Tasarla Modelle Üret!

Bilgisayar çizim programlarıyla tasarladığınız

karmaşık modellerin gerçekte nasıl olacaklarını mı

görmek istiyorsunuz, hayalinizdeki sanatsal

ya da mimari bir tasarımı elle tutulur hale mi getirmek

istiyorsunuz, biyomedikal malzemeler ve biyomedikal

uygulamalarla mı ilgileniyorsunuz, üretime geçmeden

önce tasarımlarınızı sınamak mı istiyorsunuz?

O zaman üç boyutlu modelleme teknikleri amacınıza

uygun olabilir. Bu tekniklerle tasarımlarınızı

çok kısa sürede görebileceğiniz gibi seri üretimlerini de

yapabilirsiniz.

Üç Boyutlu

Modelleme Teknikleri

Tasarla

Modelle

Üret!

Visual Phot os Tuncay Baydemir TÜBİTAK Bilimsel Programlar, Uzman Yardımcısı ODTÜ Polimer Bilimi ve Teknolojisi Bölümü Doktora öğrencisi

G

ünümüzde yaygın olarak kul-lanılan üç boyutlu modelleme tekniklerinden biri hızlı proto-tiplendirme. Hızlı prototiplendirme tek-niği, bilgisayarda hazırlanan üç boyut-lu çizimlerden yola çıkıp doğrudan el-le tutulur fiziksel modelel-ler elde etme-mizi sağlayan bir tekniktir. Bu teknikle çok karmaşık nesneler doğrudan bilgi-sayar modellerinden faydalanılarak üre-tilebiliyor. Çizim ve modelleme teknolo-jilerindeki gelişmelere paralel olarak bil-gisayarlarla neredeyse sınırsız çizim ve modelleme yapılabiliniyor olması, hızlı prototiplendirme teknikleri kullanılarak üretilen nesnelerin de çok çeşitli amaç-lara hizmet edebilmesi anlamına geliyor.

Aşağıda daha detaylı olarak açıklaya-cağımız elektron demetiyle eritme, erite-rek biriktirme, stereolitografi, seçici la-zer sinterleme ve üç boyutlu baskı son yıllarda kullanılan hızlı prototiplendir-me tekniklerine örnek olarak verilebi-lir. Bu gibi yöntemlerle üretimi yapıla-bilecek nesneler, çok karmaşık mühen-dislik parçalarından çok küçük nesnele-re kadar çeşitlilik gösterir. Bu çeşitliliğin getirisiyse sözü edilen tekniklerin kulla-nımının bilimin ve teknolojinin her ala-nında kendine yer bulabilmesidir. Hızlı prototiplendirme tekniklerinin temelin-de, bilgisayar destekli modellerin tekni-ğin uygulandığı makineye iletilmesi ve bu modelin üç boyutlu olarak işlenmesi ilkesi yatar. Daha açık bir ifadeyle, bilgi-sayar programları yardımıyla çizilmiş üç boyutlu modellere ilişkin veriler baskı cihazına gönderilir. Baskı cihazı bu mo-deli yatay eksende ince katmanlar halin-de, bu katmanlar birbirini takip edip üst

üste gelecek şekilde baskılar. Katmanla-rın sırayla birbiri üzerine baskılanmasıy-la üç boyutlu model elde edilir. Örneğin, bilgisayarda çizilen üç boyutlu bir elma-nın yatay eksende çok ince kesilmiş di-limlerine ait verilerin makineye iletilme-si ve sonra bu parçaların sırayla birbir-lerinin üzerine baskılanıp kaynaşmaları-nın sağlanmasıyla bütün bir elma proto-tipinin elde edilmesi gibi.

Hızlı prototiplendirme teknikleriyle istenilen şekilleri elde etmek için çeşitli yöntemler kullanılıyor. Kullanılacak baş-lıca malzemeler yöntemin özelliklerine göre polimerler, metaller ve seramikler olabiliyor. Yukarıda da belirttiğimiz gi-bi elektron demetiyle eritme, eriterek gi- bi-riktirme, stereolitografi, seçici lazer sin-terleme ve üç boyutlu baskı yöntemleri en yaygın yöntemler. Şimdi bu yöntem-leri kısaca tanıyalım.

Elektron demetiyle eritme yöntemiy-le kuramsal olarak, toz halindeki herhan-gi bir metal istenilen modele dönüştürü-lebilir. Yöntemin temel ilkesi yüksek va-kum ortamındaki, yüksek hızdaki elekt-ronların, bilgisayar modellemeleri doğ-rultusunda, metal tozlarının bulunduğu belli noktalara çarptırılmasına ve böylece eriyen metallerin kaynaşmalarının sağ-lanmasına dayanır. Üretim tamamlandık-tan sonra bağlanmamış metal tozları ko-laylıkla bütünden ayrılır ve istenilen ka-tı metal parçalar elde edilebilir. Herhan-gi bir katkı malzemesine ya da üretimden sonra herhangi bir işleme gerek olmama-sı bu yöntemin en önemli üstünlüklerin-dendir. Bu yöntemle, protez üretiminden otomotiv ve havacılık sektörlerinde kul-lanılan parçalara varıncaya kadar çok çe-şitli mühendislik parçalarının üretiminde metaller ve alaşımlar kullanılabilir.

İlk olarak tasarlanan prototipin üç boyutlu modeli bilgisayarda çizilir.

Modelin verileri işlenerek hızlı prototiplendirme cihazının anlayabileceği hale getirilir.

Prototip cihaz tarafından katmanlar halinde baskılanır.

Tüm katmanların baskılanmasıyla prototip tamamlanır.

Son işlemlerle beraber (temizleme, boyama, kaplama, fırınlama vb. gibi) prototip amaca uygun son hale getirilir. Veriler hızlı

prototiplendirme cihazına gönderilir.

Hızlı Prototipleme Yöntemleri Genel Akış Şeması

Hızlı prototiplendirme yöntemleri mühendislik uygulamalarında da sıkça kullanılmaktadır.

Visual Phot

os

Tasarım: Tuncay Baydemir Çizim: Pınar Büyükgüral

Bilim ve Teknik Nisan 2009

>>>

Üç Boyutlu Modelleme Teknikleri: Tasarla, Modelle, Üret!

Eriterek biriktirme yöntemi, Stratays

Inc. (ABD) firması tarafından

1990’lar-da geliştirilmiş, sistemin basit ve uygu-lanabilir olması nedeniyle de kısa sürede yaygınlaşmıştır. Lazer, vakum ya da ha-valandırma ihtiyacı olmadığından ofis ortamında bile kullanılabilir. Sarılmış polimer ipliği ve destek malzemesi (bu yöntemde, oluşturulmakta olan prototi-pe destek olacak ve boşlukları doldura-bilecek bir malzeme olmadığı için kul-lanılan dolgu malzemesi) baskılamayı gerçekleştirecek olan hareketli kafada-ki ikafada-ki ayrı uca doğru itilir. Eritilen poli-merik malzeme ve destek malzemesi

bil-gisayar modelinin yapısına göre prototi-pin oluşturulacağı zemine kat kat püs-kürtülür. Plastik, üstüne gelen yeni kat-la kaynaşıp sertleşir. Bu döngü katman-lar halinde, nesne tamamlanana kadar devam eder. Diğer yöntemlerde olduğu

gibi bu yöntemde de hareketli bir zemin ve uçlar vardır. Destek malzemesiyse bir sonraki basamakla nesneden ayrılır. Bu malzemeyi uygun bir çözelti kullanarak ayırmak iyi bir yöntemdir. Bu yöntemde kullanılan polimer türü, genellikle yeter-li saflıkta termoplastiklerdir.

Stereolitografi yöntemiyse fotopoli-merlerin katmanlar halinde UV-lazerle katılaştırılması ilkesine göre çalışır. UV-lazer ile temas eden sıvı fotomalzeme-nin polimerleşerek ya da çapraz bağ oluş-turarak katılaşması sayesinde üç boyut-lu nesne elde edilir. Stereolitografi yön-temi Charles Hull (Valencia, Kaliforniya, ABD) tarafından keşfedildi ve 1986’da pa-tenti alındı. Bu yöntemde bilgisayar mo-deli katmanın koordinatlarını cihaza verir ve bu koordinatlara gönderilen lazer ışın-larıyla bu bölgelerdeki sıvılaştırılmış poli-merlerin sertleşmesi sağlanır. Katman ta-mamlanınca üzerinde oluşturulduğu ze-min katmanın kalınlığı kadar aşağıya iner ve yeni bir katman oluşturulur. Katman-ların hepsinin tamamlanması sonucunda da nesne tamamlanmış olur. Daha son-ra uygun bir çözücüyle yıkanan nesneye genellikle sertleşmesi, mekanik dayanık-lılığının artması ve dış görünüşünün iste-nilen son hale gelmesi için çeşitli işlemler (fırınlama, zımparalama, yüzey kaplama, cilalama, boyama vb.) uygulanır.

Seçici lazer sinterleme yöntemindey-se toz halindeki malzemelerin (polimer, metal ve seramik gibi) yüksek güçte la-zer ışınları kullanılarak katmanlar ha-linde baskılanması sonucunda katı nes-ne tamamlanır. Yöntem olarak diğer hız-lı prototiplendirme yöntemlerine ben-zer, ama destek malzemesi tozun kendisi olduğundan temizleme ve destek malze-mesinden ayırma işlemleri kolaydır.

Üç Boyutlu Baskı

Prototip modellemesi bilgisayarda gerçekleştirilir.

Silindir besleme bölümünden aldığı tozu yapım bölümüne belirlenen kalınlıkta yayar.

İşlem yeni toz katmanı serilmesi ve o katmanın baskılanması döngüsünde devam eder. Aynı esnada besleme bölümü yukarı doğru çıkarken diğer bölüm aşağı doğru iner.

Tamamlanan prototip bölümden alınır ve baskılanmamış tozların temizlenmesinden sonra üzerinde son işlemler gerçekleştirilir.

Prototipin yapımı tamamlanır.

Bu döngü prototip tamamlanana kadar devam eder. Yazıcı baskılaması gereken yerleri

bilgisayardan gelen verilere göre baskılar. Üç Boyutlu Baskı Cihazı

Yazıcı ucu Yazıcı ve toz yayan

silindir

Toz besleme bölümü _{Prototipin yapıldığı} bölüm İşlenmiş veriler

Bir kafatası protezi tasarımı

Üç boyutlu baskı yöntemiyle üretilen bazı prototipler (Fotoğraf ve ürünler yazarın çalışmasıdır)

Visual Phot

os

Tasarım: Tuncay Baydemir Çizim: Pınar Büyükgüral

Bilim ve Teknik Nisan 2009

<<<

Üç boyutlu baskı (3DP™) yöntemiy-se Massachuyöntemiy-setts Teknoloji Enstitü-sü (MIT, ABD) tarafından ileri uygula-malarda kullanılmak amacıyla 1995’te geliştirildi. Bu yöntem uygun tozun ve bağlayıcı sistemlerin bir arada kullanıl-masına dayalıdır. Üç boyutlu baskı ci-hazının gövdesi temel olarak toz besle-me bölümü ve prototipin yapıldığı bö-lüm olarak iki ana böbö-lümden oluşur. Toz halindeki polimer ya da herhangi bir malzeme cihazın toz besleme bölü-müne konulur. İşlemin başında mode-lin oluşturulacağı yerde hiç toz bulun-mazken, diğer bölüm toz halindeki mal-zemeyle doludur. Boş kısım işlem süre-since katmanların kalınlığı kadar aşa-ğı inerken dolu kısım yine katman ka-lınlığı kadar yukarı çıkar. Bunun nede-ni, her bir katman baskılandıktan sonra o katmanın üzerinde baskılanmamış ye-ni bir toz katmanı oluşturulması ve bu yeni toz katmanına da baskılama işle-mi uygulanmasıdır. Bağlayıcı sıvı yazıcı olarak tasarlanmış bölümün deposuna doldurulur. Bilgisayar modelleme prog-ramlarıyla uygun formatta çizilmiş tasa-rımlara ilişkin bilgiler üç boyutlu baskı cihazına gönderilir. Bu bilgileri alan ci-haz ilk harekette tabana silindirler ara-cılığıyla bir kat toz yayar. Sonra modelin oluşturulması için yazıcı kısmından ge-rekli bölgelere bağlayıcı sıvı püskürtü-lür. Bu bölgelerde bulunan tozlar fizik-sel ve/veya kimyasal olarak birleşir. Son-raki aşamada nesnenin oluştuğu kısım aşağıya inerken toz besleme bölümü yu-karı çıkar. Yeni bir toz katmanı yine si-lindirler vasıtasıyla nesnenin oluşturu-lacağı bölüme yayılır ve yazıcı bir son-raki katmanı baskılar. Bu işlem üç bo-yutlu nesne tamamlanana kadar devam eder. Destek malzemesi toz halinde ol-duğundan, işlem bittikten sonra temiz-lenmesi için duruma göre uygun bir yı-kama çözeltisi kullanılabildiği gibi, kimi durumlarda bu işlenmemiş tozlar ba-sınçlı havayla da temizlenebilir. Sertleş-mesi için nesne daha sonra fırınlanabilir ve üzeri kaplanabilir. Kimi durumlarda yazıcının renkli baskı yapması da müm-kün olabilir.

Hepsi hemen hemen aynı temel il-kelere sahip hızlı prototiplendirme tek-niklerini herhangi bir uygulama ala-nıyla sınırlamak doğru olmaz. Yine de başlıca uygulama alanları arasında oto-motiv sektörü, havacılık ve uzay sektö-rü, biyomedikal uygulamalar, ilaç üre-timi, mimarlık, tasarım ve malzeme mühendisliği sayılabilir.

Bilgisayarda çizilmiş modellerin hızla nesnelere dönüşmesi hızlı proto-tiplendirme tekniklerinin temel hede-fidir. Araştırmacılar bu konu

üzerin-de çalışmalarına aralıksız üzerin-devam edi-yor. Hızlı prototiplendirme için kulla-nılabilecek malzemelerin sınırsız ol-ması araştırmacıları bu teknikleri mal-zemelere göre tasarlamaya, geliştirme-ye, yeni teknikler bulmaya ve teknik-lere uygun malzemeler üretmeye teş-vik ediyor. Kullanılan cihazların hassa-siyetinin artırılması ve elde edilen nes-nelerin yüzeyinin daha pürüzsüz hale getirilmesi, geliştirilmesi gereken ko-nular arasında öne çıkıyor. Modellerin boyutlarının makinenin kapasitesiy-le sınırlı olması nedeniykapasitesiy-le, daha büyük parçaların baskılanabilmesi için daha büyük hazneli cihazların tasarlanması üzerinde de çeşitli çalışmalar yapılıyor. Sonuç olarak, günümüzdeki olanaklara ve yeni gelişmelere paralel olarak hızlı prototiplendirme sistemlerinin satışla-rı ve kullanım alanlasatışla-rı da her geçen yıl-la birlikte artıyor.

Kaynaklar

Baydemir, T., “Effect of Natural Polysaccharides on the Integrity and Texture of Sugar Based Matrices in Three Dimensional Printing”, Yüksek Lisans Tezi, ODTÜ, Polimer Bilimi ve Teknolojisi Bölümü, 2003. Sachs, E., Cima, M., Williams, P., Brancazio D., Cornie, J., “Three Dimensional Printing: Rapid Tooling and Prototypes Directly From a CAD Model”, Journal of Engineering for Industry, Cilt 114, s. 481-488, 1992. Yan, X., Gu, P., “A Review of Rapid Prototyping Technologies and Systems”, Computer-Aided Design, Cilt 28, Sayı 4, s. 307-318, 1996.

http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/ chapter2.htm#applications

http://en.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping Mimarlık Uygulamalarını da unutmamak lazım.

Visual Phot

os

Visual Phot

os

1980’lerin sonlarına doğru uygulanmaya başlayan ilk hızlı prototiplendirme yöntemleriyle bazı modeller ve prototipler üretildi. Daha sonraki yıllarda bilgisayar modelleme ve hızlı prototiplendirme tekniklerinin geliştirilmesiyle üretimde kullanılacak malzemeler ve üretilen nesneler de çok çeşitlendi.