Ergitmeli yığma yöntemiyle üretim yapan 3D yazıcılarda çift filament süren ekstruder tasarımı

Gelişen teknoloji, eskiden insanların yapılmasını ve kullanılmasını hayal ettiği ürünleri hayatımıza sokmaktadır. İnsanlar ilk çağlardan beri kimi zaman hayatlarını kolaylaştırmak için, kimi zamanda soyut dünyada yarattığı düşünceyi somut hale getirmek için aletler, eşyalar ve sanat eserleri meydana getirmektedir. İhtiyaçları, düşünceleri ve duyguları somut hale getirme çabası, ilk çağlarda mevcut taşları yontmak ve onları belli bir düzen içinde bir araya getirmekle başlamıştır. Gelişen teknoloji ve insanlığın bilgi birikiminin artması, kullanılan malzemeleri ve üretim tekniklerinin gelişmesini sağlamıştır. Günümüzde 3D yazıcılar sayesinde hayalini kurduğumuz veya ihtiyacımız olan parçanın 3D tasarımını yaparak kısa sürede parçayı elde edebilmekteyiz. 3D yazcılara ilk olarak ihtiyaç duyulma sebebi gelişen tasarım ve analiz teknikleriyle tasarlanan yapıların gerçek modeller ile ne derecede örtüştüğünü görebilmek, ürünün gerçek modelini görerek insanda yarattığı algıyı anlayabilmek ve ürünü üç boyutlu olarak inceleyerek tasarım esnasında fark edilemeyen sorunları görebilme ihtiyacıdır. Geleneksel üretim metotlarıyla parçaların üretilebilmesi, parçanın boyutuna uygun ham maddenin temini, üretimin yapılacağı aletlerin ayarlanması ve işçiliğe ihtiyaç duymaktadır. Karmaşık geometrilerde ise bunlara ek işlemler de dahil olarak parçanın üretim süresi ve maliyeti katlanarak artmaktadır. Geliştirilen 3D yazıcı teknolojisi tasarlanan parçaları hızlı, final ürüne yakın ve kaliteli olarak üretmektedir. Parçanın üretiminin yapıldığı malzemeler toz, filament vb. halde bulunduğu için geleneksel yöntemlerde olduğu gibi parçanın çapına veya kalınlığına göre ayrı malzeme temini gerekmemektedir. 3D yazıcılarının tarihçesine baktığımızda ilk 3D yazıcı Charles Hull'un fotopolimeri malzemeyi lazer ışınıyla kürleyerek katman katman katı cisim oluşturabileceğini fark etmesiyle başlamıştır. 1984 senesinde CAM kullanarak ilk 3 boyutlu parça üretimini gerçekleştirmiştir. Daha sonra Scott Crump polimer malzemeyi birbiri üzerine ergiterek üç boyutlu parçalar üretebileceğini fark etmiştir. Scott Crump'ın bulduğu bu yönteme Ergitmeli Model Yığma" (FDM) adını vermiştir. Scott Crump bulduğu sistemin tanımını ilk aldığı patent olan Modelling Apparatus for Three-Dimensional Objects'te şu şekilde yapmıştır: "Katı halde bulunan malzemenin önceden karar verilen bir sıcaklıkta ergitilerek kontrollü bir şekilde ekstruderin uç kısmından üretim bölgesine akıtılmaktadır. Aparatın uygulaması esnasında tercihen CAD ve CAM yazılımlarından faydalanılabilinir. Uygulama kendi kendine sertleşebilen mumlar, termoplastik reçineler, ergimiş metaller, köpüren plastikler, iki parçalı epoksiler ve camlar gibi katılaşma esnasında önceki katman ile bağ kurabilen tüm malzemelere uygulanabilmektedir." . Ekstruder, 3D yazıcıdaki filamenti katı – sıvı ve sıvı – katı fazları arasında geçiş yapmasını sağlamaktadır. Birden fazla filament sürme yeteneğine sahip ekstruderlere çoklu filament süren ekstruderler denmektedir. Tek filament süren ekstruder ile yapılan üretimde ekstruder tek filament sürebildiği için ana yapı ve destek yapı aynı filament malzemesinden üretilmek zorundadır. Ana yapının ve destek yapının aynı malzemeden yapılması, parçanın temizlenmesi esnasında ayrılacak destek kısmının anlaşılmasını zorlaştırmaktadır. Bu olayın bir diğer dezavantajı ise iki yapının da dayanımının aynı olmasından dolayı destek yapının temizlenmesi esnasında ana yapının da zarar görmesidir. Çoklu filament sürebilen ekstruderlerde destek yapı genelde suda çözünen filament ile yapılmaktadır. Parçanın üretimi gerçekleştikten sonra suya atılır ve destek yapısı suda çözünerek kaybolmaktadır. Çoklu filament süren ekstruderlerin bir diğer avantajı ise renkli ve kompozit 3D parçaların üretilebilmesine imkan sağlamaktadır. Ancak çoklu filament süren 3D yazıcıların fiyatları standart ana kart kullanamadığı, iki adet step motor kullandığı için fiyatları normal 3D yazıcılarının iki katıdır. Ayrıca kartlarının yeni olması ve sistemde yaşanan problemler nedeniyle çoklu filament süren ekstruderlerin bir ekstruderi bozulmakta ve tek filament süren yazıcılar gibi çalışmaktadır. Tek step motor ile iki filament sürebilen bir ekstruder, hem çoklu filament süren ekstruderlerin destek filamenti sürebilme, renkli ve kompozit parçalar basabilme özelliklerini hem de tek filament süren ekstruderin fiyat ve stabil çalışma avantajlarını sağlayacağı düşünülmektedir. Ekstruderin tek step motor ile iki filamenti sürebilmesi için filamentlerden hangisini süreceğini ayarlayan bir mekanik sisteme ihtiyaç duymaktadır. Bu doğrultuda yapılan düşünceler etrafında iki alternatif konsept tasarlanmıştır. Alternatif 1'de yön ayrımının kavrama kullanılarak yapılmasına karar verilmiştir. Kavramalar, döner haldeki bir parçanın aynı eksen üzerinde bulunan bir parçaya enerjinin istendiği zaman aktarılmasını sağlayan mekanizmalardır. Bizim mekanizmamızda da enerjinin istendiği zaman istenen yere aktarılması gerektiği için kavrama kullanmak son derece uygundur. Tasarımını yapacağımız ekstruderde step motor dışında dışarıdan sistemi tahrik edecek hiçbir parça kullanılmayacağı için kendiliğinden devreye giren ve devreden çıkabilen bir kavrama kullanmamız gerekmektedir. Kullanacağımız kavramada ayırt edici etken yön olduğu için dönme yönüne göre enerji aktarımı yapan kavrama sistemlerini incelememiz gerekmektedir. Kuvvet ayrımı için tek yönlü bilyeli rulman seçilmesi kesin isteklerde ki aktif pasif geçiş süresini de sıfıra düşürmektedir. Filament ezici dişliler filamenti kaydırmadan sürme konusunda karşılaştırıldığında A ve C tipi filament ezici dişliler ön plana çıkmaktadır. C tipi filament ezici dişli A tipine göre filamentin üzerine daha küçük izler bırakmakta ve bu nedenle sıcak sonda daha homojen bir ergime sağlamaktadır. Fakat sıcak sonda yapılacak ayarlamalarla bu problemin etkisi azaltılabilmektedir. Dişliler fiyat olarak incelendiğinde A filament ezici dişlisi daha avantajlı gözükmektedir. Kesin istekler göz önüne alındığında A tipi filament ezici dişli ile yapılacak tasarım daha uygun durmaktadır. Alternatif tasarım 2'nin oluşturulması ilk tasarımda da olduğu gibi "İki filament arası geçiş süresi uzun olmayan ve filamentleri kaydırmayan standart boyutlarda bir ekstruder." düşüncesiyle yola çıkılmıştır. Bu tasarım yapılırken sürülecek filamentin belirlenmesi ilk alternatifte de olduğu gibi step motorun dönüş yönü ile tayin edilmektedir. Dönüş yönüyle birlikte sistemin üzerine yerleştirilen mekanizma sürülecek olan filamenti sıkıştırarak kuvvet tahriği almasını sağlamaktadır. Alternatif 2'de filament ezici dişli için alternatif 1'de yapılan çalışmanın aynısı geçerlidir. Bu nedenle alternatif 2'de de alternatif 1'de olduğu gibi A tipi filament ezici dişli kullanılmıştır. Alternatif 2'nin çalışma şekli, hareket fonksiyonlarının içeriği ve detayları Arçelik A.Ş.'nin gizlilik kapsamı dolayısı ile verilememektedir. Alternatifin değerlendirme kriterleri belirlendikten sonra bu kriterlerin sistem için arz ettiği önem miktarına göre ağırlıklar belirlenmiştir. Dağıtılan bu ağırlıklar, fayda değer analizinin yapılması esnasında üst kriter kat sayısı ile çarpılarak alt değerin ağırlık kriterinin hesaplanmasını sağlamaktadır. Sistemde yer alan tüm alt kriterlerin değer katsayısı toplamları 1'e eşit olmalıdır. Sistemi değerlendirme işleminde sisteme 1 ile 10 arasında değer puanı verilmektedir. Verilen değerlendirme puanları sistemin alt değer kat sayısı ile çarpılarak alt değer kriterinin ağırlıklı değerlendirmesinin hesaplanmasını sağlar. Yapılan fayda - değer analizine göre aleternatif 1 6,78 puan ve alternatif 2 4,64 puan almıştır. Yapılan fayda-değer analizi alternatif 1'in alternatif 2'den daha iyi bir tasarım olduğunu göstermektedir. Niceliksel tasarım sürecinde, benchmark ürünler, mevcut sistemler ve litaratür değerleri baz alınarak malzeme ve komponent seçimleri yapılmıştır. Üretilen prototip ile yapılan denemelerde sistem sorunsuz olarak çalıştığı görülmektedir. Fakat sistemin uzun süre çalışması esnasında göstereceği davranışlar ve alınan komponentlerin değerlerinin yeterliliği yapılacak olan uzun süreli testler ile sınır şartların zorlandığı denemeler sonucunda ortaya çıkacaktır. Yapılacak olan testler ve denemeler sonucunda gerekli değişiklikler yapılarak tasarımı yapılan ekstruder üretime hazır bir ürün haline gelmesi beklenmektedir. Ürünün standart tek filament süren 3D yazıcılara takılması durumunda yazıcıları iki filament süren 3D yazıcıya çevirmektedir. Ürünün tüm 3D yazıcılara entegre edilebilmesi, üründen elde edilecek karın yanında markanın sektörde tanınmasını da sağlayacaktır.