Üç boyutlu yazıcı ile yumuşak dokuya sahip organ baskısı için akışkan yapılı ekstrüder sistemi tasarımı ve kontrolü
Design and control of a fluid-structured extruder system for soft-textured organ printing with 3D printer
Yazar: SERKAN OKUR
Danışman: DOÇ. DR. AYTAÇ ALTAN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Doğrusal olmayan optimizasyon = Non-linear optimization ; PID = PID ; Üç boyutlu yazıcı = Three dimensional printer

Özet:
Eklemeli imalat teknolojilerinde yaşanan gelişmeler ve buna bağlı olarak geliştirilen baskı malzemeleri, üç boyutlu (3B) yazıcıların mühendislik ve tıp başta olmak üzere birçok sektörde kullanımını arttırmıştır. 3B yazıcılar, özellikle plastik cerrahide burun, kulak, yüz-çene kemiği gibi protezlerin üretilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Hastanın doku ve organ kaybının olduğu bölgeye özel olarak üretilen protezlerde meydana gelen yüzey hataları hastanın bu protezleri verimli kullanmasını engellemektedir. Yüzey hatalarının en aza indirilmesi, üretilen protezin hastanın doku-organ kaybı yaşadığı bölge ile uyumlu bir şekilde bütünleşmesini sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, kulak ve burun gibi yumuşak ve kıkırdak dokuya sahip organlar başta olmak üzere yüz-çene ve kafatası kemiği gibi sert yapıya sahip dokuların, hastanın doku-organ kaybı yaşadığı bölgeye özel olarak yazdırılmasında önemli role sahip ekstrüder sarkaç sisteminin tasarımı ve kontrolü gerçekleştirilmektedir. Literatürdeki uygulamalardan farklı olarak bu çalışmada, doku-organ baskısı esnasında üç farklı tür reçinenin kullanımına olanak sağlayan özgün ekstrüder sarkaç sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi sayesinde özellikle kıkırdak dokuyu içinde barındıran kulak ve burun gibi organların gerçeğine yakın şekilde yapay olarak üretilmesi amaçlanmaktadır. Hem üç enjeksiyon başlığına sahip ekstrüder sarkaç sisteminin açısal konum kontrolü hem de üretilen protezlerdeki yüzey hatalarının en aza indirilebilmesi için tasarlanan ekstrüder sarkaç sisteminin kontrolcü performansının iyileştirilmesi gerekmektedir. Çalışmada, özellikle burun ve kulak gibi kıkırdak doku barındıran doku-organ protezlerinin tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi tarafından en az hata ile yazdırılabilmesi için Çekirge Optimizasyon Algoritması (ÇOA) temelli uyarlanabilir Oransal-İntegral-Türev (Proportional-Integral-Derivative-PID) kontrolcü geliştirilmiştir. Geliştirilen kontrolcünün parametreleri, yakınsama hızı yüksek ve parametre karmaşıklığı diğer optimizasyon algoritmalarına göre düşük olan ÇOA tarafından kestirilmektedir. Tasarlanan ekstrüder sarkaç sisteminin geçici durum ve yatışkan durum performansının iyileştirilmesi için ÇOA'nın amaç fonksiyonu, karesel hatanın integrali (Integral of Squared Error-ISE) ve zaman ağırlıklı mutlak hatanın integrali (Integral of Time-weighted Absolute Error-ITAE) performans metriklerinin kombinasyonundan oluşturulmuştur. Önerilen ÇOA tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün performansı, Ziegler-Nichols-PID (ZN-PID) ve Genetik Algoritma (GA) temelli uyarlanabilir PID kontrolcülerin performansları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, çalışmada kullanılan kontrolcülerin performanslarının kıyaslanmasında ekstrüder sarkaç sisteminin basamak tepkisindeki oturma zamanı ve yükselme zamanı kriterleri dikkate alınmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar, tasarlanan ekstrüder sarkaç sistemi için önerilen ÇOA temelli uyarlanabilir PID kontrolcünün kapalı çevrim oturma zamanı ve yükselme zamanı kriterlerini iyileştirdiğini göstermektedir. ZN-PID ile GA ve ÇOA temelli uyarlanabilir PID kontrolcü algoritmaları ekstrüder sarkaç sistemine sahip 3B yazıcı üzerinde bulunan kontrol kartına gömülerek yapay doku-organ protezleri yazdırılmıştır. Üretilen yapay doku-organ protezleri üzerindeki yüzey hataları Pearson korelasyonu ile belirlenmiştir. Önerilen kontrolcü yaklaşımının yapay doku-organ protezlerindeki yüzey hatalarını en aza indirmede diğer kontrol algoritmalarına kıyasla belirgin şekilde başarılı olduğu görülmüştür.

Abstract:
Developments in additive manufacturing technologies and printing materials developed accordingly have increased the use of three-dimensional (3D) printers in many sectors, especially in engineering and medicine. 3D printers are frequently used in the production of prostheses such as nose, ear, face-jawbone, especially in plastic surgery. Surface defects that occur in prostheses produced specifically for the area where the patient has tissue and organ loss prevent the patient from using these prostheses efficiently. Minimizing the surface defects ensures that the produced prosthesis integrates adaptively with the area where the patient experiences tissue-organ loss. In this thesis, the design and control of the extruder pendulum system, which has an important role in the printing of soft and cartilaginous organs such as ears, nose, and hard tissues such as face-jaw and skull bone, specifically for the area where the patient experiences tissue-organ loss, is carried out. The difference from the implementations in the literature, in this study, a novel extruder pendulum system has been designed that allows the use of three different types of resin during tissue-organ printing. Thanks to the designed extruder pendulum system, it is aimed to artificially produce organs such as ear and nose that contain cartilage tissue, close to the real thing. It is necessary to improve the controller performance of the designed extruder pendulum system to both control the angular position of the extruder pendulum system with three injection heads and to minimize the surface defects in the produced prostheses. In this study, an adaptive Proportional-Integral-Derivative-(PID) controller based on the Grasshopper Optimization Algorithm (GOA) has been developed so that tissue-organ prostheses containing cartilage tissue such as nose and ear can be printed with minimum error by the designed extruder pendulum system. The parameters of the developed controller are estimated by the GOA, which has a high convergence rate and a low parameter complexity compared to other optimization algorithms. To improve the transient and steady-state performance of the designed extruder pendulum system, the objective function of GOA has been composed from the combination of the Integral of Squared Error (ISE) and the Integral of Time-weighted Absolute Error (ITAE) performance metrics. The performance of the proposed GOA based adaptive PID controller is compared with the performances of Ziegler-Nichols-PID (ZN-PID), and Genetic Algorithm (GA) based adaptive PID controllers. Moreover, in the comparison of the performances of the controllers used in the study, the settling and rising time criteria in the step response of the extruder pendulum system are considered. The experimental results show that the proposed GOA-based adaptive PID controller for the designed extruder pendulum system improves the closed-loop settling and rising time criteria. Artificial tissue-organ prostheses were printed by embedding ZN-PID and adaptive PID controller algorithms based on GA and GOA into the control card on the 3D printer with extruder pendulum system. The surface defects on artificial tissue-organ prostheses were determined by Pearson correlation. The proposed controller approach has been found to be significantly successful in minimizing surface defects in artificial tissue-organ prostheses compared to other controllers.