3D PRINTER 1.Bölüm – 3D Yazıcı Nedir?

25 Tem 3D PRINTER 1.Bölüm – 3D Yazıcı Nedir?

Öncelikle bu yazı dizisini nasıl planladığımdan bahsedeyim. Öncelikle 3D yazıcı nedir, eklemeli üretim nedir bunun tanımını yapacağız ki kendisi bu bölüm oluyor. Bundan sonraki bölümde eklemeli üretimde kullanılan tekniklere göz atmaya çalışacağız. Daha sonra yazıcının parçalarını tanımaya çalışıp kendi yazıcımızı yapacağız ki bu da Ultimaker 2 oluyor. Daha sonra örnek projelerle devam edebiliriz bir ihtimal. En az bir 10 bölümden oluşmasını planladığım yazı dizisini sonuna kadar takip ettiğinizde siz de kendi monte ettiğiniz (yaptığınız demiyorum çünkü ülke olarak hala montaj ülkesiyiz maalesef) yazıcınızla parça basabilirsiniz.

Her dizide yapmaya çalıştığım gibi burada da genel olarak yararlandığım kaynakları belirtmemde fayda var. Özel olarak kaynak kullanılmışsa onu da ilgili yazının altında referanslar kısmında bulabilirsiniz.

1- 3D Printing for Dummies

2- 3D Printing (Idiot’s Guide)

3- Practical 3D Printing – The Science and Art of 3D Printing

4- A Revolution In The Making – 3D Printing, Robots and the Future

Giriş

Eskiden el yordamıyla yapılan üretim 1700lerde ilk endüstri devrimiyle birlikte makinelere geçti. Tabii bu geçiş kolay olmadı. Makinelere karşı insanı korumaya çalışan ilk yasalarda bu zamanlardan başlar, makinelere direnen ilk insanlar da yine bu zamanlarda yaşamışlardır. “Herkesin elinde bir telefon, kimse kimseyle konuşmuyor….” İle başlayan cümlelerin benzerleri muhtemelen o zamanlar da kurulmuştur. Tabii ki teknolojiye direnmek pek mümkün değil. O yüzden bu ilk devrimden yaklaşık 100 yıl sonra toplu üretim, yürüyen bantların ortaya çıktığı ikinci devrim geldi. Sonra bu üretilen toplu ürünler yine toplu şekilde kıtalar arası dolaşmaya başladı. Bugün artık makinelerin gücünü, otomasyonun gücünü yadsımak akıl işi değil, hele ki makine interneti, endüstri 4.0’ın konuşulduğu bir dönemde. İlerleyen zamanlarda belki de artık bu toplu şekilde üretilip dünyaya pazarlanan üretim yerini yavaş yavaş lokal üreticilere bırakacak, artık herkes 3B yazıcısı sayesinde istediği bir ürünü evinde üretebilecek. Peki nedir bu 3 boyutlu üretim.

Bu teknolojiyi çok değişik isimlerde duymuş olabilirsiniz. Birbirinin yerine en çok kullanılan isimler şöyle: 3 boyutlu yazıcı (3D Printer-3D Yazıcı), eklemeli üretim (Additive Manufacturing),hızlı prototipleme (Rapid Prototyping), Doğrudan Dijital Üretim (DDM), katmanlı üretim vs., eklemeli üretim bunların hepsini kapsıyor diyebiliriz. Bir de 3D yazıcı, 3B yazıcı, 3D printer dilimizde birbirleri yerine kullanılıyor, aslında doğru olan kısaltma 3B yazıcı ama ben 3D yazıcı olarak kullanacağım çünkü genel kullanılış bu şekilde.

Eklemeli Üretim Nedir?

İlk olarak eklemeli üretimin ne olduğunu açıklayarak işe başlayalım. Eklemeli üretimde parça çok ince katmanlar şeklinde katman katman halı dokur gibi, birbiri üstüne eklenerek oluşturulur yani en basit haliyle eklemeli üretim bilgisayardan 3B modeli alır, bunu çok ince katmanlara böler ve en sonunda her bir katmanı sırayla inşa eder. Ya da hiç duymamış yada görmemiş olanlar için daha basit bir örnek vermek gerekirse diş macununu sıkıp katman katman bir şekil oluşturmaya çalıştığınızı düşünün işte eklemeli üretimin mantığı da bu şekildedir.

3 Boyutlu Yazıcının Kısa Tarihi

Bu kısımda bahsedeceğimiz teknikler hakkındaki detaylı bilgiler ileriki bölümlerde verilecek, o yüzden yeni duyduğunuz kelimelere çok takılmayın.

İlk 3D yazıcının patenti 1984de malzeme bilimi üzerine yoğunlaşmış bir mühendis olan Charles W. Hull tarafından alınmıştır (stereolithography (SLA)). Hull o zamanlar çalıştığı Ultra-Violet Products (UVP) şirketinde UV ışına tepki veren kaplamalar üzerine çalışıyordu. Bu kaplamalar sıvı reçinelerdi ve üzerlerine UV ışın geldiğinde katı plastik haline geliyorlardı (daha ayrıntılı bilgi bir sonraki bölümde). Bunu gören Hull bunun 3D bir parça oluşturmak için kullanılıp kullanılamayacağını merak etmeye başlamış.

Hull bu fikri şirketine açmış ve mesai saatleri dışında bir prototip üzerine çalışmak üzere izin almış. Bu konu üzerine mesai saatlerinin dışında çalışmaya başlayan Hull’un karşılaştığı en büyük problemlerden biri 3D modelin yazıcının anlayacağı dile nasıl dönüştürüleceğiymiş (Tabii ozamanlar CAD yazılımları yeni yeni doğuyor). Hull yazıcının 3D modeli oluşturmak için kullanacağı komutları içeren bir dosya biçimine ihtiyacı olduğunu anlamış, uygun bir format aramış fakat hazır bir şey bulamamış ve o da kendi dosya biçimini oluşturmaya karar vermiş. Bugün SLA -diğer adı ile STL- olarak bilinen dosya biçimi hala 3D yazıcılarda standart olarak kullanılan dosya biçimidir.

STL dosyası, CAD yazılımından alınan 3D modeli bir sürü küçük üçgenlerden oluşan yüzeysel ağlara dönüştürür (bu ağlar piyasada mesh diye biliniyor). Bu üçgenlerin sayısı arttıkça modelin kalitesi de artar. Hull bu dosya biçimi ile bir yazılım oluşturur ve ilk modeli 1983de basar.

FDM’in icadı

FDM (Fused Deposition Modeling – Birleştirmeli Birikim Modeli gibi birşey), çoğunluk tarafından kullanılan teknoloji, 1989da Scott Crump tarafından bulunmuştur. Amaç prototipleme işinin yükünü hafifletmek. Scott FDMin yanı sıra ABSnin de mucidi. FDMin icadından sonra eşiyle beraber Stratasys şirketini kuruyor. 2009da FDM patenti doluyor ve halka açılıyor. FDM ismi patentli olduğu için Stratasys dışındaki modeller bazen fused filament fabrication (FFF) olarak da geçer.

FDM yada FFF tekniği bugün çoğumuzun 3 boyutlu yazıcı olarak bildiğimiz cihazlarda kullanılan tekniktir aslında.

SLS

SLA ve FDM geliştirilirken, bir başka 3D yazım tekniği de başkaları tarafından geliştirilmeye başlanmış. Austin Üniversitesinden Dr. Carl Deckard ve Dr. Joe Beaman DARPAnın sponsorluğunda selective laser sintering (SLS) tekniğini geliştirdiler. İlk başlarda sistem DTM Corporation tarafından satılıyor daha sonra şirket 3D Systems tarafından satın alınıyor.

Bir başka teknik de 90ların başlarında MITde geliştirilen Inkjet tekniğidir. Z Corporation şirketi bu teknolojinin lisansını 2012ye kadar elinde tutuyor. 2012de bu şirket de 3D Systems tarafından inkjet teknolojisinin patentlerine sahip olmak için satın alınıyor.

RepRap

Hulldan sonraki 30 yıl boyunca ilerleme çok yavaş olmuş. Yani yavaş olmuş derken bugün kullanılan tekniklerin hepsi bu 30 yıl içinde bulunmuş ama pahalı ve patentle korundukları için kullanımları kısıtlı kalmış. Asıl patlama İngiliz araştırmacı Adrian Bowyer ilk RepRap’i ortaya koyduktan sonra oluyor aslında. Burada RepRap “self-replicating rapid prototyping”in kısaltılmışıdır. Burada Self-Replicating kısmı sistemin kendi kopyasını üretebileceği anlamına geliyor. Adrian’a kadar 3D yazıcılar ulaşılması güç uğraşması üst düzey bilgi isteyen ve pahalı sistemlerdi. Adrian RepRap projesine başladığında amacı ucuz açık kaynak kodlu ve uzun soluklu kendi kendini kopyalayabilen bir makine yapmaktı.

Açık kaynak olmasından dolayı RepRap yazıcılar çok hızlı şekilde gelişti. İlk tamamlanmış tasarım olan Darwin 2007de piyasaya sürüldü. Bu yazıcının haliyle belli sınırlamaları vardı ve baskı kalitesi de orta seviyedeydi. Fakat her şeye rağmen 3D yazıcıların son kullanıcının ulaşabileceği güzel bir örneği oldu. 2009 yeni tasarım olan Mendel son kullanıcı ile buluştu. Daha sonra da diğer modeller geldi. Bugün belki de 30dan fazla resmi versiyonu bulunuyor ve baskı kaliteleri iyi seviyeye gelmiş durumda hatta öyle ki artık bazı profesyoneller tarafından bile kullanılıyorlar.

Burada saydığımız tekniklerin hepsi Eklemeli Üretimin birer örneğidir, RepRap hariç o teknik değil RepRap FDM tekniğini kullanan bir proje. Eklemeli Üretim bunlarla sınırlı değildir, belki bu yazı yazıldığı sırada yada yazıldıktan sonra benim dikkatimden kaçmış yada bilmediğim başka teknikler de icat edilmiş olabilir bunu da söylemeden geçmeyeyim.

3 Boyutlu Yazmanın Avantajları

Hızlı prototipleme adında da anlaşılacağı üzere ihtiyacınız olan modelin prototipini hızlı bir şekilde oluşturma sürecidir. Bu model genelde test modelidir ve ürün geliştirme aşamasının olmazsa olmazıdır. Oluşturulan prototipin ne amaçla oluşturulacağı genelde mühendisin amacına bağlıdır ama genelde parçanın tasarımını ve montajda nasıl durduğu yani varsa diğer parçalarla nasıl birleştiğini incelemek içindir. Genelde bir şey geliştirilirken ilk tasarıma bağlı kalınmaz potansiyel bir kaç tasarım aynı anda incelenerek ve tasarımlar üzerinde oynamalar yapılarak geliştirilir ve son halini almaya başlar. Genelde bu işler CAD yardımıyla yapılmasına rağmen bazen fiziki parçayla da çalışılması gerekir.

İşte 3D yazıcılar da üretim dünyasına tam burada giriş yaparlar. 3D yazıcılarda kalıp maliyeti yoktur bir parça ile yüz parçanın birim maliyeti aynıdır. Yani düşük miktarda üretim için kalıp maliyeti ödemezsiniz ayrıca tasarımınızı hemen değiştirebilirsiniz ve bunun için de yeni kalıp oluşturmanız gerekmez.

Tabii ki 3D yazıcıların eksik oldukları noktalar da var zaten bu yüzden geleneksel üretim tekniklerinin yerini almış değil (henüz). Bunlardan ilki seri üretim maliyetidir. Eğer son şeklini verdiğiniz ürünü seri üretmeye karar verirseniz 3D yazıcı da demin de söylediğimiz gibi birim maliyet hep aynıdır ama geleneksel üretimde (enjeksiyon kalıp vb.) daha ucuzdur. Ayrıca seri üretimde üretim zamanı da 3D yazıcıdan oldukça kısadır. Seri üretimde saniyeler alan iş 3D yazıcı ile saatleri bulabilir. Ayrıca 3D yazıcı ile basılan parçalarda kullanılan malzemeler henüz sınırlı sayıdadır.

Yani şu aşamada 3D yazıcılar daha çok tasarım, modelleme ve prototip oluşturma amacıyla kullanılıyor.

Ayrıca 3D yazıcı ile son kullanım için parça üretebilirsiniz, bunun dışında birbiri içine geçmiş parçaları da sonradan müdahaleye gerek kalmadan üretebilirsiniz. Bundan dolayı üretimden sonra uygulamanız gereken işlemler çok daha azdır. Ayrıca geleneksel üretimde işlem bir nevi eklemeli üretimin tersi şekilde işler yani çıkarmalı üretim tekniği kullanılır diyebiliriz. Yani her bir adımda vida açmak, parlatma vs, insan müdahalesi gerekir, bu da tabii maliyeti artırır.

Bir diğer avantaj da nakliye maliyetinin azalmasıdır, bilgisayarda tasarladığınız bir modeli dijital olarak internette paylaşabilirsiniz ve bir anda dünyanın öteki ucuna basılması için gönderebilirsiniz. Bu iş için oluşturulmuş sitelere de ilerleyen zamanlarda yer vereceğiz.

Kısaca A.M.nin avantajlarını şu şekilde özetleyebiliriz: kişiselleştirme, mesela Nokia Lumina 820 için 3D yazılabilir kılıf tasarımını internette ücretsiz olarak yayınladı, kısa sürede demin bahsettiğimiz sitelerde bu kılıfın değişik versiyonları insanlar tarafından tasarlandı ve basılmaya hazır hale getirildi. Karmaşıklık, 3D yazıcı bir nesneyi katman katman yazdığı için birbiri içine geçmiş nesneler gibi karmaşık nesneleri tek seferde montaja gerek kalmadan basabilir. Ayrıca katı parçaları duvarların arasını tam dolu yada yüzdesel olarak doldurabilirsiniz ve ağırlıktan kazanabilirsiniz. Maliyet, prototip üretiminde kalıp maliyeti yoktur.

Adına ne derseniz deyin, bu yeni teknoloji mevcut üretim sistemini etkilemeye başladı bile. Bu teknoloji ile normal bir evi üretebileceğinizi yada bir bilgisayar basabileceğinizi düşünürseniz ilerleyen zamanlardaki üretim şekillerini nasıl kökten etkileyebileceğini tahmin edebilirsiniz. Açıkçası herhangi maddeyi atomları tek tek dizerek üretebilecek seviyeye gelir mi bir gün bilemem ama bu seviyeye gelmiş bir teknolojinin yapabilecekleri insanı heyecanlandırıyor.