Biyomimetik tabanlı bir filtre tasarımı
A biomimetic-based filter design
Yazar: YİĞİT TÜRKER
Danışman: PROF. DR. HÜDAYİM BAŞAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Endüstri Ürünleri Tasarımı = Industrial Design ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Bilgisayar destekli üretim = Computer aided manufacturing

Özet:
Son yıllarda önemi giderek artan biyomimetik metodolojisi, doğanın insan yaşamına entegrasyonu bağlamında büyük ilgi görmektedir. Biyomimetik, kökeni itibariyle doğayı taklit etmek anlamına gelmekte olup, doğada bulunan strateji ve süreçlerin doğru analiz edilerek günümüz teknolojisi ile birleştirilmesi sonucunda, doğa ile uyum içerisinde insanlığa katkı sağlayabilecek ürünlerin geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Tasarım fikrinin ortaya çıkışında, örümcek ağları ile filtre ve filtrasyon teknolojilerinin birbirine benzer fonksiyonlarla çalıştıkları dikkat çekmiştir. Örümcek ağları, örümceğin beslenmesi için havadaki böceklerin yanı sıra polen, mantar ve toz gibi partikülleri havadan filtreleyerek ayıran yapılardır. Örümcek ağlarının bu filtreleme özelliklerinin endüstride kullanılan filtrelerde partikül tutma amacıyla kullanılabileceği düşüncesi, tasarımın temelini oluşturmuştur. Bu fikir doğrultusunda, örümcek ağından ilham alınarak biyomimetik tabanlı bir filtre tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Tasarım, birbiri ile aynı formda oluşturulan 11 katlı bir yapıdan meydana gelmektedir. Her kat, toplamda 20 adet spiral ve 240 adet radyal iplikten oluşan 150 mikron kalınlığında bir örümcek ağını temsil etmektedir. Katlarda oluşturulan örümcek ağı yapılı elementler bir araya getirilerek bir filtre yapısını oluşturmaktadır. Tek bir kat, filtreleme yapılamayacak kadar büyük boşluklara sahipken, bir araya gelen katlar bu boşlukları yerleşime göre kapatmakta ve partikül tutabilecek hale getirmektedir. Tasarım, üç farklı model şeklinde ortaya çıkmıştır. İlk modelde, radyal iplikler açısal olarak yer değiştirerek tek kat üzerindeki boşlukların alttan kapatılmasına ve filtreleme işleminin gerçekleştirilmesine olanak tanırken, ikinci modelde spiral ipliklerin konumsal olarak yer değiştirilmesi sonucunda kat boşlukları kapatılmış ve yine filtrelemeye uygun bir yapı elde edilmiştir. Üçüncü modelde ise, bu iki farklı ipliğin hem açısal hem de konum bazlı yer değiştirmesi sağlanarak filtredeki boşlukların iyice daraltılması hedeflenmiştir. Üç farklı model oluşturulduktan sonra, modellerin üretim safhasına geçilmiştir. Üretim, son zamanlarda oldukça popüler hale gelen eklemeli imalat teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Polijet baskı tekniği yardımıyla reçine kullanılarak gerçekleştirilen eklemeli imalat sürecinde, şartlar doğrultusunda üretilebilecek en ince yapılı üretim gerçekleştirilmiştir. Ürüne, tasarım doğrulama kapsamında standartlara uygun deneysel çalışmalar uygulanmış ve doğrulama yapılmıştır. Tasarımın SEM görüntüleri incelenmiş ve kontrolü sağlanmış, deneyler sonucunda partikül tutan filtre temizlenerek tekrar kullanıma uygun hale getirilmiştir. Bu sayede tasarımın sürdürülebilir bir hale getirildiği onaylanmıştır. Örümcek ağı esinlenmeli biyomimetik tabanlı filtre tasarımının filtre endüstrisine elyaf ve kâğıt haricinde düzenli plastik içerikli bir yapı kullanılarak yeni bir soluk getirmesi hedeflenmiştir. Gelecekte doğa dostu ve sürdürülebilir uygulamaların filtre ve filtrasyon sistemlerinin yapımında insanlığın yararına kullanılacağına hiç şüphe yoktur.

Abstract:
In recent years, the importance of biomimetic methodology has been increasingly recognized, garnering significant interest in the context of integrating nature into human life. Biomimetics, which fundamentally means imitating nature, involves the accurate analysis of strategies and processes found in nature and their integration with contemporary technology to develop products that can contribute to humanity in harmony with nature. The design concept originated from the observation that spider webs and filtration technologies operate with similar functions. Spider webs filter and separate particles such as pollen, fungi, and dust from the air in addition to catching insects for the spider's nourishment. The idea that these filtration properties of spider webs could be utilized in industrial filters for particle retention formed the basis of the design. Based on this idea, a biomimetic-based filter design inspired by spider webs was developed and produced. The design consists of an 11-layer structure, each with the same form. Each layer represents a spider web composed of 20 spiral and 240 radial threads, each 150 microns thick. The spider web-like elements formed in the layers are assembled to create a filter structure. While a single layer has gaps too large for effective filtration, the combined layers close these gaps depending on the arrangement, making particle retention possible. The design emerged in three different models. In the first model, the radial threads are angularly displaced to close the gaps in a single layer from below, enabling filtration. In the second model, the spiral threads are repositioned, closing the layer gaps and again creating a structure suitable for filtration. In the third model, both types of threads are displaced both angularly and positionally to further narrow the gaps in the filter. After creating three different models, the production phase commenced. The production was carried out using the increasingly popular additive manufacturing technology. The finest possible production was achieved using PolyJet printing technology with resin. The product underwent standard-compliant experimental studies for design validation, which confirmed its efficacy. SEM images of the design were examined and controlled, and after testing, the particle-retaining filter was cleaned and made reusable. This confirmed the design's sustainability. The biomimetic-based filter design inspired by spider webs aims to introduce a new approach to the filter industry by using regular plastic structures instead of fibers and paper. There is no doubt that such nature-friendly and sustainable applications will be used for the benefit of humanity in the production of filters and filtration systems in the future.