Doğrusal (lineer) motorlu endüstriyel sistemin 3 boyutlu yazıcıya dönüştürülmesi
Transformation of industrial linear motion system in to the 3D printer
Yazar: FATİH TARAK
Danışman: DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Mekatronik = Mechatronics

Özet:
Üretim teknolojileri insanlığın isteklerine cevap verebilmek için sürekli gelişim 
göstermek zorundadır. Tarih boyunca temelini otomotiv, savunma, uzay ve havacılık 
gibi farklı sektörlerden alan yeni üretim tekniği ihtiyaçları gelişen teknoloji ve kontrol 
yöntemleri ile beraber yenilikçi imalat yöntemlerini doğurmuştur. 1980'lerden itibaren 
üzerinden çalışılan ancak son 20 senede büyük bir ivme kazanan eklemeli imalat 
(Additive Manufacturing) yöntemi yeni üretim tekniklerinden biridir.
Geleneksel imalat yöntemlerinde üretilen yarı mamul ya da parçadan freze, torna gibi 
malzeme eksiltme (talaş kaldırma) yöntemleri ile son ürün ortaya çıkmaktadır. Son 
dönemlerde geleneksel imalat teknikleri kullanan makine ve tezgâhlar ile çok hassas 
ve kaliteli yüzeye sahip parçalar üretebilmektedir. Bu durumun oluşmasında en büyük 
pay ileri kontrol yöntemleri, gelişmiş hareket sistemleri ve hassas eyleyicilerindir. 
Günümüzde neredeyse tüm ürünleri hem hafifletmek hem de dayanımı artırmak için 
çalışmalar yapılmaktadır. Çalışmalar sonucunda genellikle karmaşık geometrik yapıya 
sahip parçalar ortaya çıkmaktadır. Bu durum talaşlı imalat yöntemlerinin ve 
tezgâhlarının sınırlarını zorlamaktadır. 
Eklemeli imalat yöntemi günümüz isteklerine en hızlı cevap verecek yöntem olarak 
karşımıza çıkmaktadır. Söz konusu yöntemde kabaca, malzeme katmanlar halinde üst 
üste eklenerek parça (ürün) oluşturulur. Bu neden ile katmalı imalat yöntemini 
kullanan sistemlere genel olarak 3D yazıcı (3 Boyutlu Yazıcı) denmektedir. 3D 
yazıcıların esnek yapısı birbiri ile alakası olmayan birçok sektör ve üreticinin ilgisini 
çekmiştir. Bugün farklı boyutta ve özellikteki 3D yazıcılar biyonik organ, motor 
parçası, elektronik kart ve hatta yaşanabilir ev üretimine kadar çeşitli konularda 
kullanılmaktadır. Bu çeşitliğin en büyük nedeni katmanlı imalat yönteminde çok farklı 
malzemelerin hammadde olarak kullanılmasıdır. Hobi amaçlı kullanılan 3D 
yazıcılarda genellikle termoplastik malzemeler kullanılmak ile beraber farklı sektörler 
için üretim yapan 3D yazıcı sistemlerinde metal, ahşap, seramik, çimento ve farklı biomalzemeler hammadde olarak kullanılmaktadır. Eklemeli imalat yöntemi gelişen 
teknoloji ile son yıllarda çok hızlı gelişip yaygınlaşmasına rağmen bazı sektör ve 
uygulamalar için elzem olan yüksek yüzey kalitesini sağlayamamaktadır. Yüksek 
yüzey kalitesi ihtiyacı olan ürünler eklemeli imalat ile üretildikten sonra tekrar işleme 
(genellikle talaş kaldırma) sokularak istenilen kalite elde edilmektedir. Bu şekilde 
isterlere sahip olan ürünler özelinde farklı bir imalat yöntemi ortaya çıkmıştır. Hibrid 
(Melez) üretim yöntemi adı verilen bu yöntem ile talaşlı imalat ve eklemeli imalat xx
yetenekleri tek sistemde birleştirilmiştir. Bu sayede hali hazırda kullanılan iki 
yöntemin avantajları birleştirilmiştir. 
Son on yılın gelişmekte olan üretim teknolojisi katmanlı imalat yöntemleri (3D yazıcı 
sistemleri) de bu değişimler ile beraber ele alınmıştır. Tez kapsamında laboratuvarda 
bulunan Rockwell Otomasyon doğrusal motor deney seti 3D yazıcıya 
dönüştürülmüştür. Deney setinde 3 eksende bulunan 4 adet doğrusal (lineer) motor ile 
kartezyen hareket sağlanmıştır. Sistemde X ve Y eksenlerinde hareket için birer adet, 
Z ekseninde hareket için ise iki adet doğrusal motor bulunmaktadır. Z ekseninde dikey 
hareketi sağlayan doğrusal motorlar Y eksenine paralel olarak konumlandırılmış ve 
oluşturulan mekanik düzenek ile dikey hareket sağlamaktadır. Bu mekanik sisteminde 
önceden bulunan tutucu (gripper) sökülüp yerine 3D yazıcı iticisi (Extruder) ve sıcak 
ucu (HotEnd) monte edilmiştir. 3D yazıcı baskı yatağı olarak metal 'L' tipi köşebentler 
ile sabitlenmiş cam kullanılmaktadır. 
Eklemeli imalat yönteminde üretilecek parça önce bilgisayar destekli tasarım 
(Computer Aided Design) yazılımları ile oluşturulmaktadır. Tasarlanan katı modeller 
bir tür bilgisayar destekli üretim (Computer Aided Manufacturing) yazılımı olan 
dilimleyici (Slicer) yazılımlarına farklı dosya formatlarında aktarılır. Bu yazılımlar 
katı model tasarımlarını 3D yazıcı yazılımlarının anlayacağı G-Kodlarına 
çevirmektedir. G-Kodlar içerisinde sistemin hareket etmesi gereken X,Y ve Z ekseni 
konumları ve hızları, ısıtıcı uçtan akıtılacak malzeme miktarı, ısıtıcı uç ve varsa ısıtıcı 
yatağın sıcaklık değeri ve sisteme ait birçok özelliğin kullanımına ait bilgiler 
bulunmaktadır. 3D yazıcılardaki kontrolcülerde bulunan yazılımlar G-Kodları 
anlamlandırır ve gerekli eylemleri düzenler. Tez kapsamında G-Kod okuma işlemi 
bilgisayarda koşturulan ve Python dili ile hazırlanan yazılım ile gerçekleştirilmiştir. 
Sistem ve sistemde bulunan motorların kontrolü ise PLC içerisinde bulunan 
Studio5000 yazılımı ile kontrol edilmektedir. Harici bilgisayarda çalışan Python 
yazılımı ve PLC'de bulunan Studio5000 yazılımı arasındaki haberleşme Ethernet 
protokolü ile sağlanmıştır. Tez içeriğinde Endüstriyel Nesneleri İnterneti (IIoT) 
konusu çalışılmış ve bir endüstriyel kontrolcü olan PLC, bulut tabanlı MQTT 
protokolü ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. Bu sayede haberleşme yöntemleri 
açısından iki farklı yazılım mimarisi oluşturulmuş oldu. 
Sistem Allen-Bradley marka 1756-L73 PLC ile kontrol edilmekte ve her doğrusal 
motor için Kinetix 6000 servo motor sürücüsü bulunmaktadır. Kinetix 6000 servo 
motor sürücüler kontrol organı olan PLC ile Sercos protokolü ve 1756-M08SE Sercos 
modülü ile haberleşmektedir. Sistemde 3D yazıcının filament beslemesi için bir adet 
adım motoru kullanılmıştır ve bu adım motoru PLC'de bulunan 24V dijital çıkış 
birimleri tarafından TB6600 adım motoru sürücü ile beraber kontrol edilmektedir. 3D 
yazıcının ısıtıcısı (HotEnd) 12V ısıtıcı fişek rezistans ve 100K direnç değerine sahip 
NTC termistöründen oluşmaktadır. 12V ısıtıcı fişek rezistans PLA filamentin 
eriyebilmesi için gerekli olan 200 – 210 C⁰ sıcaklığa çıkarmaktadır. Sistem sıcaklığı 
100K NTC ve NTCnin bağlı olduğu PLC analog giriş modülü ile kontrol altında 
tutulmaktadır.

Abstract:
Production technologies must constantly evolve in order to respond to the demands of 
humanity. Throughout history, the needs of new production techniques, which are 
based on different sectors such as automotive, defence, space and aviation, have 
spawned innovative manufacturing methods together with developing technology and 
control methods. The Additive Manufacturing method, which has been worked on 
since the 1980s but has gained great momentum in the last 20 years, is one of the new 
production techniques.
The end product comes out with the material reduction (chip removal) methods such 
as milling and turning from the semi-finished product or part produced in traditional 
manufacturing methods. Recently, it has been able to produce parts with very sensitive 
and high quality surfaces with machines and benches using traditional manufacturing 
techniques. The biggest share in the occurrence of this situation is advanced control 
methods, advanced motion systems and precision actuators. Nowadays, studies are 
carried out to both lighten and increase the strength of almost all products. As a result 
of the studies, parts with complex geometric structures generally emerge. This 
situation pushes the limits of machining methods and benches.
The additive manufacturing method will emerge as a quick answer of new challenges 
of today's world. In manufacturing process, material is adding layer by layer to create 
a solid product. For this reason, systems that are using additive manufacturing method 
are generally called as a 3D printer. The types of 3D printers have attracted the 
attention of many sectors and they have application that are not related to each other. 
Today, 3D printers of different sizes and features are used in a variety of production 
ranging from bionic organ, engine part, electronic board and even liveable house 
production. Metal, wood, ceramic, cement and other different bio-materials are used 
as raw materials in 3D printer systems that produce for different sectors, however 3D 
printers which are used for hobby purposes are generally use thermoplastic materials 
in 3D printers. Although the add-on manufacturing method develops and becomes 
widespread rapidly, they cannot serve high quality surface applications that are 
essential for some sectors and applications. There is a new way to supply high quality 
surfaces for such applications. Products that require high surface quality are produced 
with additive manufacturing, and then re-processed (chip removal) to achieve the 
desired surface quality. With this method called hybrid production method, machining 
and additive manufacturing capabilities are combined in a single system. In this way, 
two methods that are currently used have been combined. xxii
The developing production technology of the last decade, additive manufacturing 
methods (3D printer systems) are also discussed along with these changes in this work. 
Within the scope of the thesis, the Rockwell Automation linear motor experiment set 
in the laboratory was transformed into a 3D printer. Cartesian motion was achieved 
with 4 linear (linear) motors in 3 axes in the experiment set. In the system, there are 
one each for movement in X and Y axes and two linear motors for movement in Z 
axis. Linear motors that provide vertical movement in the Z axis are positioned parallel
to the Y axis and provide vertical movement with the specific mechanical mechanism. 
In this mechanical system, the gripper previously found was removed and replaced 
with the 3D printer extruder and the hot end. A glass fixed with metal 'L' type brackets 
is used as 3D printer printing bed.
The part to be produced in the additive manufacturing method is first created with 
Computer Aided Design software. Designed solid models are transferred in different 
file formats (.stl or .step) to slicer software, which is a kind of Computer Aided 
Manufacturing software. These software translate solid model designs into G-Codes 
that 3D printer software can understand. Within the G-Codes, there are information 
about the X, Y and Z axis positions and speeds that the system should move, the 
amount of material to be flowed from the extruder, the temperature value of the hot 
end and the heater bed, if any, and the use of many features of the system. The software 
in the controllers of 3D printers read the G-Codes and arrange the necessary actions. 
Within the scope of the thesis, the G-Code reading process was carried out with 
software running on the computer and prepared with Python language. The control of 
the system and the motors in the thesis is controlled by Studio 5000 software in the 
PLC. The communication between the Python software running on the external 
computer and the Studio5000 software in the PLC is provided by the Ethernet protocol. 
Also in the thesis, Industrial Internet of Things (IIoT) topic was studied and PLC, an 
industrial controller, is tried to be controlled by cloud-based MQTT communication 
protocol. In this way, two different software architectures are created in terms of 
communication methods.
There are two different types of software algorithm built to control printing process. 
In the first algorithm, after computer sends G-Code data to PLC controller, computer 
wait for feedback to takes the next action (read new G-Code line). With this closed 
loop approach, system can be sure that previous motion has done. On the other hand, 
second algorithm is created with open loop method. Second algorithm not only reads 
G-Codes to take action but also computes the each process's motion time and software 
wait for that time duration to read next G-Code line. 
The system is controlled by Allen-Bradley 1756-L73 PLC and there is a Kinetix 6000 
servo motor driver for each linear motor. Kinetix 6000 servo motor drives 
communicate with PLC controller with Sercos protocol and 1756-M08SE Sercos 
module. A step motor is used in the system for feeding the filament to the 3D printer 
and this step motor is controlled by the 24V digital output units in the PLC together 
with the TB6600 step motor driver. The heater of the 3D printer (HotEnd) consists of 
a 12V heating cartridge resistor and a NTC thermistor with a resistance value of 100K. 
The 12V heating cartridge raises the resistance to the temperature of 200 - 210 C -
required for the PLA filament to melt. System temperature is kept under control with 
PLC analogue input module to which 100K NTC and thermocouple are connected.