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 seviyelerin çok ötesinde güç yoğunluklarına ulaşılması gerekecek. CWIEME Berlin’in eğitim ortağı olan Bristol Üniversitesi’nde Elektrikli Makineler Profesörü 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 ile 25 kW/kg arasında bir güç yoğunluğuna ulaşması gerekecek. Bu, mevcut değerlere kıyasla beş katına varan bir artış anlamına geliyor. Yalnızca kademeli iyileştirmelerle sektör bu hedefe ulaşamaz. Daha radikal bir yaklaşım 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 ileriye götürülebileceğini 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, elektrikli çelikler ve kalıcı mıknatıslar gibi aktif bileşenlerden oluşur. Pasif bileşenler açısından AM, kafes ve giroid yapıları kullanarak gelişmiş hafifleştirme imkânı sunar. Bu yapılar, mekanik olarak gerekli olmayan yerlerden malzemenin çıkarılmasına olanak tanıyarak, kütleyi önemli ölçüde azaltırken sertliği korur.

Aynı zamanda AM, soğutma kanallarının ve kılıfların doğrudan yapılara entegre edilmesini ve ısının üretildiği yerlere hassas bir şekilde 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 (AM) bu durumu 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 (AM), tasarımları sürece uydurmak yerine, sürecin tasarıma uymasını sağlar.

Prototip aşamasından üretime kadar

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 yinelenebilir, 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 amaçlı üretime doğru giderek daha fazla ilerlemektedir. Elektrikli makinelerde bu geçiş, üretim kısıtlamalarını tamamen ortadan kaldırma ve boş bir tasarım sayfasından başlama ihtiyacından kaynaklanmaktadır.

Katmanlı üretimi 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.

Malzemeler alanında çığır açan gelişme

Tarihsel olarak, malzeme performansı, elektrikli uygulamalarda katmanlı imalatın benimsenmesi önünde 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 özelliği ve ısı iletkenliği, geleneksel lazer toz yatağı füzyon teknikleriyle işlenmesini zorlaştırıyordu. Ancak son birkaç yılda, daha yüksek güçlü lazerler, alternatif dalga boyları ve bağlayıcı püskürtme dahil yeni katmanlı imalat süreçleri gibi gelişmeler, bu sınırlamaların çoğunu aşmıştır.

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

Yumuşak ve sert manyetik malzemeler ise hâlâ daha büyük zorluklar teşkil etmektedir. Geleneksel lamine elektrik çelikleri, özellikle girdap akımı kayıplarını azaltmak üzere tasarlanmıştır ve bu davranışı katmanlı imalat yoluyla taklit etmek karmaşıktır. Küresel çapta araştırmalar devam etmekte olsa da, bu konu çözülmüş bir problemden ziyade aktif bir geliştirme alanı olarak kalmaktadır.

Evlat edinmeyle ilgili zorluklar 

Vaat ettiği potansiyele rağmen, elektrikli makinelerde katmanlı üretim teknolojisinin benimsenmesi nispeten yavaş ilerlemiştir. Bunun nedeni yeniliklere karşı direnç değil, endüstriyel karar alma sürecinin gerçeklikleridir.

Katmanlı üretim, 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 yapmak, özellikle de aktif elektrikli bileşenler söz konusu olduğunda, elektromanyetizma, malzeme bilimi, termal yönetim ve hesaplamalı tasarım alanlarını kapsayan uzmanlık gerektirir. Üretimi üçüncü taraf baskı merkezlerine yaptırmak mümkündür, ancak şirket içinde bu konuda yeterli bilgi birikimi olmadan tutarlı ve yüksek performanslı sonuçlar elde etmek zor olabilir.

Sektörler arası işbirliği

Üniversiteler, katmanlı imalatla ilişkili hem teknik hem de beceri alanındaki zorlukların üstesinden gelinmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Yeni süreçler ve malzemeler geliştirmenin ötesinde, dijital tasarım ve dijital imalat paradigması çerçevesinde çalışabilecek mühendisleri yetiştirmek de üniversitelerin sorumluluğundadır.

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

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

Geleceğe bakış

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

Geniş 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.

Ancak, katmanlı imalatın geleneksel süreçlerin yerini tamamen alması olası değildir. Bunun yerine, gerektiğinde olağanüstü performans sağlayan tamamlayıcı bir teknoloji olarak işlev görecek ve aynı zamanda daha düşük maliyetle faydaların büyük bir kısmını sağlayan, üretimi daha kolay tasarımların geliştirilmesine de katkıda bulunacaktır.

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 etmesini sağlayan bir mercek görevi görür.

Katmanlı üretim, 19-21 Mayıs 2026 tarihleri arasında Messe Berlin’de düzenlenecek olan CWIEME Berlin fuarında odak noktalarından biri olacaktır. Daha fazla bilgi edinmek ve trendlerin bir adım önünde olmak için bugün ziyaretçi biletinizi alın.