Elektrikli havacılık, yüksek performanslı otomotiv ve denizcilik gibi sektörlerde mühendislerden, sadece daha verimli değil, aynı zamanda önemli ölçüde daha hafif ve daha güçlü makineler üretmeleri isteniyor. Bu talepleri karşılamak için, günümüzün en son teknolojisinin çok ötesinde güç yoğunlukları gerekecek. CWIEME Berlin'in eğitim ortağı olan Bristol Üniversitesi Elektrik Makineleri Profesörü Nick Simpson, bunun neden mevcut seviyelerin üzerinde güç yoğunluğu elde etmek anlamına geldiğini açıklıyor.
 

Advanced Propulsion Centre ve Aerospace Technology Institute'un İngiltere teknoloji yol haritalarına göre, elektrikli makinelerin 2035 yılına kadar 9 ila 25 kW/kg arasında güç yoğunluğuna ulaşması gerekecek. Bu, şu anda mevcut olanın beş katına kadar bir artış anlamına geliyor. Yalnızca kademeli iyileştirmelerle sektör bu hedefe ulaşamayacak. Daha radikal bir şey 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, eklemeli üretim (AM) tasarımcılara çok daha fazla özgürlük sunar.

Elektrikli makineler, muhafazalar ve yapısal elemanlar gibi pasif bileşenlerin yanı sıra sargılar, elektrik çelikleri ve kalıcı mıknatıslar gibi aktif bileşenlerden oluşur. Pasif tarafta, AM, kafes ve giroid yapılar kullanarak gelişmiş hafifleştirme sağlar. Bu yapılar, mekanik olarak gerekli olmayan yerlerden malzemenin çıkarılmasını sağlayarak, sertliği korurken kütleyi önemli ölçüde azaltır.

Aynı zamanda, AM, soğutma kanallarının ve ceketlerin doğrudan yapılara entegre edilmesini ve ısının oluştuğu yerlere hassas bir şekilde yerleştirilmesini sağlar. Sıcaklık sınırları genellikle güç yoğunluğunu belirleyen kısıtlama olduğundan, iyileştirilmiş termal yönetim çok önemlidir. 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 otomatiktir ancak doğası gereği kısıtlayıcıdır.

Katmanlı üretim 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 ve elektrik akımını geleneksel üretim teknikleriyle mümkün olmayan şekillerde yönlendirir. AM, tasarımları sürece uydurmaya zorlamak yerine, sürecin tasarıma uymasını sağlar.

Prototip oluşturmadan üretime

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

Ancak 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 alan araştırmacılar ve mühendisler, geometri artık sınırlayıcı bir faktör olmasaydı elektrikli bir makinenin nasıl görünebileceğini değerlendirebilirler.

Malzemelerde çığır açan gelişme

Tarihsel olarak, malzeme performansı elektrik uygulamalarında eklemeli imalatın benimsenmesinin önünde önemli bir engel olmuştur. Alüminyum ve çelik gibi yapısal malzemeler geleneksel olarak üretilen eşdeğerleriyle eşit seviyeye ulaşmış olsa da, bakır gibi yüksek iletkenliğe sahip malzemeler daha büyük zorluklar yaratmıştır.

Bakırın yüksek yansıtıcılığı ve termal iletkenliği, geleneksel lazer toz yatak füzyon teknikleri kullanılarak işlenmesini zorlaştırmıştır. Ancak son birkaç yılda, daha yüksek güçlü lazerler, alternatif dalga boyları ve bağlayıcı püskürtme dahil yeni AM süreçleri gibi gelişmeler, bu sınırlamaların çoğunu ortadan kaldırmıştır.

Günümüzde, eklemeli imalatla üretilen bakır ve alüminyum iletkenler, çekilmiş malzemelerle karşılaştırılabilir bir performans elde edebilmekte ve bu da önemli bir benimsenme engelini ortadan kaldırmaktadır. Bu çok önemlidir: mevcut malzeme performansına ulaşılamazsa, en yenilikçi geometriler bile endüstriyel kabul görmeyecektir.

Yumuşak ve sert manyetik malzemeler daha zorlu olmaya devam etmektedir. Geleneksel lamine elektrik çelikleri, girdap akımı kayıplarını azaltmak için özel olarak tasarlanmıştır ve bu davranışı eklemeli imalat yoluyla taklit etmek karmaşıktır. Araştırmalar küresel olarak ilerlemesine rağmen, bu sorun çözülmüş bir sorun olmaktan ziyade aktif bir geliştirme alanı olmaya devam etmektedir.

Evlat edinme zorlukları 

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

Katmanlı imalat, önemli sermaye yatırımı, uzmanlık bilgisi, yeni sağlık ve güvenlik uygulamaları ve karmaşık son işlem adımları gerektirir. Elektrikli makinelerde nispeten az sayıda büyük ölçekli ticari başarı öyküsü olması nedeniyle, birçok üretici temkinli davranmaya devam etmektedir.

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

Endüstri işbirliği

Üniversiteler, eklemeli imalatla ilgili teknik ve beceri zorluklarının üstesinden gelinmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Yeni süreçler ve malzemeler geliştirmekle kalmayıp, dijital tasarım ve dijital imalat paradigmasında çalışabilecek mühendisleri yetiştirmekle de sorumludurlar.

Eklemeli imalat, geleneksel, insan odaklı CAD yaklaşımlarının yerini giderek hesaplamalı ve algoritmik tasarım yöntemleriyle almaktadır. Bu, mühendislerin bileşenleri tasarlama, geliştirme 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 sağlar. Araştırmacılar, üreticiler ve tedarikçilerin bilgi alışverişinde bulunmalarını, darboğazları belirlemelerini ve yeni teknolojilerin gerçek dünya uygulamalarına nasıl dönüştürülebileceğini keşfetmelerini sağlar.

Geleceğe bakmak

Önümüzdeki beş ila on yıl içinde, eklemeli imalat, özellikle havacılık, premium otomotiv ve denizcilik uygulamaları gibi sektörlerde yüksek performanslı elektrikli makine bileşenleri üretmek için standart bir araç haline gelmesi muhtemeldir.

Büyük formatlı AM sistemleri, iyileştirilmiş verimlilik ve daha fazla süreç tekrarlanabilirliği, üretilebilen bileşenlerin yelpazesini genişletecektir. Özellikle eklemeli imalatla üretilen sargılar, verimlilik, termal performans ve güç yoğunluğunda önemli kazançlar sağlama potansiyeli sunmaktadır.

Ancak, eklemeli 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 büyük oranda fayda sağlayan, daha üretilebilir tasarımlar için bilgi sağlayacaktır.

Bu anlamda, eklemeli imalat sadece bir üretim çözümü değildir. Elektrik mühendisliği topluluğunun, elektrikli makinelerin neler yapabileceğini ve tamamen elektrikli bir geleceğin taleplerini ne kadar karşılayabileceğini yeniden hayal etmesini sağlayan bir mercek görevi görür.

Katmanlı üretim, 19-21 Mayıs 2026 tarihleri arasında Messe Berlin'de düzenlenecek olan CWIEME Berlin'de odak noktası olacak. Daha fazla bilgi edinmek ve trendin öncüsü olmak için bugün ziyaretçi bileti için kayıt olun.