Otomobil parçalarında, tıbbi implantlarda, koşu ayakkabılarında veya yürüyüş sırt çantalarında, kafes veya petek desenli giderek daha fazla 3D baskılı parça görüyoruz. Bu kafes yapılarının veya İngilizce’de adlandırıldığı gibi lattice structures‘ın 3D baskı ve eklemeli imalat tasarımındaki en son yenilik olduğu düşünülebilir. Gerçekte, sürekli olarak doğal kafes yapılarla çevriliyiz. Bal peteklerini, kar tanelerini, çitleri, süngerleri ve hatta Eyfel Kulesi’ni düşünün. Bu blog yazısında, eklemeli imalat tasarımı kapsamında 3D baskıdaki kafes yapıları, türlerini, avantajlarını ve geniş uygulama alanlarını detaylıca inceleyeceğiz.

Eklemeli İmalat Tasarımı ve 3D Baskıda Kafes Yapılar: Detaylı Rehber

Kafes veya kafes yapıları, sürekli olarak tekrarlanan veya değişen, parça özellikleri veya üretim açısından avantajlar sağlayan desenlere göre bağlı düğümlerden (hücreler olarak adlandırılır) oluşan bir ağdan oluşur. Geleneksel üretimde kafesler nadirdir, çünkü bu süreçler bu kadar karmaşık tasarımlara ulaşmayı mümkün kılmaz. Kafesleri ve 3D baskıyı mükemmel bir ikili yapan katkılı üretimin gücü burada yatıyor.

Kafes Yapılarının Sınıflandırılması ve Türleri

Düzlemsel Kafesler

Bu kafesler, üç boyutlu bir parça oluşturan düz iki boyutlu bir yapıya dayanır. Katmanlar ayrı ayrı basıldığı için daha sonra monte edilmesi gerekebilir. Bu kafes türü, dört yüzlü desenleri, Voronoi kafeslerinin yanı sıra eşkenar dörtgen ve altıgen kafesleri (örneğin, petekler) içerir.

Uzamsal Kafesler (Sare-saring kafesleri)

Bu kafesler, hücrelerin düğümlerini, köşelerini veya kenarlarını birbirine bağlayarak bir ağ oluşturan bağlı segmentlerden oluşur. Baskılı katmanlar üst üste biner ve oturur. Kafesin destek malzemeleri ile güçlendirilmesi gerekebilir.

TPMS (Üçlü Periyodik Minimal Yüzey) Kafesler

Bu kafesler, hücreyi belirleyen bir trigonometrik denkleme dayanmaktadır. Kafesin temel şekli değişebilir ve oldukça karmaşık, organik görünümlü yapılar oluşturabilir.

Kafes Yapılarının Özellikleri ve Uygulama Kriterleri

Kafesler periyodik veya stokastik olarak da sınıflandırılabilir. Periyodik kafesler yapı boyunca tek tip bir desen korurken, stokastik kafesler, yapıyı belirli yönlerde güçlendirmek için hücrelerin şeklinde, boyutunda ve düzeninde varyasyonlara sahiptir.

Kafesin seçimi nihai amacına bağlıdır. Tasarım, istenen sertliğin yanı sıra uygun geometri ve boyutu da dikkate alır. Yanma davranışı, yani yapının basınç altında ve hangi yönlerde nasıl sonuç verdiği de analiz edilir. Ek olarak, kafesin deformasyon durumunda enerjiyi emip ememeyeceği genellikle bir sorudur. Bu kriterler, eklemeli imalat tasarımı sürecinde büyük önem taşır.

Kafeslerin Tasarımı ve 3D Baskısı

3D baskı için kafesler tasarlamak için özel bir tasarım aracı gereklidir. Bazı modelleme yazılımları kafesler için temel işlevler sunsa da, topolojik optimizasyona veya üretken tasarıma özgü yazılımlar daha güvenilirdir. Üretken tasarım, parça için gerekli özelliklere ve seçilen baskı yöntemine göre en uygun tasarımı hesaplar. Tasarım kafes içeriyorsa, hücreleri, yoğunlukları ve düzeni de hesaplanır.

Autodesk Within, nTopology’nin nTop, Meshify, Core Technology’nin 4D_Additive, Netfabb veya Hyperganic’in HyDesign dahil olmak üzere 3D modelleri optimize etmek ve kafes yapıları oluşturmak için birçok araç mevcuttur. Tasarım seçimi uygulamaya, malzemeye ve baskı teknolojisine bağlı olacaktır.

3D Baskılı Kafeslerin Üretim Zorlukları ve Çözümleri

Genellikle çok karmaşık ve hassas oldukları için 3D baskı sayesinde kafes yapılarının üretimi çok daha kolaydır. Ek olarak, kafeslerin baskısı katı yapılardan daha hızlıdır. Teorik olarak, çok çeşitli baskı malzemeleri ve teknolojileri kullanılabilir, ancak her işlem özelliklerini empoze eder:

• FDM ve SLA baskısında, büyük kafes yapılar için destek yapıları gerekebilir.
• SLS veya MJF gibi toz işlemlerinde, etkili tozsuzlaşmaya izin vermek için yeterli erişim noktaları sağlanmalıdır.
• DMLS’de, desteği olmayan köprüler için 2 mm sınırlarından kaçınmak için ek destekler dikkate alınmalıdır.

Bu özellikler genellikle eklemeli imalat tasarımı aşamasından itibaren dikkate alınır.

3D Baskılı Kafes Uygulamaları ve Kullanım Alanları

Şimdi 3D baskılı kafeslerin potansiyellerini gösterdiği birkaç uygulama alanına geçelim. Tıp alanında kafesler, daha önce de belirtildiği gibi sadece implantlar için değil, aynı zamanda ağırlık, güç veya konforu optimize etmek için protezler ve ortezler için de kullanılır.

Kafes yapılar, otomotiv, havacılık ve uzay endüstrileri gibi yüksek performans ve hafifliğin gerekli olduğu uygulamalarda özellikle avantajlıdır. Örneğin, nTop’un “Shell & Lattice” kafesi ve işlevi sayesinde Aerojet Rocketdyne, dörtlü bir motor bloğunun ağırlığını %67 oranında azaltmayı ve üretim maliyetini %66 oranında düşürmeyi başardı.

Ancak kafesler, spor ve tüketim malları alanlarında da önem ve popülerlik kazanıyor. Gittikçe daha fazla koruyucu ekipman ve 3D baskılı kafes dolgusu görüyoruz. Bu kafesler bisiklet eyerlerinde, kask dolgusunda, koruyucu giysilerde vb. ve ayrıca ayakkabıların orta tabanlarında bulunur. Özellikle koşu ayakkabıları için daha iyi enerji iletimi ve daha fazla performans umuyoruz.

Bu mantık aynı zamanda araba koltukları veya sırt çantaları için de geçerlidir. Örneğin, dış mekan ekipmanı uzmanı Oechsler, kafes yapıları sayesinde yenilikçi sırt çantalarının konforunu artırmak için Materialise’in Magics aracını kullandı. Mobilyalar da kafesleri entegre etmeye başlıyor, ancak bu durumda estetik hafifliğe öncelikli görünüyor.

Bu örnekler, kafeslerin birçok uygulamada zaten mevcut olduğunu göstermektedir. 3D baskının sanayileşmesinin ilerlemesi ve sürekli gelişen tasarım olanakları ile bu eğilim sadece devam etmekle kalmamalı, aynı zamanda gelecekte de yoğunlaşmalıdır. Özellikle geri dönüştürülmüş ahşap gibi sürdürülebilir malzemelerle üretilen ahşap tozu filamentleri kullanarak bu alanda yeni ufuklar açılabilir.