Doğrusal (lineer) motorlu endüstriyel sistemin 3 boyutlu yazıcıya dönüştürülmesi
Transformation of industrial linear motion system in to the 3D printer
- Tez No: 677440
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Üretim teknolojileri insanlığın isteklerine cevap verebilmek için sürekli gelişim göstermek zorundadır. Tarih boyunca temelini otomotiv, savunma, uzay ve havacılık gibi farklı sektörlerden alan yeni üretim tekniği ihtiyaçları gelişen teknoloji ve kontrol yöntemleri ile beraber yenilikçi imalat yöntemlerini doğurmuştur. 1980'lerden itibaren üzerinden çalışılan ancak son 20 senede büyük bir ivme kazanan eklemeli imalat (Additive Manufacturing) yöntemi yeni üretim tekniklerinden biridir. Geleneksel imalat yöntemlerinde üretilen yarı mamul ya da parçadan freze, torna gibi malzeme eksiltme (talaş kaldırma) yöntemleri ile son ürün ortaya çıkmaktadır. Son dönemlerde geleneksel imalat teknikleri kullanan makine ve tezgâhlar ile çok hassas ve kaliteli yüzeye sahip parçalar üretebilmektedir. Bu durumun oluşmasında en büyük pay ileri kontrol yöntemleri, gelişmiş hareket sistemleri ve hassas eyleyicilerindir. Günümüzde neredeyse tüm ürünleri hem hafifletmek hem de dayanımı artırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Çalışmalar sonucunda genellikle karmaşık geometrik yapıya sahip parçalar ortaya çıkmaktadır. Bu durum talaşlı imalat yöntemlerinin ve tezgâhlarının sınırlarını zorlamaktadır. Eklemeli imalat yöntemi günümüz isteklerine en hızlı cevap verecek yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Söz konusu yöntemde kabaca, malzeme katmanlar halinde üst üste eklenerek parça (ürün) oluşturulur. Bu neden ile katmalı imalat yöntemini kullanan sistemlere genel olarak 3D yazıcı (3 Boyutlu Yazıcı) denmektedir. 3D yazıcıların esnek yapısı birbiri ile alakası olmayan birçok sektör ve üreticinin ilgisini çekmiştir. Bugün farklı boyutta ve özellikteki 3D yazıcılar biyonik organ, motor parçası, elektronik kart ve hatta yaşanabilir ev üretimine kadar çeşitli konularda kullanılmaktadır. Bu çeşitliğin en büyük nedeni katmanlı imalat yönteminde çok farklı malzemelerin hammadde olarak kullanılmasıdır. Hobi amaçlı kullanılan 3D yazıcılarda genellikle termoplastik malzemeler kullanılmak ile beraber farklı sektörler için üretim yapan 3D yazıcı sistemlerinde metal, ahşap, seramik, çimento ve farklı biomalzemeler hammadde olarak kullanılmaktadır. Eklemeli imalat yöntemi gelişen teknoloji ile son yıllarda çok hızlı gelişip yaygınlaşmasına rağmen bazı sektör ve uygulamalar için elzem olan yüksek yüzey kalitesini sağlayamamaktadır. Yüksek yüzey kalitesi ihtiyacı olan ürünler eklemeli imalat ile üretildikten sonra tekrar işleme (genellikle talaş kaldırma) sokularak istenilen kalite elde edilmektedir. Bu şekilde isterlere sahip olan ürünler özelinde farklı bir imalat yöntemi ortaya çıkmıştır. Hibrid (Melez) üretim yöntemi adı verilen bu yöntem ile talaşlı imalat ve eklemeli imalat xx yetenekleri tek sistemde birleştirilmiştir. Bu sayede hali hazırda kullanılan iki yöntemin avantajları birleştirilmiştir. Son on yılın gelişmekte olan üretim teknolojisi katmanlı imalat yöntemleri (3D yazıcı sistemleri) de bu değişimler ile beraber ele alınmıştır. Tez kapsamında laboratuvarda bulunan Rockwell Otomasyon doğrusal motor deney seti 3D yazıcıya dönüştürülmüştür. Deney setinde 3 eksende bulunan 4 adet doğrusal (lineer) motor ile kartezyen hareket sağlanmıştır. Sistemde X ve Y eksenlerinde hareket için birer adet, Z ekseninde hareket için ise iki adet doğrusal motor bulunmaktadır. Z ekseninde dikey hareketi sağlayan doğrusal motorlar Y eksenine paralel olarak konumlandırılmış ve oluşturulan mekanik düzenek ile dikey hareket sağlamaktadır. Bu mekanik sisteminde önceden bulunan tutucu (gripper) sökülüp yerine 3D yazıcı iticisi (Extruder) ve sıcak ucu (HotEnd) monte edilmiştir. 3D yazıcı baskı yatağı olarak metal 'L' tipi köşebentler ile sabitlenmiş cam kullanılmaktadır. Eklemeli imalat yönteminde üretilecek parça önce bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design) yazılımları ile oluşturulmaktadır. Tasarlanan katı modeller bir tür bilgisayar destekli üretim (Computer Aided Manufacturing) yazılımı olan dilimleyici (Slicer) yazılımlarına farklı dosya formatlarında aktarılır. Bu yazılımlar katı model tasarımlarını 3D yazıcı yazılımlarının anlayacağı G-Kodlarına çevirmektedir. G-Kodlar içerisinde sistemin hareket etmesi gereken X,Y ve Z ekseni konumları ve hızları, ısıtıcı uçtan akıtılacak malzeme miktarı, ısıtıcı uç ve varsa ısıtıcı yatağın sıcaklık değeri ve sisteme ait birçok özelliğin kullanımına ait bilgiler bulunmaktadır. 3D yazıcılardaki kontrolcülerde bulunan yazılımlar G-Kodları anlamlandırır ve gerekli eylemleri düzenler. Tez kapsamında G-Kod okuma işlemi bilgisayarda koşturulan ve Python dili ile hazırlanan yazılım ile gerçekleştirilmiştir. Sistem ve sistemde bulunan motorların kontrolü ise PLC içerisinde bulunan Studio5000 yazılımı ile kontrol edilmektedir. Harici bilgisayarda çalışan Python yazılımı ve PLC'de bulunan Studio5000 yazılımı arasındaki haberleşme Ethernet protokolü ile sağlanmıştır. Tez içeriğinde Endüstriyel Nesneleri İnterneti (IIoT) konusu çalışılmış ve bir endüstriyel kontrolcü olan PLC, bulut tabanlı MQTT protokolü ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. Bu sayede haberleşme yöntemleri açısından iki farklı yazılım mimarisi oluşturulmuş oldu. Sistem Allen-Bradley marka 1756-L73 PLC ile kontrol edilmekte ve her doğrusal motor için Kinetix 6000 servo motor sürücüsü bulunmaktadır. Kinetix 6000 servo motor sürücüler kontrol organı olan PLC ile Sercos protokolü ve 1756-M08SE Sercos modülü ile haberleşmektedir. Sistemde 3D yazıcının filament beslemesi için bir adet adım motoru kullanılmıştır ve bu adım motoru PLC'de bulunan 24V dijital çıkış birimleri tarafından TB6600 adım motoru sürücü ile beraber kontrol edilmektedir. 3D yazıcının ısıtıcısı (HotEnd) 12V ısıtıcı fişek rezistans ve 100K direnç değerine sahip NTC termistöründen oluşmaktadır. 12V ısıtıcı fişek rezistans PLA filamentin eriyebilmesi için gerekli olan 200 – 210 C⁰ sıcaklığa çıkarmaktadır. Sistem sıcaklığı 100K NTC ve NTCnin bağlı olduğu PLC analog giriş modülü ile kontrol altında tutulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Production technologies must constantly evolve in order to respond to the demands of humanity. Throughout history, the needs of new production techniques, which are based on different sectors such as automotive, defence, space and aviation, have spawned innovative manufacturing methods together with developing technology and control methods. The Additive Manufacturing method, which has been worked on since the 1980s but has gained great momentum in the last 20 years, is one of the new production techniques. The end product comes out with the material reduction (chip removal) methods such as milling and turning from the semi-finished product or part produced in traditional manufacturing methods. Recently, it has been able to produce parts with very sensitive and high quality surfaces with machines and benches using traditional manufacturing techniques. The biggest share in the occurrence of this situation is advanced control methods, advanced motion systems and precision actuators. Nowadays, studies are carried out to both lighten and increase the strength of almost all products. As a result of the studies, parts with complex geometric structures generally emerge. This situation pushes the limits of machining methods and benches. The additive manufacturing method will emerge as a quick answer of new challenges of today's world. In manufacturing process, material is adding layer by layer to create a solid product. For this reason, systems that are using additive manufacturing method are generally called as a 3D printer. The types of 3D printers have attracted the attention of many sectors and they have application that are not related to each other. Today, 3D printers of different sizes and features are used in a variety of production ranging from bionic organ, engine part, electronic board and even liveable house production. Metal, wood, ceramic, cement and other different bio-materials are used as raw materials in 3D printer systems that produce for different sectors, however 3D printers which are used for hobby purposes are generally use thermoplastic materials in 3D printers. Although the add-on manufacturing method develops and becomes widespread rapidly, they cannot serve high quality surface applications that are essential for some sectors and applications. There is a new way to supply high quality surfaces for such applications. Products that require high surface quality are produced with additive manufacturing, and then re-processed (chip removal) to achieve the desired surface quality. With this method called hybrid production method, machining and additive manufacturing capabilities are combined in a single system. In this way, two methods that are currently used have been combined. xxii The developing production technology of the last decade, additive manufacturing methods (3D printer systems) are also discussed along with these changes in this work. Within the scope of the thesis, the Rockwell Automation linear motor experiment set in the laboratory was transformed into a 3D printer. Cartesian motion was achieved with 4 linear (linear) motors in 3 axes in the experiment set. In the system, there are one each for movement in X and Y axes and two linear motors for movement in Z axis. Linear motors that provide vertical movement in the Z axis are positioned parallel to the Y axis and provide vertical movement with the specific mechanical mechanism. In this mechanical system, the gripper previously found was removed and replaced with the 3D printer extruder and the hot end. A glass fixed with metal 'L' type brackets is used as 3D printer printing bed. The part to be produced in the additive manufacturing method is first created with Computer Aided Design software. Designed solid models are transferred in different file formats (.stl or .step) to slicer software, which is a kind of Computer Aided Manufacturing software. These software translate solid model designs into G-Codes that 3D printer software can understand. Within the G-Codes, there are information about the X, Y and Z axis positions and speeds that the system should move, the amount of material to be flowed from the extruder, the temperature value of the hot end and the heater bed, if any, and the use of many features of the system. The software in the controllers of 3D printers read the G-Codes and arrange the necessary actions. Within the scope of the thesis, the G-Code reading process was carried out with software running on the computer and prepared with Python language. The control of the system and the motors in the thesis is controlled by Studio 5000 software in the PLC. The communication between the Python software running on the external computer and the Studio5000 software in the PLC is provided by the Ethernet protocol. Also in the thesis, Industrial Internet of Things (IIoT) topic was studied and PLC, an industrial controller, is tried to be controlled by cloud-based MQTT communication protocol. In this way, two different software architectures are created in terms of communication methods. There are two different types of software algorithm built to control printing process. In the first algorithm, after computer sends G-Code data to PLC controller, computer wait for feedback to takes the next action (read new G-Code line). With this closed loop approach, system can be sure that previous motion has done. On the other hand, second algorithm is created with open loop method. Second algorithm not only reads G-Codes to take action but also computes the each process's motion time and software wait for that time duration to read next G-Code line. The system is controlled by Allen-Bradley 1756-L73 PLC and there is a Kinetix 6000 servo motor driver for each linear motor. Kinetix 6000 servo motor drives communicate with PLC controller with Sercos protocol and 1756-M08SE Sercos module. A step motor is used in the system for feeding the filament to the 3D printer and this step motor is controlled by the 24V digital output units in the PLC together with the TB6600 step motor driver. The heater of the 3D printer (HotEnd) consists of a 12V heating cartridge resistor and a NTC thermistor with a resistance value of 100K. The 12V heating cartridge raises the resistance to the temperature of 200 - 210 C - required for the PLA filament to melt. System temperature is kept under control with PLC analogue input module to which 100K NTC and thermocouple are connected.
Benzer Tezler
- Türkiye'de hava kirliliği konsantrasyon değerlerinin meteorolojikdeğişkenler ile arasındaki ilişkilerin belirlenmesi ve kirleticikonsantrasyonlarının doğası
Determination of the relationships between air pollution concentration values and meteorological variables in Turkey and the nature of pollutant concentrations
ENES BİRİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRAH TUNCAY ÖZDEMİR
PROF. DR. ALİ DENİZ
- Optimized power control strategy for a proton exchange membrane fuel cell system
Proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemi için optimize edilmiş güç kontrol stratejisi
ÖMER BURAK SARIÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Yenilikçi bir aşırı modülasyon tekniği ve kompleks akım kontrolörü tasarımı ile algılayıcısız cer motoru kontrolü
Sensorless traction motor control with innovative overmodulation technique and complex current controller design
GÖKHAN ALTINTAŞ
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Modeling of dynamic systems and nonlinear system identification
Dinamik sistemlerin modellenmesi ve doğrusal olmayan sistemlerin tanılanması
MASOUD ABEDINIFAR
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Elektrikli tahrik sistemleri için gözleyici ve kontrolör tasarımı
Observer and controller design for electric drives
ONUR GÜRLEYEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU