Geri Dön

Improvement of product quality in 3D printers by preventive control

3B yazıcılarda parça kalitesinin önleyici kontrol ile artırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 949287
  2. Yazar: TUNCA ZEKİ BERKKURT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK, DOÇ. DR. MERVE ACER KALAFAT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 169

Özet

Eklemeli imalat yöntemleri, sanayinin farklı alanlarında her geçen gün kendilerine daha fazla yer bulmaktadır. 3 boyutlu yazıcıların sağladığı olanaklar ve üretim alternatiflerinden hem küçük ölçekli üretim istasyonlarında hem de büyük projelerde faydalanılmaktadır. Bugün, 3 boyutlu yazıcılarla üretilen parçalar, tekstilden gıda sanayine, havacılıktan inşaat sektörüne kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Özellikle karmaşık geometrilere sahip parçaların üretiminin gerektiği ve ürün geliştirme süreçlerinin çok hızlı olduğu alanlarda eklemeli imalat teknolojilerine olan talep artmaktadır. Bu tezin amacı, 3 boyutlu baskı yöntemiyle imal edilmiş parçaların üretiminde karşılaşılan sorunları gidermek için önleyici kontrol yöntemleri geliştirmektir. Burada esas, baskı yönteminde, yazıcının donanımında veya kullanılan sarf malzemesinde herhangi bir değişiklik yapmadan ürünün kalitesini arttırmaktır. Bu tezin çalışma alanı açısından, basılan bir parçanın niteliğini belirleyen temel unsurlar boyutsal doğruluk ve mekanik özelliklerdir. Bu unsurlar için belirleyici olan da baskının nasıl yapıldığı ve buna bağlı olarak katmanların nasıl bir geometriye sahip olduğudur. Bu nedenle, her bir katmanın geometrisinin, istenilen özellikleri sağlayacak biçimde şekillenmesi için, yazıcıdan ölçüm verilerini toplayan ve bu geri bildirimlere göre baskı kodundan (G-Code) gelen sinyali denetleyen bir kapalı devre kontrol sistemi önerilmektedir. Eklemeli imalatın kısaca tarihine bakıldığında, bu yöntemlerin çabuk prototip üretme (Rapid Prototyping) amacıyla önerildiğini görülür. İlk stereolitografi yöntemleri, ısıya, ışığa veya çeşitli kimyasal etkilere duyarlı polimer malzemelerin, sıvı hâlde muhafaza edildikleri bir kapta, katman katman katılaştırılmalarıyla, gerçekleştirilmiştir. Başta sıkça kullanılan ışığa duyarlı polimerlerin yerini zamanla toz metaller almış, ve lazer kaynağı yöntemine benzer bir biçimde ergitilen metal tozlarının, yine katman katman kaynatılmalarıyla, metal ve alaşımların 3 boyutlu baskısı mümkün olmuştur. (Selective Laser Sintering) Hem polimer ve polimer matrisli kompozitlerin, hem de metal ve alaşımların kullanılabilmesiyle, eklemeli imalat pek çok alanda prototip ve talebe özel üretilen parçaların imalatında geniş bir yer edinebilmiştir. Bu sayede farklı eklemeli imalat yöntemleri biyomedikal sanayii başta olmak üzere, otomotiv, havacılık, inşaat, savunma gibi çeşitli alanlarda tercih edilir olmuştur. Günümüzde en yaygın kullanılan eklemeli imalat yöntemi ise, patenti ilk kez 1989'da alınan filament baskı (FDM) yöntemidir. Gerek sarf malzemesinin kolay bulunması ve ucuz olması, gerekse de bu tip 3 boyutlu yazıcıların görece basit bir teknolojiye sahip olması ve maliyetlerinin düşük olması nedeniyle, bu imalat makinaları evlere kadar girebilmiştir. Ancak bu makinaların kullanımı yaygınlaştıkça, üretim kalitelerinin arttırılmasına olan talep de artmıştır. Bu nedenle bu tez çalışması FDM tipi 3 boyutlu yazıcılarda ürün kalitesinin artırılmasına odaklanmıştır. FDM tipi 3 boyutlu yazıcılarının üretim kalitesini artırmak için, üretim parametrelerinin son ürün üzerindeki etkilerini ayrıntılı bir biçimde ortaya koymak esastır. Bu nedenle farklı parametrelerin farklı ürün özelliklerini nasıl etkilediğini anlayabilmek amacıyla uzun bir deney süreci izlenmiştir. FDM tipi 3 boyutlu yazıcılar da, diğer bilgisayar nümerik kontrollü (CNC) tezgahlar gibi G-Code adı verilen programlarla çalışırlar. Basılacak parçanın bilgisayarda çizilmiş katı modeli, istenilen imalat kalitesi ve süresine göre, belli kalınlıkta katmanlar hâlinde dilimlenir ve bir dizi 2 boyutlu dosya hâlinde (stereolitografi) kaydedilir. Daha sonra bu dosyalardaki noktalardan takımın takip edeceği güzergah çıkartılır ve program yazılır. Bu programlar genellikle 3 boyutlu yazıcı üreten firmaların sağladığı ticari yazılımlarla yazılır. Burada önemli olan programda hangi kodun hangi parametreyi yönettiğinin bilinmesidir. Deney süreçlerinde kullanılacak numunelerin hangi parametrelerle basıldığının kesin bir biçimde bilinebilmesi için, bu çalışma boyunca basılan bütün numunelerin programları herhangi bir ticari yazılım kullanılmadan, özgün bir yöntemle yazılmıştır. Bu amaçla da ticari yazılımlardan çıkan programlar ayrı ayrı incelenmiş, istenilen nozul hareket hızı, nozul sıcaklığı, katman yüksekliği ve malzeme debisi yapılacak deneye göre düzenlenerek yeni programlar yazılmıştır. Basılan parçaların kalitesini orta ölçekte en iyi gösteren kesit geometrisi etüdüdür. Kesit geometrisini yönlendiren anahtar parametrelerden biri de nozul yüksekliği olduğu düşünüldüğünden, nozul ucu ile baskı platformu arasındaki mesafenin gerçek zamanlı olarak ölçülmesi bu çalışma için yüksek öneme sahiptir. Bu ölçümü gerçekleştirebilmek için yeni bir cihaz önerilmiştir. Bu ölçüm cihazı nozulu bağlanmış bir potansiyometre ve bu potansiyometrede okunan gerilim değerlerini toplayıp kaydeden bir mikrobilgisayardan oluşmaktadır. Burada amaç, sürekli veri toplayarak, belli zaman aralıklarıyla, dolayısyla nozulun hareket hızına göre belli konumlarda nozul yüksekliği değerlerini okumaktır. Bu sayede, numune üzerinde kesit alınan noktada nozul ucuyla baskı platformu arasındaki mesafe doğru bir biçimde tespit edilebilmiştir. Basılan numunelerin incelenmesi için optik mikroskopi kullanılmıştır. Numuneler üzerinde belirlenen noktalardan kesitler alınmış ve bu kesitler mikroskop kamerasının sağladığı ticari bir yazılımla görüntülenmişlerdir. Mikroskop görüntülerinde kesitlerin yüksekliği, genişliği ve tutunma yüzeyleri (hem baskı platformu ile basılan malzeme arasındaki, hem de katmanlar arasındaki) incelenmiştir. Bunların yanı sıra kesitlerin yuvarlaklıklarına çevre uzunluklarına ve kesit alanlarına da bakılmıştır. Ek olarak, boyutsal doğruluk incelemeleri için, çok katmanlı numunelerde toplam yükseklik de incelenmiştir. Elde edilen bu deneysel verilerle istatistiksel bir çalışma yapılmış ve ANOVA süreçleri sonucunda etkileri araştırılan parametrelerin, öçlülen deney kesit boyutları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Toplam 75 numuneden alınan 750 görüntünün verileri kullanılarak, baskı parametrelerine göre oluşacak kesit geometrisini öngörecek fonksiyonlar yazılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar kesit geometrisini belirleyen parametrelerin ağırlıklı olarak nozul yüksekliği ve malzeme debisi olduğunu göstermiştir. Nozul sıcaklığı, nozul hareket hızı, katman sayısı ve baskı platformu sıcaklığı gibi parametrelerin ise nispeten daha az etkileri olduğu gözlemlenmiştir. Bu deney sonuçları 3 boyutluı yazıcılarla basılan parçaların boyutsal doğruluğunu ve mekanik özelliklerini belirleyen parametrelerin doğru tespit edilmesi ve denetlenmesinde faydalı olmuştur. Bu deney sonuçlarından yola çıkarak, baskı esnasında nozul yüksekliğini ayarlayacak yeni bir kapalı devre kontrol sistemi önerilmiştir. Bu sistemin esası, baskı sırasında sürekli olarak nozul ile baskı platformu arasındaki gerçek mesafeyi ölçüp, baskı platformunu tahrik eden step motorunu denetleyen eyleyiciye sinyal göndererek, baskı platformunun konumunu düzenlemeye dayanmaktadır. Baskı programından gelen sinyal, nozuldan gelen geri besleme sinyaliyle toplanıp step motor eyleyicisine ulaşmakta, bu sayede her katmanda, mevcut nozul konumuna göre yükseklik yeniden ayarlanabilmektedir. Bu yeni tasarım için bilgisayarda bir katı model çizilmiş ve nozul ve baskı platformunun hareketi nümerik yöntemlerle incelenmiştir. Ayrıca bu yöntemin deneysel olarak da incelenebilmesi için yeni bir 3 boyutlu yazıcı toplanmış ve nozul konum ölçüm cihazı da bu yazıcının kontrol sistemine bağlanmıştır. Ticari FDM yazıcıların çoğu, baskı sırasında nozul konumunu anlık olarak izleyebilecek bir sistem içermemektedir; oysa nozul ucu ile baskı tablası arasındaki mesafenin, kesit geometrisi özellikleri üzerinde belirleyici bir etkisi bulunmaktadır. Bu nedenle, G-Code'dan alınan katman yüksekliği komutlarını gerçek zamanlı olarak ayarlamak üzere nozul konum verisi toplayan yeni bir yazıcı tasarlanmıştır. Sistemde, sensör verilerinin işlenmesi ve kontrol mantığının uygulanması için bir mikrodenetleyici kullanılmakta ve oransal (P) denetime dayalı ayrık zamanlı bir kapalı çevrim kontrol algoritması uygulanmaktadır. Bununla birlikte, daha yüksek işlem gücüne ve belleğe sahip bir bilgisayar kullanılarak gerçek zamanlı kontrol sağlanabilir; ayrıca, orantısal kontrolcü yerine PID (Oransal–Türevsel–İntegral) denetimi kullanılması durumunda aşım ve salınımlar azaltılabilir. Bu tür geliştirmeler, kesitlerin geometrik tutarlılığını artırarak FDM ile üretilen parçaların kalite seviyesini yükseltebilir. Yapılan deneyler, geliştirilen sistemin kesit özelliklerini iyileştirdiğini ve istenen kesit geometrilerinin üretilebildiğini göstermektedir; bu da FDM'de ürün kalitesini artırmaya yönelik umut verici bir adımdır. Nihai parçaların genel boyutsal doğruluğu sınırlı ölçüde iyileşmiş olsa da, özellikle katmanlar arası yapışma ve makaslama yükleri altında gösterilen yapısal bütünlük açısından elde edilen mekanik performans artışı, gelecekteki araştırmalar için yeni olanaklar sunmaktadır. Bu çalışma PLA malzemesi üzerine odaklansa da, önerilen yaklaşım FDM'de yaygın olarak kullanılan diğer termoplastiklere de uygulanabilir; ayrıca, bu araştırmada geliştirilen kapalı çevrim kontrol sistemi, malzeme ekstrüzyonuna veya biriktirmeye dayalı diğer katmanlı imalat yöntemlerine de entegre edilebilir. Örneğin, bir Yönlendirilmiş Enerji Biriktirme (DED) yöntemi olan Ark Kaynağı Eklemeli İmalat (WAAM) yöntemi de bu tür bir geri besleme mekanizmasından fayda sağlayabilir.

Özet (Çeviri)

Additive manufacturing methods are getting more and more place in every day in different industries. The facilities and manufacturing alternatives provided by 3D printers are used both in small scale production stations and in large projects. Today, parts manufactured with 3D printers are used in many areas from textile to food industry, form aviation to construction industry. The demand for additive manufacturing technologies, especially in areas where the production of parts with complex geometries is required, is increasing as developments in this field are achieved. The objective of this thesis is to develop preventive control methods in order to overcome the problems encountered in the manufacturing of 3D printed parts. In this way, it is aimed to increase product quality without any change in tools, hardware or printing materials. Hence, a closed loop system governed with a software that collects measurement data from printer and adjusts G-Code according this feedback is proposed. If a brief history of additive manufacturing is considered, it is seen that these methods were initially proposed as rapid prototyping processes. Starting with different stereolithofgraphy methods, where liquid material in a container is solidified, layer by layer, with a physical or chemical effect, first 3D printing tools are created. Use of photosensitive polymers is followed by alloy powders and selective laser sintering, so a new branch of materials is introduced in additive manufacturing. Fused deposition modelling, which is used most among other methods today, is introduced in 90s and widely spread in folllowing decades. Their global use created a demand on improvement of these tools. To improve manufacturing quality of FDM printers, long series of experiments are conducted, in order to reveal effects of the process parameters' on final product. As FDM printers are controlled by G-Codes (like other CNC tools used in both additive and reductive manufacturing processes), in this study, printing codes of commercial 3D printers are investigated, analyzed and finally reconstructed with the aim of printing demanded experimental samples. Since observing the effects of parameters like layer height, nozzle temperature, material flow was crucial in this task, all GCodes were generated genuinely. Since one of the key parameters that govern bead geometry was nozzle position, a new device is proposed for the real-time measurement of distance between nozzle tip and printing plate. So with the collected data, nozzle height due to printing path could be observed. Thanks to this, the exact nozzle position in every section of the sample part could be noted. Printed sample parts then finally cut and their cross-sections properties are investigated. For this purpose, optical microscope imagery is used and measurement is done by using according software. Primarily, bead height and width and bond length (both between printed material and build plate and between strands) values are collected. Beside cross-section area and circumference, total part height and bead roundness values are observed as well. Thanks to this experimental work, effects of different process parameters are documented and according to them further analyses and experiments are conducted. In order to predict bead geometry features, by using statistical tools, functions are written according to experimental results. Experimental studies yielded that major parameters that affect bead geometry were nozzle height and material flow rate, while nozzle temperature, build plate temperature and nozzle traveling speed have rather an inferior effect. According to these results a new closed-loop control system that will adjust nozzle height is suggested. This system is based on real-time acquisition of exact nozzle height during printing, and manipulating stepper actuator, which moves build plate in vertical direction that sets layer height, so in each layer, height can be adjusted due to actual nozzle position. This novel design is modelled and then analyzed by computational methods and then put on experimental investigation with the help of a new 3D printer assembly. As most commercial FDM printers lack in-process monitoring of nozzle position— despite the critical role of nozzle tip-to-build plate distance in determining crosssectional features—a new printer was developed to collect real-time nozzle position data and use it as feedback to adjust layer height commands derived from G-code. This system employs a microcontroller to process sensor input within a discrete-time closed-loop control framework, initially utilizing a proportional controller. However, further enhancements, such as employing a more powerful computing platform for real-time control or replacing the proportional controller with a PID controller, could allow continuous adjustment along the strand and mitigate overshoot or oscillations. Experimental results demonstrate that this design improves strand morphology and enables the production of desired bead geometries, marking a promising step toward better mechanical performance in FDM-printed parts. Although overall dimensional accuracy shows limited improvement, enhanced interlayer bonding and structural integrity—especially under shear stress—open new avenues for future research. While the study focused on PLA as the model material, the approach can be extended to other thermoplastics used in FDM and potentially to other extrusion- or deposition-based AM technologies, such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), a Directed Energy Deposition (DED) method, which may also benefit from the integration of similar feedback control mechanisms.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    398115

    Ergitmeli yığma yöntemiyle üretim yapan 3D yazıcılarda çift filament süren ekstruder tasarımı

    Double filament extruder design for 3D fused deposition modelling printer

    KEMAL OKTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ

  2. Tez No

    641161

    Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V malzemelerinin sürüklenerek yüzeylerinin iyileştirilmesi ve aşınma karakteristiklerinin incelenmesi

    Improvement of the surfaces of Ti-6Al-4V samples produced by selective laser smelting method by drag finishing method and examination of wear characteristics

    EMRAH GÜNEŞSU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF KAYNAK

  3. Tez No

    824596

    Evertör ve invertör kas disfonksiyonunda kullanılmak üzere tasarlanmış ayak egzersiz aparatının mevcut özelliklerinin değerlendirilmesi ve geliştirilmesi

    Evaluation and improvement of existing features of foot excersize apparatus designed for use in evertor and invertor muscle dysfunction

    UFUK ATEŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Gelişim Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERAP YEŞİLKIR BAYDAR

  4. Tez No

    540769

    Bulaşık makinesi alternatif pervane tasarımı

    Alternative spray arm design for dishwasher

    AHMET HAMİT YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ

  5. Tez No

    558896

    Yüksek gerilim kondansatörü tasarımı ve üç boyutlu yazıcı ile üretimi

    High voltage capacitor design and production by using fdm type three dimensional printer

    SALİH DENİZ UZEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ

Geri Dön