Eriyik serme kafası. Y Ekseni. İskelet. X Ekseni. Eriyik serme tablası. Z Ekseni. Kaide

Transkript

1 TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi Nisan BALIKESİR BİR HIZLI PROTOTİPLEME MAKİNESİ TASARIMI Faruk ÇAVDAR 1, İ. Hüseyin FİLİZ 2, Cengiz DOĞAN 3 Gaziantep Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü-Gaziantep E-Posta 1 fcavdar@gantep.edu.tr 2 filiz@gantep.edu.tr 3 dogan@gantep.edu.tr Özet Günümüzde sanayi ürünlerindeki çeşitlilik sürekli artmakta ve ürün tasarımları her geçen gün daha karmaşık hale gelmektedir. Bu nedenle, imalata geçilmeden önce, tasarlanan ürünlerin ön modellerinin yapılması büyük önem taşımaktadır. Modellerin tornalama ve frezeleme gibi klasik talaşlı imalat yöntemleriyle imalatı, tezgâhların her bir parça için yeniden ayarlanmasını gerektirdiğinden uzun zaman almakta ve yüksek maliyetlere neden olmaktadır. Katmanlar Halinde Üretim (Layered Manufacturing) yeni ortaya çıkan model üretim tekniklerinden birisidir. Bu üretim metotlarına Hızlı Prototipleme (Rapid Prototyping, RP ), 3 Boyutlu Baskı (3D Printing, 3DP ), Serbest Formda Üretim (Free Form Fabrication, FFF ) gibi isimler de verilmektedir. Bu yöntemde parçalar klasik yöntemlerde olduğu gibi kütük halindeki bir parçanın işlenmesiyle değil, malzemenin katmanlar halinde üst üste eklenmesiyle üretilmektedir. Katmanlar halinde üretimin bu özelliği, klasik yöntemlerde var olan takım tezgâhlarının her bir parça için ayarlanması ihtiyacını ortadan kaldırdığı gibi bu yöntemle karmaşık şekilli parçalar kolaylıkla üretilebilmektedir. Bu çalışmada katmanlar halinde üretim tekniklerinden birisi olan Eriyik Serme Metodu (Fused Deposititon Method, FDM ) tanıtılmakta ve bu teknikle çalışan yeni bir hızlı prototipleme makinesinin tasarım ve imalatı hakkında bilgi verilmektedir. Anahtar Terimler: Katmanlar Halinde Üretim (Layered Manufacturing), Hızlı Prototipleme (Rapid Prototyping), Eriyik Serme Metodu (Fused Deposition Method), Makine Dizaynı. Abstract Today, variation in industrial product is increasing steadily and products are getting more complex everyday. So that, making prototypes of designed products before production is very important. Production of prototypes by means of classical methods like milling or turning is very time consuming and expensive because of the need for setting up machines for each part. Layered manufacturing is one of the new developing model making techniques. This method also called as Rapid Prototyping (RP), 3D Printing (3DP) or Free form Fabrication (FFF). Unlike conventional production methods which produce the parts by cutting from a block, parts are produced by adding material layer by layer. This characteristic of layered manufacturing removes the need for setting up machine tools for each part. Moreover producing complex shaped parts is very easy by these methods. 317

2 In this study, fused deposition method which is the one of the layered manufacturing methods will be presented and design and construction of a new rapid prototyping machine which works on this method will be presented. Key Words: Layered Manufacturing, Rapid Prototyping, Fused Deposition Method, Machine Design 1. GİRİŞ Hızlı Prototipleme, fiziksel nesneleri doğrudan I-deas, ProE, AutoCAD gibi bilgisayar destekli tasarım yazılımlarıyla oluşturulmuş katı modellerden insan müdahalesine gerek kalmadan üreten teknolojilere verilen genel bir isimdir. Bu üretim tekniklerine, Katmanlar Halinde Üretim, 3 Boyutlu Baskı, Serbest Formda Üretim (Free Form Fabrication) gibi isimler de verilmektedir. Günümüzde sanayi ürünlerindeki çeşitlilik sürekli artmakta ve ürün tasarımları her geçen gün daha karmaşık hale gelmektedir. Bu nedenle, imalata geçilmeden önce, tasarlanan ürünlerin prototiplerinin yapılması büyük önem taşımaktadır. Modellerin tornalama ve frezeleme gibi klasik talaşlı imalat yöntemleriyle imalatı bu tezgâhların her bir parça için yeniden ayarlanmasını gerektirmektedir. Hatta bazı karmaşık şekilli parçalarda özel bağlama elemanları kullanmak gerekmektedir. Bundan dolayı prototiplerin klasik yöntemlerle üretimi uzun zaman almakta ve yüksek maliyetlere neden olmaktadır. Hızlı prototip yönteminde ise parçalar klasik yöntemlerde olduğu gibi kütük halindeki bir parçanın işlenmesiyle değil, malzemenin katmanlar halinde üst üste eklenmesiyle üretilmektedir. Katmanlar halinde üretimin bu özelliği, klasik yöntemlerde var olan ve takım tezgâhlarının özellikle her bir parça için ayarlanması ihtiyacından kaynaklanan zaman kaybını ortadan kaldırdığı gibi bu yöntemle karmaşık şekilli parçalar da kolaylıkla üretilebilmektedir. Hızlı prototipleme yeni ortaya çıkan bir üretim tekniğidir. İlk hızlı prototipleme makinesi 1984 yılında Charles Hull tarafından icat edilmiş olan Stereolithografi makinesidir. Daha sonra Carl Deckard isimli bir mühendislik öğrencisi 1986 yılında mezuniyet projesi olarak seçimli lazer sinterleme (selective laser sintering) metodunu ortaya koydu de Scott Crump eriyik seme metodunu (Fused Deposition) geliştirdi. Michel Feygin ise şekil verilmiş malzeme katmanlarının üst üste serildiği ve oda sıcaklığında yapıştırıldığı bir sistem geliştirdi.[1] Murat Gültekin[2] bir masaüstü NC freze tezgâhını DC servo motorlar ve hareket kontrol kartlarıyla modernize ederek, hızlı prototipleme makinesi olarak kullanmış ancak bu sistemle üretilen parçaların boyutsal hassasiyetinin pratik kullanım için yeterli olmadığını belirtmiştir. Murat Gültekin hızlı dilimleme(rapid slice) ve hızlı yaratım (rapid create) programlarını geliştirmiştir. Konumlamanın doğruluğu ve serilen eriyiğin kalınlığı, üretilen parçaların boyutsal hasiyetini etkileyen ana etkenler olarak düşünülmektedir. NC tezgahından dönüştürülen sistemin konumlama hassasiyeti 0.01mm olması prototipleme için yeterli görünse de, serilen malzemenin kalınlığının 1mm olması sistemin mekanik kısmının değiştirilmesi ve yeniden tasarlanması gereğini ortaya koymuştur.[3] Eriyik serme ucu ile aynı kalınlıkta bir eriyik serme hattı elde edebilmek için, eriyik serme kafasının tablaya göre bağıl hızı ile erimiş malzemenin eriyik serme ucundan çıkma hızının aynı olması gerekir. Aynı olmadığı takdirde, malzeme serme hattında yığılır ve katman kalınlığı etkilenmiş olur. 318

3 Bu çalışmanın amacı, yukarıda anlatılan olumsuzluklar göz önüne alınarak, NC tezgah yerine, mekanik ve kontrol kısımları ile yeni bir hızlı prototipleme makinesi tasarlamak ve imal etmektir. Yeni makinenin malzemeyi daha hızlı sermesi ve serme kafasını X ve Y eksenlerinde yeterli bir hızda ve yeterli konumsal hassasiyetle hareket ettirmesi gerekmektedir. Aşağıdaki bölümlerde, önce hızlı prototipleme metodunun temel prensipleri ve değişik firmalar tarafından geliştirilen değişik üretim metotlarıyla ilgili bilgiler sunulacak ve daha sonra tarafımızdan geliştirilen sistem tüm yönleriyle tanıtılacaktır. 2. HIZLI PROTOTİPLEME Hızlı prototipleme sistemlerinin amacı karmaşık şekilli parçaları doğrudan bilgisayar destekli tasarım modellerinden üretmektir. Bütün hızlı prototipleme sistemlerinin ortak özellikleri şunlardır: Rasgele ve karmaşık şekilli parçaları imal edebilirler Üretim süreci otomatik olarak ve bilgisayar destekli tasarım modeline göre yapılır Üretim parçaya özel bağlama elemanları ve takım gerektirmez Üretim süresice insan müdahalesine çok az ihtiyaç duyulur veya hiç duyulmaz Bütün hızlı prototipleme sistemleri katmanlar halinde üretim metoduna göre çalışır. Bu metotta, önce cismin 3 boyutlu modelin işlem planlama yazılımı yardımıyla katmanlar halinde kesitlerine ayrılır. Daha sonra aynı yazılım malzeme ekleme işlemlerinde kullanılacak takım yollarını çıkartır. Son olarak elde edilen katmanlar otomatik üretim makinesi kullanılarak malzeme eklemek suretiyle üretilir.[4] Hızlı prototipleme sistemleri başlangıçta tasarımcıların bilgisayar ortamında oluşturdukları modelleri elle tutabilecekleri üzerinde sınırlı da olsa bazı testler yapabilecekleri fiziksel nesnelere dönüştürme ihtiyacından ortaya çıkmış ise de daha sonra bu sistemlerin birçok alanlarda kullanılabileceği görülmüştür. Bunların bazıları: Prototip yapımı, dökümcülük, enjeksiyon kalıpları, doğrudan üretim, tıp ve dişçilik, sanat, mimarlık, endüstriyel tasarım ve bilimsel görüntüleme uygulamalarıdır Halen hızlı prototipleme istemleri üreten birçok firma bulunmaktadır. En yaygın kullanılan hızlı prototipleme sistemleri şunlardır: Stereolitografi, eriyik serme metodu, üç boyutlu baskı, seçimli lazer sinterleme, tabaka yapıştırma metodudur.[5] 3. HIZLI PROTOTİPLEME MAKİNESİ Bu çalışmaya konu olan hızlı prototipleme makinesi 3 eksen ve bir eriyik serme kafasından oluşmuştur. Her eksen kendi servo kontrol sistemine sahiptir. 3.1 Mekanik Tasarım Makine Şekil 3.1 de gösterildiği gibi kaide, iskelet, üç eksen ve bir eriyik serme kafasından oluşmaktadır. Kaide: Kaide makinenin iskeletini üzerinde taşır. Bütün elektronik parçalar, servo sürücüler, hareket kontrol kartının bağlantı ünitesi ve güç kaynağı kaidenin içerisine yerleştirilmiştir. Bu ünitenin üzerine yerleştirilmiş olan dört adet düğmelerin üçü X, Y, ve Z eksenlerinin servo sürücülerini aktive etmekte, diğeri ise servo sürücülerin gücünü açıp kapatmaktadır. 319

4 İskelet: Makinenin iskeleti X, Y, ve Z eksenlerini üzerinde taşımak üzere tasarlanmıştır. İskelet motorların, rayların, vidaların ve diğer parçaların ağırlığını taşıyacak bir katılıkta olmalıdır, bu sebeple 65X40 ve 50X25 mm U profillerin kaynak ile birleştirilmesiyle yapılmıştır. Y Ekseni Eriyik serme kafası İskelet X Ekseni Z Ekseni Eriyik serme tablası Kaide Şekil 3. 1 Hızlı prototipleme makinesinin kısımları Z Ekseni: Üzerinde modelin yapıldığı tabla ters dönmüş L şeklinde ki bir saç parça ile bunun üzerindeki tahta bir levha Z tablası olarak kullanılmıştır. Bu bölüm ikisi sağda ikisi solda olmak üzere dört adet doğrusal rulmanlı yatak bloğu ile kılavuzlanmıştır. Bu bloklar paralel iki doğrusal ray üzerinde hareket etmektedir. Motorun hareketi adımlı kayış ve dişlileri aracılığıyla bilyalı vidaya aktarılmaktadır. Aktarma sisteminin redüksiyon oranı ½ dır. Sürtünmenin en aza indirilmesi dolayısıyla konumlama hassasiyetinin artırılması için bilyalı paso mili kullanılmıştır. Bilyalı paso mili üzerindeki somun ise Z tablasına tutturulmuştur. Vidanın adımı 5 milimetredir. Diğer eksenler için de aynı tür bilyalı paso mili kullanılmıştır. X ekseni: X ekseni üzerinde eriyik serme kafasını taşımaktadır. Bu eksen Y ekseni üzerine monte edilmiştir ve bu eksen ile hareket etmektedir. Bu eksen üzerindeki bütün parçalar 5 mm kalınlığındaki bir alüminyum levhaya monte edilmiştir. Bu levhanın üzerinde nozulun içinden geçerek Z tablasına malzemeyi serebilmesi için bir boşluk (57 x 330 mm) bırakılmıştır. Bu eksende motor bilyalı paso miline doğrudan bağlanmıştır. Bir doğrusal ray üzerinde hareket eden iki adet doğrusal rulmanlı yatak bloğu eriyik serme kafasının bu eksen üzerinde hareketini sağlamaktadır. 320

5 Y Ekseni: X eksenini üzerinde taşıyan levha bu eksen üzerine oturtulmuştur ve bu eksen ile birlikte hareket etmektedir. Bu levha bir ucundan doğrusal bir ray üzerinde hareket eden iki adet doğrusal rulmanlı yatağa tutturulmuştur. Levhanın diğer ucuna ise bir adet bilyalı rulman bağlanmıştır. Bu rulman bir teker gibi kullanılmakta ve raya paralel olarak monte edilmiş silindirik bir çubuk üzerinde hareket etmektedir. Bu eksene ait bilyalı vida raya yakın olarak yerleştirilmiştir. Hareket vidasının somunu levhaya bağlanmış ve levhanın ray ve ona paralel çubuk üzerinde hareketini sağlamaktadır. Bu eksende de motor vidaya doğrudan bağlanmıştır. Eriyik serme kafası: Eriyik serme kafasının görevi erimiş haldeki plastik malzemenin nozulun ucundan akışını sağlamaktır. Plastik teli beslemek için bir adet DC servo motor kullanılmıştır. Bu motor kapalı devre hız kontrollü olarak çalıştırılmaktadır. İki lastik makara birbirine bitişik olarak birisi motorun ucuna, diğeri eriyik serme kafasının gövdesine monte edilmiştir. Bu makinede prototipi oluşturmak için 1.8 mm çapında plastik tel kullanılmıştır. Bu tel lastik makaraların arasından geçerek Şekil 3.2 de gösterilen tüpe gelir. Bu tüp yaklaşık olarak plastiğin erime sıcaklığının üzerine kadar ısıtılmıştır. Tüpe şekilde görüldüğü üzere bir gövde ve termoplastikten yapılmış ısı yalıtım kısmından oluşur. Tüpün bu şekilde yapılmasının nedeni tel malzemenin tüpe girer girmez erimesini önlemektir. Aksi takdirde tel malzeme tüpün girişinde eriyecek ve beslenmesi mümkün olmayacaktır. Şekil 3. 2 Eriyik serme kafası 321

6 Şekil 3. 3 Servo Sürücüleri ve güç kaynağı 3.2 Servo Hareket Kontrol Sistemi Tasarlana hızlı prototipleme makinesi her birisi bir eksende olmak üzere 3 AC servo motor ve eriyik serme kafasında bir DC servo motor ile sürülmektedir. Motorların hızları ve pozisyonları her motor için birer tane olmak üzere servo sürücüler ve hareket kontrol kartı ile sağlanmaktadır. Bu sistemde servo sürücüleri kontrol etmek için PSI-7344 hareket kontrol kartı kullanılmıştır. Bu kart bilgisayara herhangi bir PCI kart gibi kurulmakta ve sürücüler yüklendikten sonra kart Windows işletim sistemi ile entegre olarak çalışmaktadır. 3.3 Yazılım Hızlı prototiplemenin en önemli adımlarından birisi yazılım kısmıdır. Mevcut sistemin yazılım kısmını Rapid Slice ve Rapid Create adı verilmiş olan programlar oluşturur. Rapid slice modeli dilimlemek, dilimlerin dış hatlarını belirlemek ve takım yollarını çıkarmak için kullanılır. Rapid Create ise servo motorları sürmek için yazılmıştır. Her iki program da MS Visual Basic programlama dili kullanılarak GÜLTEKİN[2] tarafından geliştirilmiştir. Bu çalışma sırasında Rapid Create programı yeni makineye göre üzerinde değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. Rapid Slice programı: Bilgisayar destekli tasarım programlarıyla elde edilen katı modeller hiçbir hızlı prototipleme makinesi tarafından doğrudan kullanılamazlar. Model önce bilgisayar ortamında dilimlenmeli ve her dilim için malzeme ile doldurulacak kısımlar belirlenmelidir. Rapid Slice programı bilgisayar destekli tasarım programı tarafından oluşturulan katı modeli dilimlere ayırmakta (Şekil 3.4) ve takım yollarını çıkartmaktadır(şekil 3.5). Daha sonra dilimlerin konturlarına ve takım yollarına ait bilgiler bir metin dosyası olarak kaydedilir. 322

7 Şekil 3. 4 Bir modelin Rapid Slice programı tarafından oluşturulan dilimleri Şekil 3. 5 Modelin bir katmanının Rapid Slice ile oluşturulan takım yolları Rapid Create Programı: Fiziksel nesneyi elde etmek için, model dilimlendikten ve takım yolları belirlendikten sonra bunların malzeme ile doldurulması gerekir. Bu iş, Rapid Create programı aracılığıyla gerçekleştirmektedir. Bu program Rapid Slice programı tarafından elde edilen konturları ve takım yollarını okumakta ve modeli katman katman oluşturmak için bütün servo motorlar birbirleriyle senkronize olarak sürmektedir. Eriyik serme kafasının X, Y ve Z eksenlerindeki hareketi Rapid Create programının penceresinden takip edilebilmektedir (Şekil 3.5). 3.4 Model Üretim Aşamaları Geliştirilen sistemin kullanımı, Şekil 3.6 da gösterilen bir parça ile anlatılmaktadır. Modelleme, dilimlerin ve takım yollarının oluşturulması ve modelin katman katman üretimi takip edilecek ana adımlardır. 323

8 Şekil 3. 6 Rapid Create programı Seçilen örnek (Şekil 3.6) bir çok geometrik yapıyı (küresel, silindirik, kavisli, doğrusal vs.) içermektedir. Hızlı prototiplemede ilk adım, modelin I-DEAS Master Modeler kullanılarak bilgisayar ortamında oluşturulmasıdır. Bu model 70 mm uzunluğa, 50 mm genişliğe ve 30 mm yüksekliğe sahiptir. Model daha sonra STL dosya biçimine dönüştürülmüştür. Şekil 3. 7 Örnek parça Şekil 3. 8 Üretilen parçanın Şekil 3. 9 Üretilen parçanın üstten görünüşü izometrik görüntüsü Prototipin Üretimi: Modelin üretimine başlamadan eriyik serme kafasının sıcaklık kontrol ünitesi açılır. Takım yolları çıkarıldıktan sonra Rapid Create programı başlatılır. Program açılırken hareket kontrol kartı otomatik olarak devreye girer. Rapid Create programı Rapid Slice programı tarafından oluşturulmuş datayı okur. Modelin Üretimi Start düğmesine basılarak başlatılır. İşlemin kalan kısmı hiçbir müdahaleye gerek kalmadan tam otomatik olarak gerçekleşir ve üretim tamamlandığında makine durur. Üretilen örnek parçanın fotoğrafları Şekil 3.7 ve 3.8 de verilmiştir. Örnek parça üretilirken kullanılan katman kalınlığı 0.45 mm dir. 4. SONUÇLAR Hızlı prototipleme teknolojisi son 20 yıl içinde geliştirilmiş yeni bir teknolojidir. Her geçen gün yeni makineler ortaya çıkmakta, yeni malzemeler ve bunlara uygun yöntemler geliştirilmektedir. Ayrıca, hızlı prototipleme sistemlerinin kullanma alanları sürekli genişlemektedir. Bu çalışmayla tanıttığımız prototipleme makinesi bizim için bir ilk sayılabilir. Üç eksen ve bir eriyik serme kafasından meydana gelen bu makinede, eksenlerdeki hareketler bilyeli yatak blokları ile kılavuzlanarak sürtünmenin en aza inmesi sağlanmıştır. Motorun hareketini eksenlere iletmek için bilyalı paso millerinden faydalanılmıştır. Nozulun hızı X ve Y eksenlerinde mm/dk, Z ekseninde mm/dk dır.[3] 324

9 İyi bir boyutsal hassasiyet elde edilmesine rağmen, imal edilen parçaların yüzey kaliteleri istenilen düzeyde değildir. Yüzey kalitesini çevre sıcaklığı etkilemektedir. Makinenin serme tablası üzerinde sıcaklık kontrolü yapılabilirse, soğurken meydana gelen büzülmeler ortadan kalkar ve daha iyi bir yüzey elde edilebilir. Sadece plastik malzeme denenmiştir. Ayrıca, değişik malzemeler de test edilerek ve daha iyi sonuçlar alınabilir. 5. KAYNAKÇA [1] Lamond W., Rapid Automated Prototyping An Introduction, ISBN , New York, [2] Gültekin M., Design and Development of a Rapid Prototyping Machine, PhD Thesis, University of Gaziantep, 2003 [3] Çavdar F., Design And Construction Of A New Rapid Prototyping Machine, MSc Thesis, University of Gaziantep, 2005 [4] Weiss L. E., Rapid Prototyping in Europe and Japan, Chapter , World Technology Evaluation Center, [5] Pham D. T. and Gault R. S., A comparison of rapid prototyping technologies, International Journal of Machine Tools and Manufacture Volume pp