Üç boyutlu yazıcı ile yumuşak dokuya sahip organ baskısı için akışkan yapılı ekstrüder sistemi tasarımı ve kontrolü

Eklemeli imalat teknolojilerinde yaşanan gelişmeler ve buna bağlı olarak geliştirilen baskı malzemeleri, üç boyutlu (3B) yazıcıların mühendislik ve tıp başta olmak üzere birçok sektörde kullanımını arttırmıştır. 3B yazıcılar, özellikle plastik cerrahide burun, kulak, yüz-çene kemiği gibi protezlerin üretilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Hastanın doku ve organ kaybının olduğu bölgeye özel olarak üretilen protezlerde meydana gelen yüzey hataları hastanın bu protezleri verimli kullanmasını engellemektedir. Yüzey hatalarının en aza indirilmesi, üretilen protezin hastanın doku-organ kaybı yaşadığı bölge ile uyumlu bir şekilde bütünleşmesini sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, kulak ve burun gibi yumuşak ve kıkırdak dokuya sahip organlar başta olmak üzere yüz-çene ve kafatası kemiği gibi sert yapıya sahip dokuların, hastanın doku-organ kaybı yaşadığı bölgeye özel olarak yazdırılmasında önemli role sahip ekstrüder sarkaç sisteminin tasarımı ve kontrolü gerçekleştirilmektedir. Literatürdeki uygulamalardan farklı olarak bu çalışmada, doku-organ baskısı esnasında üç farklı tür reçinenin kullanımına olanak sağlayan özgün ekstrüder sarkaç sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi sayesinde özellikle kıkırdak dokuyu içinde barındıran kulak ve burun gibi organların gerçeğine yakın şekilde yapay olarak üretilmesi amaçlanmaktadır. Hem üç enjeksiyon başlığına sahip ekstrüder sarkaç sisteminin açısal konum kontrolü hem de üretilen protezlerdeki yüzey hatalarının en aza indirilebilmesi için tasarlanan ekstrüder sarkaç sisteminin kontrolcü performansının iyileştirilmesi gerekmektedir. Çalışmada, özellikle burun ve kulak gibi kıkırdak doku barındıran doku-organ protezlerinin tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi tarafından en az hata ile yazdırılabilmesi için Çekirge Optimizasyon Algoritması (ÇOA) temelli uyarlanabilir Oransal-İntegral-Türev (Proportional-Integral-Derivative-PID) kontrolcü geliştirilmiştir. Geliştirilen kontrolcünün parametreleri, yakınsama hızı yüksek ve parametre karmaşıklığı diğer optimizasyon algoritmalarına göre düşük olan ÇOA tarafından kestirilmektedir. Tasarlanan ekstrüder sarkaç sisteminin geçici durum ve yatışkan durum performansının iyileştirilmesi için ÇOA'nın amaç fonksiyonu, karesel hatanın integrali (Integral of Squared Error-ISE) ve zaman ağırlıklı mutlak hatanın integrali (Integral of Time-weighted Absolute Error-ITAE) performans metriklerinin kombinasyonundan oluşturulmuştur. Önerilen ÇOA tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün performansı, Ziegler-Nichols-PID (ZN-PID) ve Genetik Algoritma (GA) temelli uyarlanabilir PID kontrolcülerin performansları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, çalışmada kullanılan kontrolcülerin performanslarının kıyaslanmasında ekstrüder sarkaç sisteminin basamak tepkisindeki oturma zamanı ve yükselme zamanı kriterleri dikkate alınmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar, tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi için önerilen ÇOA temelli uyarlanabilir PID kontrolcünün kapalı çevrim oturma zamanı ve yükselme zamanı kriterlerini iyileştirdiğini göstermektedir. ZN-PID ile GA ve ÇOA temelli uyarlanabilir PID kontrolcü algoritmaları ekstrüder sarkaç sistemine sahip 3B yazıcı üzerinde bulunan kontrol kartına gömülerek yapay doku-organ protezleri yazdırılmıştır. Üretilen yapay doku-organ protezleri üzerindeki yüzey hataları Pearson korelasyonu ile belirlenmiştir. Önerilen kontrolcü yaklaşımının yapay doku-organ protezlerindeki yüzey hatalarını en aza indirmede diğer kontrol algoritmalarına kıyasla belirgin şekilde başarılı olduğu görülmüştür.