Üç boyutlu yazıcılar için yeni bir ekstruder tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of a novel extruder for 3D printer
Yazar: AHMET FATİH YURAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM YAVUZ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Endüstri Ürünleri Tasarımı = Industrial Design ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Ekstrüzyon = Extrusion ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Sonlu hacimler yöntemi = Finite volumes method ; Üretim yöntemleri = Production methods ; Üç boyutlu yazıcı = Three dimensional printer

Özet:
3B yazıcılar geleneksel üretim araçlarının aksine hammaddenin katmanlar halinde üst üste eklenerek üretim yapılması prensibini kullanır. Her biri farklı teknoloji kullanan yirmiden fazla farklı yazıcı türü vardır. Malzeme ekstrüzyonu prensibini kullanan 3B yazıcılar en sık kullanılan 3B yazıcı türüdür. Bu çalışmada malzeme ekstrüzyonu ile üretim yapan 3B yazıcılar ile yapılan üretimlerde karşılaşılan üretim sorunları tespit edilmiştir. Çalışmada tespit edilen her bir üretim sorunu detaylı görseller ile sunulmuş, sorunun sebeplerine dair bilgiler verilmiş ve bazı çözüm önerileri tavsiye edilmiştir. Elde edilen bulgular üretim sorunlarının önemli bir kısmının 3B yazıcıların ekstruder olarak adlandırılan sistemi ile ilgili olduğu görülmüştür. Filamentin davranışının tespit edilmesi amacıyla nozul içerisindeki newton tipi olmayan akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular nozul çapının, nozul açısının, filamentin nozul içerisindeki sıcaklığının ekstruder tasarımında önemli parametreler olduğunu göstermiştir. Nozul sıcaklıklarının filamentin istenen sürede eritilebilmesi için önemli olduğu tespit edilmiştir. Düşük nozul sıcaklıklarında filamentin homojen bir şekilde eritilemediği tespit edilmiştir. Yapılan analizlerden elde edilen sonuçlar doğrultusunda ekstruder üzerinde bulunan her bir elemanın optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve yeni bir ekstruder üretilmiştir.

Abstract:
Unlike traditional production tools, 3D printers create new objects by bonding layer upon layer until the desired shape has been achieved. There are more than twenty different types of printers, each using different technology. Among them, material extrusion is the most commonly used technology. In this study, the problems experienced in 3D printers using the material extrusion method were evaluated. Each production problem identified in the study was presented with detailed visuals, comprehensive information given about the causes of the problem, and solution advice suggested. The findings show that a significant amount of the production problems are related to the extruder system of 3D printers. For the optimization of the extruder, studies were carried out on nozzle, heat barrier, heater block, and cooler. To determine the flow behavior of the filament in the nozzle, Non – Newtonian flow analyses were carried out. The findings showed that nozzle diameter, nozzle angle, and the temperature of the filament in the nozzle are essential parameters in extruder design. Also nozzle temperatures are important for melting the filament in the desired time. It has been determined that the filament cannot be melted homogeneously at low nozzle temperatures. In line with the results obtained from the analyses, each extruder element was optimized, and a novel extruder was designed.