3D Baskı Teknolojilerinin Karşılaştırılması: MJF ve SLS

Endüstriyel hızlı prototipleme hizmetleri ile üstün mekanik özellikler, karmaşık yapılar ve yüksek yüzey detayına sahip plastik parçalar ürettirmek istediğinizde en çok tercih edilen iki teknoloji MJF (Multijet Fusion) ve SLS (Selective Laser Sintering) teknolojileri oluyor. 

Katmanlı imalat teknolojilerinin gelişmesi ile birlikte ortayan çıkan farklı teknoloji çeşitleri de sundukları avantajlar bakımından sıklıkla karşılaştırılmakta. Polimer malzeme ile üretim yapan MJF ve SLS teknolojilerinin gerek ürettikleri parçaların özellikleri gerekse üretim teknikleri birbirlerine oldukça benzer ve bu nedenle bu iki teknoloji kendi aralarında bir yarıştalar diyebiliriz.

Polimer malzemelerin düşük maliyetleri, kolay şekillendirilebilmesi, düşük yoğunluğu dolayısıyla hafif parçalar üretilebilmesi, elektrik yalıtkanlığı ve ısıl geçirgenliğinin düşük olması gibi sayısız avantajı onları bu alanda en yaygın kullanılan teknolojiler haline getiriyor. 

Toz zeminde füzyon prensibine bağlı çalışan bu iki 3D baskı teknolojisi neredeyse aynı malzemeyi benzer bir teknikle işlemesine rağmen birçok konuda birbirinden ayrılıyor. Bu ayrılığın temelinde malzemeleri sinterleyen ısı kaynaklarının farklılığı olduğunu belirtelim ve yazımızın devamında detaylarıyla SLS ve MJF teknolojilerini karşılaştıralım.

Toz Zeminde Füzyon

Toz zeminde füzyon, ASTM standartlarına göre belirlenmiş 7 eklemeli imalat prosesinden biri. Kendi içerisinde de polimer ve metal malzeme kullanan teknolojiler olarak ayrılıyor. Polimer malzemenin toz partikülleri belirli bir çap aralığında olacak şekilde bu teknolojiler için özel olarak üretiliyor. Makine içerisindeki toz haznesine yerleştirilen bu malzeme, merdane benzeri bir eleman ile basım yüzeyine katmanlar halinde seriliyor. Bir enerji kaynağı ile her katman için gelen kesit verisine göre serilen toz yüzeyindeki belirli kısımlar kaynaştırılarak birleştiriliyor. Her katman için yeniden uygulanan bu döngü sonrasında, içerisinde objeler bulunan toz dolu bir kabin elde ediliyor. Mekanik özelliklerin iyileştirilmesi için son defa kabin belirli bir sıcaklıkta bekletilip ardından soğutuluyor, yani teknik deyimiyle temperleniyor. Bu toz dolu kabin içerisinden objeler ayıklanarak son işleme gönderilirken, kalan toz ise yeniden kullanılmak üzere hazneye aktarılıyor. Bir kere kabin içine girip sinterlenmeyen tozun yeniden kullanılabilmesi için belirli bir oranda kullanılmamış toz ile karıştırılması gerektiğini belirtelim. Üretilen objeler, yüzeylerinde bulunan kaynaşmamış tozdan ayrıştırılıyor. İstenirse boyanabilen bu objeler artık kullanıma hazır.

SLS vs MJF

Toz zeminde füzyon tekniğini kısaca tanıttık. Artık bu prensipte çalışan ve polimer malzeme ile üretim yapan teknolojileri rahatlıkla kıyaslayabiliriz. Bu tekniklerden ilki SLS (Selective Laser Sintering) veya kaba bir çeviriyle Seçici Lazer Sinterleme teknolojisidir. SLS teknolojisi 1992 yılından beri hayatımızda. Bir naylon türevi olan poliamid 12 (PA12) malzeme kullanarak üretim yapıyor. Öne çıkan özelliği ısı kaynağı olarak lazer kullanması. Tepedeki bir lazer baskı alanına serili halde bulunan tozun üzerini tarayarak geçiyor ve objenin kesit görüntüsünü buraya işliyor.

Bir diğer teknik ise MJF (Multijet Fusion) teknolojisi. HP firması 2016 yılında bu teknolojiyi geliştirip patentledi. SLS gibi, PA12 malzeme kullanmasına karşın, iki malzeme aslında birbirinden farklı ve kendileri için özel üretilen PA12 türevini kullanıyorlar. Elbette kullanılan malzeme son ürünün hem mekanik hem görsel özelliklerini doğrudan etkiliyor. MJF teknolojisinin öne çıkan özelliği ise yine aynı firmanın geliştirdiği yazıcı kafaları (printhead) üzerinden baskı tablasına kimyasallar püskürterek üretim yapması. Daha sonra baskı tablası üzerinden geçen kızılötesi ışın lambalarının saçtığı enerji bu kimyasallar tarafından soğrularak tozun kaynaşması sağlanıyor. Bu özelliği nedeniyle MJF teknolojisi için SLS ve bir diğer katmanlı imalat tekniği olan Bağlayıcı Püskürtme (Binder Jetting) kombinasyonu denilebilir.

Isı kaynağından kaynaklanan bu temel farklar baskı hızını etkilemektedir. Noktasal lazer ile tarama yapan SLS, çizgisel püskürtme yapan MJF teknolojisinden daha yavaş kalmaktadır. Bir diğer etki ise, doğrudan lazer ışını altında kalmayan SLS PA12 tozu yeniden kullanılabilmesi için %50 oranında taze toz ile karıştırılırken sinterlenmeyen MJF PA12 tozu %20 oranında taze toz ile karıştırılarak kullanılabilmesidir. Bir başka açıdan baktığımızda, SLS teknolojisinde bir üretimde baskı hacminin %15-20’si oranında ürün üretilebilirken MJF teknolojisinde güvenilir oran %4-8 arasındadır. Yani, baskı hacmi içerisindeki ısı yönetimi SLS teknolojisinde daha iyi durumdadır. MJF teknolojisini bu açığını üretim sonrası soğutma yöntemiyle kapatıyor. Soğutma işi, özel soğutma istasyonunda yapılırken, üretim istasyonunda yeni bir üretim başlatılabiliyor. Bu özellikler dikkate alındığında aynı miktar ve hacme sahip bir parti ürünü MJF teknolojisi ile çok daha kısa sürede üretmek mümkün. Maliyet açısından MJF teoride daha uygun olarak ilan edilse de hammadde maliyetinin yüksek olması düşük üretim hacimlerinde birim maliyetin çok daha yüksek olmasına sebep olabiliyor. Maliyet, üretilen partiye göre değişebileceği için bir genelleme yapmayı doğru bulmuyorum.

Ürün Özellikleri 

Teknik ve operasyon açısından farklılıklar gösteren bu teknolojileri gelin bir de son ürün üzerinde kıyaslayalım.

Konu katmanlı imalat olunca ölçüsel kesinlik kavramı kritik. Konvansiyonel yöntemlerin aksine -ne yazık ki- katmanlı imalat ile yüksek ölçüsel kararlılıkta ürün üretmek oldukça zor. SLS teknolojisinde ±0,3 mm ve parça ölçülerine bağlı olarak %±0,3mm aralığında olan sapma değeri MJF teknolojisinde ise ±0,2 mm ve ölçüye bağlı olarak %±0,3mm olarak belirtiliyor. Bu sapma miktarı her iki teknolojide de ortam koşulları ve parçaların birbiriyle etkileşimi gibi etmenlerden etkileniyor. Katman kalınlığı bu teknoloji grubunda genellikle sabit tutuluyor. MJF için bu değer 80 mikron iken SLS için 100 mikron (modele göre değişebilir). Sadece katman kalınlığı değil, kullandığı inkjet teknolojisinin de yardımıyla MJF teknolojisinde katman çizgilerini ayırt etmek oldukça zor. Bu da SLS teknolojisine karşı görsel bir avantaj sağlıyor. Yine inkjetler ile püskürtülen kimyasallar sayesinde MJF teknolojisi ile 0,25mm duvar kalınlığına sahip detaylar üretilebiliyor. SLS için ise minimum detay seviyesi 0,30 mm. Bu değerlerin minimum duvar kalınlığından farklı olduğunu not edelim.

Bir diğer kritik kavram ise mekanik dayanım. Katmanlı imalatın doğası gereği, katmanların yapışma yönü mekanik olarak en zayıf yöndür. MJF teknolojisinin getirdiği en büyük yenilik tüm eksenlerde eşit dayanım sunması. MJF teknolojisinin tüm eksenlerde çekme dayanımı 48 MPa iken, SLS için XY 48 MPa ve Z ekseninde 42 MPa. MJF teknolojisinin bu iddiasını biz de ürettiğimiz çeşitli numuneler üzerinde yaptığımız çekme testleri ile doğruladık. Aynı şekilde kopma uzamasında da MJF teknolojisinin daha avantajlı olduğunu söyleyebiliriz. Üretilen parçalardaki tırnak yapılarında MJF teknolojisi ile üretimler daha mukavim, SLS teknolojisi ile ise daha kırılgan bir yapı sergilemekte. Detay için literatürde yer alan bu tür karakterizasyon çalışmalarını inceleyebilirsiniz.

Son kriter olarak görsel açıdan kıyaslama yapalım. Isı soğurucu kimyasalları nedeniyle MJF teknolojisi ile üretilen parçalar gri iken SLS teknolojisi ile üretilen parçalar poliamidin kendi rengi olan beyazdır. Bu sayede SLS ile üretilen parçalar istenilen herhangi bir renge boyanabilirken MJF’de bu renk skalası kısıtlıdır. Daha önce de bahsettiğimiz gibi MJF teknolojisinde katman çizgileri SLS’e kıyasla neredeyse belirsizdir.

Son Yorum

Birbirine çok benzeyen ancak kendilerine ait farklı avantajları olan bu teknolojiler arasında MJF teknolojisi bazı özellikleri ile burun farkıyla öne geçiyor diyebiliriz. Operasyonel açıdan daha avantajlı, hızlı üretim yapan, ürünleri mekanik olarak üstün MJF teknolojisi ve daha köklü bir geçmişe sahip olan, üretim yoğunluğu daha yüksek tutulabilen, ürünleri renklendirme açısından avantajlı olan SLS teknolojisi arasındaki tercihi, parçalarınızın kullanım amacına göre yapmanız daha doğru olacaktır. Tridi’den hem MJF hem de SLS teknolojisi ile üretim hizmeti alabilir ve isterseniz kendiniz de teknolojilerin karşılaştırmalarını yapabilirsiniz.