticarileştirilen teknik, firma tarafından 1995 yılından beridir Chalmers Teknik Üniversitesi ile ortaklaşa geliştirilmektedir.
Hızlı prototipleme malzemeleri
Hızlı prototipleme teknolojileri bir dizi plastik ve metal malzemeleri hammadde olarak kullanmaktadır. Bunlar ABS, PP, PC, fotopolimer, PA'dir.