Elektrikli havacılık, yüksek performanslı otomotiv ve denizcilik gibi sektörlerde mühendislerden, sadece daha verimli değil, aynı zamanda önemli ölçüde daha hafif ve daha güçlü makineler geliştirmeleri isteniyor. Bu talepleri karşılamak için, günümüzde en ileri teknoloji olarak kabul edilen seviyenin çok ötesinde güç yoğunluklarına ulaşılması gerekecek. CWIEME Berlin’in eğitim ortağı olan Bristol Üniversitesi’nde Elektrikli Makineler Profesörü olan Nick Simpson, bunu başarmanın neden güç yoğunluğunu mevcut seviyelerin üzerine çıkarmak anlamına geldiğini açıklıyor.
 

Advanced Propulsion Centre ve Aerospace Technology Institute tarafından hazırlanan Birleşik Krallık teknoloji yol haritalarına göre, elektrikli motorların 2035 yılına kadar 9 ila 25 kW/kg arasında bir güç yoğunluğuna ulaşması gerekecek. Bu, mevcut değerlerin beş katına varan bir artış anlamına geliyor. Yalnızca kademeli iyileştirmelerle sektör bu hedefe ulaşamaz. Daha radikal bir adım atılması gerekiyor.

Güç yoğunluğunu yeniden düşünmek 

Kütle güç yoğunluğu, bir makinenin üretebileceği güç ile kendi kütlesi arasındaki orandır ve genellikle kW/kg cinsinden ölçülür. Geleneksel üretim yöntemleri, bu oranın ne kadar yükseltilebileceğini sınırlayan geometrik ve malzeme kısıtlamaları getirir. Buna karşılık, katmanlı üretim (AM), tasarımcılara çok daha fazla özgürlük sunar.

Elektrikli makineler, gövdeler ve yapısal elemanlar gibi pasif bileşenlerin yanı sıra sargılar, elektrik çelikleri ve kalıcı mıknatıslar gibi aktif bileşenlerden oluşur. Pasif tarafta, AM, kafes ve jiroid yapıları kullanarak gelişmiş hafifleştirme sağlar. Bunlar, mekanik olarak gerekli olmayan yerlerden malzemenin çıkarılmasını sağlayarak, kütleyi önemli ölçüde azaltırken sertliği korur.

Aynı zamanda, AM, soğutma kanallarının ve kılıfların doğrudan yapılara entegre edilmesini ve ısının üretildiği yere tam olarak yerleştirilmesini sağlar. Sıcaklık sınırları genellikle güç yoğunluğunu belirleyen kısıtlama olduğundan, gelişmiş termal yönetim kritik öneme sahiptir. Ancak, en dönüştürücü fırsat aktif bileşenlerde yatmaktadır.

Yeni geometriler

Geleneksel elektrikli makine tasarımı, bileşenlerin nasıl üretilebileceğinden büyük ölçüde etkilenir. Örneğin sargılar, genellikle yuvarlak veya dikdörtgen iletkenlerin sarılmasıyla üretilir; bu süreç yüksek düzeyde otomatikleştirilmiş olmakla birlikte doğası gereği kısıtlayıcıdır.

Katmanlı üretim, bunu tamamen değiştirir. Sargılar basılabiliyorsa, neredeyse her türlü geometride üretilebilirler. Tek tek iletkenler, elektromanyetik performansı, termal davranışı ve mekanik bütünlüğü aynı anda optimize edecek şekilde şekillendirilebilir ve konumlandırılabilir.

Bu geometrik özgürlük, mühendislerin tamamen yeni makine topolojilerini keşfetmelerine olanak tanır ve manyetik akı ile elektrik akımını, geleneksel üretim teknikleriyle mümkün olmayan şekillerde yönlendirir. Katmanlı üretim, tasarımları sürece uydurmak yerine, sürecin tasarımı takip etmesini sağlar.

Prototip aşamasından üretime

Katmanlı üretim genellikle öncelikle bir prototip oluşturma aracı olarak görülür ve bu roldeki değeri yadsınamaz. Katmanlı üretim tamamen dijital bir süreç olduğu için kalıp maliyetleri önemli ölçüde azalır. Tasarımlar hızlı bir şekilde geliştirilebilir, dijital olarak güncellenebilir ve geleneksel yöntemlerin maliyetinin çok altında bir maliyetle fiziksel olarak test edilebilir.

Bununla birlikte, AM, özellikle yüksek performanslı, düşük hacimli uygulamalar için prototip oluşturmanın ötesine geçerek son kullanım üretimine doğru giderek daha fazla ilerlemektedir. Elektrikli makinelerde bu geçiş, üretim kısıtlamalarını tamamen ortadan kaldırma ve boş bir tasarım sayfasından başlama ihtiyacından kaynaklanmaktadır.

Katmanlı imalatı deneysel bir süreçten ziyade üretime hazır bir süreç olarak ele alarak, araştırmacılar ve mühendisler, geometri artık sınırlayıcı bir faktör olmaktan çıktığında bir elektrikli makinenin nasıl görünebileceğini değerlendirebilirler.

Malzeme alanında çığır açan gelişme

Tarihsel olarak, malzeme performansı elektrikli uygulamalarda katmanlı imalatın benimsenmesinin önündeki önemli bir engel olmuştur. Alüminyum ve çelik gibi yapısal malzemeler geleneksel yöntemlerle üretilen muadilleriyle aynı seviyeye ulaşmış olsa da, bakır gibi yüksek iletkenliğe sahip malzemeler daha büyük zorluklar yaratmıştır.

Bakırın yüksek yansıtma ve ısı iletkenliği, geleneksel lazer toz yatak füzyon teknikleriyle işlenmesini zorlaştırıyordu. Ancak son birkaç yılda, daha yüksek güçlü lazerler, alternatif dalga boyları ve bağlayıcı püskürtme dahil yeni AM süreçleri gibi gelişmeler, bu sınırlamaların çoğunu aşmıştır.

Günümüzde, katmanlı imalatla üretilen bakır ve alüminyum iletkenler, çekilmiş malzemelerle karşılaştırılabilir bir performansa ulaşabilmekte ve bu da kritik bir benimseme engelini ortadan kaldırmaktadır. Bu çok önemlidir: mevcut malzeme performansına ulaşılmadan, en yenilikçi geometriler bile endüstriyel kabul görmeyecektir.

Yumuşak ve sert manyetik malzemeler ise hala daha zorlu bir konudur. Geleneksel lamine elektrik çelikleri, girdap akımı kayıplarını azaltmak için özel olarak tasarlanmıştır ve bu davranışı katmanlı imalat yoluyla taklit etmek karmaşıktır. Küresel olarak araştırmalar devam etse de, bu konu çözülmüş bir problemden ziyade aktif bir geliştirme alanı olmaya devam etmektedir.

Evlat edinmeyle ilgili zorluklar 

Umut vaat etmesine rağmen, elektrikli makinelerde katmanlı imalatın benimsenmesi nispeten yavaş ilerlemiştir. Bunun nedeni yeniliklere karşı direnç değil, endüstriyel karar alma sürecinin gerçeklikleridir.

Katmanlı imalat, önemli miktarda sermaye yatırımı, uzmanlık bilgisi, yeni iş sağlığı ve güvenliği uygulamaları ile karmaşık son işlem adımları gerektirir. Elektrikli makineler alanında nispeten az sayıda büyük ölçekli ticari başarı örneği olması nedeniyle, birçok üretici temkinli davranmaya devam etmektedir.

Bir diğer zorluk ise beceri eksikliğidir. Katmanlı imalat için tasarım, özellikle aktif elektrikli bileşenler için, elektromanyetik, malzeme bilimi, termal yönetim ve hesaplamalı tasarım alanlarını kapsayan uzmanlık gerektirir. Üretimi üçüncü taraf baskı bürolarına yaptırmak mümkündür, ancak şirket içinde bu konuda bilgi birikimi olmadan tutarlı ve yüksek performanslı sonuçlar elde etmek zor olabilir.

Sektörler arası işbirliği

Üniversiteler, katmanlı imalatla ilgili hem teknik hem de beceri alanındaki zorlukların üstesinden gelinmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Yeni süreçler ve malzemeler geliştirmekle kalmayıp, dijital tasarım ve dijital imalat paradigması içinde çalışabilecek mühendisleri yetiştirmek de onların sorumluluğundadır.

Katmanlı imalat, geleneksel, insan odaklı CAD yaklaşımlarının yerini giderek hesaplamalı ve algoritmik tasarım yöntemleriyle almaktadır. Bu, mühendislerin bileşenleri kavrama, tasarlama ve optimize etme biçiminde köklü bir değişimi temsil etmektedir ve endüstri ile eğitimin tam olarak uyum sağlaması zaman alacaktır.

CWIEME Berlin gibi endüstri etkinlikleri, bu uyum için hayati bir platform sunmaktadır. Bu etkinlikler, araştırmacıların, üreticilerin ve tedarikçilerin bilgi alışverişinde bulunmalarını, darboğazları tespit etmelerini ve yeni teknolojilerin gerçek dünyadaki uygulamalara nasıl dönüştürülebileceğini keşfetmelerini sağlar.

Geleceğe bakış

Önümüzdeki beş ila on yıl içinde, katmanlı üretim, özellikle havacılık, üst sınıf otomotiv ve denizcilik uygulamaları gibi sektörlerde yüksek performanslı elektrikli makine bileşenlerinin üretimi için standart bir araç haline gelmesi muhtemeldir.

Büyük formatlı katmanlı üretim sistemleri, artan verimlilik ve daha yüksek proses tekrarlanabilirliği, üretilebilecek bileşen yelpazesini genişletecektir. Özellikle katmanlı üretimle üretilen sargılar, verimlilik, termal performans ve güç yoğunluğu açısından önemli kazançlar sağlama potansiyeli sunmaktadır.

Bununla birlikte, katmanlı imalatın geleneksel süreçlerin yerini tamamen alması olası değildir. Bunun yerine, gerektiğinde olağanüstü performans sağlayan tamamlayıcı bir teknoloji olarak işlev görürken, aynı zamanda daha düşük maliyetle faydaların büyük bir kısmını sağlayan, imalatı daha kolay tasarımlara da yol açacaktır.

Bu anlamda, katmanlı imalat sadece bir üretim çözümü değildir. Elektrik mühendisliği camiasının, elektrikli makinelerin neler yapabileceğini ve tamamen elektrikli bir geleceğin taleplerini ne kadar karşılayabileceklerini yeniden hayal edebilecekleri bir mercek görevi görür.

Katmanlı üretim, 19-21 Mayıs 2026 tarihleri arasında Messe Berlin'de düzenlenecek olan CWIEME Berlin'de odaklanılacak bir alan olacaktır. Daha fazla bilgi edinmek ve trendin öncüsü olmak için bugün ziyaretçi biletinizi alın.