Mimarlık ve tasarım alanında, eklemeli imalat-DMLS üretim proses parametrelerinin fonksiyonel kullanımı, tasarım ve üretim destek modeli
In the field of architecture and design, functional use of additive manufacturing-DMLS process parameters, design and production support model
Yazar: CEMAL İRFAN ÇALIŞKAN
Danışman: DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Fiziği ve Malzemesi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Mimarlık = Architecture ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akış şemaları = Flowcharts ; Algoritmik model = Algorithmic model ; Mimarlık = Architecture ; Sinterleme = Sintering ; Soğutma kanalları = Cooling channels ; Tasarım = Design ; Termal iletkenlik = Thermal conductivity ; Üretim yöntemleri = Production methods

Özet:
1970'lerde geliştirilen patent ve oluşan yenilikçi fikirlerin 1980'lerde hayat bulması 
ve 2000'li yıllarda yaygınlaşması ile birçok bilim ve sektör gündemine giren eklemeli 
imalat; tasarım özgürlüğü, hızlı ürün geliştirme kabiliyeti, ekonomik malzeme 
kullanımı ve sürdürülebilirlik gibi birçok alanda avantaj sunmaktadır. Geleneksel 
tasarım ve üretim süreçlerini tamamen değiştiren eklemeli imalat teknolojileri 
günümüzde birçok alanda uygulama alanı bulmaktadır. Üretim alanlarındaki bu yeni 
konumu ile Eİ teknolojileri, tasarımdan üretim aşamalarına ve ardıl işlemlere kadar 
birçok alandaki uygulama ve prosesin yeniden yorumlanmasını gerektirmiştir. Süreç 
içerisinde, geleneksel sistemler için ürün geliştiren bir tasarımcının, üretim sistemi ve 
kullanılan malzeme kapsamında uyguladığı ve uzun yıllar alışılagelen birçok yöntem 
ve tasarım değişmezinin; sistemlerin işletilmesinde görev alan teknisyen ve 
mühendisin süreç aşamalarında uyguladıkları yol ve yöntemlerin ve sınır şartlarının,
yeniden yorumlanma ve tanımlanmasına ihtiyaç oluşmuştur.
Bu bağlamda doktora çalışmamızda, metal eklemeli imalat teknolojisi olan doğrudan 
metal lazer sinterleme sistemi için, sürecin ve aşamalarının tanımlandığı ve tasarım, 
mimarlık alanlarında ortak olarak kullanılabilecek bir destek modeli geliştirilmiştir. 
Model içerisinde tasarım fikrinin oluşumundan üretimin sonuçlanmasına kadar olan 
aşamalar net bir şekilde ortaya konmuştur. Bu aşamada, DMLS üretim sisteminde 
üretilmek üzere bir ürün geliştirmek isteyen tasarımcı, mimar ve mühendisin ilgili 
aşamaların algoritmik model üzerinden takibi ile sorunsuz ve hızlı ürün geliştirmesi 
amaçlanmıştır. Ayrıca model içerisinde üretim proses parametrelerinin tasarım ve 
mimarlık alanlarında fonksiyon oluşturacak kullanımı amacı ile, yenilikçi bazı 
kullanım aşamaları tanımlanmış; bu aşamalar kapsamında iki ayrı model sınaması 
doktora çalışmasına eklenmiştir. 
Modelin ilk sınama aşamasında, DMLS ile üretilmek üzere mimari cephe paneli 
tasarımı ve bu panellerin cephede çoklu optimize edilebilir kullanımı ele alınmıştır. 
Bu kapsamda, ölçekli olarak küçültülmüş boyutlarda DMLS üretim sisteminde 
üretilen cephe panellerinin dokuz farklı proses parametresi ile elde edilen termal 
iletkenlik değişimleri ortaya konmuştur. Çalışmanın bu aşamasında, DMLS üretim 
proses parametrelerinden tarama mesafesi parametre değişimi ile literatürde açık 
hücreli köpük metal olarak tanımlanan yapılar yanında yarı açık köpük hücreli metal 
formları geliştirilmiştir. Dış görünümü kapalı olan, hafifletilmiş ve iç porozitesi 
değişken bu yarı açık hücreli aluminyum paneller, çalışmanın bu aşamasının yenilikçi 
yönünü oluşturmaktadır. 
Modelin ikinci sınamasında, literatürde uyumlu soğutma kanallar (CCC- Conformal
Cooling Channel) olarak geçen ve daha çok kalıp endüstrisinde kalıpların Eİ 
teknolojilerinde üretimi kapsamında geometriye göre geliştirilen soğutma kanalları 
konusu ele alınmıştır. Uyumlu soğutma kanallarının (USK) cephe panellerinde 
kullanımı, doktora çalışmasının bu aşamasının yenilikçi yönünü oluşturmaktadır. Bu 
kapsamda İtalyanca'da balpeteği anlamına gelen "Favo" adı ile bu aşamada geliştirilen 
cephe paneline ait USK tasarım çalışması, panelin bazı bileşenlerinin geliştirilmesi ve 
farklı parametrelerde CFD analiz çalışması bu sınamanın içeriğini oluşturmaktadır. 80 
x
cm ölçülerindeki gerçek boyutlardaki panel üzerinden farklı parametrelerde yapılan 
analiz çalışmalarında cephede dengeli soğutma amaçlanmış ve Favo ürün gelişim 
süreçleri destek modeli kapsamında ele alınmıştır.
Genel olarak bu doktora çalışmasının temel üç bölümden oluştuğu ifade edilebilir. İlk 
aşama ile algoritmik model geliştirilerek; ikinci ve üçüncü bölümlerde bu modelin 
sınanması amacı ile analiz, laboratuvar, tasarım ve üretim çalışmaları 
gerçekleştirilmiştir. Sınama aşamalarında literatüre, tarama mesafesi parametre 
değişimi ile üretilen yarı açık hücreli köpük metal ve cephede uyumlu soğutma kanal 
geliştirilmesi olmak üzere iki yeni katkı sağlanmıştır. Ayrıca Eİ, DMLS üretim 
teknolojisinin cephe panellerinin geliştirilme ve üretiminde kullanımı kapsamında 
yapılan çalışmalar yenilik sunmaktadır.

Abstract:
With the patent and innovative ideas developed in the 1970s coming to life in the 1980s 
and becoming widespread in the 2000s, additive manufacturing, which entered the 
agenda of many sciences and sectors; offers advantages in many areas such as design 
freedom, rapid product development capability, economical use of materials and 
sustainability. Additive manufacturing technologies, which completely change the 
conventional design and production processes, find application in many areas today.
With this new position in production areas, AM technologies required a 
reinterpretation of applications and processes in many areas from design to production 
stages and post processing. In the process, many methods and design constants that a 
designer who develops products for conventional systems apply within the scope of 
the production system and the materials used, and which have been customary for 
many years; there has been a need for reinterpretation and definition of the ways and 
methods and boundary conditions applied by the technicians and engineers involved 
in the operation of the systems.
In this context, in our doctoral study, a support model has been developed for the direct 
metal laser sintering system, which is a metal additive manufacturing technology, in 
which the process and its stages are defined and can be used jointly in the fields of 
design and architecture. In the support model, the stages from the formation of the 
design idea to the completion of the production are clearly revealed. At this stage, it is 
aimed for designers, architects and engineers who want to develop a product to be 
produced in the DMLS production system, to follow the relevant stages through the 
algorithmic model and to develop products smoothly and quickly. In addition, some 
innovative usage stages have been defined in the model with the aim of using the 
production process parameters to create a function in the fields of design and 
architecture; within the scope of these stages, two separate model tests were added to 
the doctoral study.
In the first testing phase of the model, the architectural facade panel design to be 
produced with DMLS and the multiple optimizable use of these panels on the facade 
are discussed. In this context, the thermal conductivity changes obtained with nine 
different process parameters of the facade panels produced in the DMLS production 
system in scaled down sizes were revealed. At this stage of the study, besides the 
structures defined as open cell foam metal in the literature, semi-open foam cell metal 
forms were developed by changing the hatch distance parameter from the DMLS 
production process parameters. These semi-open-cell aluminium panels with closed 
outer appearance, lightened and variable internal porosity constitute the innovative 
aspect of this phase of the work.
In the second test of the model, the subject of Conformal Cooling Channel, known as 
CCC in the literature, and mostly developed within the scope of the production of 
molds in the mold industry with EI technologies, is discussed. 
The use of the Conformal Cooling Channel in facade panels constitutes the innovative 
aspect of this phase of the doctoral study. In this context, the CCC design study of the 
xiii
facade panel developed at this stage with the name "Favo", which means honeycomb 
in Italian, the development of some components of the panel and the CFD analysis 
study in different parameters constitute the content of this test. Balanced cooling was 
aimed at the façade in the analysis studies carried out with different parameters on the 
80 cm real-size panel, and Favo product development processes were handled within 
the scope of the support model.
In general, it can be stated that this doctoral study consists of three main parts. In the 
first stage, by developing an algorithmic model; in the second and third sections, 
analysis, laboratory, design and production studies were carried out in order to test this 
model. During the testing phase, two new contributions were made to the literature: 
semi-open cell foam metal produced by hatch distance parameter change and the 
development of a conformal cooling channel for façade. In addition, the studies carried 
out within the scope of the use of EI, DMLS production technology in the development 
and production of facade panels offer innovations in this field.