3D YAZICILARDA ÜRETİM YÖNTEMLERİ

STEREOLİTOGRAFİ (STEREOLITHOGRAPHY-SLA)

Bu yöntem bir lazer kaynağından elde edilen ışık enerjisi ile sıvı haldeki fotopolimer yüzey taranır. Taranan kısımlar sertleştikten sonra platform bir katman kalınlığı kadar aşağı iner ve yeni bir fotopolimer katman lazer ışığıyla taranır. Bu işlemler tasarlanan tüm katmanlar bitene kadar tekrarlanır. İnşa işlemi bitince model fotopolimer havuzdan çıkarılır. Şekil 1’de Stereolitografi yönteminin temsili resmi gösterilmiştir.

Şekil 1

ERİYİK YIĞMA TEKNİĞİ (FUSED DEPOSITION MODELING-FDM)

FDM tekniğinde tel şeklindeki plastik veya mum malzeme bir nozul içerisinden ekstrüzyon edilir. Nozul içerisinde malzemeyi ergime noktasının üzerinde bir sıcaklıkta tutacak bir ısıtıcı vardır. Bu ısıtıcı vasıtasıyla eriyen malzeme nozul içerisinden aktıktan sonra sertleşmekte ve altındaki katmana yapışmaktadır. Bu şekilde bütün katmanlar oluştuktan sonra işlem tamamlanmaktadır Şekil 2’de FDM tekniği gösterilmiştir.

Şekil 2

SEÇİCİ LAZER SİNTERLEME (SELECTIVE LASER SINTERING-SLS)

SLS yönteminde modelin oluşturulacağı haznenin üzerine kolayca eriyebilen ince toz tabakası serilmekte daha sonra ısı üreten CO2 lazer ile toz üzeri taranmaktadır. Lazerin toz ile etkileşimiyle tozun sıcaklığı ergime noktasının üzerine çıkmakta ve ergiyen toz kısa sürede katman oluşturmaktadır. Katman tamamen oluşunca yardımcı bir mekanizma ile ek toz tabakası, taranan katmanın üzerine serilmekte toz tabakası tekrar lazer ile taranarak yeni katmanların oluşturulması işlemi model tamamlanıncaya kadar devam etmektedir. Şekil 3’de seçici lazer sinterleme sisteminin temsili gösterimi sunulmuştur.

Şekil 3

ÇOK TABAKALI NESNE ÜRETİMİ (LAMINATED OBJECT MANUFACTURING-LOM)

LOM yönteminde katman malzemesi olarak kağıt kullanılmaktadır. Bu method, kağıtların yapıştırılıp kesilmesi prensibine dayanır. Kağıt sıcak silindir vasıtasıyla serilir ve yapıştırılır. Silindir kağıt üzerine sıcaklık ve basınç uygulanır, ince termoplastik yapıştırıcı tabaka yüzeyi yapıştırır. Yeni tabaka yapıştırıldıktan sonra CO2 lazer yardımıyla tabaka kesilir. Geriye kalan kağıt malzeme ortamdan atılır. Bütün tabakalar tamamlanana kadar bu işlemler devam ettirilir ve böylelikle parça tamamlanır. Şekil 4’de çok tabakalı nesne üretim tekniği gösterilmiştir.

Şekil 4

METAL LAZER SİNTERLEME ( DIRECT METAL LASER SINTERING-DMLS)

Bu teknikte ilk olarak çelikten yapılmış levha XY tablasının üzerine yerleştirilir ve seviyesi ayarlanır. Sonra toz tabaka (yaklaşık olarak 50 mikrometre kalınlığında) bu levhanın üzerine yardımcı mekanik elemanlarla serilir. Lazer ile toz yüzeyin gerekli yerleri taranarak lazerin verdiği enerjiyle toz parçacıkları birleşir. Lazer taramasından sonra platform 50 mikrometre aşağı indirilir ve yeni toz tabakası bir önceki tabakanın üzerine serilerek aynı işlemlere üretilecek model tamamlanıncaya kadar devam edilir.

Şekil 5

ELEKTRON IŞINLA ERİTME ( ELECTRON BEAM MELTING-EBM)

EBM tekniği, yoğun metal tozlarını güçlü bir elektron ışınıyla eriterek katmanlar halinde modelin oluşturulması ilkesine dayanmaktadır. Şekil 6’da EBM tekniği temsili olarak görülmektedir.

Şekil 6

SYRINGE EXTRUSION

Hemen hemen her şırınga başlığıyla donatılmış tüm yazıcılarda kullanılabilir. Çimento, kil, silikon gibi malzemelerle üretim yapılmasına olanak tanır. Ayrıca çikolata, peynir, hamur gibi gıdalarda bu sistem ile yazdırılabilir. Çalışma mantığı FDM ile aynıdır.

Şekil 7

ÜÇ BOYUTLU YAZICI TİPLERİ

Üç boyutlu yazıcılar iki tip olarak kullanılmaktadır.

KARTEZYEN TİPİ ÜÇ BOYUTLU YAZICI

Kartezyen 3D printerlar kartezyen koordinat sistemini kullanırlar yukarı aşağı, sağa sola, öne arkaya olarak (X-Y-Z düzlemlerinde) hareket ederler. Bu sistem bir nesneyi a noktasından b noktasına götürmek için en kolay yoldur. Çünkü her düzlemde düz bir çizgi izlenir. Bu tip yazıcılarda ekstruder ve tabla hareket eder. Özellikle tablanın ileri geri hareket ettiği sistemlerde ürün kalitesinde düşme gözlenebilir. Tablanın Z ekseninde hareketli olması (aşağı doğru hareket etmesi) daha kaliteli sonuçlar verir.

DELTA TİPİ ÜÇ BOYUTLU YAZICI

Delta tip 3d yazıcılar delta robot konseptine göre çalışırlar. Delta robotların endüstride birçok kullanım alanı vardır. Bu robotlar özellikle küçük ve hafif objeler ile yapılan çalışmalarda kullanılırlar. 3 kolu bulunan bu tipler bir başlıkta birleşirler ki 3 boyutlu yazıcılarda bu başlık yazıcının ekstruderi oluyor. Her bir kol, hareketli bir taşıyıcıya bağlı olarak yukarı ve aşağı yönde hareket ediyor. Motorlar genellikle tablanın altında bulunuyorlar ve kolların hareket etmesini sağlıyorlar. 3 kol da birlikte hareket ederek objenin üretilmesini sağlıyor. Tablanın dolayısıyla objenin hiçbir şekilde hareket etmemesi ürün kalitesinin oldukça iyi olmasını sağlıyor.

ÜÇ BOYUTLU YAZICILARIN TARİHSEL GELİŞİMİ

  Üç boyutlu yazıcılar ilk olarak 1970’li yılların sonlarına doğru bilim dünyasının gündemine yerleşmeye başlamıştır. O yıllarda boyutsal anlamda çok büyük olup oldukça pahalı makinelerdi. İlk üç boyutlu yazıcı Charles Hull tarafından 1984 yılında geliştirilip imal edilmiştir. 1986 yılında üç boyutlu yazıcı üretmek için ilk şirket kurulmuştur. 1988 yılında kurulan bu şirket tarafından geliştirilen SLA-250 adında üretilen ilk üç boyutlu yazıcı geliştirilmiştir. Ve yine aynı yıl içerisinde Selective Laser Sintering (SLS) ve Fused Deposition Modeling (FDM) teknolojileri keşfedilmiştir. 1933 yılında Massachusett Institute of Technology (MIT) iki boyutlu yazıcılar da kullanılan injet teknolojisinden yola çıkarak yeni bir teknoloji geliştirdi ve buna 3 Dimensional Printing (3DP) ismi verildi. İlk renkli üç boyutlu baskılar bu yazıcılarda üretildi.1995 yılında Z Corporation firması yüksek çözünürlüğe sahip ürünler üreten ilk üç boyutlu yazıcıyı tasarladı. Bu yazıcı aynı zamanda renkli basım yapabilme yeteneğine de sahipti. 2007 yılında Reprap adıyla ilk açık kaynak kodlu yazıcılar piyasaya çıkmaya başladı. Dolayısıyla üç boyutlu yazıcıları geliştirme imkanı hızla arttı. 2008 yılında Object Geometries şirketi, Connex500 ile aynı anda farklı malzemeler kullanarak ürün üretebildi. 2009 yılından itibaren Makerbot ve 3D Systems’in geliştirdiği Cubify gibi modeller sayesinde ev tipi üç boyutlu yazıcıların satışları giderek artmıştır.

3D Yazıcı Nedir ?

 Üç boyutlu yazıcılar endüstri alanında kullanılan geleneksel üretim yöntemlerine göre farklı teknikler kullanır. Üç boyutlu yazıcılar nesneleri keserek yada delerek şekillendirmek yerine dijital tasarımı katmanlar halinde lazer sinterleme, üst üste yığma, polimer sertleştirme gibi teknikler kullanarak şekillendirir. Üç boyutlu baskı teknolojilerinde en yaygın olarak kullanılan yöntem katmanlı üretim yöntemleridir. En çok kullanılanı ise plastik malzemenin ergitilerek katı nesneler oluşturulmasını sağlayan FDM yöntemidir.

Üç boyutlu yazıcılar genel olarak gövde, hareket eksenleri ve motorları, baskı tablası, nozul ucu ve elektronik kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Gövde yazıcının motorlarını, eksenlerini, tablasını ve ısıtıcı ucunu taşıyan ana elemanıdır. Gövde kısmı yazıcının büyüklüğüne ve özelliklerine göre değişebilmektedir. Genel olarak plastik parçalar ve bunlar ile birleştirilen alüminyum parçalardan oluşmaktadır. Günümüzde yaygın olarak yapılan reprap yazıcı projelerinde daha çok gijonlar plastik bağlantı parçaları ve alüminyum sigma profiller ile gövdeler oluşturulmaktadır.

Baskı tablası, üzerinde yazıcının baskı alabilmesini ve modeli oluşturabilmesini sağlayan elemandır. Tabla ısıtmalı yada ısıtmasız olabilmektedir. Tabla ısıtmasız olduğunda ancak PLA benzeri yüksek ısı gerektirmeyen malzemelerin baskısı alınabilmektedir. Yüzeye yapışması için ısı gerektiren ABS gibi malzemeler yazdırılırken sorunlar çıkmaktadır. Model tabla ısınmadığı için tabladan ayrılıp baskı hatalarına neden olur. Tabla ısıtması için özel elektronik rezistanslı PCB devreler ya da içerisinde rezistans bulunan farklı tasarımlar yapılabilmektedir. Baskı tablası boyutu günümüzde pek çok yazıcı için 20 cm ya da daha küçük tablalar kullanılmaktadır.

Nozul sistemi plastik enjeksiyon sistemlerinde de kullanılan mantığı kullanmaktadır. Bu uç, sistemin içerisine transfer edilen kablo şeklindeki filament hammaddeyi ergiterek daha küçük boyutlarda enjekte etmek suretiyle katmanları ve sonuçta modeli oluşturmaktadır.

Üç boyutlu yazıcının eksenleri nozul ucunun hareket etmesi ve bu hareketi istenilen şekilde yapabilmesini sağlayan elemanlardır. Eksenler genellikle triger kayış ve kasnak ile hareket etmektedir. Triger kayış kasnak kullanılan eksenlere yüksek hız imkânı vermektedir. Kartezyen tipi yazıcılar için geçerli olan bu eksenler, delta tipi yazıcılarda değişmektedir. Delta yazıcılar üç eksen hareketini de kayış kasnak sistemi ile yapmaktadır. Bu özellikleri de onlara yüksek hız ile yazdırabilme imkânı vermektedir.

Üç boyutlu yazıcıların önemli elemanları motor ve elektronik kontrol ünitesidir. Motorlar hareket eksenleri üzerlerindeki kayış kasnak ve vidalı milleri hareket ettiren elemanlardır. Genelde adım (step) motorlar kullanılır. Bu motorlar dönme hareketleri ile yazıcının hareketlerini gerekli hassasiyet ile yapabilmeyi sağlamaktadır. Adım adım hareket edebilmesi küçük hareketler için imkân vermektedir. Motorlara ek olarak elektronik kontrol ünitesi ise yazıcı da bulunan ısıtıcı uç, baskı tablası ve motorları kontrol eden diğer sistem elemanıdır. Genellikle kontrol ünitesi olarak arduino ve sanguinololu isimli kartlar kullanılmaktadır. Arduino kartı daha yaygın bir kullanıma sahiptir. Bunun nedeni üzerinde ramps kartı ile birleştirilerek daha çok destek ve özelliğe sahip olmasıdır.

Muhammet Ali Özdemir

Hitit Üniversitesi

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği