Bu ilerleme, karakterize edilmesi zor olan yenilenebilir veya geri dönüştürülebilir malzemelerle baskı yapılmasını sağlayarak 3D baskıyı daha sürdürülebilir hale getirmeye yardımcı olabilir.
3D baskının popülaritesi hızla artarken, bu yazıcıların nesneler oluşturmak için kullandığı plastik malzemelerin çoğu kolayca geri dönüştürülemiyor. 3D baskıda kullanılmak üzere yeni sürdürülebilir malzemeler ortaya çıkarken, bunların benimsenmesi hala zor çünkü 3D yazıcı ayarlarının her malzeme için ayarlanması gerekiyor ve bu işlem genellikle elle yapılıyor.
Yeni bir malzemeyi sıfırdan basmak için, yazıcının bir nesneyi üretirken malzemeyi nasıl çıkaracağını kontrol eden yazılımda genellikle 100’e kadar parametre ayarlanması gerekir. Seri üretilen polimerler gibi yaygın olarak kullanılan malzemeler, sıkıcı deneme yanılma süreçleriyle mükemmelleştirilen parametreler oluşturmuştur.
Ancak yenilenebilir ve geri dönüştürülebilir malzemelerin özellikleri, bileşimlerine bağlı olarak büyük ölçüde değişiklik gösterebilir, dolayısıyla sabit parametre kümeleri oluşturmak neredeyse imkansızdır. Bu durumda kullanıcıların tüm bu parametreleri elle bulmaları gerekir.
3D Baskı Teknolojisinde Yenilikçi Çözümler
Araştırmacılar, bilinmeyen bir malzemenin parametrelerini kendi başına otomatik olarak tanımlayabilen bir 3 boyutlu yazıcı geliştirerek bu sorunu çözdüler.
İşbirliğine dayalı bir ekip MİT‘nin Bitler ve Atomlar Merkezi (CBA), ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Yunanistan’daki Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (Demokritos), bir 3D yazıcının “kalbi” olan ekstrüderi değiştirdi. Bir malzemenin kuvvetlerini ve akışını ölçebilir.
20 dakikalık bir testle toplanan bu veriler, yazdırma parametrelerini otomatik olarak oluşturmak için kullanılan bir matematik fonksiyonuna beslenir. Bu parametreler kullanıma hazır 3D baskı yazılımına girilebilir ve daha önce hiç görülmemiş bir malzemeyle baskı yapmak için kullanılabilir.
Parametre Ayarlarını Otomatikleştirme
Otomatik olarak oluşturulan parametreler, genellikle elle ayarlanması gereken parametrelerin yaklaşık yarısının yerini alabilir. Birkaç yenilenebilir malzeme de dahil olmak üzere benzersiz malzemelerle yapılan bir dizi test baskısında araştırmacılar, yöntemlerinin tutarlı bir şekilde geçerli parametreler üretebildiğini gösterdi.
Bu araştırma, genellikle geri dönüştürülemeyen polimerlere ve fosil yakıtlardan elde edilen reçinelere dayanan katmanlı imalatın çevresel etkisinin azaltılmasına yardımcı olabilir.
“Bu yazıda, biyo bazlı ve çeşitli sürdürülebilir kaynaklardan yapılmış tüm bu ilginç malzemeleri alabilecek bir yöntem gösteriyoruz ve yazıcının bu malzemeleri nasıl basacağını kendi başına çözebildiğini gösteriyoruz. Amaç 3D baskıyı daha sürdürülebilir hale getirmek” diyor CBA’ya liderlik eden kıdemli yazar Neil Gershenfeld.
Ortak yazarları arasında, yazıcının geliştirilmesine liderlik eden, CBA’de yüksek lisans öğrencisi olan ilk yazar Jake Read; NIST Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünde kimya mühendisi olan Jonathan Seppala; Filippos Tourlomousis, eski bir CBA doktora sonrası öğrencisi olup şu anda Demokritos’taki Otonom Bilim Laboratuvarı’na başkanlık etmektedir.
Malzeme Özelliklerini Değiştirme
Hızlı prototiplemede sıklıkla kullanılan erimiş filaman imalatında (FFF), erimiş polimerler, bir parça oluşturmak için ısıtılmış bir nozuldan katman katman ekstrüzyona tabi tutulur. Dilimleyici adı verilen yazılım, makineye talimatlar sağlar ancak dilimleyicinin belirli bir malzemeyle çalışacak şekilde yapılandırılması gerekir.
Bir FFF 3D yazıcıda yenilenebilir veya geri dönüştürülmüş malzemelerin kullanılması özellikle zordur çünkü malzeme özelliklerini etkileyen çok fazla değişken vardır.
Örneğin biyo bazlı bir polimer veya reçine, mevsime bağlı olarak farklı bitki karışımlarından oluşabilir. Geri dönüştürülmüş malzemelerin özellikleri de geri dönüştürülebilecek malzemelere bağlı olarak büyük ölçüde değişiklik gösterir.
“’Geleceğe Dönüş’te bir ‘Bay. Doc’un sahip olduğu her şeyi blendere attığı ve işe yaradığı Fusion’ blender [as a power source for the DeLorean time machine]. Burada da aynı fikir var. İdeal olarak, plastik geri dönüşümüyle elinizde olanı parçalayabilir ve onunla baskı yapabilirsiniz. Ancak mevcut ileri beslemeli sistemlerde bu işe yaramayacak çünkü filamentiniz baskı sırasında önemli ölçüde değişirse her şey bozulur,” diyor Read.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırmacılar, bilinmeyen herhangi bir malzeme için geçerli süreç parametrelerini otomatik olarak tanımlayacak bir 3D yazıcı ve iş akışı geliştirdi.
Laboratuvarlarının daha önce geliştirdiği, verileri yakalayabilen ve çalışırken geri bildirim sağlayabilen bir 3D yazıcıyla işe başladılar. Araştırmacılar, makinenin ekstruderine, parametreleri hesaplamak için kullanılan ölçümleri alan üç alet ekledi.
Bir yük hücresi, baskı filamanına uygulanan basıncı ölçerken, bir besleme hızı sensörü, filamanın kalınlığını ve yazıcıya beslendiği gerçek hızı ölçer.
Warren, “‘Hesaplamalı metroloji’ olarak adlandırdığımız şeyi geliştirmeye çalışırken, ölçüm, modelleme ve üretimin bu birleşimi NIST ile CBA arasındaki işbirliğinin merkezinde yer alıyor” diyor.
Bu ölçümler, en önemli ancak belirlenmesi zor iki yazdırma parametresini hesaplamak için kullanılabilir: akış hızı ve sıcaklık. Standart yazılımdaki tüm yazdırma ayarlarının neredeyse yarısı bu iki parametreyle ilgilidir.
Veri Kümesi Türetme
Yeni cihazlar yerleştirildikten sonra araştırmacılar, farklı akış hızlarında bir dizi sıcaklık ve basınç ölçümü üreten 20 dakikalık bir test geliştirdiler. Temel olarak test, baskı püskürtme ucunun en yüksek sıcaklığa ayarlanmasını, malzemenin içinden sabit bir hızda akmasını ve ardından ısıtıcının kapatılmasını içerir.
“Bu testin nasıl işe yarayacağını anlamak gerçekten zordu. Ekstruderin sınırlarını bulmaya çalışmak, test ederken ekstruderi oldukça sık kıracağınız anlamına gelir. Isıtıcıyı kapatma ve sadece pasif olarak ölçüm alma fikri ‘aha’ anıydı” diyor Read.
Bu veriler, bağıl sıcaklık ve basınç girdilerine dayalı olarak malzeme ve makine konfigürasyonu için otomatik olarak gerçek parametreler üreten bir fonksiyona girilir. Kullanıcı daha sonra bu parametreleri 3D baskı yazılımına girebilir ve yazıcı için talimatlar oluşturabilir.
Birçoğu biyolojik bazlı olan altı farklı malzemeyle yapılan deneylerde yöntem, karmaşık bir nesnenin tutarlı bir şekilde başarılı baskılarına yol açan uygulanabilir parametreleri otomatik olarak üretti.
Araştırmacılar ileriye dönük olarak bu süreci 3 boyutlu baskı yazılımıyla entegre etmeyi planlıyor, böylece parametrelerin manuel olarak girilmesine gerek kalmıyor. Ayrıca, yazıcının filamenti eriten kısmı olan sıcak ucun termodinamik modelini dahil ederek iş akışlarını geliştirmek istiyorlar.
Bu işbirliği artık daha geniş anlamda, bir ölçümün çıktısının sadece bir parametreden ziyade tahmine dayalı bir model olduğu hesaplamalı metrolojiyi geliştiriyor. Araştırmacılar bunu ileri üretimin diğer alanlarında ve metrolojiye erişimin genişletilmesinde uygulayacaklar.
“Bu çalışma, erimiş filaman üretimi için proses parametrelerinin otomatik olarak üretilmesine yönelik yeni bir yöntem geliştirerek, değişken ve bilinmeyen davranışlara sahip geri dönüştürülmüş ve biyo bazlı filamanların kullanımına kapı açıyor. Daha da önemlisi, bu, dijital üretim teknolojisinin yerel kaynaklı sürdürülebilir malzemeleri kullanma potansiyelini artırıyor,” diyor Şili’deki Santiago Üniversitesi İdari ve Ekonomi Fakültesi’nde doçent olan ve bu çalışmaya dahil olmayan Alysia Garmulewicz.
Referans: Jake Robert Read, Jonathan E. Seppala, Filippos Tourlomousis, James A. Warren, Nicole Bakker ve Neil Gershenfeld, “Fused Filament Fabrikasyonunda Parametre Keşfi için Çevrimiçi Ölçüm”, 3 Nisan 2024, Malzeme ve Üretim İnovasyonunun Bütünleştirilmesi.
Bu araştırma kısmen Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ve Bitler ve Atomlar Konsorsiyumu Merkezi tarafından desteklenmektedir.
0 Yorumlar