Yenilikçi Malzemeler Fabrikada Sürdürülebilirliği Artırıyor

Bu metal parçası o kadar hafif ve havadar ki sütün içinde bile yüzüyor. Metal köpükten bahsediyoruz. Bu yenilikçi malzeme yüzde 90'a varan oranda havadan oluşuyor ve inanılmaz özelliklere sahip. Fabrikada daha fazla sürdürülebilirlik sağlar ve endüstriyel üretimde ekolojik ayak izinin iyileştirilmesine yardımcı olur.

Artan düzenleyici gereklilikler nedeniyle, tüm dünyadaki üretim teknolojisi sağlayıcıları verimli ve çevre dostu malzemeleri entegre etme zorluğuyla karşı karşıyadır. Halihazırda mevcut olan çözümler, 22-26 Eylül tarihleri arasında gerçekleşecek olan dünyanın önde gelen üretim teknolojisi fuarı EMO Hanover 2025'te görülebilir. Ana odak noktası metal köpükler ve per- ve polifloroalkil maddelerin (PFAS) ikameleri.

Metal köpükler makinelerin daha verimli, daha hafif ve aynı zamanda daha stabil olmasına yardımcı olmaktadır. Doğal rol modelleri kemik veya ahşaba benzer şekilde, oldukça gözenekli malzeme, salınım, darbe veya ses şeklinde enerjiyi emebilen hücresel bir yapıya sahiptir.

Ekmek pişirmek gibi

Alüminyum köpük, prensipte ekmek pişirmeye benzeyen bir işlemle üretilebilir. Bir miktar toz, bir şişirme maddesi ve ısı alın ve bitmiş ürün alüminyum köpük olsun. Ancak, yüksek teknolojili malzemenin üretimi elbette biraz daha zordur. Chemnitz'deki Fraunhofer Takım Tezgahları ve Şekillendirme Teknolojisi Enstitüsü'nde (IWU) Fonksiyonel Entegre Hafif Yapı Bölüm Başkanı Carsten Lies, “Alüminyum köpüklerin üretimi için, bir alüminyum alaşımı ve bir şişirme maddesi birlikte karıştırılır, çoğu durumda eksenel sıkıştırma ile önceden sıkıştırılır ve daha sonra ekstrüzyonla köpüklenebilir bölümler halinde sıkıştırılır” diyor. Üretim sürecini anlatan mühendis, “Alüminyum köpük sandviçlerin üretimi için, özelleştirilmiş, köpüklenebilir alüminyum bölümler, birbirinden uzakta konumlandırılmış iki kapak tabakası arasına yerleştirilir” diye ekliyor.

Sonraki ısıl işlemde köpüklenebilir alüminyum birçok kez genişler. Ortaya çıkan köpük, bir sandviç oluşturmak için iki kapak tabakasıyla sağlam bir bağ oluşturur. Sandviç soğuduktan sonra nihai boyutlara göre kesiliyor. Lies, “Metal köpükler, özellikle de alüminyum köpükler, öncelikle sandviçlerde çekirdek malzeme olarak kullanılır” diye açıklıyor. Kapak tabakaları genellikle çelik veya alüminyumdan yapılır. Fraunhofer araştırmacısı, yüksek teknolojili malzemenin özel niteliklerini şöyle açıklıyor: “Üst katmanlar yükleri destekler, çekirdek ise tabakalar arasında doğrudan teması önler.” Üst katmanlar ve çekirdek arasındaki bağ genellikle şu şekilde gerçekleşir.

Havadar, hafif ve sert: köpük dolgulu sandviç

"Tasarımlarına bağlı olarak sandviçler çok yüksek eğilme sertliğine sahiptir. Bu etki, montajları daha hafif hale getirmek ve böylece montajın sertliğini korumak ve hatta iyileştirmek için kullanılır" diyor Lies. Geleneksel montajın büyük elemanlarının yerini alıyorlar. Araştırmacıya göre, optimizasyon kriterine bağlı olarak ya aynı sertlikte önemli ağırlık tasarrufları (yaklaşık yüzde 30'a kadar) ya da sabit ağırlıkta sertlikte önemli artışlar elde edilebilir. Lies'e göre makinede metal köpük kullanmanın verimlilik ve sürdürülebilirlik açısından özel avantajları, “köpük çekirdek sayesinde önemli ölçüde iyileştirilmiş sönümleme ve sandviç kullanımıyla önemli ağırlık tasarrufları”.

Metal köpüklerin kolayca geri dönüştürülebilmesi de ekolojik ayak izi üzerinde olumlu bir etkiye sahip. Chemnitz'li araştırmacı, “Sandviç üretiminde yapıştırıcı kullanılmadığından, malzeme çelik ve alüminyum içeren metal hurdaların işlenmesi için mevcut döngülerde kullanılabilir” diyor.

3D yazıcıdan özel uyum

Metal köpükten yapılmış bileşenler - veya daha doğrusu hibrit gözenekli (HyPo) malzemelerden yapılmış bileşenler - 3D baskıda da üretilebilir. Eklemeli olarak üretilen metal köpüğün avantajı: Hava odacıkları doğru bir şekilde konumlandırılabilir. Bu şekilde üretilen bileşenler özel uygulamalar için daha da optimize edilebilir çünkü bileşen içindeki gözenek yapısının kademeli olarak ayarlanması, gaz ile köpürme sırasında oluştukları için metalde hava üflemeye göre daha fazla seçeneğe izin verir. Örneğin, makine bileşenleri 3D yazıcıda kişiye özel ve tam olarak tanımlanmış özelliklerle oluşturulabilir.

Hannover Leibniz Üniversitesi (LUH) Malzeme Bilimi Enstitüsü'nden Thomas Hassel, “Gözenek yapısı ve özellik profillerinin kademeli olarak ayarlanması, monolitik olarak üretilen bir malzemede çok zordur veya mümkün bile değildir, çünkü ya üretim süreci ya da nihai bileşen geometrisine yönelik sonraki işlemler, kullanımın nihai gereksinimleriyle eşleşmez” diyor. Doktora mühendisi, katmanlı üretimin bileşenlerin “net şekle yakın üretimini” mümkün kıldığını ve aynı zamanda “kademelendirmeyi ilgili yerlere tam olarak gereksinim profilinde konumlandırılacak şekilde getirdiğini” vurguluyor.

Araştırma, takım tezgahı endüstrisindeki belirli uygulamaları ve yenilikçi malzemenin fabrikada verimliliği ve sürdürülebilirliği artırmaya nasıl yardımcı olabileceğini ele almaktadır. Hassel, sertlik, sönümleme, termoelastik davranış, dengesizlik, sertlik ve yüzey kalitesi açısından bir makine takımının bileşenlerine (takım değiştirici, takım tutucu, iş mili taşıyıcı) odaklanıldığını açıklıyor. HyPo bileşenlerinin, örneğin bir şekillendiricide uygulanması yoluyla, derecelendirilmiş bileşenlerle ne gibi avantajlar elde edildiği konusunda araştırmalar yapılmaktadır. Hassel, “Frezeleme işlemi çok çeşitli farklı yükleme koşullarını içerdiğinden, işleme sırasındaki çalışma davranışı analiz edilmelidir” diyor. “Bu, HyPo bileşeninin mekanik ve termal makine özellikleri üzerindeki etkisini belirlemeyi ve bu tür makinelerin performansını önemli ölçüde iyileştirmeyi mümkün kılıyor.”

"Sonsuza kadar kimyasalların" yerine

Hafif malzemeler aracılığıyla daha fazla sürdürülebilirlik, endüstriyel üretimde ekolojik ayak izini iyileştirmek için benimsenen birçok yaklaşımdan biridir. Bu arada, “sonsuza kadar kullanılacak kimyasallar” için çevre dostu alternatiflere daha fazla dikkat çekilmektedir. Odak noktası, özellikle yüksek sıcaklıklar, önemli aşınma veya agresif kimyasal koşullar gibi aşırı koşulların hüküm sürdüğü üretimde kullanılan çevreye zararlı per- ve polifloroalkil maddelerdir (PFAS). PFAS contalarda, borularda veya bağlantı parçalarında bulunabilir.

Darmstadt'taki Fraunhofer Yapısal Dayanıklılık ve Sistem Güvenilirliği Enstitüsü LBF Sentez ve Formülasyon Başkanı Frank Schönberger, “PFAS'ın ikamesinin mümkün olup olmadığı sorusunun genel bir cevabı yoktur ve uygulamaya bağlı olarak bireysel bir değerlendirme yapılmalıdır” diyor. “Floropolimerlerin 1:1 oranında değiştirilmesi genellikle mümkün değildir, ancak her zaman ilgili uygulamanın bireysel gereksinimlerine bağlıdır.”

Bir floropolimerin gereksinimlere bağlı olarak başka bir yüksek performanslı polimer (PEEK, PEI veya PPS gibi) ile değiştirilebileceği durumlar vardır, örneğin sıcaklık ve ortam gereksinimleri orta düzeydeyse veya tribolojik bileşikler alanında. Araştırmacı, “Ancak günümüzde karmaşık gereksinimlerin başka hiçbir malzeme tarafından karşılanamadığı uygulama alanları da var” diye ekliyor. "Floropolimerler büyük ölçüde evrensel kimyasal dirence ve yüksek sıcaklık direncine sahiptir. Değişken koşullarda farklı ortamlara dayanması gereken pompalar veya makineler gibi bunun gerekli olduğu uygulamalarda, şimdiye kadar floropolimerlerin değiştirilmesi gerekmiyor" diye özetliyor Schönberger ve ekliyor: “Floropolimerlerin tam potansiyelinin gerekli olmadığı uygulamalarda ve örneğin yeniden tasarımın mümkün olduğu durumlarda fırsatlar olabilir.”

PFAS ikamesi ABD için de geçerli

Schönberger'e göre PFAS ikamesi, başta ABD olmak üzere Avrupa dışındaki pazarlar için de geçerli. ABD'de de kısmen ilgili federal eyalete bağlı düzenlemeler var. Bu aynı zamanda üretim teknolojisinde daha fazla sürdürülebilirliğin, tüm sanayi ülkelerindeki fabrikalarda bir yanıt verilmesi gereken küresel bir zorluk olduğunu göstermektedir.