Yeni başlayanlar için 3D prototipleme

3D prototipleme yeni yeni evimize girmeye başlasa da endüstride uzun yıllardır Ar-Ge faaliyetlerinde kullanılıyor. TULGA olarak katıldığımız birçok platformda karşılaştığımız benzer soruları cevaplamak ve ilgilileri aydınlatmak adına aşağıdaki yazıyı hazırladık. Mümkün mertebe sizleri detaylarla boğmadan izah etmeye çalıştık. Faydalı bir kılavuz olacağını umut ediyoruz.

 

İÇİNDEKİLER

1. 3D nedir?
2. 2D ve 3D farkı nedir?
3. 3D Printer nedir?
4. 3D Printer nasıl çalışır?
5. Hızlı prototipleme yöntemleri nelerdir?
6. Hizli Prototipleme ile neler yapılabilir?
7. Hizli Prototiplemeyi kimler kullanmalı?
8. Tek bir makine yeterli midir?
9. 3D printer icin hangi yazılımlar gerekli?
10. Hızlı prototiplemenin avantajları nelerdir?

 

3D NEDİR?

 

 

Birçok kişinin aklına 3D denince HD televizyon panelleri ve sinema salonları gelir. Haksız da sayılmazlar. 3D görüntüler alışageldiğimiz derinliği olmayan ekran görüntülerinin (ki bunlar 2D resimlerden oluşur) farklı metotlarla derinlik algısı ya da yanılsaması oluşturması sayesinde izlenen nesnelerle aynı ortamda bulunuyormuşçasına daha gerçekçi bir görsel deneyim yaşatır.

Gerçekte ise 3D (3 Dimensional – 3 Boyutlu) teriminden bahsedeceksek olursak herhangi bir cismin uzayda bulunan konumunu tanımlayan, bir anlamda adresini veren XYZ koordinatlarından bahsetmemiz gerekir.

Matematikte bir cismin konumunu tanımlarken, X ekseni (yatay), Y ekseni (düşey) ve Z eksenindeki (derinlik) referans alınan merkeze (orijin) olan uzaklığını kullanmamız gerekir. Bu eksen ve konumlama yöntemi literatürde Kartezyen Koordinat Sistemi olarak da geçmektedir. Bir kelimede 3D terimi geçiyorsa XYZ değerleri (en, boy ve derinlik) tanımlanmış olmalıdır.

 

2D vs. 3D FARKI NEDİR?

Aralarındaki farkı hızlıca özetlemek gerekirse; 2D dijital fotoğraflar oluştururken 3D dijital heykeller oluşturur. Aynı mantığı ofisimizde kullandığımız lazer yazıcılar için uygulayabiliriz. Temel fark 3D çıktıların belli bir hacim kaplayıp elimizle hissedebileceğimiz 3 boyutlu formlarının olmasıdır.

2D sistemde iki boyutlu düzlem söz konusudur ve derinlik bilgisi (Z ekseni) yoktur. Fotoğraflarda ışık ve gölgelendirmeler ile derinlik algısı oluşsa da gerçekte mevcut değildir. 3D sistem derinlik ölçüsü içererek bir tablo yerine heykel üretme şansı verir.

Yazıcı örneğinde olduğu gibi tarayıcı sistemlerini de düşünerek örnekleri çeşitlendirebiliriz. 2D tarayıcılar derinlik bilgisi alamazken 3D tarayıcılar derinlik saptaması yaparak tüm objelerin taranmasına imkân verir. Tıpkı replikasını üretmek için bir heykeli sayısallaştırmak gibi.

 

3D PRINTER NEDİR?

3D Printer, bilgisayar destekli tasarım (computer aided design – CAD) yazılımları yardımıyla çizilmiş (3D) geometrileri farklı materyaller kullanarak bina inşa edermiş gibi katman katman üreterek oluşturan elektro-mekanik bir cihazdır. Bu üretim metodu dünyada farklı isimlerle anılsa da Türkiye’de hızlı prototipleme (HP), 3 boyutlu yazıcı, 3 boyutlu baskı (3DP – 3D Printing), katmanlı üretim tekniği (KÜT), katmanlı imalat, eklemeli imalat, eklemeli üretim vb. isimlerle endüstride kendine yer bulmuştur.

3 Boyutlu yazıcılar kullandıkları malzeme, baskı büyüklüğü, üretim hassasiyeti, tekrarlanabilirlik değerlerine göre çeşitlenir. Piyasada en çok kullanılan yazıcılar FDM, POLYJET, SLA ve SLS metotlarını kullanırlar.

3D printer için farklı tarihler öne sürülse de NC (nümerik kontrol) sistemlerinin başlangıcını kabaca 1970’ler olarak kabul edebiliriz.

3D printer’da baskı yapmadan önce CAD model tamamlanmış olmalıdır. 3D Model, tasarım mühendisleri yardımıyla en baştan çizilebileceği gibi, 3D tarayıcılar yardımıyla da nesne üzerinden direkt oluşturulabilir. Hemen hemen tüm 3D printer sistemleri ortak CAD dili olarak STL formatını (Standard Tessellation or Triangulation Language) kullanır.

 

3D PRINTER NASIL ÇALIŞIR?

 

Hızlı prototipleme, 3D modelin bilgisayarda eşit yüksekliklerde katmanlara bölünmesi ve 3 boyutlu yazıcıda her bir katmanın bir önceki üretilmiş katmanın üzerine inşa edilmesi mantığıyla çalışır. Üretilecek parçanın en son üst katmanına ulaşana dek bu süreç devam ettirilir. Bu katman yükseklikleri, hızlı prototipleme tekniğine ve 3D Printer modeline göre değişir. Bu ölçü, bir anlamda da üretilecek geometrinin hassasiyeti hakkında ön bilgi vermektedir. Katman kalınlıkları 0,005mm ile 0,400mm (5 mikron – 400 mikron) arasında değişmektedir.

Bazı 3D printer sistemleri üretim biter bitmez çıktıyı kullanma imkânı verirken bazıları da oldukca uzun suren üretim sonrası (neredeyse üretim süresinden daha fazla bir sürede) ek işlemler yapılmasını mecburi kılarak toplam süreyi uzatır. Üretim sonrası ek işlemler (post processing) çoğunlukla destek malzeme temizleme ve model sağlamlaştırma işlemleridir.

Hızlı prototipleme birçok endüstriyel buluşta olduğu gibi doğadan esinlenmiştir. Arının balmumunu sürekli sıvı halde akıtarak bal peteğini katman katman inşa etmesi gibi.

 

HIZLI PROTOTİPLEME YÖNTEMLERİ NELERDİR?

2016 itibariyle dünyada en çok kullanılan prototipleme teknolojileri FDM, SLA, SLS ve POLYJET ‘tir.

FDM (Fused Deposition Modeling) : Filament haldeki termoplastik malzemenin 3D yazıcıdaki ısıtıcı kafaya gelerek çok ince kalınlıkta (0,20mm civarı) akıtılması ve tabla üzerinde hızla soğumasıyla katılaşan plastik katmanların oluşturulması mantığına dayanır. Diş macununu bir kağıt üzerine sıkarak şekil oluşturduğunuzu düşünebilirsiniz. Bu yöntemde gerekli bölgelere destek olması amacıyla asıl model malzemesine ek olarak model üretimi sonrası parçadan kolay ayrılabilen bir support material (destek malzemesi) de kullanılır.

SLA (Stereolithography) : Sıvı haldeki fotopolimer reçine üzerine ultraviyole (UV) ışık düşürülüp sıvı hammaddenin katılaştırılması (kürleme) esasına dayanır. Her bir katman üzerine diğer katman inşa edilerek model tamamlanır. Destek malzemesi olarak kendi hammaddesini kullanmaktadır.

SLS (Selective Laser Sintering) : Havuz içinde bulunan toz halindeki plastik, seramik ya da metal malzeme üzerine karbondioksit (CO2) lazer ışını düşürülerek sinterleme esasına dayanır. Her bir katman sonrası bir merdane yardımıyla yeni toz katmanı serilir ve yüzeyi düzeltilir sonrasında lazerle tekrar sinterlenir. Destek malzeme olarak kendi hammaddesini kullanmaktadır.

Polyjet : En çok SLA tekniğiyle karıştırılan metot olan polyjetting, basit olarak mürekkep püskürtmeli yazıcı mantığıyla açıklanabilir. Mürekkep yerine sıvı halde fotopolimer reçine püskürtülür sonrasında UV ışık ile kürlenir. Diğer katmanlar bu sıra takip edilerek inşa edilir ve model oluşturulur. Destek malzemesi kullanan bir sistemdir.

Üretim teknolojileri dışındaki bir diğer konu da aynı prototipleme tekniğini kullanıp farklı kalitede üretim yapan 3D yazıcı markaları. Örnek olarak FDM tekniğini kullanan bir 3 boyutlu yazıcının satış fiyatı aralığı 1000$ ila 500000$ arasında değişiyor.

Çıktıların kalitesini sadece kullanılan üretim tekniği değil, hızlı prototipleme sisteminin kalitesi de belirlemektedir. Alttaki fotoğrafta aynı tekniğe sahip iki farklı makinenin küçük çıktılarını görmektesiniz.

 

Müşterilerimiz bize 3D printer alırken sıklıkla hangi makineyi tercih etmeleri gerektiğini soruyorlar. Bu tamamıyla sizin beklentilerinize ve mühendislik ihtiyaçlarınıza bağlı olarak değişmektedir. Tek sistem bazı ihtiyaçlarınızı karşılayabilir, ama tamamını karşılaması neredeyse imkansızdır.

 

HIZLI PROTOTİPLEME İLE NELER YAPILABİLİR?

Genel olarak bu soruya hayal edebildiğiniz ve 3D olarak çizebildiğiniz her şey için kullanılabilir diye cevap verebiliriz. Damarlarımızda gezecek kadar küçük, tıkanıklıklara yol açan maddeleri temizleyecek bir robot üretimi yanında büyük bir uzay aracı veya Mars’ta kurulacak koloniler için çok katlı barınaklar dahi inşa edilebilir.

3D yazıcıların icadından bu yana TULGA prototipleme servisinde en çok tercih edilen prototipleme uygulamalarını aşağıdaki şekilde göstermeye çalıştık.

 

Büyük boyutlu 3D yapılar dışında henüz seri üretim sistemlerindeki kadar olmasa da her geçen gün ilerleyen mühendislik yöntemleri ve 3 boyutlu yazıcı teknolojisi sayesinde son kullanıcıya yönelik ürünler de hızlıca yapılabilecek. Prototipleme teknolojileri şu an için imalat endüstrisinin yaklaşık %2’sini oluşturuyor. 2030 yıllarında bu oranın %50’yi geçmesi tahmin ediliyor. Burada seri üretime yardımcı kalıpların üretilmesi yerine, direkt ürünü çıkartacak akıllı prototip sistemlerinden bahsediyoruz. Ayrıca bu sistemlerin kullanimi sadece makine endüstrisinde değil, farklı sektörlerde de başlamış durumda. Birçok marka mutfakta kullanılan gıda hammaddelerini kullanarak yiyecek inşa eden 3D yazıcı sistemlerini de satışa sundular.

 

HIZLI PROTOTİPLEMEYİ KİMLER KULLANMALI?

Kimler hızlı prototipleme kullanıyor diye soracak olursanız bu meslek grupları; AR-GE laboratuvarları, tasarımcılar, cerrahlar, diş hekimleri, mimarlar araba üreticileri, uzay ve havacılık şirketleri, girişimciler, pazarlamacılar, mühendisler, ayakkabı üreticileri, öğrenciler vs. olarak uzayıp gider. Ozetle elle tutulabilir ürün fikri olan herkes 3D printer cozumlerini kullanabilir. Ülkemizde yeni yeni uygulanmaya başlanmis olsa da, dünyada birçok ülkede çocukların zihin gelişimini kuvvetlendirmek için eğitim müfredatına 3 boyutlu baskı atölyeleri eklenmistir.

Bilgisayarda 3D çizim yeteneğiniz yoksa bir tasarım ofisi bularak isteklerinizi bilgisayar ortamında 3 boyutlu hale getirebilirsiniz. Örneğin sevdiğiniz bir aile büyüğünüzün büstünü yapmak isterseniz 3D tarayıcı yardımıyla tarayarak 3D printer ile herhangi bir yorum katmadan olduğu gibi birebir olarak ölümsüzleştirebilirsiniz.

 

TEK BİR MAKİNE YETERLİ Mİ?

3D printer sistemini sadece “görsel” uygulamalarda kullanmayı planlıyorsanız 2000$ civarındaki amatör sistemler işinizi fazlasıyla görecektir. Yeni bir ürün geliştirme projesi sonucunda üretim hattınıza yeni bir ürün ekleyecekseniz eğer hassas bir prototipleme yöntemi tercih etmeniz gerekiyor. Ürün üzerinde hem plastik hem kauçuk malzemeler ve hem de şeffaf parçalar var ise bunları aynı anda basabilecek sistemler de var.

Tek bir 3D printer yeterli mi diye soracak olursanız bu üretmek istediğiniz ürüne göre değişir.

Örneğin ölçüsel hassasiyet gerektirmeyen, ev ortamında kullanılacak, ucuz ve kullan at prototipler için büyük ihtimalle tek tip bir 3D printer ihtiyaçlarınızı karşılayacaktır.

Amatör sistemler ile endüstriyel sistemler arasındaki ilk farkı 3D çıktıları kumpas ile kontrol ettiğinizde görebilirsiniz.

Yukarıdaki fotoğrafta aynı CAD modelin iki farklı tekniği kullanan makine ile üretilmiş sonuçlarını görmektesiniz. Duvar kalınlıkları, ince detaylar soldaki parçada çıkmamış. Buna rağmen sol taraftaki parçayı üreten makineye yetersiz diyemeyiz. Çünkü o sistemin de rakipsiz olduğu birçok uygulama alanı var.

Peki ya daha küçük ve şeffaf prototip basmak isterseniz? Bu durumda yukarıdaki teknikler de işinizi görmeyecektir. Yüksek yatırım maliyeti ve yetişmiş iş gücü gerektiren bir donanımla aşağıdaki parçayı üretmeniz mümkün olabilir.

AR-GE departmanınız sürekli tek tip bir ürün/proje üzerinde çalışmıyorsa farklı prototipleme sistemleri kullanmanız gerekeceğini de tahmin edebilirsiniz. Eğer hava taşıtları ya da uzay aracı üretmiyorsanız, tüm sistemlere sahip olmak yerine bu sistemlere sahip hassas üretim hizmeti sağlayan firmalardan servis hizmeti almanız en mantıklı seçim olacaktır.

 

3D PRINTER İÇİN HANGİ YAZILIMLAR GEREKLİ?

3D printer kullanmak için ekstra bir yazılıma ihtiyacınız yok. Sistem satıcıları mevcut modeli üretime hazırlayıp, NC kodlarını çıkartan yardımcı yazılımı ilk kurulumda veriyorlar. Bu yazılım ile 3D modeli konumlandırıp ne kadar süreceğini ve ne kadar malzeme sarf edeceğini görebiliyorsunuz.

CAD modeli oluşturmak ve düzenleme yapmak için en azından katı modelleme yeteneği olan bir çizim programı almanız size fayda sağlayacaktır. Bu konuda ücretsiz yükleme imkânı veren firmaların sitelerine göz atabilirsiniz. Profesyonel bir tasarım desteğine ihtiyacınız varsa buraya göz atabilirsiniz.

 

 

HIZLI PROTOTİPLEMENİN AVANTAJLARI NELERDİR?

Endüstride hızlı prototipleme kullanma sebepleri;

• İletişim yeteneğini arttırmak,
• Tasarım iterasyonları yapmak,
• AR-GE sürecini kısaltmak,
• Seri üretim masraflarına girmeden test numuneleri üretmek,
• Sanal ortamda tasarlanan bir ürünün gerçekten istenilen boyutlara sahip olup olmadığını kontrol etmek,
• Üretim hatalarını engellemek,
• Mühendislik revizyonlarını azaltmak,
• Sonradan karşılaşılabilecek kullanıcı sorunlarını tasarım aşamasında tespit etmek

olarak sıralanabilir.

Yukarıdaki eğriye bakacak olursak; ürün geliştirme sürecinde zaman ilerledikçe maliyet hızlı bir şekilde artmaktadır. Bunun yanı sıra ÜR-GE ya da AR-GE süreçlerinin erken dönemlerinde yapılacak olası hataların maliyetleri daha düşükken, kalıp imalatı ve seri üretim sonrası fark edilen hatalar toplam maliyeti katlayacak kadar arttırabilir. Kalıp imalatına başlamadan önce seri üretilmesi düşünülen ürüne ait yapılacak gerçekçi ve hassas bir prototip model ile son üründen beklenen özelliklerin test edilmesi, sonradan yaşanabilecek bu tarz büyük sorunların önüne geçmek için akılcı ve tasarruf oluşturacak bir hamle olacaktır.

 

Yukarıdaki görselde ürün geliştirme sürecinde yaşanan zaman kayıplarının tahmin edilenin çok üstünde para kaybına yol açtığı görülüyor. Ürün geliştirme esnasında karşılaşılan hatalar sonucunda yaşanan 6 aylık gecikme; sadece kalıp maliyetini boşa harcanmakla kalmayıp, pazara erken girme fırsatından da mahrum ederek, elde edilebilecek brüt karı dramatik bir şekilde azaltıyor.