Design for additive manufacturing for small-volume production: A case study
Düşük hacimli üretimde eklemeli imalat için tasarım: Vaka çalışması
- Tez No: 888591
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF KÜÇÜKSAYRAÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Endüstri Ürünleri Tasarımı, Industrial Design
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Endüstriyel Tasarım Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 169
Özet
Eklemeli imalat, katmanlı üretim teknolojisi kullanarak malzemeleri bir araya getirerek nesneler oluşturma sürecidir ve son yıllarda hızla gelişen bir üretim yöntemi haline gelmiştir. Bu teknoloji, 3D yazıcılar aracılığıyla plastik, metal ve seramik gibi çeşitli malzemeler kullanarak karmaşık geometrik yapılar üretmeye olanak tanır. Eklemeli imalatın en büyük avantajlarından biri, tasarımda esneklik sunması ve bu sayede prototipleme sürecini hızlandırarak maliyetleri düşürmesidir. Ayrıca, özelleştirilebilir ürünlerin üretimini mümkün kılar ve daha az malzeme israfı yaratarak çevresel etkileri azaltır. Havacılık, otomotiv, sağlık ve mimari gibi birçok sektörde devrim yaratan bu teknoloji, hem bireysel tasarımcılara hem de büyük ölçekli üretim yapan şirketlere yenilikçi çözümler sunmaktadır. Bu üretim yöntemi ilk olarak 1981 yılında denenmiş ve 2009'da MakerBot ve Ultimaker'ın masaüstü üç boyutlu yazıcıları piyasaya sürmesiyle geniş kitlelere ulaşmaya başlamıştır. Masaüstü yazıcıları sayesinde düşük hacimli üretimlerde 3B yazıcılar kullanılmaya başlanmıştır. Eklemeli imalat için uygulanan tasarım yöntemleri konvensiyonel üretim yöntemleri sürecinden farklıdır. Bu noktada eklemeli imalat için tasarım kavramı ortaya çıkar. Bu kavram, tasarım sürecinde malzeme israfını en aza indirmek ve üretim süresini optimize etmek için yapılan planlamarın bütünüdür. Bu araştırmanın amacı, eklemeli imalat tekniklerinin, sınırlı finansmana sahip kişiler veya şirketler tarafından, genellikle pahalı makineler, kalıplama ve üretim hattı kurulumunu içeren konvansiyonel üretim yöntemlerinin yerine nasıl kullanılabileceğini bulmaktır. Eklemeli imalat, başlangıçta maliyet etkinliği açısından küçük ve orta ölçekli üreticiler için önemli bir fırsat sunmaktadır. Özellikle, düşük hacimli üretim gereksinimlerinde ve özelleştirilmiş ürün tasarımlarında maliyet tasarrufu sağlamak için oldukça etkilidir. Maliyet etkinliği ve ev kullanımı uygulamalarına uyarlanabilirliği açısından diğer eklemeli imalat teknolojilerinden öne çıkan iki 3B baskı teknolojisi olan eriyik yığın modelleme (EYM) ve stereolitografi (SLA), bu çalışmanın temel konularını oluşturmaktadır. EYM, genellikle daha uygun fiyatlı yazıcılar ve daha ucuz filament malzemeleri kullanarak, geniş bir kullanıcı kitlesine hitap ederken, SLA, yüksek hassasiyet ve yüzey kalitesi gerektiren uygulamalar için idealdir. Bu teknolojilerin her ikisi de hobi amaçlı kullanıcılar, eğitim kurumları ve küçük işletmeler tarafından giderek daha fazla benimsenmektedir. Bu çalışmada araştırma yöntemi olarak vaka çalışması ve uzman görüşmeleri kullanılmıştır. Vaka çalışması İTÜ Ayazağa Yerleşkesi'nde kullanılacak bir ürünün geliştirilmesini kapsar. Kampüs için EYM tarafından üretilen dış hava kalitesi kontrol kiti, vaka çalışmasının odak noktasını oluşturmaktadır. EYM teknolojisinin tercih edilmesinde literatür taraması ve uzman görüşmelerinden alınan öneriler etkili olmuştur. Bu kit, akıllı ve sürdürülebilir kampüslere ilişkin bilimsel bir araştırma projesinin parçası olarak oluşturulmuştur. Üretim öncesi aşamadan nihai forma kadar tasarım süreci niteliksel ve niceliksel olarak değerlendirilir. Ürünün tasarımı, malzeme ve baskı teknolojisi seçimi ve yüzey kalitesi değerlendirmenin ana konularıdır. Ayrıca vaka çalışması sürecinde SLA teknolojisinin daha iyi anlaşılması amacıyla baskı denemesi yapılmıştır. Vaka çalışması, eklemeli imalatın daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlayan uzman görüşmeleri ile güçlendirilmiştir. Vaka çalışmasını desteklemesi amacıyla eş zamanlı olarak yapılan uzman görüşmeleri literatür taramasında elde edilen bilgilerin desteklenmesi, literatür taramasında değinilmediği görülen sektöre yönelik pratik bilgilerin toplanması ve literatürde bahsedilen konuların sektördeki gerçekliğinin karşılaştırılması için faydalı olmuştur. Uzman görüşmeleri için EYM teknolojisini farklı endüstrilere uygulayan dört kişi ile görüşüldü. Görüşülen uzmanlar sırasıyla batarya ve musluk üreten bir şirkette Ar-Ge'ye liderlik eden bir makine mühendisi; 3B yazıcı üreten bir şirkette çalışan endüstriyel tasarımcı; eklemeli imalat teknolojilerini kullanarak müşterilere prototipleme hizmeti veren bir firmada Ar-Ge şefi ve nihai ürün üretim süreçlerinde EYM teknolojisini kullanan bir şirketin tasarımcısı/sahibidir. Uzman görüşmelerinde elde edilen bilgiler, konu hakkında farklı veriler elde edilmesini mümkün kılmıştır. Öncelikle, güncel eklemeli imalat teknolojileri ile ilgili tecrübelerine başvurularak literatürden elde edilen bilgilerin sektördeki karşılıkları görülmüştür. Bu sayede uzmanların görüşleri doğrultusunda vaka çalışması gözden geçirilmiş, aynı zamanda uzmanların doğrudan vaka çalışması hakkında yaptığı yorum ve öneriler derlenerek çalışmanın geliştirilmesi sağlanmıştır. İkinci olarak, eklemeli imalatın geliştirilmesi ve geleceği ile ilgili öngörüleri, karşılaştıkları mevcut problemler ve çözüm önerileri de derlenip veri haline getirilmiştir. Bu sayede konu hakkında gelecekte yapılacak çalışmalara referans oluşturan yeni konu başlıkları ortaya çıkmıştır ve öneri olarak tezin sonuç kısmına eklenmiştir. Bulgular, EYM ve SLA tekniklerinin uygulanması arasındaki farklara, ürün geliştirme sırasında malzeme ve zaman tasarrufu potansiyeline ve destek yapılarını en aza indirmeye veya tamamen ortadan kaldırmaya yönelik stratejilere açıklık getirdi. Çalışma aynı zamanda belirli üretim hacimlerinde eklemeli imalat tekniklerinin konvansiyonel tekniklere göre avantajlı olduğu durumları da gösteriyor. Vaka çalışmasının sayısal verileri, baskı ve tasarım tekniklerindeki geliştirmelerin maliyetleri nasıl düşürdüğünü ve üretimi nasıl hızlandırdığını gösterdi. EYM baskıda yaşanan problemlerin en aza indirilmesi için literatürden ve uzman görüşmelerinden yardım alındı. Üç farklı tasarım oluşturularak sayısal veriler tablolaştırıldı ve karşılaştırıldı. Son aşamada destek kullanımı sıfıra indirilerek hem malzeme hem de baskı süresinde azalmalar gözlendi. Ayrıca destek yapısının yüzeyde oluşturduğu deformasyonlar sıfıra indirildi. Bu çalışmanın sonucu, küçük ölçekli, kaynakları kısıtlı işletmeler ve düşük hacimli üretim için eklemeli imalat teknolojisinin potansiyelini ve gerekliliğini vurgulamaktadır. Eklemeli imalat tekniklerinin konvansiyonel üretim tekniklerine göre sağladığı avantajlar, bu teknolojilerin geniş çapta benimsenmesi ve endüstriyel üretimi yönlendiren paradigmaların dönüşümü açısından büyük umut vaat ediyor. Vaka çalışması ve uzman görüşmeleri sonucunda üç boyutlu yazıların yakın gelecekte yaygınlaşıp standart haline geleceğini söylemek mümkün olmuştur. Bu teknolojilerin gelişmesi ve daha iyi baskı sonuçları elde edilebilmesiyle eşzamanlı olarak tüketicilerin de kullanım alışkanlıklarının değişmesi, ürün estetiği konusundaki fikirlerin daha esnek hale gelmesi ve daha ulaşılabilir tüketim alışkanlıkları oluşmaya başlaması ile beraber üç boyutlu baskı ile üretiminin yaygınlaşağını öngörmek mümkündür. Bu çalışma, eklemeli imalat için tasarım yöntemiyle baskıların nasıl daha iyi hale gitirileceği ve bu iyileştirmenin baskı süresi ve malzeme kullanımına etkilerini açıklayarak bu gelişen yeni üretim kültürüne katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Additive manufacturing (AM), also referred to as 3D printing, is an innovative manufacturing method that constructs objects by adding layers based on digital models. Contrary to conventional subtractive manufacturing, which involves removing material to form shapes, AM involves adding material in precise layers. This method provides enhanced design flexibility and enables the production of intricate geometries while minimizing waste. This technology is employed in diverse industries such as aerospace, medical, automotive, and fashion, to produce prototypes, functional components, and customized designs. The ability to customize products makes efficiently and sustainably is a fundamental aspect of contemporary manufacturing and design innovation. The goal of this research is to find out how AM techniques can be used by people or companies with limited funding to replace conventional production methods, which typically involve expensive machinery, molding, and production line setup. Fused deposition modeling (FDM) and stereolithography (SLA), two 3D printing technologies that stand out from other AM technologies in terms of cost effectiveness and adaptability for home-use applications, are the primary subjects of this study. Case study and expert interviews are the research methods used in this study. An FDMmanufactured outdoor air quality control kit for the ITU campus is the focus of the case study. This kit was created as part of a scientific research project on smart and sustainable campuses. From the pre-production phase through the final form, the design process is assessed qualitatively and quantitatively. The design of the product, the choice of materials and printing technology, and surface quality are the main concerns of the assessment. The case study is supported by expert interviews, which provide a more thorough grasp of AM. Four specialists who work with FDM and SLA technologies development and apply it to different industries and contexts were selected. The experts are a mechanical engineer leading R&D at a company that makes classical mixers, and faucets, an industrial designer employed by a company that manufactures 3D printers; and a designer/owner of a startup company that uses FDM technology in R&D and final-product manufacturing processes. The results clarified the distinctions between the application of FDM and SLA techniques, the potential for material and time savings during product development, and the strategies for minimizing or eliminate support structures completely. The study also shows situations where AM techniques are more advantageous than conventional techniques at specific production volumes. The case study's numerical data demonstrated how alterations in printing and design techniques lower costs and speed up production. This study's conclusion highlights the potential and necessity of AM technology for small-scale, resource-constrained enterprises and low-volume production. The advantages AM providing over conventional production techniques hold great promise for the broad adoption of these technologies and the transformation of the paradigms that drive industrial production.
Benzer Tezler
- Endüstri 4.0'da robotik ve eklemeli üretim teknolojilerinin farklı rekabet ve üretim senaryoları altında stratejik analizi
Strategic analysis of robotic machining and additive manufacturing technologies under different competition and production scenarios
İREM ÖZGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEÇKİN POLAT
- Hızlı prototip üretim teknolojileri
Başlık çevirisi yok
LEVENT YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN
- Farklı gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of flow and heat transfer in different porous media
ERDEM YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA YASİN GÖKASLAN
- Ofis koltuğu kolçağının katmanlı imalat yöntemine göre tasarım ve analizi
Design and analysis of office seat armchair according to additive manufacturing method
SÜLEYMAN KUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DURMUŞ
- Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production
3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı
EVREN DEMİRCAN
Doktora
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK