09 Haziran 2020

Endüstri 4.0'ın bileşenleri: 3D (üç boyutlu) yazıcılar

3D yazıcılar sayesinde hastalanan ve "eskiyen" organlarımızı yenileyerek, insan ömrünü çok uzatmak mümkün olacak. Bu üç boyutlu yazıcıların, insanları (elbette yeterli parası olanları) ölümsüzlüğe kavuşturacağına inanıyorum

Endüstri 4.0’ın en büyük hedefi, üretimde insan emeği ve katkısını minimuma indirerek, hatasız, mükemmel ürünler üretebilmektir. Üç boyutlu yazıcılar bu hedefe ulaşmak için kullanılacak en güçlü araçlardır. Zira kullanıldıkları alanlarda insan emeğini neredeyse sıfıra indirebilmektedirler. Dolayısı ile 3D yazıcılar, Endüstri 4.0 devrimi için son derece önemli cihazlardır. Nerede ise, Endüstri 4.0’ın bileşenlerinden robotlar ve 3D yazıcılar dışında kalan teknolojilerin tamamı, yazılım ve matematik modelleme teknolojileridir diyebiliriz. Robotlar ve 3D yazıcılar da yapay zeka ve yazılımların gömülü olduğu Endüstri 4.0’ın önemli fiziksel cihazlarıdır. Üç boyutlu yazıcıların Endüstri 4.0 için önemini anlatmadan önce kısaca bu cihazların nasıl çalıştığına bir bakalım.

Üretim sistemi

Üç boyutlu yazıcıların üretim sistemi, kullandığı üretim yöntemlerinden dolayı "Katmanlı Üretim" (Additive Manufacturing) olarak adlandırılmaktadır. Katmanlı üretimi tarif edebilmek için, önce bu üretim yönteminin mevcut alternatifini hatırlayalım.

İmalat sanayiinde mevcut üretim sistemlerinin önemli bir bölümü "Eksiltmeli Üretim" (Subtractive Manifacturing) yöntemi ile gerçekleştirilir. Bu sistem "Talaşlı İmalat" olarak da adlandırılır.

Bu üretim sistemi, hammaddenin üzerinde yapılan azaltma/kırpma işlemleri ile gerçekleştirilir. Bir teneke kutu yapacağımızı varsayalım; bir takım araç ve gereçler kullanarak, elimizdeki sac levhayı kesip, biçmeye, şekillendirmeye çalışırız. Bu esnada kesip, kırptığımız bazı parçalar endüstriyel atık haline gelir. Bu üretim sistemine eksiltme yöntemi denilir.

Bir başka örnek olarak mobilya üretimini ele alalım; bu üretim için öncelikle ağaç kütüğüne ihtiyacımız vardır. Bu ağaç kütüğünün önce kabuklarını temizleriz. Sonra da çeşitli araç ve gereçle, ihtiyacımız olan boyutlarda yontarız. Tüm bu işlemler sırasında sürekli bir eksiltme söz konusudur. Eksiltmeler (yontma, kesme, biçme) sonucunda ağaç kütüğü kullanacağımız şekle gelse bile, bu üretim şekli, diğer bir deyimle "fireli üretim" şekli olduğu için hammadde kayıp oranı yüksek olmasından dolayı maliyet de yükselmektedir.

Üç boyutlu yazıcılarda ise tam tersi bir üretim yöntemi kullanılmaktadır. Bu yönteme "Katmanlı Üretim" (Additive Manifacturing) yöntemi denilmektedir. Üretime geçebilmek için elinizde ürününüzle ilgili bir tasarım dosyasının hazır olması gerekir. Bu dosyayı oluşturmak için CAD (Computer Aided Design) olarak tanımlanan bilgisayar tasarım programlarından birini kullanmanız gerekmektedir. Diğer bir seçenek ise, 3D tarayıcılar aracılığı ile bir nesneyi taratarak da aynı sonuca nerede ise ulaşmak mümkündür. Yani ya gerçek bir nesneyi taratarak sanal ortama taşırsınız, ya da düşündüğünüz bir modeli sanal bir nesne olarak kendiniz bilgisayarda tasarlarsınız.

Bir sonraki aşamada ise, elde edilen tasarım dosyası, dilimleyici (slicer) adı verilen bir bilgisayar programına yüklenir. Bu program ile amaçlanan, ürünü, yine sanal ortamda katmanlara bölmektir. Üretim katmanlarını belirleme işlemi sonucunda 3D yazıcının parçaları basma (üretme) süreci planlanmış olur.

Dilimleyici de gerekli işlemler yapıldıktan sonra çıktı dosyası 3D yazıcıya (internet ortamında veya bir SD kart ya da USB aracılığıyla) aktarılır. Üretim kısmını devralan 3D yazıcının yapacağı işlem, tasarım aşamasında tanımlanan ve yazıcıda bulunan hammaddeyi değişik yöntemlerle eriterek (üretimde kullanılabilir hale getirerek), üretime en alt katmandan başlamaktır.

Bir heykeli CAD yazılımı aracılığı ile tasarlayıp plastik hammaddesi kullanarak üreteceğimizi varsayalım; dizayn ettiğimiz heykel tasarım dosyasını dilimleyiciden geçirdikten sonra, 3D yazıcımıza yükleyip üretimi başlatabiliriz. Yazıcımız, iplik şeklinde olan plastiği motor aracılığı ile çekerek, sıcak bir uçta eritecek ve bu eriyiği bir tablaya dökmeye başlayacaktır.

Dilimleyicinin öngördüğü şekilde önce heykelimizin ayak tabanları dökülecek, sonra, parmakları ve ayakları, sonra dize kadar olan bölümü katmanı) dökülerek, bu işlem heykelin kafasının en üst noktasına kadar sürecektir.

Bu işlemlerin sıralamasından dolayı 3D yazıcıların üretimine "Katmanlı Üretim Sistemi" de denilmektedir.

3D yazıcıların kullandığı hammadde çeşitleri, şimdilik genellikle polimer, metal, seramik ve kompozitlerdir. En az iki farklı malzemenin makro boyutlarda birleşerek oluşturduğu malzemeye kompozit malzeme denir. Kullanılacak hammaddeye göre değişik katmanlama yöntemleri kullanılır. Aşağıda değişik yöntemler başlık olarak gösterilmiştir:

  • Polimerizasyon
  • Sinterleme ve Ergitme
  • Katman Laminasyonu ile Üretim (Layer Laminated Manufacturing - LLM)
  • Toz Bağlayıcılı Üretim - 3D Yazıcı (3D Printer)
  • Ekstrüzyon - Ergitilmiş Katman Modelleme, Ergitilmiş Katmanla Üretim (Fused Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication/ - FDM/FFF)[1]

3D yazıcıların tarihi

Üç boyutlu yazıcıların geçmişi 80’li yıllara kadar gider. 1981 yılında Japon bilim adamı Dr. Hideo Kodoma, fotopolimerleri ve ultraviole ışınlarını kullanarak prototip gerçekleştirdiğini açıklamıştı. Geliştirdiği bu sistem, modellerin her bir kesit dilimini katmanlar halinde üretebiliyordu. Ancak parasızlık yüzünden patent alamadığı iddia ediliyor.

Daha sonra, ilk 3D yazıcı teknolojisi Charless Hull tarafından 1984 yılında ortaya çıkarılmıştır. Hull, geliştirdiği bu teknolojinin patentini alarak, 1988 yılında icadını ticarileştirmek amacıyla, halen faal olan 3D Systems adlı, ilk 3D yazıcı şirketini kurdu.

90’lı yıllarda bu teknoloji hızla ilerlemiş, Amerika’da ilk baskı alınmıştır. 1992'de ilk ticari olarak kullanılabilir FDM 3D yazıcısını yapan Crump, aynı zamanda 3D baskı sektörünün şu andaki en büyük firmalarından biri olan Stratasys şirketinin de kurucusudur.

Charles Hull ve Scott Crumb, 3D baskının en yaygın teknolojileri ile ilgili neredeyse bütün patentlere sahip olduğundan 3D yazıcıların gelişiminin ve üretimde kullanımının yavaşlamasına da neden oldukları söylenebilir.[2]

2005 yılında başlayan ve 2007 yılında ilk açık kaynak kodlu, kendi parçalarını dahi prototip olarak üreten yazıcıları çıkaran RepRap projesi ile 3D yazıcılar evlerimize kadar ulaşmıştır. Bu girişimin amacı maliyeti azaltarak kullanımı yaygınlaştırmaktı ve artık günümüzde ne kadar büyük bir başarıya ulaştığını görebiliyoruz.[3]

Kullanım alanları

3D Yazıcı ile yapabilecekleriniz, hayal gücünüze ve ulaşabileceğiniz 3D yazıcı hammaddesine bağlıdır. Hayal ettiğiniz ürünün tasarımını bilgisayarda yaptıysanız ya da 3D tarayıcıdan geçirdiyseniz o ürünü kolayca üretebilirsiniz. Örneğin, Koronavirüs günlerinde ihtiyaç duyulan, koruyucu şeffaf yüz kalkanları bu yazıcıların en kolay üretebileceği ürünlerdir. Ya da değişik şekillerde çikolata çeşitleri de üretmeniz mümkündür.

Özetle, hayal ettiğiniz her şeyi, tasarımını yapabiliyor ve tabii ki yazıcı ile uyumlu hammaddesini bulabiliyorsanız, hemen üretime geçebilirsiniz. En ufak cisimden bir gökdeleni oluşturan parçalara kadar, üç boyutlu yazıcıyla nesnel parçaları üretebilmek bugün kısmen mümkündür.

Üç boyutlu yazıcıların endüstriyel kullanım alanlarına örnek olarak, endüstri bazında havacılık, mimari, otomotiv, elektronik, savunma, diş, eğitim ve medikal alanları verilebilir.

Bu endüstrilerden kullanım alanlarına ait birkaç örnek vermek istiyorum. Havacılıkta kullanılan göstergeleri ve son kullanım parçalarını, mimari için detaylı ve pürüzsüz mimari modellerini, üç boyutlu yazıcılar ile üretmek mümkündür.

Otomotiv sektöründe düşük hacimli son kullanım parçaları ve ilk örnek üretimleri, hatta çoklu malzemeden oluşan respiratörleri bile üç boyutlu yazıcılar ile üretilebilmektedirler.

Bu örneklerden görebileceğiniz gibi, üç boyutlu yazıcılar, Endüstri 4.0 kavramında henüz ara ve geçiş parçalarını üretmekte kullanıyor ki bu da oldukça sağlam bir teknolojik ilerlemedir. Günümüzde henüz bir uçağı, binayı ya da gemiyi tamamen bir üç boyutlu yazıcı üretemiyor olabilir ancak yakın bir gelecekte bunun da mümkün olacağına inanmaktayım.

Boeing 787 "Dreamliner" uçağında, toplam 30 adet üç boyutlu yazıcıdan çıkmış parça bulunmaktadır ve bu, alanında bir endüstri rekorudur. Boeing'in üç boyutlu yazıcı kullanımı ile ilgili gelecekteki hedefi ise bütün bir uçak kanadını üretmek. Daha önce de söylediğim gibi, günümüzdeki üç boyutlu yazıcı teknolojisinin büyük objeleri üretmekle ilgili sınırları bulunuyor. Bu sorun aşıldığında, önce bir uçağın kanadı daha sonra bütün bir uçak neden üretilemesin?[4]

3D yazıcı ile ev inşa etmenin de mümkün olduğunu belirtmiştik; Çin merkezli WinSun firması, 2015 yılında tamamı 3D yazıcılarda üretilen materyalden oluşan beş katlı bina ve 1100 metrekarelik villa inşa etti. Dünyanın ilk 3D yazıcıdan çıkma binaları, Suzhou Industrial Park bölgesinde gösterime açıldı. Aynı şirket 3D yazıcı ile tanesi $5.000 değerinde günde tam 10 adet ev inşa etmeyi başarmıştır.[5] Elbette bu yeni tarz üretim inşaat sektöründe pek çok şeyi değiştirecektir. İnşaat işçilerine artık gerek kalmayacağı gibi, inşaat sektörünü besleyen, kiremitten, boyaya, çividen keresteye yüzlerce alt sektör de olumsuz etkilenecektir.

Her şeye rağmen, üç boyutlu yazıcılar henüz gelişme sürecindedir. Mevcut durumda üretim hızları göreli olarak yavaş olduğundan birim zamanda gerçekleştirdikleri üretim miktarı taleplere cevap verebilmekte şimdilik yetersiz kalabilmektedir. Buna karşılık yaratacağı avantajlar düşünüldüğünde 3D yazıcıların üretim sistemlerinde devrim yaratacağı şimdiden görülebilmektedir. Bu makinelerin üretim hızlarında daha fazla gelişme sağlandığı zaman, endüstriyel makine ve ekipmanların yerini alabileceklerdir. Şu an bile, üretim sistemleri açısından son derece göz alıcı etkilere sahip oldukları söylenebilir.

3D yazıcıların endüstri 4.0'a katkısı

Endüstri 4.0’ın en büyük hedefinin, üretimde insan emeği ve katkısını minimuma indirgeme olduğunu ve kullanıldıkları alanlarda insan emeğini neredeyse sıfıra indirdiklerini giriş bölümünde zaten belirtmiştik. Yukarıda verdiğim inşaat sektörü örneğine geri dönersek, 3D yazıcılar ile üretilecek bir villada, yazılımcı ve baskıyı yapan operatör hariç, neredeyse hiç insan emeği olmayacaktır. Buna karşın, insanların üretim esnasında yapabilecekleri hatalar da olmayacaktır. Ayrıca, emek tasarrufundan dolayı inşaatın maliyeti de düşecektir.

Hatırlanacağı üzere, Endüstri 4.0’ın bir başka hedefi de, talebe göre dinamik üretim yaparak, stokları sıfırlamaktır. Üç boyutlu yazıcılar nesnelerin interneti üzerinden yaptığı veri iletişimi sayesinde gerçekleştirdiği spot üretimle ürün stoklanmasının önüne geçmektedir. Talebe göre üretim mantığında çok fazla ürün parça stokuna da ihtiyaç kalmamaktadır.

3D yazıcıların bir başka yararı da nakliye masraflarını minimuma indirecek olmasıdır. Antarktika’da araştırma yapan bilim insanlarının çok basit bir vidaya ihtiyaç duyduklarını ve bu vidanın da o araştırma için hayati önemde olduğunu varsayalım. Bu vidayı Antarktika’ya ulaştırmanın maliyetini bir düşünsenize! Oysa Antarktika’daki 3D yazıcıya internet üzerinden yollanacak veriler ile ihtiyaç duyulan nesne son derece hızlı ve yok denecek bir maliyetle üretilebilir.

Bir başka yaşanmış örnekle konunun önemini pekiştirelim; NASA uzay istasyonlarında 13 tona yakın yedek parça bulunmaktaydı. Ayrıca her sene yaklaşık 3 ton yedek parça bu istasyonlara yollanmakta ve 17 ton yedek parça da ihtiyaç halinde yollanmak üzere Dünya’da hazır bekletilmekteydi.[6]

NASA 2014 yılında, uzay istasyonuna bir 3D yazıcı koydurdu. Bu yazıcı sayesinde, ihtiyaç duyulan parçaların doğrudan uzay istasyonunda üretilmesini sağladı. İlk uygulama ise, istasyon dışında tamir yapan astronotlardan birinin elindeki somun anahtarını uzaya düşürmesi sonucunda gerçekleşti. Uzaya düşen anahtarın yerine yenisinin gönderileceği bir sonraki sevkiyatı beklemek yerine, Dünya'daki üsten yollanılan verilerin 3D yazıcıya yüklenmesi ile yeni anahtar uzay istasyonunda anında üretildi. Bu örnekten de görüldüğü gibi yukarıda bahsettiğimiz büyük miktar ve ağırlıktaki yedek parçaların uzay istasyonuna gönderilebilmesi için atılması gereken taşıyıcı roket sayısını ve maliyetini düşününce, 3D yazıcının getirdiği faydanın ne kadar önemli olduğu çok açık şekilde ortaya çıkıyor.

Üç boyutlu yazıcılar seri üretim yapabilir hale geldiklerinde ürünlerin nakliye sorunu da ortadan kalkacak. Örneğin Çin’den ABD’ye ihraç edilen herhangi bir ürünü düşünelim; bu ürünün satış maliyetleri içinde önemli kalemlerinden biri de nakliye süresidir. Çin’den ABD’ye gemi ile ihraç yapmanın maliyeti oldukça yüksektir. Oysa 3D yazıcıların seri üretime geçmesi ile bu sorun ortadan kalkacak, ürün tasarımını yapan şirketler sadece internet üzerinden ürünün müşteriye en yakın teslim noktasındaki yazıcılarına yükleyecekleri tasarımlarla üretimi yapabileceklerinden, ürünlerin pazarlama ve satış alanları genişleyecektir.

3D yazıcıların mevcut üretim sistemlerine göre avantajı, tasarımınızın 3 boyutlu modeli üzerinde inceleme yapabilmesi ve muhtemel hatalar, delikler, gereksiz çıkıntılar, hatalı kesişme ve birleşmeler gerçek üretime geçmeden önce giderilebilmesidir.

Endüstri 4.0’ın önemli bir özelliği de, üretimin, bireylerin ihtiyaç, beğeni ve bütçelerine göre şekilleniyor olmasıdır. Dolayısıyla seri üretimden vazgeçilip, bireysel talebe göre üretime geçmenin planları yapılmaktadır. Üç boyutlu yazıcılar bu yeni üretim sistemi için biçilmiş kaftanlardır. Şimdi yeni evli bir çiftin evlerini dekore ettiklerini hayal edelim. Bu çiftin başkalarında olmayan aksesuarlara sahip olmak istediklerini varsayalım. Yapacakları şey, CAD türü programları kullanmayı biliyorlarsa, hayal ettikleri aydınlatma türlerini, banyo aksesuarlarını, biblolarını vb, kendileri tasarımlayacak ve internet üzerinden yollayacakları bu tasarımların 3D yazıcılarda basılmasını isteyeceklerdir.

Söz konusu programları bilmeyenlerin de işi kolay; hayal ettikleri ürünü, üretici firmanın mühendisleri ile iletişime geçerek, birlikte tasarlayabilecek ve 3D yazıcılara yollayacaklardır. Gerisi 3D yazıcıların işi.

Ya da internet üzerinden beğendikleri ürünleri, kendi beğeni ve ihtiyaçlarına uygun olarak değiştirip, firmadan bu değişiklikleri dikkate alarak ürünü üretip, yollamalarını isteyebileceklerdir. Bu değişikliklerin günümüzde olduğu gibi ekstra maliyet doğurmayacak olması da 3D yazıcılar sayesinde olacaktır.

Böylece, 3D yazıcı teknolojileri; endüstrilerin geçmişten günümüze kadar gerçekleştirmek için çaba gösterdikleri sıfır stok yaklaşımını mümkün hale getirebilecektir. Bu makineler sayesinde bilgisayar ortamında tasarımlanmış ürünlerden istendiği zaman ve istendiği kadar üretilebileceğinden stok tutmanın gerekliliği ortadan kalkacaktır. Bunun doğal bir sonucu olarak, üretim ve tedarik maliyetleri azaltılabilecek, elde edilecek toplam fayda önemli ölçüde artırılabilecektir.[7]

Zamanla, 3D yazıcıların günümüz üretim teknolojileri ve sistemlerini kökten değiştireceği aşikârdır. Özellikle, üretimin girdilerinde oluşacak değişiklikler pek çok alt sektörü ve onların alt sektörleri ile birlikte tüm çalışanlarına olan ihtiyacı yok edecektir. Yukarıda da bahsettiğimiz inşaat örneğine geri dönersek; 270 sanayi dalı inşaat sektörüne girdi sağlamaktadır. 3D yazıcıların üreteceği yapılar bu 270 sektörün önemli bir kısmının tarihe karışmasına neden olacak. Elbette bu sektörlerle birlikte pek çok meslek dalı da yok olacaktır.

3D yazıcılar insan ömrünü çok uzatacak

Üç boyutlu yazıcıların yarattığı devrimin en çok medikal sektörde yaşanacağına inanmaktayım; North Carolina’da bulunan Wake Forest Üniversitesi araştırmacıları kendilerinin ürettiği bir üç boyutlu yazıcı ile organ, doku ve kemik üretebilen bir makine geliştirmişlerdir. Bu gelişmeye bağlı ve teorik olarak, üretilecek bu organ, doku veya kemiklerin, yaşamakta olan insanlarda kullanılabileceğini düşünüyorlar.[8]

Araştırmacılar 3D bio-yazıcı kartuşu içindeki hücre ve benzeri bio-materyallerle kulak, burun ve yüz gibi çeşitli uzuvlar yapabiliyor. Hangzhou Elektronik Bilimler ve Teknoloji Üniversitesi araştırmacıları 3 boyutlu yazıcı sayesinde kulak ve burun baskısı yapabildiklerini duyurdular.[9]

Tel Aviv Üniversitesi bilimcileri 3D yazıcı kullanarak, insan dokusundan, damarları, kollajenleri ve biyolojik molekülleri bulunan küçük bir kalp üretti; üretilen kalp, yaklaşık olarak bir kemirgenin kalbi boyutunda. Dünyanın her köşesinden, her gün organ üretimiyle ilgili yeni haberler gelmektedir. Organ üretiminin yaygınlaşması ile organ bağışına ihtiyaç kalmayacak gibi gözüküyor.

3D yazıcılar sayesinde hastalanan ve "eskiyen" organlarımızı yenileyerek, insan ömrünü çok uzatmak mümkün olacak. Bu üç boyutlu yazıcıların, insanları (elbette yeterli parası olanları) ölümsüzlüğe kavuşturacağına inanıyorum.

Bizler henüz bu üç boyutlu (3D) yazıcılara alışamamışken bir de 4D yazıcılar kullanılmaya başlandı. Bu yeni teknolojiyi haftaya yazacağım.


[1] Artı Boyut, 3D Yazıcı (3D Printer) Nasıl Çalışır? - Katmanlı Üretim Yöntemleri, https://www.artiboyut.com/index.php/tr/bilgi-bankasi/63-3d-yazici-nasil-calisir-katmanli-uretim-yontemleri

[2] Tiridi.co/Blog, 80’lerden Bugüne 3D Baskı Teknolojilerinin Kısa Tarihi, https://www.tridi.co/blog/80-lerden-bugune-3d-baski-teknolojilerinin-kisa-tarihi

[3] SEMİZ Tayfun Yağız, Maker.Robotistan.Com, 3D Yazıcı (Printer) Nedir? Nasıl Çalışır? Neler Yapılabilir?, 6.8.2019, https://maker.robotistan.com/3d-yazici-printer/

[4] ÖZDOĞAN Ogan, Endüstri 4.0: Dördüncü Sanayi Devrimi ve Endüstriyel Dönüşümün Anahtarı, Pusula Yayınları, İstanbul 2018, s.79

[5] SEMİZ Tayfun Yağız, Maker.Robotistan.Com, 3D Yazıcı (Printer) Nedir? Nasıl Çalışır? Neler Yapılabilir?, 6.8.2019, https://maker.robotistan.com/3d-yazici-printer/

[6] NASA.gov Solving the Challenges of Long Duration Space Flight with 3D Printing, 16.12.2019, https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/3d-printing-in-space-long-duration-spaceflight-applications

[7] GÖRÇÜN Ömer Faruk, Dördüncü Endüstri Devrimi, Endüstri 4.0, Beta, İstanbul 2017, s.194

[8] ÖZDOĞAN Ogan, Endüstri 4.0: Dördüncü Sanayi Devrimi ve Endüstriyel Dönüşümün Anahtarı, Pusula Yayınları, İstanbul 2018, s.77

[9] ONAT Kenan, 3D Yazıcı İle Organ Üretimi Yaygınlaşıyor, Webtekno, 2016, https://www.webtekno.com/bilim-haberleri/3d-yazici-organ-uretimi-h11837.html

Yazarın Diğer Yazıları

Uzaktan eğitim, fırsat eşitsizliğini artırıyor

Bilgisayarı ve evinde sabit internet erişimi olmayan öğrencilerin bilgi edinme hakları ellerinden alınmıştır

Endüstri 4.0'ın istihdam üzerindeki küresel etkileri

Az gelişmiş ülkelerin, bol ve ucuz olan işgücü avantajı hızla ellerinden gitmektedir. Gelişmiş kapitalist ülkeler artık değişik ülkelere dağıttıkları üretim birimlerini kendi ülkelerinde toplamaktadırlar

Endüstri 4.0'da istihdam | Robotlar başımıza bela mı olacak?

Yapay zekâ ile çalışan robotların sahipleri, ürünlerini satın alacak tüketicileri korumak zorundadırlar