ÜÇ BOYUTLU YAZICI TASARIMI ve PROTOTİPİ T.C. KARABÜK ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ÜÇ BOYUTLU YAZICI TASARIMI ve PROTOTİPİ Prof. Dr. Kerim ÇETİNKAYA

Strafor-camelyaf çalışmaları

DELTA Üç boyutlu yazdırma, dijital ortamda hazırlanan üç boyutlu dosyadan (CAD çizimleri) üç boyutlu katı nesneler üretme sürecidir. Bu işlemleri gerçekleştiren makineler üç boyutlu yazıcı olarak adlandırılır. Dikey Z eksenindeki hareketi sağlamak için üç yerden birer step motor ile tahrik edilmektedir. Bunun sebebi delta yazıcıların üçgen biçiminde olan şekillerinden kaynaklanmaktadır Delta tipi üç boyutlu yazıcı

Kartezyen Yazıcı Bu yazıcıların iskeletleri çelik çubuklardan veya profillerden oluşmaktadır. X ve Y eksenindeki hareketler eksantrik triger kayışı tarafından sağlanır. Z eksenindeki hareket vidalı miller kullanılarak iki adet step motor sayesinde sağlanır Kartezyen üç boyutlu yazıcı

Core xy mantığı ile üretilmiş Core XY tipi 3B yazıcı Burada ergitmenin yapıldığı kafa XY koordinat sistemine bağlanmıştır. Z ekseni hareketi tablaya verilmiştir Core xy mantığı ile üretilmiş üç boyutlu yazıcı

MALZEME ABS Üç boyutlu yazıcılarda yaygın bir şekilde kullanılan malzemelerin başında ABS ve PLA malzemeleri gelmektedir. ABS plastik (akrilonitril butadin stiren), sert bir termoplastik polimerdir. 20 ile 80 ° C arasında kullanıma uygundur. 80 derece üzerindeki bir sıcaklığa çıkılması durumunda yumuşama ve şekil bozulması yaşanabilir. 230-250 derecede eritilirken hidrosiyonik asit (HCN) gazı açığa çıkarmaktadır. Bu gaz zehirleyici bir gazdır. ABS yüksek dayanım ve darbe direnci nedeniyle üç boyutlu yazıcılarda sıkça tercih edilen bir malzeme türüdür. ABS malzemesinin yüksek sıcaklıkta yazdırılması nedeniyle büyük parçaların yazdırılması esnasında çarpılma riski bulunmaktadır. Oluşabilecek çarpılmaların önüne geçmek için ısıtıcılı yazma tablası kullanılması gerekmektedir ABS/PLA Filamentler

Malzeme pla PLA (Polilaktik asit) ise şu anki istatistiklere göre en çok kullanılan üç boyutlu yazıcı malzemesidir. PLA malzemesinin yazdırılırken çarpılma ihtimali çok daha düşüktür. Bundan dolayı da ısıtıcı tabla kullanılması zorunlu değildir. PLA nişasta içeren ürünlerden elde edilmektedir PLA malzemesi ABS malzemesinden daha düşük dayanıma sahiptir. Yavaş sertleşmesinden dolayı yazım hızı arttırıldığında ortaya kötü sonuçlar çıkabilmektedir. Yazdırma işleminin hızını arttırabilmek için yazdırılan parça, bir fan yardımı ile soğutulabilir ABS/PLA Filamentler

Üç Boyutlu Yazdırma İşlemi Nasıl Gerçekleşir? CAD Dosyası Üç boyutlu yazıcılardan ürün çıkarabilmek için ilk aşamada bu ürünün dijital ortamda üç boyutlu olarak tasarlanmış (katı modelleme programları mesela solid gibi) olması gerekir. Dijital ortamda tasarlanan ürün STL formatında kaydedilir ve üç boyutlu yazıcı kontrol programlarına aktarılır. Üç boyutlu yazıcı kontrol programlarında baskısı yapılacak olan ürünün yüzey kalitesi, doluluk oranı gibi istenilen özellikleri ayarlanır. Gereken ayarlar yapıldıktan sonra dilimleme işlemi yapılarak ürün katmanlara ayrılır ve G-Code dosyası oluşturulur. Oluşturulan bu dosya ya hafıza kartı aracılığıyla ya da doğrudan bilgisayar bağlantısı ile üç boyutlu yazıcılara aktarılarak ürün baskısı gerçekleşir. STL Uzantılı Dosya Gcode Dosyası 3 Boyutlu Baskı

Nesne Dilimleme Programları Piyasada markalaşmış üç boyutlu yazıcıların kendine özel tasarımları olan dilimleme ve kontrol programları bulunmaktadır. Bunlardan bazılarının ara yüzü aşağıda verilmiştir. Cura slic3r Repetier

Türkiye’de 3 Boyutlu Yazıcı Teknolojisindeki Gelişmeler “3D Print Expo Turkey” üç boyutlu yazıcı fuarında Türkiye’de bu alanda yapılan çalışmalar incelenmiştir. 4B Mühendislik 3B yazıcı. 3D Türk Printers ESP Müh. Sanem Cube II Kemiq 3B yazıcı Baskı hacmi:254x228x203 mm Hassasiyet: 0.1 mm (100 mikron) Türk Firması Baskı hacmi:254x228x203mm Hassasiyet:0.05 mm Türk bir firma tarafından Bursa’da imal edilmiştir. Baskı hacmi:260x230x200 mm Hassasiyet:100-300 mikron Türk Firması Baskı hacmi:245x245x245 mm Hassasiyet:70-400 mikron

Türkiye’de 3 Boyutlu Yazıcı Teknolojisindeki Gelişmeler Voksel M3d 3B yazıcı. 3Dörtgen Ultimaker 3B yazıcı. 3bFAB Formlabs Form1. 3bFAB Zortrax 3 boyutlu yazıcı. Baskı hacmi:109x113x116mm Hassasiyet: 50-350 mikron Ultimaker 2: Baskı hacmi: 230x230x205mm Hassasiyet: 20 mikron Baskı hacmi:125x125x165mm Hassasiyet: 20/50/100 mikron Baskı hacmi: 200x200x185mm Hassasiyet: 90-400 mikron

Türkiye’de Filament Üreten Firmalar Türkiye’de filament üreten türk firmalarından biri “3D SANEM” firmasıdır. PLA,PET ve ABS malzemeleri olmak üzere üç farklı filament üretip satışa sunmuşlardır. Bir diğer filament üretici firma “Pure Imagination” firmasıdır. ABS, PLA, Nylon, Flex PLA, HIPS olmak üzere beş farkl filament üretip satışa sunmuşlardır. Son olarak “OO-KUMA” firması beş farklı filanmet üretip satışa sunmuştur. Bunlar: ABS, PLA, FLEX, Karbon Fiber ABS, Ahşap dolgulu PLA (%30'dan fazla ahşap lifleri barındırır)’dır.

GELENEKSEL VE TERSİNE MÜHENDİSLİKLE 3 BOYUTLU YAZICI Geleneksel yöntemlerle üretilmiş bağlantı parçaları tersine mühendislik tekniği uygulanarak yeniden modellenmiştir. a) Geleneksel üretilen yazıcı parçaları. b) Tersine mühendislikle modellenen ve yazıcıdan üretilen parçaları. a) Geleneksel üretilen parçalı üç boyutlu yazıcı. d) Üç boyutlu yazıcı kend, parçasını da yapabilir

ÜÇ BOYUTLU YAZICI TASARIMI VE PROTOTİPİ Tersine mühendislik uygulanarak üretilmiş üç boyutlu yazıcı prototipi.

ÜÇ BOYUTLU YAZICI ELEMANLARI Extruder Filament’i ısıtıcı uca doğru iten mekanizmaya extruder denmektedir Isıtıcı uç extruderden gelen malzemeyi eriten ve istenilen çapta ince bir ip haline dönüştüren parçadır. Montajı yapılmamış ısıtıcı uç (j-head) yanda görülmektedir. Bu tip bir ısıtıcı uç kullanımı sayesinde filaman malzeme eritilirken üst kısımların gereğinden fazla ısınması ortadan kalkmıştır. Termistör sayesinde ısı kontrolü sağlanmaktadır. Kayış ve Kasnaklar Üç boyutlu yazıcılarda çoğunlukla GT2 kayışı ve buna uygun kasnaklar kullanılmıştır. Poliüretan maddeden oluşan kayışın yapısı ve dişleri kimyasallara ve kirletici maddelere karşı direnç sağlamaktadır Bağlantı Elemanları (Civatalar, Miller, Somunlar ve Pullar) Extruder. Kayış ve Kasnaklar.

ÜÇ BOYUTLU YAZICI elemanları Kontrol Kartı Günümüzde kullanılan bütün üç boyutlu yazıcıların kontrol kartları Arduino’ya dayanmaktadır. Bu kontrol kartlarının en temel görevleri step motorları, ısıtıcı nozzle’ı ve ısıtıcı tablayı kontrol etmektir. Bu kart arduino ek kartıdır. Üç boyutlu yazıcı için ihtiyaç duyulan tüm elektronik kontrol işlevini yerine getirmek için tasarlanmıştır. kartın tam olarak kullanılabilmesi için üzerine arduino mega ve A4988 step sürücü devrelerinin eklenmesi gerekmektedir Isıtıcı Zemin Isıtıcı zemin baskı esnasında malzemenin yüzeye yapışmasını, çarpılmasını önlemek amacıyla kullanılmaktadır RAMPS elektronik kontrol kartı Isıtıcı zemin

ÜÇ BOYUTLU YAZICI elemanları Adım Motoru Küçük boyutlu çalışmalarda iki adet z ekseni kontrolü için, birer adet x ve y eksenleri kontrolü için, bir adet filement çekmek için olmak üzere toplam beş adet adım motoru kullanılır. Yanda kullanılan nema 17 adım motoru görülmektedir. Adım Motoru Sürücü Devresi Adım motor sürücüsü üç boyutlu yazıcıda kullanılan adım motorlarının hareketini sağlamak üzere tasarlanmıştır. Arduino üzerinden geçen güç, motorları hareket ettirmekte yetersiz kaldığı için bu görevi adım motor sürücü devresi yerine getirmektedir Nema 17 adım motoru Adım motoru sürücü devresi

ÜÇ BOYUTLU YAZICI KONTROL ELEMANLARI Üç boyutlu yazıcı elektronik kontrol kartının diğer elemanlarla bağlantı şeması görülmektedir. Ramps bağlantı şeması

ÜÇ BOYUTLU YAZICI PROTOTİPİ’NİN MALİYETİ 3B Yazıcı Maliyet Tablosu   Birim/metre/kg Fiyatı (TL) Adet/m Toplam (TL) Arduino Mega Kartı 90 1 Adet Ramps 1.4 Step Motor Nema 17 75 5 375 Motor Sürücü Devresi 25 125 LCD Ekran 70 Sıcak Tabla 80 Profiller 20x20 40 2 Metre Alaşımlı Çelik Miller 60 120 Vidalı Miller M5 50 100 Sıcaklık Ölçüm Termistör End Stop 3 210 Extruder Nozzle 110 Lineer Rulman 20 12 240 Cıvata,somun 0,5 GT2 Kayış 10 metre Kasnak Kaplin PLA Kg TOPLAM: 2000 TL

UYGULAMALAR Tablo Siyah gözlük numunesinin yazdırma parametreleri. Katman kalınlığı (Layer height) 0,2 mm İlk katman kalınlığı (First layer height ) 0,35 mm Doluluk oranı (Fill density) 0,4 Doluluk deseni (Fill pattern) Honeycomb Alt ve üst tabaka doldurma deseni (Top/bottom fill pattern)   Rectilinear Extruder serbest gidiş hızı (Travel) 100 mm/s İlk katmanı yazdırma hızı (First layer speed) 30 mm/s Etek genişliği (Brim widh) 2 mm Filament çapı 1,75 Extruder sıcaklığı °C 190°C Tabla sıcaklığı °C 60°C Kullanılan malzeme PLA Toplam süre 3sa 38dk Üç boyutlu yazıcıda gözlük çerçevesinin yazdırılması. Siyah PLA’dan üretilmiş gözlük çerçevesi.

UYGULAMALAR Tablo Sarı gözlük numunesinin yazdırma parametreleri. Katman kalınlığı (Layer height) 0,2 mm İlk katman kalınlığı (First layer height ) 0,35 mm Doluluk oranı (Fill density) 0,3 Doluluk deseni (Fill pattern) Lines Alt ve üst tabaka doldurma deseni (Top/bottom fill pattern)   Rectilinear Extruder serbest gidiş hızı (Travel) 100 mm/s İlk katmanı yazdırma hızı (First layer speed) 30 mm/s Etek genişliği (Brim widh) 2 mm Filament çapı 1,75 Extruder sıcaklığı °C 190°C Tabla sıcaklığı °C 60°C Kullanılan malzeme PLA Destek malzemesi oluşturma (Generate support material) Evet Toplam süre 3sa 18dk Sarı PLA’dan gözlük çerçevesi yazdırma işlemi. Destekler sökülürken kırılan gözlük çerçevesi.

Yazdırılan Gözlük Numunelerinin Mekanik Testleri (Çekme Testi) Çekme testinden sonra siyah, sarı ve beyaz gözlük çerçeveleri ve kolları aşağıdaki şekillerde görülmektedir. Siyah gözlük çerçevesi ve kolu. Sarı gözlük çerçevesi ve kolu. Beyaz gözlük çerçevesi ve kolu (ABS).

Gözlük numunelerinin çekme testi grafiği. Yazdırılan Gözlük Numunelerinin Mekanik Testleri (Çekme Testi) %40 doluluk oranında PLA malzemeden yazdırılan siyah ve sarı gözlük kollarının ortalama 18,55 N/mm²’lik maksimum gerilme kuvvetine sahip olduğu görülmüştür. %40 doluluk oranında ABS malzemeden yazdırılan beyaz gözlük kol numunesinin 17,2794 N/mm²’lik maksimum gerilme kuvvetine sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca %40 doluluk oranında PLA malzemeden yazdırılan siyah ve sarı gözlük kollarının ortalama %3,345’lik, ABS malzemeden yazdırılan beyaz gözlük kol numunesinin %2,44800’lik maksimum uzama miktarına sahip olduğu görülmüştür Gözlük numunelerinin çekme testi grafiği.

Gözlük Kolu Numunelerinin Yüzey Pürüzlülük Değerleri Siyah gözlük kolunun dış yüzeyinin solisyon sonrası ölçüm yerleri.   Solisyon Öncesi Solisyon Sonrası Ortalama yüzey pürüzlülük değeri 12.627 9.620   Solisyon Öncesi Solisyon Sonrası Ortalama yüzey pürüzlülük değeri 12.783 6.749 Siyah gözlük kolunun iç yüzeyinin solisyon öncesi ve sonrası ölçüm yerleri. Sarı gözlük kolunun dış yüzeyinin solisyon öncesi ve sonrası ölçüm yerleri.   Solisyon Öncesi Solisyon Sonrası Ortalama yüzey pürüzlülük değeri 12.783 6.749 Sarı gözlük kolunun iç yüzeyinin solisyon sonrası ölçüm yerleri.   Solisyon Öncesi Solisyon Sonrası Ortalama yüzey pürüzlülük değeri 4.828 1.607

Tablo Gözlük numunelerinin yüzey sertlik değerleri. Yazdırılan gözlük numunelerinin yüzey sertlik değerleri Tablo da verilmiştir. Bu sonuçlara göre 72,16 hd’lik sertlik değeri ile en sert yüzeye sahip gözlük numunesi profesyonel üç boyutlu makinede yazdırılan gözlük olmuştur. PLA ile yazdırılmış olan gözlük numunelerin yüzey sertlik ortalaması ise 64,83 hd’dir.   Sertlik değerleri (HD) Ortalama Sertlik Değeri (HD) Siyah Gözlük numunesi 62 65,16666667 65,5 68 Sarı Gözlük numunesi 59 64,5 66,5 Beyaz Gözlük numunesi 72,5 72,16666667 73,5 70,5

Solisyon Kullanılarak Yüzey Parlatma ve Destekleri Çıkarma İşlemi Yüzey pürüzlülüklerini gidermek ve yüzeyi daha parlak hale getirmek için “metil etil keton” isimli solisyon kullanılmıştır. Solisyon içine atılan numuneler 8 dakika solisyon içinde bekletildikten. Metil Etil Keton. Solisyon içinde bekletilen numuneler. Solisyon sonrası beyaz gözlük çerçevesi. Beyaz gözlük çerçevesinin kalınlığı solisyona atılmadan önce 4.8 mm iken solisyona atılıp bekletilme işleminden sonrasında gözlük çerçevesinin kalınlığı 4,48 mm olarak ölçülmüştür. Beyaz gözlük çerçevesi solisyona atılma işleminden sonra 0,32 mm incelmiştir.

TERSİNE MÜHENDİSLİK TEKNİĞİ İLE YAZDIRILAN ÖRNEK ÇALIŞMA 123D Catch programı ile üç boyutlu tarama yaptırılarak parça üretimi gerçekleştirilmesi 123 D Catch programı 123D Catch programı ile üç boyutlu tarama yaptırma işlemi görülmektedir.

TERSİNE MÜHENDİSLİK TEKNİĞİ İLE YAZDIRILAN ÇALIŞMA Üç boyutlu tarama yapılmış parça, STL formatına dönüştürülerek nesne dilimleme programlarında G kodu dosyası oluşturulmuştur. G kodu dosyası çıkarılmış parça üç farklı üç boyutlu yazıcıdan yazdırılmıştır

TERSİNE MÜHENDİSLİK TEKNİĞİ İLE YAZDIRILAN ÇALIŞMA Üç farklı yazıcıdan çıkan parça boyutlarının karşılaştırılması.   Orijinal Parça (mm) Makerbot (mm) Prusa (mm) Delta (mm) Ort. Sapma (mm) d1 30,88 29,32 29,16 29,04 1,41 d2 23,72 22,07 20,16 19,58 3,11 t 9,01 8,98 8,71 8,64 0,23

Prof. Dr. Kerim ÇETİNKAYA Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Bölümü TEŞEKKÜRLER. Prof. Dr. Kerim ÇETİNKAYA Karabük Üniversitesi Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Bölümü