3D kompozit, katmanlı üretime yeni bir soluk getirir. Üç boyutlu ürün basmaya olanak sağlayan bu yeni teknoloji, adından sıkça söz ettireceğe benziyor. Geleceğin malzeme teknolojisinde dönüm noktası olabilecek bu teknoloji pek çok avantajı da beraberinde getiriyor.

3D Kompozit Baskı Nedir?

3D printer

3D kompozit baskı, fiber bileşenlerin plastiklere eklenmesiyle beraber üç boyutlu basım yapmayı mümkün kılan bir teknolojidir. Bu sayede parçalara sağlamlık, sertlik ve dayanıklılık gibi gelişmiş parametreler eklenmiş olur. Doğranmış elyafın doldurulması ve bu işlemin sürekli şeritlerde takviye edilmesi üzerine elyaflar plastikle birleştirilir. Bu işlemdeki odak nokta, sürekli elyaf takviyesi yapılmasıdır. Bu durum, kıyılmış elyafın işleme eşit düzeyde katkı sağlamıyor olması ve mukavemet gösterebilme kabiliyetine çok fazla katkıda bulunmuyor olmasından kaynaklanır.

3D Kompozitte Kullanılan Malzemeler

3D kompozit için gerekli bileşenlerden biri elyaftır. Plastiğin elyafla karıştırılarak bir matris oluşturulması gerekir. Esasen günümüzde hali hazırda kullanılan pek çok farklı elyaf türü var. Fakat bu elyaf türlerinden esas olarak kullanılan üç elyaf türü bulunur: Karbon fiber elyafı, fiberglas elyaf ve Kevlar yani bilinen diğer adıyla PPD-T elyafı.

İşlem esnasında ihtiyaca göre kısa veya uzun lifler tercih edilebilir. 3D yazıcılar ile daha uyumlu bir halde çalışmaya uygun olan kısa lifler, tüm matrise entegre edilmiş bir vaziyettedir ve bu lifler tüm parçayı güçlendirir. Uzun lifler ise baskı işlemi sırasında prosese dahil edilir. Uzun lifler küçük parçalar halinde olacak şekilde kesilemezler. Dolayısıyla sadece ihtiyaç halinde takviye yapılmasına müsaade eder. Bundan kaynaklı olarak uzun lifler yalnızca belli başlı makineler ile uyum halinde çalışırlar.

1. Karbon Fiber Takviyeli Malzemeler

Kimyager Joseph Swan’ın 1860 yılında icat ettiği karbon fiber, günümüzde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Karbon fiber malzeme birbirine bağlı karbon atomların oluşur. Bu karbon atomları iplikler halinde hizalanan kristal bir yapıdadır. Bu yapısı sayesinde gerilime maruz kalındığında ciddi anlamda stabilite sağlar. Alüminyumun iki katı güç ve ağırlık oranına sahip olmasının yanında hafif ama sağlam uç parçalarını işlenebilir kılmada da dikkate değer bir öneme sahiptir. Karbon fiber takviyeli malzemeler yüksek sertlik gösteren, yüksek çekme mukavemeti ve başarılı kimyasal direnç gösteren özellikleri ile ön plana çıkar.

Karbon fiber malzemelerin 3D kompozitte kullanılması ile alakalı bazı özel durumlar söz konusudur. Mesela yüksek kaliteli parça üretimi sağlayabilmek için sertleştirilmiş çelik baskı nozulunun kullanılması ciddi önem taşır. Bu ve benzeri kurallar karbon fiber takviyeli diğer matris malzemeleri için de geçerlidir. Naylon, ABS, PLA gibi matrislere karbon fiber ekleyerek malzemeyi daha hafif ama daha güçlü bir hale getirmek mümkün. Bu tarz elyaflar termoplastiklere uyum sağlamasının yanında seramiklerle de birleştirilerek yeni uygulamalara olanak tanır. Karbon fiber takviyeli malzemeler inşaat, otomotiv, havacılık gibi birçok farklı sektörde yaygın bir şekilde kullanılır.

2. Fiberglas Takviyeli Kompozit Malzemeler

Fiberglas malzeme 1930 yılında piyasaya sürüldü ve o günden beri birçok termoplastik polimerde takviye görevi görebilmek için kullanılır. Fiberglas malzeme uygun zeminde kullanıldığı takdirde ABS’den on kat daha güçlü malzemeler üretilmesine olanak tanır. Fiberglas kompozitler karbon fiber malzemelere kıyasla daha az sert ve kırılgan malzemelerdir. Maliyetle beraber bu özellikler fiberglas kompozitleri diğer malzemelerden farklı kılar. Fiberglas kompozitler elektrikleri yalıtmada başarı gösterirler. Ayrıca düşük ısı iletkenliğine sahiplerdir. Düşük büzülme özelliği sayesinde bükülme riski en aza indirgenmiş olur. Bu malzemelere farklı renklerde erişmek mümkündür. Tıpkı karbon fiber malzemeler gibi fiberglas malzemeleri kullanılarak yapılan güçlendirme işlemlerinde filament aşındırdığından uygun bir nozül kullanılması gerekir.

3D kompozitlerde fiberglas kullanımı, termal dayanıklılık ve sağlam mekanik özellikler sunması beklenen mühendislik prototipleri ve son kullanım parçaları için sıklıkla tercih edilir. Bunun yanında inşaat, denizcilik ve spor uygulamalarında da fiberglasla güçlendirilmiş 3D kompozitlere sıklıkla rastlamak mümkün.

3. Kevlar ile Güçlendirilmiş Malzemeler

Bir ticari marka olan Kevlar’ın öncülüğünde Stephanie Kwolek tarafından ortaya konan Kevlar, aramid elyaf kategorisinde sınıflandırılır ve en dayanıklı malzemelerden biri olarak bilinir. Kevlar uzun moleküllerin birbirine bağlanması işlemi sonucunda elde edilir. Bu işleme polimerizasyon da denir. Diğer elyaflarda da olduğu gibi kompozit oluşturmak için plastikler ile karıştırılır. Yoğun titreşimlere ve aşınmalara karşı direnç göstermesi gereken bileşenlerde tercih edilen Kevlar, çekme, yorulmaya ve 400 dereye ısıya karşı yüksek mukavemet gösterir ve beş kat güç-ağırlık oranına sahiptir.

3D kompozit baskılarda düşük yoğunluk, parlak ve yüksek kalibreli parçalar gerektiğinde Kevlar güçlendiricisi yüksek performans gösterir. Bu sebeple birçok sektörde 3D kompozit baskılarda Kevlar güçlendirişi tercih edilir.

3D Kompozit Baskının Avantajları Nelerdir?

3D kompozit baskı daha kısa üretim, malzemeden tasarruf, parçaların daha başarılı bir şekilde özelleştirilmesi gibi ciddi avantajlar sunar. 3 boyutlu kompozit baskıyı geleneksel kompozit baskıdan ayıran nokta direnç veya sıcaklık açısından sunduğu farklılıklardır. 3D baskı, sıcaklık ve mekanik mukavemeti açısından parçaların özelliklerini iyileştirebilir.

3D baskı ile aynı çalışma şartları altında metal muadillere kıyasla daha hafif parçalar üretebilir. Böylelikle enerjiden ve nakliyeden tasarruf edilirken daha kaliteli ürünler üretmeye olanak sağlar. Bu avantajları göz önünde bulundurarak havacılık, robotik, sağlık ve spor gibi yüksek performans uygulamalarının söz konusu olduğu sektörde sıklıkla tercih edilir.

3D Kompozit Baskı Teknolojileri Nelerdir?

3D Kompozit Baskı Teknolojileri

3D baskı hizmetleri günümüzde esasen birkaç şirket tarafından sunulur. Polimer ekstrüzyon işlemi Erimiş Filament İmalatı (FFF) olarak da bilinir. Kompozit malzemeleri işleyen 3D baskıların birçoğu bu esasa dayanır. Erimiş Filament İmalatı, filaman olarak ta adlandırılan erimiş bir plastik ekstrüde eder ve sonucunda katmanları olan bir nesne oluşmuş olur. Bu erimiş plastik nozul yapı platformunun üzerinde hareket ederek oluşur.

Kıyılmış elyafla oluşturulan erimiş plastik yani filaman, basit bir 3 boyutlu baskıya sahiptir. 3 boyutlu baskı için gerekli olan, sadece sertleştirilmiş çelik bir ağızdır. Buna ihtiyaç duyulmasının sebebi aşındırıcı elyaf şeritlerine direnmektir. Söz konusu olan sürekli elyaf baskı olduğunda ise bu süreç için gerekli olan ikinci bir nozul söz konusu olacaktır. Çünkü tek ve kesintisiz bir elyaf telini ayrı ayrı biriktirmek gerekir.

Uygulama Alanları Nelerdir?

3D kompozit baskı söz konusu olduğunda belli başlı uygulamalar ön plana çıkıyor:

3D Baskılı Uçak Koltuk Desteği: Uçak mühendisliği için ciddi avantaj sağlayan hafiflik sayesinde 3D baskı metaller için büyük bir alternatif haline geldi. Kompozit kullanımıyla duvar braketleri, koltuk destekleri ve daha birçok ekipmandan yaklaşık %38 oranında ağırlıktan tasarruf sağlanır.

Aşağı Bisiklet Kompozit Rocker: Diğer bir uygulama alanı, kişisel tasarımın büyük önem taşıdığı ve çaba gösterme gerekmeksizin yapılabilen kişiselleştirme alanlarıdır. Böylelikle ekstra güçlü ve hafif elemanlar hem uygun fiyatlı olur hem de kolay üretilebilir bir hale gelir. Metal malzemelere kıyasla 3 boyutlu baskılı kompozit kullanarak malzemeden ve maliyetten %40 oranında tasarruf sağlarken %35 hafiflik sağlanır.

Türbin Kanat Üretimi için Kompozit Kalıp: Çarklar, türbinler, turbo, pomba üniteleri, fanlar gibi uygulamalarda sıklıkla tercih edilir. Hız ve tasarım esnekliği açısından büyük avantaj sağlanır. Ayrıca güçten ve malzeme maliyetinde de tasarruf edilmiş olur.

3D Baskılı Drone Çerçevesi: Özellikle hava sahası uygulamaları, jet yakıtı ve pil ömrü için sıklıkla tercih edilir. Metallere kıyasla çok daha iyi performans sunar. Ayrıca 3D baskı ile dronlarda %43 hafiflik ve %48 maliyet tasarrufu sağlanır.

Luner Rover için Süspansiyon Parçaları: 3D baskı ile güvenilir özel bileşenler üretebilmenin yanında insan emeğinden tasarruf sağlanır ve sıfır atık üreterek çevre dostu bir çalışma anlayışı sunar.