Makale: FDM Sınıfı Kartezyen Tipi Masaüstü 3D Yazıcıların Tasarımının İncelenmesi ve Tasarım İyileştirme Önerileri

Masaüstü FDM tipi üç boyutlu yazıcılar, ev ve ofis kullanımına yönelik olarak yaygınlaşmasına rağmen, kullanıcı deneyimi ve performans açısından çeşitli zorluklar barındırmaktadır. Bu çalışma, bu yazıcıların tasarım özelliklerini detaylı bir şekilde incelemiş ve mekanik, elektronik, yazılım ve genel tasarım bileşenlerine yönelik iyileştirme önerileri sunmuştur. Rijit yapıların tercih edilmesi, kaliteli bileşenlerin kullanımı ve kullanıcı dostu yazılım konfigürasyonlarının geliştirilmesi, son kullanıcı deneyimini iyileştirmek için önerilen başlıca çözümler arasındadır. Çalışma, bu cihazların daha erişilebilir ve verimli hale getirilmesine katkı sağlamayı amaçlamaktadır.

1. Giriş

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)

Endüstriyel amaçları hedefleyerek piyasaya sunulan üç boyutlu yazıcılar, zamanla farklı hareket ve toplulukların çalışmaları ile ev ve ofislere girecek seviyeye gelmiştir. Ancak üç boyutlu yazıcıların kullanım zorluğu ve düzenli bakım ihtiyacı, bu cihazların bir son kullanıcı ürünü haline gelmesini zorlaştırmaktadır.

Bu çalışma kapsamında, üç boyutlu yazıcı teknolojilerine ve üretim yöntemlerine değinilmiş, ev ve ofis kullanımına yönelik tasarlanmış olan masaüstü tipi üç boyutlu yazıcıların özellikleri ve tasarımları incelenmiş, masaüstü tipi üç boyutlu yazıcıların sahip olduğu sorunlar değerlendirilmiş ve bu sorunlara yönelik çözümler oluşturulmaya çalışılmıştır.

2. Üç Boyutlu Baskı Teknolojileri ve Üç Boyutlu Yazıcılar

Bilgisayar destekli eklemeli üretim modelinin temelleri 1970’li yıllara dayanmaktadır. Charles Hull tarafından geliştirilen stereolitography (STL) prosesi ile ultraviolet ışıklar aracılığıyla sıvı polimelerle katılaştırılarak katman katman fiziksel objelerin üretimi mümkün hale gelmiştir. (Savini ve Savini, 2015) 1980’li yılların sonunda ise C.S. Crump tarafından geliştirilen FDM/EYM (Eriyik Yığma Modelleme) teknolojisi ile termoplastiklerin sıvılaştırılan üç eksenli bir robot aracılığıyla farklı bir türde katmanlı üretim sağlanmıştır. (Crump, 1992)

Şekil 1. Crump’ın patentlemiş olduğu bilgisayar destekli, üç eksenli hareket ile eriyik yığma modelinde (FDM) üç boyutlu baskı yapan robot.

2005 yılında açık kaynak kodlu Rep Rap ve Fab@home projesinin ortaya çıkmasıyla masa üstü hobi amaçlı ucuz EYM (FDM) cihazları üretilmiştir. 2008 yılında Makerbot firmasının kurulmasıyla bu cihazların seri üretimine geçilmiştir. Ucuz EYM yazıcıların piyasaya sürülmesi teknolojinin yakından tanınmasına ve yaygınlaşmasına sebep olmuştur. (Balletti vd., 2017)

Şekil 2. Makerbot’un 2009 yılında çıkardığı ilk üç boyutlu yazıcılarından Cupcake CNC modeli.

Makerbot, kurucu CEO Bre Pettis’in “Benim için en büyük görev her zaman 3D baskıyı herkese erişebilir hale getirmek olmuştur.” ifadesiyle sektöre girmiştir. (Welch, 2014) Makerbot, kurulduğu dönemde endüstriyel ölçekte üç boyutlu yazıcılar üreten büyük firmalar ile rekabet içerisine girmiş ve bu firmaların arasından sıyrılarak öne çıkmıştır. Bu dönemde üç boyutlu yazıcılara olan ilgi oldukça artmış ve üç boyutlu yazıcıların “geleceğin yeni büyük şeyi” olduğu düşünülmüştür. Ancak 2008-2012 arasında oldukça öne çıkan Makerbot’ın üç boyutlu yazıcı devrimi planladığı gibi gitmemiştir. Makerbot iki büyük işten çıkarma yapmış, perakende mağazalarını kapatmış, yerel üretim hattını Çin’e taşımış, çok sayıda CEO değişikliği yaşamış ve sonuç olarak 2015 itibariyle üretim stratejilerini eğitim ve profesyonel sektörü ele alacak şekilde değiştirdiklerini açıklamıştır. (Lee, 2016)

Bu yaşananlar üç boyutlu yazıcıların ev kullanımına yönelik olmadığı ve gündelik ihtiyaçları karşılama konusunda yetersiz oldukları hakkındaki görüşleri arttırmıştır. Ancak bu durum dünya genelinde üç boyutlu yazıcılara olan talebi ve talep beklentisini etkilememiştir. Aksine, uygun maliyetli yazıcılar üreterek bireysel kul1anıcı kitlesini hedef alan Çin merkezli üç boyutlu yazıcı üreticilerinin yükselişiyle sektörde yeni bir boyut oluşmuştur.

Şekil 3. Hubs şirketi tarafından yayınlanmış olan “3D printing trend report 2022” rapor dosyasında yer alan analizler incelendiğinde, üç boyutlu baskının tahmini piyasa değerinin yükselişte olduğunu görebilmek mümkündür.

Makerbot örneği, üç boyutlu yazıcıların ev ve ofis ortamında kullanımına olan yaklaşımı olumsuz etkilese de bu cihazların sağlamış olduğu çeşitli faydalar bulunmaktadır. Bunlar bu çalışmanın ilerleyen kısımlarında listelenmiştir.

Bunun yanı sıra, toplumsal alanda da üç boyutlu yazıcıların oldukça faydası bulunmaktadır. Gerek ülkemizde gerekse dünyada 3B yazıcıya sahip pek çok kişi, kurum ve kuruluşlar başta sağlık çalışanlarının ihtiyacını gidermek ve virüse yakalanan kişilere tedavi sağlaması amacı ile çok sayıda baskı gerçekleştirmişlerdir. (Kardaş ve Börklü, 2022)

3. Ev ve Ofis Kullanımına Yönelik 3B Yazıcıların Genel Özellikleri

Günümüzde düşük maliyetli masa üstü 3 boyutlu yazıcılar hızla gelişmekte her gün yeni bir malzeme türü ve yeni 3 boyutlu üretim teknolojileri bulunmakta bu ise kullanıcılara son derece karmaşık matematiksel modelleri üretme ile ilgili yeni ufuklar yaratmaktadır.

3.1. Baskı Teknolojisi

Piyasadaki ev ve ofis kullanımına yönelik masaüstü üç boyutlu yazıcı modelleri incelendiğinde genel olarak çoğu modelin ortak özelliklere sahip olduğunu görebilmek mümkündür. Bu ortak özelliklerden en temeli, ev tipi üç boyutlu yazıcılarda genellikle EYM/FDM teknolojisinin tercih edilmesidir. Yine masaüstü tipi SLA teknolojisine sahip çok fazla model olduğu görülse de ev ve ofis kullanımı için daha çok FDM tipi yazıcılar tercih edilmektedir.

Şekil 4. FDM ve SLA teknolojisine sahip iki farklı yazıcıdan alınmış aynı modelin baskısındaki yüzey kalitesi ve detay görünürlüğü farkı.

FDM tipi yazıcılarda üretim için polilaktik asit gibi polimelerlerin işlem görüp sabit bir standart ile makaralaştırılmış hali kullanılırken SLA tipi yazıcılarda UV ışınlarıyla katılaşan sıvı polimerler kullanılır. Bu sıvı polimeler toksik olup, göz ve deri iritasyonuna yol açabileceği gibi aynı zamanda katılaşması sırasında tehlikeli gazların salınımı da söz konusu olabilmektedir. Bundan dolayı, ev ve ofis ortamında FDM tipi yazıcıların tercih edilmesi çok daha olasıdır.

Bahsedilen konuya ek olarak, FDM tipi üç boyutlu yazıcılar daha uygun maliyetlidir ve genelde SLA tipi yazıcılara göre daha hızlı çalışmaktadırlar. Ayrıca SLA tipi yazıcılara göre daha büyük bir baskı alanına sahip olmalarıyla beraber, kullanımları daha kolaydır. SLA tipi yazıcılara göre en bariz olumsuz yönleri ise yüzey kalitesinin çok daha düşük olması ve daha az detaylı baskılar alınabilmesidir. Ancak FDM tipi yazıcıların sahip olduğu malzeme çeşitliliği ve bu malzemelerin bazılarının baskı sonrası yüzey işlemeye elverişli olması göz önünde bulundurulduğunda, FDM tipi yazıcıların ev ve ofis ortamı için kullanıma çok daha uygun olduğu kanısına varılabilir.

3.2. Yapı Strüktürü

FDM tipi üç boyutlu yazıcılara bakıldığında 4 ana yapı strüktürü görülmektedir. Bunlardan ilki, piyasa da en yaygın bulunan ve en çok tercih edilen tür olan kartezyen yapıdır. Kartezyen koordinat sistemine dayanan bu tür de yazıcının baskı kafasının hareketini sağlamak için 3 doğrusal eksen (X,Y,Z) üzerindeki konumlarından yararlanılır. Kartezyen yazıcılarda hareketi sağlamak için genel olarak üç farklı motor bulunur ve bu motorlar farklı eksenlerde hareket eder. Polar tip yapılarda ise hareketi sağlamak için açı ve uzunluk baz alınır. Polar türü yazıcılarda döner bir tabla ve tabla üzerinde dikey olarak hareket eden baskı kafası yer alır. Delta türü yazıcılarda üçgensel hareket ile baskı sağlanırken, robot kol’a dayalı üç boyutlu yazıcılarda yine 3 doğrusal eksen üzerinden, robot kolun açısal hareketleri ile baskı sağlanır.

Şekil 5. Üç boyutlu yazıcıların makine strüktürleri (Kampker vd., 2019)

Farklı strüktürlerin farklı avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Kartezyen yazıcılar üretim kolaylığı ve kalibrasyon kolaylığı ile öne çıkarken, polar yazıcıların yalnızca iki motora sahip olması polar yapısını daha uygun maliyetli hale getirmektedir. Ancak polar yazıcılar tutarsızlık doğruluğa sahiptir çünkü döner baskı tablasının merkezine yaklaştıkça kesinlik artar, merkezden uzaklaştıkça kesinlik azalır. Delta yazıcılar yüksek hızlarda baskı alabilme özelliği ve kolay ölçeklendirilebilir yapılarıyla öne çıksalar da yazıcının üretiminin zorluğu ve kalibrasyon zorluğu gibi dezavantajlar söz konusudur. Robot kola dayalı yazıcılar ise daha yüksek mobilite gösterirken, daha fazla operatör müdahalesi gerektirmesi nedeniyle daha çok endüstriyel alanda tercih edilmektedir. Bu durumlardan ötürü, ev ve ofis tipi üç boyutlu yazıcılarda büyük ölçüde, kartezyen tipi bir yapı tercih edilmektedir.

Kartezyen yapıdaki yazıcılarda hareket sistemi için farklı yaklaşımlar bulunmaktadır. Ancak yazıcıların üretiminin ve kalibrasyon yapmanın kolaylığı göz önünde bulundurulduğunda piyasada genel olarak Şekil 6.’da gösterilmiş olan yapıya benzer yazıcıların olduğunu görmek mümkündür. Bu tür yazıcılarda rijit bir yapı iskeleti üzerine yerleştirilmiş 3 ana hareket ekseni yer alır. Bu hareket eksenleri, Y ekseni ileri geri hareket yapacak olmak üzere tasarlanmış bir tabla (zemin) ve bu tabla üzerinde aşağı-yukarı hareketi sağlayacak olan bir Z ekseni ve bu Z ekseni üzerinde, X ekseni hareketini sağlayacak olan sağ-sol hareketi gösteren bir doğrusal hareket eksenidir. Yani tabla kendi başına ileri-geri hareket ediyorken, baskı kafasını aşağı yukarı taşıyan Z ekseni aynı zaman baskı kafasının sağ-sol hareketini sağlayan X eksenini de taşır. Bu sistemin farklı avantaj ve devantajları bulunmaktadır. Bununla ilgili detaylar bu çalışmanın sorun ve çözüm analizi kısmında verilmiştir.

Bu sistemin küçük farklılıklara sahip farklı halleri de bulunmaktadır. Ancak sistem temel olarak aynı şekilde çalışır. Sadece, yine kartezyen koordinat sistemini kullanan ama kendi içerisinde oldukça farklı olan coreXY sistemi bundan daha farklı çalışmaktadır. CoreXY sisteminde farklı yaklaşımlar söz konusu olsa da sistem tek bir mantık üzerinde çalışır. Bu tür sistemlerde kayışlar veya miller kullanılarak baskı kafasının tek boyutta, diyagonal olarak hareket etmesi ve tablanın aşağı-yukarı hareket etmesi sağlanır. Bu sistemin de kendi içerisinde avantajları bulunduğu gibi dezavantajları da bulunmaktadır.       

Şekil 6. Kartezyen tipi bir masaüstü 3B yazıcısının hareket eksenleri.

Şekil 7. Kartezyen koordinat sistemine dayanan coreXY hareket sistemine farklı yaklaşımlar.

CoreXY hareket sistemine dayanan üç boyutlu yazıcılar, direkt kartezyen sisteme dayanan yazıcılara göre çok daha rijit bir yapı iskeletine sahiptirler bundan ötürü olarak çok daha yüksek hızlarda, daha yüksek baskı kalitesi ile daha uzun süre baskı alabilirler. Ayrıca yapı iskeletinin kübik şekilde olmasından ötürü yazıcının bir kabin içerisinde muhafaza edilmesi daha kolaydır. Bu nedenlerden ötürü coreXY yazıcılar genel olarak ev ve ofis ortamı için oldukça ideal olmaktadırlar. Ancak coreXY sistemine sahip yazıcıların üretiminin zor olup daha yüksek maliyetli olması, daha fazla bakım özen ve bakım gerektirmesi bu tip yazıcıların en büyük dezavantajlarındandır.

Direkt kartezyen sisteme dayalı olan açık tipteki yazıcılar ise coreXY sistemler kadar olmasa da oldukça rijit bir yapı iskeletine sahiptirler ve yazıcı üzerindeki bileşenlere müdahale daha kolaydır. Bu durumlardan ötürü coreXY sistemler de ev ve ofis ortamı için tercih edilse de, bireysel ölçekte kartezyen tipi yazıcıların piyasa da daha çok talep gördüğünü görmek mümkündür. Bundan ötürü bu çalışmada kartezyen sisteminde yapı strüktürüne sahip yazıcılar üzerinden yaklaşımda bulunulacaktır.

3.3. Ekstrüzyon ve Hotend

FDM tipi yazıcılarda üretimi sağlamak için filament adı verilen işlem görmüş termoplastik ısıtılarak viskoz hale getirilir ve akıtılır. Filamentin ısıtılarak eritilmesi için üç boyutlu yazıcılarda hotend adı verilen bir yapı kullanılır. Bu yapıya dair farklı yaklaşımlar olsa da genel olarak dört ana parça bulunur. Isıtıcı kartuş ve sıcaklık sensörü içeren bir ıstıcı blok, bu ıstıcı bloğun yazıcı iskeletine bağlanmasını mümkün kılmak ve filamentin ısıtıcı blok içerisinde doğrusal olarak itilmesini sağlamak için bir soğutucu blok, ısıtıcı ve soğutucu bloğu birleştiren bir barel ve son olarak, ısıtıcı blok içerisinde eriyen filamentin dışa aktarılması için kullanılan nozzle. Tamamen metal olan sistemlerde hotend aşağıdaki resimde yer aldığı gibi filamentin direkt olarak soğutucu blok içerisinden geçip ıstıcı bloğa girmesiyle çalışır. Ancak tamamen metal olmayan sistemlerde, nozzle’a kadar ilerleyen bir teflon boru bulunur ve filament bu teflon boru içerisinde eriyip dışa aktarılır. Ev tipi yazıcıların çok büyük bir kısmında daha uygun maliyetli olması açısından tamamen metal hotend yapıları yerine alüminyum alaşımlı sistemler tercih edilir ve teflon boru kullanılır.

Şekil 8. Örnek bir hotend tasarımı. (Tey vd., 2018)

FDM üç boyutlu yazıcılarda filamenti ittirmek ve ekstrüde etmek için ekstrüder adı verilen bir sistem kullanılır. Bu sistem için iki ana yaklaşım bulunmaktadır. Bunlar direct extruder ve bowden extruder yapılarıdır. Direct extruder sisteminde, ektrüder motoru direkt olarak hotend’in soğutucu bloğunun üstünde yer alır ve filamenti dişli çarklar ile çekerek direkt olarak hotend’in içine iter. Yani ekstrüzasyon motoru ile ıstıcı blok arasındaki mesafe oldukça azdır. Ancak bowden sistemde, ekstrüzasyon motoru hotend’den uzak bir noktaya konumlandırılır ve yeri sabittir. Filamenti çekerek teflon boru içerisinden hotend’in içine doğru iter. Isıtıcı blok ve motor arasındaki mesafe fazladır.

İki sisteminde kendi içerisinde farklı avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Direct extruder sistemlerinde filament direkt olarak ısıtıcı bloğun içine itildiğinden dolayı sürtünme ile yaşanacak olan kayıplar çok daha azdır ve daha tutarlı akış sağlanır. Ayrıca esnek materyallerin ekstrüzasyonu daha kolay olur. Ancak motorun hotend üzerinde yer almasından ötürü baskı kafasındaki ağırlık ciddi derecede artmaktadır. Bundan dolayı baskı hızından kayıp yaşanmaktadır. Bowden sistemlerde ise baskı kafasının ağırlığının az olmasından ötürü daha yüksek hızlarda baskı almak mümkündür. Ancak motor ısıtıcı bloğa uzak olduğundan dolayı, telfon boru içerisinde hareket ederken sürtünmeden dolayı daha az tutarlı akış sağlanmaktadır.

Şekil 9. FDM 3B yazıcı ekstruderlarının basit bir diyagramı. Direct extruder ve bowden extruder (Boulaala, vd., 2020)

Piyasada yer alan masaüstü yazıcılar incelendiğinde iki farklı ekstrüzasyon sisteminin de sık sık kullanıldığı görülmektedir. Ancak, bowden sisteme sahip sistemler nispeten daha fazla ilgi görmektedir. Bunun nedeni ise baskı hızının daha yüksek olmasıdır.

3.4. Baskı Tablası

FDM yazıcılarda filamentin basılmış olduğu zemin baskı tablası olarak adlandırılır. Bu baskı tablası, gömülü rezidanslar sayesinde ısınan bir devre kartı ve bu kartın üzerine yerleştirilmiş bir yüzeyden oluşur. Piyasada yer alan üç boyutlu yazıcıların çok büyük bir kısmı ısıtıcı tablaya sahiptir ancak masaüstü yazıcıların çıktığı ilk dönemlerde ısıtıcı tablaya sahip olmayan yazıcıları görmek de mümkündür. Fakat eriterek akıtılmış filamentin zemine yapışabilmesi için ısıtıcı tabla büyük önem taşımaktadır.

Tabla yüzeyleri için farklı seçenekler bulunmaktadır. Genel olarak piyasadaki ev tipi yazıcılarda cam tabla veya manyetik pürüzlü yüzeye sahip tabla kullanılmaktadır. Cam tabla baskılarda daha pürüzsüz bir taban yüzeyi sunarken manyetik tabladan basılmış ürünü çıkartmak daha kolaydır. Seçim, kullanıcının kendi isteğine bağlı olarak değişebilir.

3.5. Kontrol Paneli

Üç boyutlu yazıcılarda kalibrasyonların yapılması, baskının başlatılması, baskı sırasında müdahale sağlanması ve baskı durumunun takip edilmesi gibi bir çok işlem için kontrol paneli büyük önem taşımaktadır. Bu işlemler için kontrol paneli şart değildir ve bilgisayar bağlantısı ile bunların yapılması da mümkündür ancak piyasada yer alan yazıcıların neredeyse hepsinde kontrol paneli bulunmaktadır.

Masaüstü üç boyutlu yazıcıların yayılmaya başladığı dönemlerde, kontrol paneli olarak kısıtlı karakter sayısına sahip LCD ekranlar ve çeşitli butonlar kullanılmıştır. Yakın dönemde piyasaya çıkan ürünlere bakıldığında ise artık bu kontrol paneli için genellikle dijital ve dokunmatik ekranların tercih edildiği görülmektedir.

4. Masaüstü 3B Yazıcıların Genel Sorunları ve Çözüm Önerileri

Bir önceki maddede aktarıldığı üzere, üç boyutlu yazıcılar kompleks yapılara sahiptir ve çok sayıda bileşenden oluşurlar. Bu durum doğal olarak üç boyutlu yazıcıların düzenli bakım ve onarıma ihtiyaç duymasına sebep olmasının yanısıra, aynı zamanda da operatör bilgisi gerektirir.

Bu durum ve bu çalışmanın önceki maddelerinde ele alınan diğer durumlardan ötürü, masaüstü üç boyutlu yazıcıların ev ve ofis ortamında kullanılması zaman zaman oldukça zorlayıcı olabilir. Fakat üç boyutlu yazıcıların tasarımında farklı değişikliklerin yapılmasıyla beraber bu durum değiştirilebilir.

Bu değişikliklerin neler olabileceğini tartışmak için üç boyutlu yazıcıların bileşenlerini ayırarak incelemek gerekir. Bu bağlamda, bu çalışmada ev ve ofis ortamı için üretilmiş olan, FDM sınıfında filamanlı üretim yapan ve açık tip kartezyen yapı strüktürüne sahip olan bir üç boyutlu yazıcı; mekanik, elektronik, yazılım ve genel tasarım olarak dört ana bileşen altında incelenmiştir.

4.1. Mekanik

Ev ve ofis ortamında kullanılacak bir üç boyutlu yazıcının yapı strüktürü, mekanik özellikleri ve genel biçimi oldukça önemlidir. Çünkü üç boyutlu yazıcıların yapısı, baskı sırasında çok sayıda hataya sebep olabilmektedir ve bu hataların, ilk defa üç boyutlu yazıcı kullanan bir son kullanıcı tarafından tespit edilip çözülmesi oldukça zordur.

Mekanik başlığı altında öne çıkan iki ana durum söz konusudur. Bunlardan ilki üç boyutlu yazıcının yapı strüktürünün ne olacağı ve bunun ne tür mekanik komponentler ile inşa edileceğidir. Bu çalışmanın 3.2 numaralı başlığında belirtildiği üzere, kartezyen tip strüktürlü üç boyutlu yazıcılar ev ve ofis kullanımı yazıcılar için en ideal yapı şeklidir. CoreXY yapı strüktürü daha fazla rijitlik sağlasa da, beraberinde getireceği ekstra bakım ve onarım yükü son kullanıcıyı zorlayacağı için coreXY yerine direkt olarak açık tip kartezyen sistem kullanmak masaüstü bir yazıcı için daha uygun olacaktır.

Ancak üç boyutlu yazıcının yapısının kartezyen sistem kullanılarak yapılması yeterli olmayacaktır. Çünkü kartezyen sistemin de rijit olabilmesi için bazı durumlar söz konusudur. Şekil 10’da gözüktüğü üzere, kartezyen sistem açık profil yapı strüktüründe veya tam kapalı profil strüktüründe oluşturulabilir. Açık profil yapısına sahip bir üç boyutlu yazıcı, operatör deneyimine sahip olmayan bir son kullanıcı için oldukça zorlayıcı olabilir. X ekseninin bulunduğu profili taşıyan Z ekseni profili tek tarafta olacağı için ekseni taşımakta zorluk yaşayacak ve çok sayıda baskı problemine yol açacaktır. Bu baskı problemleri yüzeyde titreşim ve dalgalanma izleri, yüzeyde girinti/çıkıntı izleri ve boyutsal doğrulukta tutarsızlıklar gibi ciddi sorunlar olabilir. Bu sorunların oluşması durumunda açık profil yapılı bir üç boyutlu yazıcı da çözüm amaçlı yapılabilecek çok fazla seçenek yoktur. Çünkü sorunun çözümü üç boyutlu yazıcının profil yapısını tamamen değiştirmektir. Bundan dolayı ev ve ofis kullanımına yönelik bir üç boyutlu yazıcı tasarlanırken, ürünün yapı strüktüründen kaynaklanabilecek kronik sorunların oluşmasını önleyebilmek adına, mutlaka tam kapalı profil yapısına sahip bir üç boyutlu yazıcı tasarlanmalı ve tasarlanmış olan yapının rijit olduğundan, herhangi bir sallantı veya orantısızlık olmadığından emin olunmalıdır.

Şekil 10. Açık profil yapı strüktürüne sahip Ender 2 model 3B yazıcı ve tam kapalı profil yapı strüktürüne sahip Ender 3 model 3B yazıcı

Üç boyutlu yazıcıların mekanik sistemlerinde, yapı strüktüründen sonra gelen en önemli unsur hareketlerin ne tür komponentler ile sağlandığıdır. Kartezyen tip üç boyutlu yazıcılarda, her bir eksen için bir doğrusal hareket söz konusudur. Bu hareketlerin sağlanmasıyla ilgili farklı çözümler mevcuttur. Bu hareketler, Şekil 11’de yer alan örneklerde görülebileceği üzere linear raylar ve arabaları, V tip slotlu profiller üzerinde hareket eden tekerlekli rulmanlar gibi farklı doğrusal hareketli düzlemler üzerinde kayışların veya vidalı millerin kullanımı ile sağlanabilir.

Şekil 11. Üç boyutlu yazıcılarda kullanılan farklı doğrusal hareket komponentleri.

Ev ve ofis kullanımına yönelik bir üç boyutlu yazıcı tasarlarken yazıcının yapı strüktürüne ve sahip olduğu diğer komponentlere göre farklı eksenler için farklı doğrusal hareket sağlayan mekanizmalar inşa edilmelidir. Piyasada yer alan örnekler incelendiğinde uygun maliyet ile üretimi sağlayabilmek için genellikle V tipi slotlu profiller üzerinde hareket eden tekerlekli rulmanlar kullanıldığı ve rulmanların kayış veya vidalı mil ile hareket ettirildiği görülmektedir. Bu durum son kullanıcı için çok uygun değildir. Çünkü bu hareket mekanizması, ürünün kullanılmaya başladığı ilk zamanlarda sıkıntı çıkarmasa da, sürekli hareketten ötürü zaman içerisinde tekerleklerin aşınması ve rulmanların hasar görmesiyle görevini düzgün yerine getiremez hale gelir. Böylelikle baskı kalitesinde düşüşler yaşanmaya başlar ve bu hareket mekanizmasının onarılması, operatör deneyimi olmayan bir son kullanıcı için oldukça zorlayıcı olabilir.

Bu nedenlerden ötürü ev ve ofis kullanımını hedef alan bir üç boyutlu yazıcı tasarlarken, yine rijit bir strüktür oluşturmak için V tip slotlu profillerden oluşan bir gövde tercih edilebilir ancak bu profiller üzerinden hareket den tekerlekli rulmanlı bir sistem kullanmak yerine en azından X veya Y ekseninde, mümkünse her ikisinde de linear ray kullanmak hem daha uzun ömürlü hem de daha az sorun çıkaran bir ürünün ortaya çıkmasını sağlayacaktır.

4.2. Elektronik

Üç boyutlu yazıcılar çok sayıda elektronik bileşen içermektedir.(Şekil 12.) Piyasada bulunan ev ve ofis kullanımını hedef alan üç boyutlu yazıcılar incelendiğinde, uygun maliyetli üretimi sağlamak için daha düşük kaliteli elektronik bileşenlerin tercih edildiği görülmektedir. Bu durum, yüksek sesle çalışıp düşük performans sağlayan soğutma fanları, kalitesiz motor sürücü devrelerinden ötürü hem yüksek sesle çalışan hem de titreşim yapan motorlar ve kısa ömürlü devre kartlarının varlığından gözlemlenebilir.

Ev ve ofis kullanımını hedef alan bir üç boyutlu yazıcı tasarlanırken maliyet unsuru da göz önünde bulundurularak, mümkün olduğunca daha kaliteli bileşenler tercih edilmelidir. Bunu sağlamak için farklı yollar izlenebilir. Örneğin sürekli ve çok sık bir şekilde hareket eden X ve Y ekseni step motorları için yüksek kaliteli motor sürücüler kullanarak bu motorların ses çıkarmaları önlenip tutarlı bir şekilde çalışmaları sağlanırken, daha az bir şekilde çalışan ve çoğunlukla bekleme halinde duran Z ekseni step motoru için daha düşük kaliteli bir motor sürücü tercih edilebilir. Böylelikle maliyeti çok zorlamadan, elektronik aksam geliştirilmiş olur.

Ev ve ofis ortamında çalışacak bir üç boyutlu yazıcı için sessiz çalışma özelliği oldukça gereklidir ancak soğutma fanları bu durumu zorlaştırmaktadır. Bu fanların daha kaliteli modellerden tercih edilmesi ürün maliyetini ciddi şekilde artırabilir. Bundan ötürü ya farklı soğutma sistemlerine odaklanılmalı ya da en çok çalışan fanlar sessiz fanlar ile değiştirilip diğer fanlar aynı kalitede bırakılarak, ortalama ses miktarı azaltılmalıdır.

Ayrıca ürün tasarlanırken düşük kalitede elektronik aksamın oluşturabileceği güvenlik riskleri büyük bir özenle dikkate alınmalı ve bu riskleri azaltacak şeklide tasarım yapılmalıdır.

Şekil 12. Düşük-orta kalitede bir 3B yazıcının içerdiği elektronik bileşenler.

4.3. Yazılım

Üç boyutlu yazıcılarda mekanik komponentler ve elektronik bileşenler kadar yüklü olan yazılım da baskı kalitesinde ve baskı alma kolaylığında büyük önem taşımaktadır. Piyasada bulunan ve ev-ofis kullanımını hedefleyen üç boyutlu yazıcıların çok büyük bir kısmında, ücretsiz ve açık kaynak yazılım olmasından ötürü Marlin Firmware bulunmaktadır. Marlin, geniş bir komüniteye sahip olduğundan dolayı sürekli gelişen ve stabiliteyi büyük ölçüde yakalamış olan bir donanım yazılımıdır. Ancak Marlin, geliştirilmiş olan yazıcıya göre mutlaka özenle konfigüre edilmeli ve yazıcının içerdiği bileşenlere göre farklı ayarlamalar yapılarak yazıcıya göre ayarlanmalıdır. Piyasada bulunan yazıcıların bir kısmı, anakartlarının yetersiz olması nedeniyle Marlin’in çok sade versiyonlarını içermektedir. Bu durum son kullanıcının yazıcıyı kullanmasını zorlaştırmasının yanı sıra baskı kalitesi düşüşüne ve güvenlik tehlikelerine yol açabilir.

Şekil 13. Marlin’in ilk sürümlerinden birinin yüklü olduğu bir üç boyutlu yazıcının, kontrol panelinde açılış ekranının ve kontrol menüsünün görünüşü.

Ev ve ofis kullanımına yönelik tasarlanacak bir üç boyutlu yazıcı da mutlaka özel ve kapsamlı bir şekilde konfigüre edilmiş Marlin’i kaldırabilecek türden bir anakart yer almalı ve önem taşıyan her türlü özellik ve fonksiyonlar, Marlin konfigürasyonunda mutlaka ayarlanmalı ve aktif edilmelidir. Bunlar;

• Teknik bilgiler. Tasarlanmış olan üç boyutlu yazıcının sahip olduğu teknik özellikler konfigüre edilerek yazıcının sınırları belirlenmelidir. Bu teknik bilgiler yazılırken yazıcının barındırdığı mekanik ve elektronik bileşenlerin özelliklerini özenle dikkat edilmelidir.

• Thermal protection, prevent cold extrusion vb. yazılımsal güvenlik önlemleri. Bu tür önlemlerin aktif edilmesi, kullanıcının dikkatsizlik vb. bir nedenden ötürü yapabileceği hatalarda oluşabilecek güvenlik risklerini büyük ölçüde azaltacaktır. Bu nedenle ev ve ofis ortamında kullanılacak bir yazı tasarlanırken bu özellikler mutlaka aktif hale getirilmeli, hatta bu özelliklerin bypass edilmesini sağlayacak fonksiyonlar pasif hale getirilmelidir.

• Filament runout sensor, bed levelling comands vb. kullanım ve baskı kolaylığı sağlayan fonksiyonlar. Bu tür özellikler aktif edilerek üç boyutlu yazıcının kullanımını kolaylaştırabilir. Ayrıca bu özellikler, baskı sırasında yaşanabilecek sorunları da azaltarak ev ve ofis ortamında daha rahat kullanılabilir bir yazıcının tasarlanmasını sağlayacaktır.

• Baskı sırasında takibi ve gerektiği durumlarda baskıya müdahaleyi kolaylaştıracak yönlendirmeler sağlayan ekstra fonksiyonlar. Bu özelliklerin aktif edilmesiyle, operatör deneyimi az olan son kullanıcıların ürünü kullanmaları daha rahat olacaktır.

4.4. Genel Tasarım

Ev ve ofis kullanımı için bir üç boyutlu yazıcı tasarlanırken, bu yazıcının operatör deneyimi az olan veya hiç olmayan bir son kullanıcı tarafından kullanılacağı düşünülerek tasarım yapılmalıdır. Yazıcının operatör müdahalesi gerektiren her bir parçasına ilgili yönlendirme belirteçleri eklenmeli, yazıcının düzenli bakım veya onarım gerektiren parçaları teknik bilgi sahibi olmadan yönlendirmelerle yapılabilecek bir şekilde dizayn edilmeli ve yazıcı güvenlik tehdit unsurları mümkün olabildiğince azaltılmış bir şekilde piyasa çıkarılmalıdır.

Ayrıca ev ve ofis ortamında kullanılacağından ve zaman zaman taşınma ihtiyacı duyulabileceğinden ötürü, yazıcının ağırlığı olabildiğince düşük tutulmalı, boyutları masaüstü kullanıma uygun olacak şekilde tasarlanmalıdır.

Yazıcının üstündeki kablolama düzenli ve organize bir şekilde yapılmış olmalı, açıkta elektronik parça ve devre bırakılmamalı ve hareketli bileşenlerin üzerine uyarı simgeleri eklenmelidir.

5. Sonuç

Eklemeli imalat yöntemiyle çalışan üç boyutlu yazıcılar, endüstriyel amaçlar için profesyonel ölçekte kullanılmak üzere piyasaya sunulmuştur. 2000’lerin başında yaşanan farklı hareketler ile bu cihazlara olan ilgi artmış ve ilk uygun maliyetli masaüstü üç boyutlu yazıcılar ortaya çıkmıştır.

Üç boyutlu yazıcılara olan talep bu dönemde büyük ölçüde artmış, ev ve ofislerde üç boyutlu yazıcılar görülür hale gelmiştir. Ancak bu dönem çok uzun sürmemiş ve zamanla üç boyutlu yazıcıların son kullanıcı kullanımına pek uygun olmadığı anlaşılmış ve masaüstü yazıcılara olan talep azalmıştır. Ancak analiz raporları, Çin’li uygun maliyetli 3B yazıcı geliştiricilerinin peak yapmasıyla beraber, üç boyutlu yazıcıların piyasa değeri yükselişini sürdürmüştür ve gelecekte de bu marketin büyümesi beklenmektedir.

Piyasa da bulunan ev ve ofis kullanımına yönelik 3B yazıcılar incelenmiş ve bu yazıcılarda bazı ortak özelliklerin tercih edildiği görülmüştür. Bunlar, baskı teknolojisi olarak FDM’in tercih edilmesi, yapı strüktürü olarak kartezyen sistem üzerinden rijit bir yapı inşa edilmesi, bowden sistem esasında çalışan bir hotend&ekstrüzyon mekanizmasının kullanılması, ıstıcı tabla ve dijital ekranların bulunmasıdır. Bu özelliklerin tercih edilmesinin uygun maliyette ürün oluşturmak gibi temel sebepleri bulunmaktadır. Bu tercihlerin bazıları, farklı sorunları ve zorlukları ortaya çıkararak üç boyutlu yazıcıyı son kullanıcı ürünü yapmaktan uzaklaştırırken, bazıları ise yazıcının kullanımını kolaylaştırmaktadır.

Masaüstü üç boyutlu yazıcıların sorunları mekanik, elektronik, yazılım ve genel tasarım olaran dört ana bileşende ele alınmıştır. Yapılan değerlendirmede, ev ve ofis ortamı için tasarlanacak bir üç boyutlu yazıcının; mekanik sorunların çıkmasını önlemek amacıyla tam kapalı profilli kartezyen yapı strüktüründe, doğrusal hareket için en azından X ve Y ekseninde linear rayların kullanımının tercih edilmesi gerektiği düşüncesine varılmış; elektronik bileşenlerin mümkün olduğunca kaliteli modellerden seçilmesi gerektiği fikrine ulaşılmış, yazıcı özelinde bir yazılım konfigürasyonu yapılması gerektiği ve bu konfigürasyonun yazıcının kullanımını kolaylaştıracak özellikleri içermesi gerektiği sonucuna ulaşılmış ve yazıcının genel tasarımının operatör bilgisi az olan bir son kullanıcıyı yönlendirebilecek bir şekilde tasarlanması gerektiği anlaşılmıştır.

Kaynakça

Şahin, T., Turan, B. O., (2018). Üç Boyutlu Yazıcı Teknolojilerinin Karşılaştırılmalı Analizi. Strateji  ve Sosyal Araştırmalar Dergisi, 2 (2), 98

A. Savini and G. G. Savini, (2015). “A short history of 3D printing, a technological revolution just started,”    2015 ICOHTEC/IEEE International History of High-Technologies and their Socio-Cultural Contexts Conference (HISTELCON), Tel-Aviv, Israel, pp. 1-8, doi:10.1109/HISTELCON.2015.7307314.

Crump, S. S., (1992). Apparatus and method for creating three-dimensional objects. (A system and a method for building three-dimensional objects in a layer-by-layer manne via Fused Deposition Modelling), US Patent No.: 5121329

Balletti, C., Ballarin M., Guerra F., (2017). “3D printing: State of the art and future perspectives”. Journal of Cultural Heritage, 26, pages 172-182

Welch, L., (2014). “How I Did It: Bre Pettis of MakerBot”. Erişim adresi: https://www.inc.com/magazine/201410/liz-welch/bre-pettis-makerbot-exponential-growth-3d-printer-company.html

Lee, T. B., (2016), “Why home 3D printing never lived up to the hype”. Erişim adresi: https://www.vox.com/2016/6/6/11693388/makerbot-home-3d-printers

Hubs, (2022). “3D Printer Trend Report 2022” Erişim Tarihi: https://www.hubs.com/get/trends/

Kardaş C., Börklü H. R., (2022) “Covid-19 Salgınında 3B Yazıcılarla Geliştirilen Ürünlerin İncelenmesi”, Int. J. Of 3D Printing Tech. Dig. Ind., 6(1), 113-125.

Gür, Y., (2017). “3 boyutlu masa üstü yazıcı ile matematiksel bir modelden gerçek bir nesnenin dijital üretimi”, BAUN Fen Bil. Enst. Dergisi, 19(2), 237-245

Kampker, Achim & Triebs, Johannes & Kawollek, Sebastian & Ayvaz, Peter & Hohenstein, Steffen. (2019). Review on Machine Designs of Material Extrusion based Additive Manufacturing (AM) Systems – Status-Quo and Potential Analysis for Future AM Systems. Procedia CIRP. 81. 815-819. 10.1016/j.procir.2019.03.205.

Tey, Jing Yuen & Yeo, W. & King, Yeong Jin & Ding, W.. (2020). 3D Printing of Polylactic Acid Bioplastic–Carbon Fibres and Twisted Kevlar Composites Through Coextrusion Using Fused Deposition Modeling. Journal of Renewable Materials. 8. 1671-1680. 10.32604/jrm.2020.011870.

Boulaala, Mohammed & Elmessaoudi, Driss & Buj, Irene & el Mesbahi, Jihad & Ezbakhe, Omar & Astito, Abdelali & El Mrabet, Mhamed & el Mesbahi, Abdelilah. (2020). Towards design of mechanical part and electronic control of multi-material/multicolor fused deposition modeling 3D printing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 110. 10.1007/s00170-020-05847-0.