Michelangelo'nun Davut heykeli

Michelangelo’nun Davut heykeli

Bu yazıda bahsedeceğimiz üretim yöntemi, Michelangelo’nun kemiklerini sızlatacak türden. Michelangelo, koca taş blokları yontarak ve fazlalıkları traşlayarak o ihtişamlı heykelleri yaparken, fazlalıkları çıkarmak yerine, ufak parçaları birbirine ekleyerek heykelleri kolayca yapabilmenin hayalini hiç kurmuş mudur, bilemeyiz elbette. Ama eğer bugün yaşıyor olsaydı, bu yazıda bahsedeceğimiz teknolojiyle yakından ilgilenmesinin oldukça muhtemel olduğunu iddia edebiliriz herhalde.

Geleneksel talaşlı imalat yöntemleriyle bir parça üretmek istediğinizde, arzu edilen geometriden daha büyük ölçülerdeki bir parçayı alıp, adım adım fazlalıklarını traşlayarak parçaya son şeklini vermeniz gerekir. Tıpkı bir heykeltraşın büyük bir taş parçasını yontarak ortaya bir heykel çıkarması gibi. Bu şekilde gerçekleştirilen imalat yöntemlerini genel olarak “çıkarmalı üretim” (İngilizce: subtractive manufacturing) yöntemleri olarak adlandırıyoruz. Çünkü parçaya son şeklini verebilmek için, fazlalıkları çıkarmanız gerekiyor.

Kaplumbağa yazdıran üç boyutlu bir yazıcı (Keith Kissel, CC BY 2.0)

Kaplumbağa yazdıran üç boyutlu bir yazıcı (Keith Kissel, CC BY 2.0)

Son yıllarda, çıkarmalı yöntemlerden farklı bir üretim anlayışının yavaş yavaş sanayide kendine yer bulmaya başladığını görüyoruz. “Eklemeli üretim” (İngilizce: additive manufacturing) yöntemleri adıyla sınıflandırılan bu üretim tekniklerinde, adından da anlaşılabileceği gibi, üretilmek istenen parça, malzemenin birbirine eklenmesiyle elde ediliyor. Yani bu sefer gereksiz parçaları çıkarmak yerine, malzemenin katmanlar halinde üst üste yığılmasıyla, sıfırdan son ürünün ortaya çıkması sağlanıyor. Bu şekilde gerçekleştirilen üretimlere, üç boyutlu bir parçanın yoktan yazdırılıyor olması nedeniyle, üç boyutlu yazdırma (İngilizce: 3D printing) adı da veriliyor.

Burada bir parantez açıp bir ayırım yapmamızda fayda var: İki ayrı parçayı kaynaklayarak ya da vidalayarak birleştirdiğimizde de eklemeli üretim yapmış sayılır mıyız, diye düşünüyorsanız, bunun cevabı hayır. Her ne kadar parçaları ekleyerek üretim yapıyor olsanız da, burada “eklemeli” tabiriyle kastedilen, bilgisayar ortamında tasarlanan bir modelden yola çıkılarak, malzemenin incecik katmanlar halinde üst üste yığılmasıyla parçanın üretiliyor olması.

Bu son cümleden de anlaşılabileceği üzere, eklemeli üretim yöntemleri her şeyden önce bilgisayar ortamında bulunan bir model ile başlıyor. Bu model, bilgisayar destekli bir tasarım (CAD) programı ile çizilebileceği gibi, üç boyutlu tarayıcılar vasıtasıyla, yazdırılacak objenin şeklini (ve hatta renklerini) bilgisayarın anlayabildiği bir veri türüne tercüme ederek de oluşturulabiliyor. Ardından bu model, yine bilgisayar ortamında ince, “dijital” katmanlar halinde doğranıyor. Sonrasında bir platform üzerine, en alttaki katmandan başlayarak, adım adım, sıvı, toz, ya da ince yaprak yapısındaki malzemeler üst üste, kesitler halinde yığılarak parçanın ortaya çıkması sağlanıyor. Son olarak, CAD programındaki modelin dijital kesitlerine denk gelen bu katmanlar birbirlerine eklenerek, ya da yığma esnasında kaynaştırılarak parçanın son haline ulaşılıyor.

Şimdi biraz da, farklı malzeme türlerinin eklemeli yöntemlerle nasıl üretilebildiğinden bahsedelim.

Resim: Zureks, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Resim: Zureks, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Üç boyutlu yazıcılar, en sık polimer malzemelerle üretim yapılırken kullanılıyor. Polimer esaslı malzemeler kullanılarak yazdırma işlemi yapılırken, kullanılan birkaç farklı üretim tekniği var. En yaygın olarak kullanılan yöntemde, incecik, iplik yapısında polimer bir elyaf, bir enjektör içinde ısıtılıp eritildikten sonra, tıpkı diş macununu diş fırçasının üzerine sıkar gibi, bir platform üzerine çubuklar halinde yerleştiriliyor (sağdaki resim). Polimeri sıkan enjektörün ağzının, sayısal kontrol sağlayan bir sistemle hem yatay, hem de dikey yönde hareket edebilmesi sayesinde, yazıcı, malzemeyi ilk olarak yan yana, ardından üst üste biriktirerek üç boyutlu parçayı oluşturuyor. 1990 yılında Stratasys adındaki bir şirket tarafından ticari olarak üretilen ve patenti alınan bu teknolojnin patent süresinin dolması nedeniyle, bugün bu şekilde üretim yapabilen cihazların açık kaynak bilgilerine kolaylıkla ulaşabiliyoruz. Açık kod sağlayan sitelere bir örnek olarak RepRap’ın internet sayfasını [bağlantı] gösterebiliriz. Konu üzerine Türkçe bilgi için ise Onur Önder tarafından hazırlanan 3b Yazıcı sayfasını [bağlantı] ve sitenin forumunu [bağlantı] ziyaret edebilirsiniz.

Yazdırma işlemi aynı zamanda toz yapısındaki malzemelerin sinterlenmesiyle de gerçekleştirilebiliyor. Genellikle metal ve seramik parçaları üretmek için kullanılan bu yöntem, aynı zamanda polimer parçaların üretimine de olanak sağlıyor. Bu teknikte, üretilecek olan parçanın modeli bilgisayar ortamında ince kesitler halinde doğrandıktan sonra, yukarı aşağı hareket edebilen bir piston üzerine toz yapısındaki malzeme seriliyor (aşağıdaki resim). Ardından, karbon dioksit lazeri gibi, çok yüksek güce sahip bir lazer ile, en alttaki kesitin yapısını ortaya çıkartacak şekilde platform üzerindeki tozlar taranarak, birbirlerine kaynaşmaları sağlanıyor. En alt katman bu şekilde ortaya çıktıktan sonra, piston aşağı doğru hareket ediyor ve bir üstteki kesiti oluşturmak için tozlar yeniden seriliyor. Bu katman da lazerle kaynaştılırdıktan sonra, piston tekrar aşağı iniyor ve prosesin bu şekilde, aynı adımlarla devam etmesi sonucunda parça üretilmiş oluyor. Bu üretim yöntemine aynı zamanda seçmeli lazer sinterlemesi (İngilizce: selective laser sintering, ya da kısaca SLS) adı da veriliyor.

Resim: Materialgeeza (Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Resim: Materialgeeza (Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)


Üç boyutlu yazıcı teknolojisinin sağladığı en önemli avantaj, hemen hemen her geometrideki parçanın üretimine olanak sağlıyor olması. En önemli dezavantajı ise, oldukça yavaş bir işlem olması. Bu da demek oluyor ki, eğer çok yüksek sayıda parça üretilmesi gerekiyorsa, plastik enjeksiyon gibi bir yöntemin tercih edilmesi daha doğru olacaktır. Fakat, eğer farklı tasarımlara sahip parçalardan az sayıda üretmek isteniyorsa, o zaman üç boyutlu yazıcı teknolojisinin doğru tercih olacağını söyleyebiliriz.

Bu açıdan baktığımızda, üç boyutlu yazıcı teknolojisinin özellikle tasarım süreçlerinde ve prototip aşamasında kullanışlı olacağını anlayabiliriz. Örneğin İsviçre’li saat üreticileri, yeni saat modellerini tasarlarken üç boyutlu yazıcılardan sıklıkla faydalanıyorlar. Yani, üretecekleri yeni modelleri bilgisayar çizimleri üzerinde değerlendirmek yerine, saatlerin prototiplerini üç boyutlu yazıcılarla üretip, tasarım sürecini gerçek objeler üzerinde düşünerek gerçekleştiriyorlar.

Yedek parça sektörü açısından önemi

Önümüzdeki yıllarda üç boyutlu yazıcıların öne çıkacağı önemli alanlardan bir diğerinin de, yedek parça sanayisi olduğu düşünülüyor. Örneğin araba bakımı ve tamiratı yapan servis istasyonları, değişmesi gereken parçaları yurtdışından getirtmek yerine, ihtiyaca göre yazdırma yoluna gidebilirler. Bu da, işçilik ve nakliye masraflarının aradan çıkması nedeniyle yedek parçalarda bir ucuzlamaya yol açacağı için yedek parça üreten birçok küçük üreticinin iflasına yol açabilir. Yazıcıların hammadde gerekisinimi nedeniyle, hammade tedarik zincirinin küçük üreticilerden lokal servis istasyonlarına doğru kayacak şekilde yol değiştirmesi de, bu sürecin kaçınılmaz bir sonucu olarak ortaya çıkacaktır.

Fakat şunu da açıkça söylemek lazım ki, her ne kadar akla yatkın görünse de, böyle bir senaryonun çok yakın bir gelecekte gerçekleşebilmesi pek muhtemel görünmüyor. Çünkü, yedek parça üretiminin geleneksel üreticilerden lokal servis istasyonlarına kayabilmesi için, öncelikle bu teknolojinin önündeki fiyat bariyerinin aşılması lazım. Diğer bir deyişle, özellikle metal yedek parça yazdırma becerisine sahip, yukarıda bahsi geçen seçmeli lazer sinterleme (SLS) prosesi, ekipman maliyetinin yüksek olması nedeniyle henüz yeterli cazibeye sahip değil.

Bu geçişin ne kadar sürebileceğine dair çok net tahminler yapmak oldukça zor elbette. Fakat, bir zamanlar koca bir odayı dolduran ve çok pahalı bir teknoloji olarak değerlendirilen bilgisayarların bugün geldiği nokta düşünülürse, bugün bize uzak görünen bu geçişin beklediğimizden daha yakın bir gelecekte günlük hayatımızın bir parçası olduğunu görebiliriz.