3D YAZICILAR İLE DÖKÜM PARÇA KUM KALIPLARI
OTEKON’16 8. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 23 – 24 Mayıs 2014, BURSA
3 BOYUTLU YAZICILAR İLE DÖKÜM PARÇA KUM KALIPLARININ HAZIRLANMASI
İsmail Durgun*, Davut Başaran**
* TOFAŞ Ar-Ge Merkezi, Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 PK.16369 Osmangazi, BURSA ** +90, İMES Sanayi Sitesi A Blok 101. Sokak No: 3 Yukarı Dudullu, İSTANBUL
ÖZET Günümüzde artan rekabette ürünü pazara erken sunmak için firmalar ciddi bir yarış içerisindedirler. Bu yarışta geliştirme süresinin kısaltılması, ürün hakkında piyasaya çıkmadan bilgi edinilmesi ve değişikliklerin hızlı uygulanabilmesi için en önemli desteklerden birisi 3B yazıcı yöntemleridir. Bu süreçte 3B yazıcı yöntemlerinden parçaların üretilmesinde yararlanıldığı gibi parçaların üretilmesi için gerekli olan kalıp ve teçhizatın üretilmesinde de faydalanılmaktadır. Bu çalışmada metal döküm parçaların kum kalıplarının direk olarak 3B yazıcı sistemlerinde üretilmesi incelenmiş ve üretimi gerçekleştirilen motor silindir kapağı döküm kalıbının üretimi yapılarak, yöntemin avantaj ve dezavantajları detaylı olarak ele alınmıştır.
Anahtar kelimeler: 3B Yazıcı, Kum Kalıp Üretimi, Hızlı Prototipleme, Voxeljet, Kum Kalıba Döküm, Motor Bloğu Silindir Kafası Üretimi
PREPERATION SAND MOULD OF CASTING PARTS WITH 3D PRINTING
ABSTRACT The companies are becoming quite competitive for reducing time to market activities in today’s world. 3D printing has a key role to shorten the R&D cycles, helps to get earlier market feedbacks and enables to adolpt innovative iterations to the products in this competititon. Morever, 3D printing not only a key technology for product manufacturing but also adds a value to produce molds, tools and the necessary equipments for realizing the product. In this study, 3D printed sand molds are analyzed directly ready for sand casting and also supported with a real case study of casting cycle of Cylindirical Heads of an Engine Block. Günümüzde artan rekabette ürünü pazara erken sunmak için firmalar ciddi bir yarış içerisindedirler. Bu yarışta geliştirme süresinin kısaltılması, ürün hakkında piyasaya çıkmadan bilgi edinilmesi ve değişikliklerin hızlı uygulanabilmesi için en önemli desteklerden birisi 3B yazıcı yöntemleridir. Bu süreçte 3B yazıcı yöntemlerinden parçaların üretilmesinde yararlanıldığı gibi parçaların üretilmesi için gerekli olan kalıp ve teçhizatın üretilmesinde de faydalanılmaktadır. Bu çalışmada metal döküm parçaların kum kalıplarının direk olarak 3B yazıcı sistemlerinde üretilmesi incelenmiş ve üretimi gerçekleştirilen motor silindir kapağı döküm kalıbının üretimi yapılarak, yöntemin avantaj ve dezavantajları detaylı olarak ele alınmıştır.
Keywords: 3D printer, Sand Mold Manufacturing, Rapid Prototyping, Voxeljet, Sand Casting, Engine Block Cylinder Head Production
1. GİRİŞ
Günümüzün üretim dünyasında ürünün pazara sürüm süresinin kısaltılması firmaların rekabetçi kalabilmeleri için önemlidir. Bu sürecin kısalmasının yanında, pazara sunumdan sonra gerekecek sorun giderici tasarım gereksinimlerinin de minimize edilmesi hatta sıfırlanması bir diğer önemli, tamamlayıcı koşuldur. Küresel rekabetle birlikte ürünlerin pazardaki yasam sürelerinin kısalması, ürün geliştirme süreçlerinin sıklaşmasını sağlamıştır. Her sektörde olduğu gibi üretim sektöründe artan teknolojik olanaklar ile ürün geliştirme sürecinin kısalmaya devam ettiği gözlenmektedir. Günümüz tasarım ve üretim dünyasında müşteri odaklı ürün geliştirme artık kaçınılmaz bir gerçektir (1).
Bu süreçte gün geçtikçe daha fazla katkı sağlayan teknolojilerden birisi de 3B Yazıcı teknolojileridir (2). Her geçen gün farklı yöntemler yanında kullanılan malzemelerde geliştirilmektedir. Bu yöntemlerin ürün geliştirme sürecinin farklı aşamalarındaki kullanımları yanında üretilen parçaların direk olarak bitmiş üründe kullanımı ve seri üretim parçalarının üretimleri için gerekli kalıp ve modellerin üretiminde de kullanılmaktadır (Şekil 1).
Metal döküm parçaların üretimlerinde uzun yıllardır 3B yazıcı yöntemleri kullanılmaktadır. Başlangıçta mum modellerin SLS ve termo-jet yazıcılarda üretilmesiyle başlayan bu süreçte sonraları plastik modellerin de döküm için kullanılabileceği test edilmiş ve plastik modellerin SLA ve FDM yöntemleri ile üretilmesiyle devam etmiştir (4-7). Bu uygulamalarda modeli çevreleyen seramik kabukta modelin yakılması sırasında çatlak problemleri görülmüştür. Bu durumun çözülmesi için 3B yazıcı ile üretilen modellerde dış yüzey süreklilik gösterirken modelin iç kısımları bal peteği yapısında üretilmiştir (8). Günümüzde çok küçük boyuttaki veya prototip parçaların üretiminde bu yöntemler hala kullanılırken, döküm kalıpların üretiminde de 3B yazıcı kullanımları geliştirilmiştir (9-11).
Bu çalışmada kum döküm kalıbının direk olarak 3B yazıcı metodu ile üretilmesini sağlayan yöntemlerin anlatılacak ve bir örnek uygulama üzerinden yöntemin değerlendirilmesi yapılacaktır.
2. KUM KALIP VE MAÇALARIN HAZIRLANMASI
Kum kalıplar ve maçalar konvansiyonel yöntemlerde negatif model yöntemiyle üretilmekte olup, döküm endüstrisinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Model kesim hattına göre 2 ya da daha fazla parçalı olarak PoliÜretan blok, MDF, ahşap ya da FDM 3B Yazıcı gibi malzemelerden çift taraflı olarak modeller üretilir. Üretilen modelin etrafına bir çerceve oluşturularak, oluşan hacime reçineyle karıştırılmış kum dökülür. Kum sertleştiğinde model kumdan ayrılır ve kum bloğunun içinde modelin bir yarısının döküm boşluğu oluşur. Aynı işlem modelin kalan ayırma yüzeyine de uygulanarak, kalıbın diğer kısmı elde edilir. Ardından, elde edilen 2 kalıp karşılıklı kapatılarak, yolluk vasıtayla iç boşluğa eriyik metal malzeme dökülür. Ardından, dökülmüş metal etrafındaki kum kalıp vibrasyonla kırılır ve amaca, dökülen metale ulaşılır.
Seri imalatta çok yoğun kullanılan bu yöntemle üretimde karmaşık geometriler ve maçalı yapıların üretimi ciddi bir zaman sürecidir. Kalite kontrol ve ölçüm süreçleri de göz önüne alındığında az adetli üretim ya da prototip gereksinimleri için konvansiyonel kum döküm yöntemi çok maliyetli ve zaman alıcı süreçtir.
Günümüz teknolojisinde 3B yazıcıları ile artık kum kalıp üretmekte mümkündür. Bu yöntemlerde döküm kalıp direk olarak dökümhanelerde kullanılanlara benzer kum ve kumları bir arada tutan reçine kullanılarak üretilmektedir (Şekil 3). Bu yöntemde alışıla gelmiş prototip yöntemlerinden farklı olarak çok kısa sürede kum kalıp üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Bu yöntemlerde destek malzemesi de kullanılmadığı için üretim sonrasındaki ardıl ve temizleme işlemleri de kısa sürmektedir. Reçine ile temasta olmayan kum taneleri parçadan kolaylıkla uzaklaştırılarak parça elde edilebilmektedir. Parça üretiminde kullanılmayan kumlar ise üretim prosesi yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmediği için bir sonraki kalıp üretiminde kullanılabilmektedir.
Bu yöntemlerde hiçbir prototip üretiminde olmayan boyutta parça üretimi mümkündür. 4m x 2m x 1m üretim havuzu boyutlarına sahip makinalar geliştirilmiştir (12). Bu boyutlar ile ister büyük tek parça için döküm kalıbı hazırlanabildiği gibi özellikle küçük parçaların seri üretimi için çok sayıda döküm kalıbını da birlikte üretmek mümkün olabilmektedir.
Bu üretim yöntemlerinin bir başka özelliği ise şuan için hiçbir 3B yazıcı yönteminde olmayan bir şekilde sonsuz üretim mümkün olabilmektedir (Şekil 4). Yani sabit kesitte sınırlamasında boy olarak sonsuz boyutta bir parça üretmek mümkün olabilmektedir.
Bu yöntemler ile elde edilen kum kalıp ve maçaların malzemesi konvansiyonel / geleneksel yöntemlerle aynı olduğu için doğrudan döküm işlemlerinde kullanılırlar (Şekil 5). 3B yazıcılar ile 140 µm ortalama tane büyüklüğünden başlayan farklı boyutlardaki kum taneleri kullanılarak 300 µm den başlayan katman kalınlıklarında parça üretimi yapılabilir (15). Bu sayede daha düzgün bir yüzey kalitesi elde edilmesi sağlanırken hassas ve karmaşık bölgelerin başarı ile elde edilmesi sağlanır. Bu özellikleri nedeni ile geleneksel yöntemlere göre fark oluştururlar.
Bu yöntemler geleneksel yöntemlere göre belirli sayıda parça üretimi için daha ekonomik olabilmektedir. Boyutsal beklentilerin dışında bir değerlendirme yapılarak seri parçaların dökümlerininde bu yöntemler başarı ile kullanılabilir.
3B Yazıcı ile çok hızlı ve ekonomik bir şekilde metal döküm için kum kalıplar ve maçalar üretilebilmektedir. Üretim için bilgisayarda çizilmiş 3B model tek başına yeterli olmaktadır. Bu model bir yazılımla dilimlere ayrılarak, oluşturulan data 3B Yazıcıya gönderilmekte ve yazıcı her bir katman kalınlığında dosyadaki yolları referans alarak x ve y ekseninde üretim alanına serilen toz taneciklerini bir bağlayıcı püskürterek birleştirmektedir.
3B Bilgisayar modeli kullanılarak 3B Yazıcı ile üretilen kum kalıp ara bölgelerindeki toz malzelemeler temizlendikten sonra dişi-erkek parçaları karşılıklı kapatılarak döküme hazır hale gelir. Bu parçalar bir aparat(işkence) vasıtasıyla sıkıştırılır ve içine yüksek sıcaklıklarda ergitilmiş Çelik, Alüminyum gibi metaller dökülebilir. Döküm işleminden sonra kalıp soğutulur ardından etrafındaki kum kırılarak ya da titreşim uygulanarak dağıtılır ve metal parçaya ulaşılır. Yolluklar kesilen ve kalıp ayırma hattı tesviyelenen metal parça elde etmek istediğimiz bilgisayar modelinin kendisidir. İlaveten, dökülecek metalin çekme payı 3B modele eklenmelidir ki sonuçta üretilecek model ölçüsel olarak istenilen boyutta olsun.
Düşük ebatlarda ve karmaşık maçalar içermeyen bir parçanın klasik kum döküm işleminde 4 hafta kadar bir süreye ihtiyaç duyulurken, bu yöntem ile parça üretimi yaklaşık olarak 5 iş günü sürmektedir (Şekil 5). İlk parçanın elde edilmesindeki süreyi bu kadar kısaltması ürün geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan prototip parçaların üretilmesi için tercih edilmesini sağlamaktadır. Büyük boyutları nedeni ile çok sayıda kalıbı bir kerede üretebilmesi nedeni ile seri üretim sürecinde de zaman kazancı oluşturmaktadır.
Bu yöntemlerde geliştirilen malzemeler ve bağlayıcılar ile sadece kum kalıp üretimi için değil otomotiv, uçak, enerji, hidrolik sistemler, denizcilik, döküm, mühendislik ve tasarım çalışmaları, sanat, mimari ve film endüstrisi için doğrudan parça üretimi de yapılabilmektedir (18, 19). Şekil 6’da örnek uygulamalardan bir kaçı görülebilir.
Bu yöntemlerin avantajları (21, 22); • 4 x 2 x 1 m boyutları ile en büyük 3B yazıcı parça üretimin kapasitesi • Üretim sonrası ardıl işem sürelerinin çok düşük olması • Kum ve reçineler dökümhanelerde kullanılan malzemelerden oluşması • Kum dökümde alüminyum, magnezyum, dökme demir ve çelik dökümüne uygun kum döküm yapılabilmesi • Gerektiğinde 5 iş gününde parça elde edilebilmesi • 140 µm kalınlığındaki kum katmanları kullanımı ile kompleks ve detay parçalarda hassas yüzey kalitesi ve kontur tutarlılığı • Ayrıntılı ve pahalı kalıp ekipman olmadan modellerin hızlı ve verimli üretimi ile uygun maliyetli parça temini • Parça üretiminde kullanılmayıp haznede kalan kumlar bir sonraki üretimde %100 kullanılabilirliği • Hızlı parça üretim prosesi
• Destek malzemesine gerek duyulmaması • Tasarım değişikliklerini ve model iterasyonlarını kolay uygulama olanağı • Pahalı kalıp setleri ve ayarlama ihtiyacının olmayışı • Çevre dostu(inorganik) bağlayıcıların kullanılabilmesi • Oda sıcaklıklarında üretim nedeni ile üretilen kum maça/kalıp parçalarında ısısal deformasyonçarpılmaların görülmemesi
Dezavantajları ise, • Darbe ya da sarsıntı halinde kum maça ya da kalıpların çok çabuk dağılabilmesi • Taşıma zorluğu • Döküm öncesi ön işlemlerde uzman personel/bilgi birikimi gerekliliği
3. ÖRNEK UYGULAMA
Yapılan örnek çalışmada motor geliştirme sürecinde ihtiyaç duyulan 6 silindirlik bir motorun üst bölgesindeki silindir kafalarının üretimi yapılmıştır. Ön testlerde ve geometri doğruluğunda gerek test gerekse de fonksiyonel beklentileri kontrol edebilmek adına prototip gereksinimi karşılanmıştır. Beraberinde iyileştirilmiş fonksiyonları da test edebilmek adına bir dizi iteratif prototip silindir kafası üretimi gerçekleştirilmiştir.
Bu çalışma için öncelikle bilgisayarda çizilen 3B matematik modelin temini sonrasında hangi büyüklükte kum tanelerinin üretimde kullanılacağı tespit edilmiştir. Üretilecek model için 20 adet maça kullanılacaktır. Bu maçaların detayları, ara yüzeylerdeki hassasiyet ve yüzey pürüzlülüğü değerlendirilerek üretim için ortalama 140 µm boyutundaki tanelere sahip GS14 malzemesi seçilmiş ve 300 µm katman kalınlığında üretim yapılmıştır. Oldukça karmaşık maçalar için kum malzemeden 3B Yazıcı yöntemiyle üretim çok ciddi bir avantaj sağlamıştır.
Malzeme ve sistem seçiminden sonra 300µm’luk dilimlere ayrıştırılan 3B model, üretim yapılacak Voxeljet sistemine gönderilmiş ve katman katman olarak kum malzemeden kalıp ve maça üretimleri gerçekleşmiştir. Kum kalıp ve maçalar üretildikten sonra, boşluk yüzeylerindeki bağlanmamış/birleştirilmemiş toz bir hava tabancası yardımıyla temizlenerek parçalar döküm için bir araya getirilmeye hazır hale gelmiştir. Ardından, önce alt ve üst gövde kalıpları sonrasında maçalar olmak üzere her bir kum parça birleştirilerek 6 silindirlik motor kafası kalıbı elde edilmiştir. Birleştirilen kalıba eriyik halde metal dökülmüş, soğumanın ardından kalıp kırılarak ya da titreşimle uzaklaştırılarak istenilen silindir kafası metal malzemeden üretilmiştir.
Voxeljet 3B Kum Yazıcı sistemiyle üretilen silindir kafası kalıp ve maçaları sayesinde araç motor gelişimdeki prototip süreçlerinde yaklaşık 160 günlük bir kazanç elde edilmiştir. Konvansiyonel üretim yöntemleriyle her bir kum maçanın üretimi günler almakta ve böyle karmaşık ve çok parçalı kalıpların üretiminde oluşabilecek hatalar da göz önüne alındığında 3B yazıcı teknolojisi Arge sürecine çok ciddi değer katmaktadır.
4. SONUÇLAR
Yapılan örnek uygulama ile büyük bir parçanın döküm kalıbı oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar bu yöntemin hem süre hem kalite hem de maliyet avantajları net olarak ortaya koymuştur. Bu yöntem prototip parçaların döküm kalıplarında olduğu gibi belirli bir sayıya kadar seri üretim parçalarının üretiminde de maliyet avantajı sunmaktadır. Ayrıca geliştirilen malzeme ve reçine çeşitliliği ile sahip olduğu boyutsal üstünlük sayesinde çok fazla alanda direk olarak kullanılacak parça üretimi de mümkün olacaktır.
KAYNAKLAR
1. Sofu, M.M., Delikanlı, K., (2006). “Hızlı Direkt İmalat Yöntemleri ve Uygulamaları”, TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi, 26-28 Nisan 2006 – Balıkesir
2. Dolinsek, S., Kopač, J., Brtoncelj, G., Čosić, P., (2008). “Rapid Tooling in Sand Casting Applications”, 12th International Research/Expert Conference, ”Trends in the Development of Machinery and Associated Technology”, Istanbul, Turkey
3. Wohlers Report 2015
4. Akarte, M.M., Ravi, B., (2000). “RP/RT route selection for casting pattern development” Manufacturing Technology, Proc. Of 19th AIMTDR Conference
5. Patil, R., Kumar, S.M., Abhilash, E., (2012). “Development of Complex Patterns: Scope and Benefits of Rapid Prototyping in Foundries”, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 1, Issue 4
6. Khandelwal, H., Ravi, B., (2015). “3D Printing Enabled Rapid Manufacture of Metal Parts at Low Cost” Technical paper presented at 63nd Indian Foundry Congress, Noida
7. Alain, B., et al. (2003). “Integration of CAD and rapid manufacturing for sand casting optimisation” Rapid Prototyping Journal 9.5: p.327-333
8. Hilton, P.D., Jacobs, P.F., (2000). “Rapid Tooling Technologies and Industrial Applications”, Marcel Dekker, New York 9. Budzika, G. ve ark., (2014). “The Application of VoxelJet Technology to the Rapid Prototyping Gear Cast”, Archives of Foundry Engineering, Volume 14, p.87-90
10. Dean, S., Williams, C., Druschitz, A., (2014). “A Comparison of Binder Burnout and Mechanical Characteristics of Printed and Chemically Bonded Sand Molds” SFF Symposium, Austin
11. Pieklo, J., Maj, M., (2014). “Methods of Additive Manufacturing Used in the Technology of Skeleton Casting”, Archive Soft Metallurgy And Materials, Volume 59, Issue 2, DOI: 10.2478/amm-2014-0114, p. 699-702
12. http://investor.voxeljet.com/sites/voxeljet.investorhq.businesswire.com/files/event/additional/voxeljet_Com pany_Presentation__Piper_Jaffray_TMT_03102015_0.pdf
13. http://www.voxeljet.de/fileadmin/Voxeljet/Systems/Gesamtbroschuere_SYSTEMS_en_2013.pdf
14. http://www.mp.haw-hamburg.de/ipt/downloads/rp12/Voxeljet_Hartmann.pdf
15. http://www.lut.fi/documents/10633/335186/140512+Firpa+Annual+Meeting+2014+Ville+Moilanen.pdf/a9 590ad1-5541-456f-be84-aa92dbdfe501
16. http://www.voxeljet.de/uploads/tx_sdreferences/pdf/sand_model_VX_Testmould_ENG_2012.pdf
17. https://www.norskindustri.no/siteassets/dokumenter/foredrag/2015/stoperifoufebruar2015_3d-sandprinting–cores–moulds-for-the-foundry-industry_david-stevenson.pdf
18. http://investor.voxeljet.com/sites/voxeljet.investorhq.businesswire.com/files/doc_library/file/voxeljet_Citi_ 2014_Global_Technology_Conference_Presentation_9_04_14_Draft_v1.pdf
19. http://www.voxeljet.de/fileadmin/Voxeljet/Services/Sand/Technical_data_sand_2015.pdf
20. http://www.cluster-print.de/uploads/media/3D-Druck_in_der_industriellen_Produktion.pdf
