1. Giriş
Çağımızın teknolojisi olarak ele alınabilecek olan nanoteknoloji, temel olarak nano yapı ve malzemelerin tasarımı, üretilmesi ve uygulanması ile ilgili bir bilim alanıdır. Bir diğer deyişle nanoteknoloji, bir maddenin atom ya da molekül boyutunda kontrol edilebilmesini sağlayan bir teknolojidir. Maddelerin atomik ya da moleküler boyutta kontrol edilebilmesi onlara istenilen özelliklerin verilebilmesini ve böylelikle çeşitli alanlarda kullanılabilecek üstün performanslı malzeme ve sistemle üretilebilmesini olanaklı kılmaktadır. (Perker, 2010)
Nanoteknoloji, malzeme bilimi ve üretim tekniklerinde devrim niteliğinde yenilikler sunarak üretim süreçlerini dönüştürmektedir. Özellikle 3 boyutlu yazıcı teknolojilerini de kapsayan katmanlı üretim (additive manufacturing) teknolojilerinde, nanoteknolojik malzemelerin kullanımı, ürünlerin mekanik dayanıklılığını, termal performansını ve fonksiyonelliğini artırmaktadır.
Bu bağlamda, benzerlerinin aksine yüksek mekanik özellik ve fonksiyonellik içeren 3D baskıya yönelik filamentlerin nanoteknoloji yardımıyla üretilmesi, halihazırda zaten gelişme aşamasında olan 3D baskı teknolojileri için kritik bir önem teşkil ediyor olup bu filamentler 3D baskı dünyasında öne çıkan ürünler olarak dikket çekmektedir.
Bu çalışmada, nanoteknolojinin sağladığı yenilikçi özellikler ile geliştirilmiş 3 farklı FDM 3D Yazıcı Filamenti ürünü incelenmiş ve nanoteknoloji bakımından teknik özellikleriyle değerlendirilmiştir.
2. Üç Boyutlu Baskı Teknolojileri ve Üç Boyutlu Yazıcılar
Tasarımcılar ve mühendisler; bilgisayar destekli üretim (CAD) yoluyla dijital ortamda tasarladıkları veya tersine mühendislik yöntemiyle, halihazırda var olan fiziksel objelerin dijital ortama aktarılmış üç boyutlu tasarımları üretmek, hızlı ve uygun maliyetli bir şekilde dijital çizimden fiziksel obje haline getirmek için üç boyutlu yazıcılardan yararlanırlar.
Üç boyutlu yazıcılar, eklemeli imalat yöntemi ile çalışmaktadır. Bu yöntem katman kesitlerinin bir araya gelmesiyle çalışır. Profesyonel ölçekteki işler için katmanlı üretim kavramı tercih edilirken, bireysel ve küçük ölçekteki işler için üç boyutlu yazdırma kavramı kullanılır. (Şahin ve Turan, 2018)
2005 yılında açık kaynak kodlu Rep Rap ve Fab@home projesinin ortaya çıkmasıyla masa üstü hobi amaçlı ucuz FDM cihazları üretilmiştir. 2008 yılında Makerbot firmasının kurulmasıyla bu cihazların seri üretimine geçilmiştir. Ucuz FDM yazıcıların piyasaya sürülmesi teknolojinin yakından tanınmasına ve yaygınlaşmasına sebep olmuştur. (Balletti vd., 2017)
FDM yazıcılar, üretim yapabilmek için polilaktik asit gibi çeşitli termoplastiklerin işlem görerek, sabit standartlar üzeriniden makaralaştırılmış filamentler kullanılır. 3D yazıcı filamentleri PLA, ABS, PETG, TPU gibi farklı materyallerden; 1.75 mm-2.85 mm çap seçeneklerinden, sonsuz renk seçeneğinden ve farklı katkı maddeleriyle iyileştirilmiş özelliklerden üretilebilirler.
Filament üretimi, granül halindeki hammaddenin eritilip istenen çapta bir nözülden ekstrüde ederek çıkartılıp, derhal soğutulmasıyla sağlanır. Üretim sırasında katkı maddeleri granülün kendi içerisinde olabileceği gibi granüle ek olarak dahil edilerek de üretim sağlanabilir. Örneğin ahşap, metal veya mermer dolgulu filamentlerde, plastik hammadde granülünün yanısıra ek olarak 0.1-0.2 mm çaplarında ilgili maddenin (ahşap, metal veya mermer gibi) toz parçacıklarından karıştırılır. Böylelikle bu toz parçacıkları plastik malzemeyle karışır ve filament ortaya çıktığında, termoplastiğin özelliklerini taşıyan ancak doku, görüntü ve hissiyat olarak istenen malzemeyi çağrıştıran filamentler elde edilir. Standart FDM yazıcıların baskı nozül uçları 0.4 mm çapında olduğu için, bu toz parçacıkları genellikle sorun çıkmadan baskı almaya uygun olsa da yine de uzun vade de makinede yıpranmalara neden olabilir.
Piyasada çok farklı çeşitlerde, farklı kullanım alanlarına uygun filamentler bulunmaktadır. Örneğin polilaktik asitten üretilen PLA filamentin ham halinin yanı sıra, yüksek hızda baskı alınmasını sağlayan, daha yüksek mekanik özellkilere sahip olan veya özel renklerden oluşan; PLA Tough, Hyper PLA gibi alternatif filamentler bulunmaktadır.
3. Nanoteknoloji’nin 3D Yazıcı Filamentlerinde Kullanılması
Günümüzün en heyecan verici teknolojilerinden biri olan nanoteknolojinin, 3D baskı teknolojileri alanında da eşsiz kullanım örnekleri vardır. Nanoteknoloji, 3D yazıcılarda kullanılan malzemelerin performansını ve ürünlerin işlevselliğini artırmada önemli bir rol oynar. Özellikle nanoteknoloji ile zenginleştirilmiş filamentler ve reçineler, 3D baskının hassasiyetini, dayanıklılığını ve çok yönlülüğünü büyük ölçüde iyileştirir. Karbon nanotüpler, grafen ve nanokompozitler gibi ileri düzey malzemeler, yazdırılan parçaların elektriksel iletkenliğini, termal dayanıklılığını ve mekanik mukavemetini artırır. Bu yenilikler, tıbbi cihazlardan elektronik devrelere kadar geniş bir yelpazede yüksek performanslı uygulamalar için yeni kapılar açar. Nanoteknolojinin katkısıyla 3D yazıcılar, prototip üretiminden seri üretime kadar pek çok alanda daha verimli ve yenilikçi çözümler sunar. (Nanografi, n.d.)
Piyasadaki bu ürünleri tespit edebilmek için “Nanotechnology Product Database” platformundan faydalanmak mümkündür. StatNano tarafından oluşturulmuş bu platform, nanoteknoloji uygulamaları içeren, nanoteknoloji kullanarak performansı arttırılmış ürünleri barındıran bir veritabanıdır. Platformun amacı dünya genelindeki pazarlarda bulunan nanoteknoloji ürünlerine ilişkin en güncel verileri barındırmak ve güvenilir istatistikler sunmaktır. Platformda yalnızca çeşitli uluslararası ISO standartlarına uygunluğu kanıtlanmış ürünlerin bilgileri listelenmektedir. Böylelikle bu platform sayesinde yatırımcılara, üreticilere, araştırmacılara ve müşterilere önemli içgörüler sunar. Ayrıca ziyaretçiler kendileri de bilgi sahibi oldukları ürünleri bildirebilirler. StatNano tarafından yapılan değerlendirmelere uygun olması halinde bu ürünler de veritabanında listelenir. (StatNano, n.d.)
Bu bağlamda yapılan veritabanı sorgusu sonucu ulaşılan bazı filamentler aşağıda listelenmiştir. Bunlar;
| No | Üretici | Ürün Adı | Ülke | Kullanılan Nanomateryal | Özellik |
| 1 | BNNano | NanoBarb™ PolyCarbonate/PBT Blend Filament | ABD | Bor Nitrür Nanotüp | Yüksek ısı dayanımı, yüksek mekanik dayanım |
| 2 | Toraphene | Toraphane 3D™ Filament | Birleşik Krallık | Grafen | Elektrik iletimi, termal iletim, aşınma direnci, kimyasal direnç, çekme mukavemeti |
| 3 | Graphmatech AB | Aros Graphene® Filament | İsveç | Grafen | Elektrik iletimi, termal iletim, hızlı soğuma |
Tablo 1. Nanoteknoloji içeren filament ürünleri. (Statnano, 2022a; Statnano, 2022b; Statnano, 2018)
Sahip olduğu spesifik özellikler nedeniyle bu çalışmada, BNNano’nun filamenti detaylı bir şekilde incelenmiştir.
4. BNNano – NanoBarb™ PolyCarbonate/PBT Blend Filament
PolyBarb Filament PC adıyla piyasada satılan bu filament, BNNano’nun piyasada en öne çıkan ürünlerinden biri. PC (Polikarbonat) ve PBT (Polibütilen Tereftalat) termoplastiklerinin NanoBarb isimli, yine BNNano’nun geliştirdiğiği Bor Nitrür Nanotüpleriyle karıştırılmasıyla üretilen bu filament, yüksek mekanik özelliklere sahip. Firmanın iddiasına göre, düşük sıcaklıkta bu filament ile üretilen parçalar, karbon fiber katkılı PEI malzemeye yakın bir mekanik özellik göstermekte.
Şekil 1 – PolyBard Filament 750 gr (BNNano, 2021)
NanoBarb™ nanotüpün dış tarafına bağlı kristalitlere sahip bir nanotüptür ve nano ölçekte incelendiğinde kayaya benzer bir yapı oluşturur. Bu nanotüp süper güçlü bir omurga sağlarken, üzerindeki kristalitler diken görevi görerek polimer polimer matrisiyle kenetlenir.
Şekil 2 – NanoBarb TEM Mikroskobunda Görüntüsü (BNNano, 2021)
Rahat ve kolay FDM baskı için spesifik olarak özelleştirilmiş bu filament, sağlamış olduğu yüksek baskı kalitesinin yanı sıra, çok iyi mekanik dayanım ve ısı direnci özelliklerine sahip. Nanotüplerle geliştirilmiş hammadde, yüksek darbe mukavemeti ve kırılma tokluğuna sahip. Böylelikle spesifik mühendislik uygulamaları için çok ideal bir konumda.
Şekil 3 – PolyBarb Filament Datasheet (BNNano, 2021)
Şekil 4 – PolyBarb Filament Mekanik Özellikler (BNNano, 2021)
Boron Nitrür NanoBarb’lar, yine filamentin üreticisi olan BNNano tarafından üretilmekte ve toz formda satılmakta. Bu nanotüpler kompozit malzemelerin özelliklerini geliştirmek için tasarlanmış, düzensiz bir yapıya sahip ve bu düzensiz diken yapıları sayesinde matris malzemeleriyle kenetlenmeyi optimize ediyor, güçlendirme özelliklerini arttırıyor.
NanoNarb’lar üzerindeki dikenleri sayesinde partiküller arasındaki temas alanını en aza indirerek (van der waals çekimini azaltarak), nanomalzemelerin işlenmesini basitleştiriyor.
2017’de başvurusu yapılan, 2020’de güvenlik onayı alınan bu bor nitrür nanotüplerin sadece filamentler değil; termal iletim, ateş geciktirme ve su filtreleme gibi amaçlarla tekstil, plastik, kompozit malzemeler ve metallerle de kullanımı teorik olarak mümkün. Fiziksel olarak ve çevresel olarak zararı bulunmasa da sindirilmesi halinde toksik etkileri bulunmakta.
NanoBarb’lar yaklaşık olarak 60 nm ölçülerinde ve beraber olarak çok nadir görülen iyi termal iletim – elektrik yalıtımı kombinasyonuna sahip. Bu yüzden oldukça eşsiz bir nanomalzeme. Ayrıca termal olarak çok stabil ve yüksek esnekliğe sahip. Günümüzde hala bu malzemenin itfaiye elbiselerinde, su arıtımında, ısı yalıtımında vb benzeri amaçlarla, filament üreticilerinden NASA’ya, NASA’dan ABD ordusuna kadar birçok kurumda çalışmaları devam ediyor.
Bor Nitrür Nanotüpler, karbon nanotüplere yapı olarak oldukça benzer. İkisi de tüp şeklinde silindirlerden oluşuyor. Fakat karbon nanotüpler sadece Karbon atomları içerirken, Bor Nitrür Nanotüpler, bor ve nitrojen atomlarından oluşmaktadır. Ayrıca BN Nanotüplerin asıl avantajı ısı iletimi – elektrik yalıtımı kombinasyonu. Çünkü bu durum sorunsuz bir şekilde elektrik bileşenlerinde kullanılmasına olanak sağlıyor. Ayrıca CNT’lerin aksine, nötron radyosyonunu emme gibi bir özelliğe de sahip. (AzoNano, 2020)
Şekil 5 – NanoBarb İnfografik (BNNano, 2021)
5. Değerlendirme
Bu çalışma da, nanoteknolojinin 3D yazıcı filamentlerine sağladığı yenilikçi katkıları ve bu malzemelerin sahip olduğu gelişmiş özellikleri ele alınmıştır. Nanoteknolojinin sağladığı üstün mekanik özellik, termal iletim ve fonksiyonel çok yönlülük, özellikle katmanlı üretim süreçlerinde devrim niteliğinde bir dönüşüm yaratmıştır. Çalışma kapsamında incelenen BNNano’nun NanoBarb™ filamentinin, bor nitrür nanotüplerin eşsiz yapısı sayesinde üstün performans sağladığı görülmüştür.
NanoBarb™ filamentin mekanik dayanımı, kırılma tokluğu ve termal kararlılığı, spesifik mühendislik uygulamaları için ideal bir seçenek haline gelmektedir. Ayrıca, bor nitrür nanotüplerin karbon nanotüplere kıyasla sunduğu elektrik yalıtımı ve ısı iletimi özellikleri, bu malzemeyi hem güvenli hem de geniş uygulama alanlarına uygun bir seçenek yapmaktadır. Bu tür nanoteknolojik yeniliklerin, yalnızca 3D yazıcılar için değil, aynı zamanda tekstil, su arıtma, ısı yalıtımı ve ateş geciktirme gibi pek çok farklı endüstriyel alanda da kullanılabilirliği bulunmaktadır.
Sonuç olarak, nanoteknolojinin 3D baskı teknolojilerine entegrasyonu, prototip üretiminden seri üretime kadar her aşamada daha hassas, dayanıklı ve işlevsel çözümler sunmaktadır. İncelenen örneklerden elde edilen bulgular, nanoteknolojinin, malzeme bilimi ve üretim süreçlerinde hem mevcut teknolojileri geliştirmekte hem de yeni ufuklar açmakta kritik bir rol oynadığını açıkça göstermektedir. Gelecekte, bu tür malzemelerin daha erişilebilir hale gelmesi ve farklı endüstrilere daha geniş çapta uygulanması beklenmektedir. Bu da sürdürülebilir ve yüksek performanslı üretim süreçlerine katkı sağlayacaktır.
6. Kaynakça
- AzoNano. (2020). What are Boron Nitride Nanotubes (BNNTs)?. Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim adresi: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5600
- Balletti, C., Ballarin M., Guerra F., (2017). “3D printing: State of the art and future perspectives”. Journal of Cultural Heritage, 26, pages 172-182
- BNNano. (2021). PBT. Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim adresi: https://www.bnnano.com/pbt
- Nanografi. (n.d.). Advantages of 3D printing in nanotechnology. Erişim Tarihi: 02.12.2024, Erişim adresi: https://nanografi.com/blog/advantages-of-3d-printing-in-nanotechnology-/?srsltid=AfmBOooE3WFK-CD448szd4RjeucXzHbLpar1GhTNB5BsR_Tu5D-uelRT
- Perker, Z. S. (2010). NANOTEKNOLOJİ VE YAPI MALZEMESİ ALANINA ETKİLERİ. Engineering Sciences, 5(4), 639-648.
- Statnano. (n.d.). Introduction. Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim Adresi: https://product.statnano.com/introduction
- Statnano. (2022a). Nanobarb(TM) polymer filament for additive manufacturing: Poly-carbonate/PBT blend (750 grams reels). Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim adresi: https://product.statnano.com/product/13326/nanobarb(tm)-polymer-filament-for-additive-manufacturing-poly-carbonate-pbt-blend-(750-grams-reels)
- Statnano. (2022b). 3D printing. Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim adresi: https://product.statnano.com/product/12884/3d-printing
- Statnano. (2018). Aros Graphene® polymer 3D filament. Erişim Tarihi: 03.12.2024, Erişim adresi: https://product.statnano.com/product/10683/aros-graphene%C2%AE-polymer-3d-filament
- Şahin, T., Turan, B. O., (2018). Üç Boyutlu Yazıcı Teknolojilerinin Karşılaştırılmalı Analizi. Strateji ve Sosyal Araştırmalar Dergisi, 2 (2), 98
