İnsanlık tarihin ilk zamanlarından itibaren tabiatı incelemeye başlamıştır. Bu sayede hem etrafında olup biten olayları anlamlandırmaya çalışmış, hem de yaşam standartlarını yükseltmek için doğayı taklit etmeye başlamıştır. Tarihe bakıldığı zaman, insanoğlunun gelişimindeki en etkili sebeplerin malzemelerin kullanımının ve tabiatın anlaşılmasının olduğunu görmekteyiz. Buna bağlı olarak, tarih öncesi dönemleri sınıflandırırken malzemelerin kullanımını göz önüne almaktayız. Danimarka Ulusal Müzesi’nden arkeolog olan Christian Jurgensen Thomsen (1788-1865), 1816 senesinde tarih öncesi devirleri sınıflandırmak amacıyla bir projeye başlamıştır. Proje kapsamında tarih öncesi devirleri 3 paça sistemine göre sınıflandırmayı uygun görmüştür. Taş devri, Bronz devri ve Demir devri olarak 3 parçaya ayrılan tarih öncesi devirler açıkça malzemelerin kullanımı temel alınarak yapılmış bir sınıflandırmadır. Thomsen’dan sonra, Sir John Lubbock ise 1865 senesinde bu sınıflandırmayı daha da detaylandırmışıtır. Bu kapsamda taş devri eski taş devri ve yeni taş devri olarak ayrılmıştır. Bugün bu devirleri Paleolithic ve Neolithic olarak biliyoruz [1].
İnsanoğlu çevresindeki nesneleri kullanarak araç ve gereçlerini üretmiştir. Bu sayede çeşitli ihtiyaçlarını karşılayabilmiştir. İlk araç ve gereçler taş ve ağaç yapımı ürünlerdi. Taş devrini takiben insanlar doğada nabit şekilde bulunan metalleri fark etmişlerdir. Taş devrinden sonra metallerin kullanımı başlamış ve insanlar ilk olarak doğada nabit olarak bulunan metalleri kullanmışlardır. Metal sözcüğü eski Yunanca dilinde “aramak” anlamına gelmektedir [2]. Metallerin kullanımının başlaması ile insanoğlunun çevresine metal bulmak amacıyla daha çok yayılmıştır ve üretim kültürünü oluşturmaya başlamıştır.
Üretim tarihsel gelişimi en derinden etkileyen faktör olmuştur. İngilizce anlamı “manufacturing” olan üretim kelimesinin Latince kökenine bakarsak; Manus (El), Factus (Yapmak) anlamına gelmektedir. Üretimin tarihi 2 kısma ayrılmaktadır. Bunlar; insanların malzemeleri ve proses yöntemlerini keşfi ve icadı, üretim için sistemlerin geliştirilmesidir. Buna göre, insanlar tabiattan malzemeleri keşfetmiş, bunlar için üretim yöntemleri geliştirmişlerdir. Eşyaların üretimi el yapımı ile başlamıştır. Bunu takiben el yapımı üretimi yapan küçük organizasyonlar oluşmuştur. Endüstri devrimi (1760-1830) ile insanoğlu buhar, su, hayvan ve rüzgar güçlerini kullanarak el yapımına kıyasla daha çok nesneyi üretebilme kabiliyetini kazanmıştır. Tarihçiler endüstri devrimini 4 kısma ayırmışlardır: Kitlesel üretim, bilimsel yöntemlerin üretime entegresi, üretim hatlarının kurulması ve fabrikaların elektriklendirilmesidir. [3]
Doğal ve yapay güç üretebilmenin üretimi hızla arttırması sayesinde ürün sayısı katlanarak artmıştır. Büyük sayıda üretimi yapabilecek sistemler ve fabrikalar kurulmuştur. Bilimsel bilginin hızlı artışı sayesinde üretim metotları ve malzeme sayısı bağlantılı olarak artmıştır. Elektrik ve bilgisayarların kullanımının başlaması ile üretim otomatik hale getirilmiştir. Otomatik olarak çalışabilen makineler yardımıyla daha kesin üretim yapılmıştır.
Üretim, bir hammaddenin ürüne dönüştürülmesi maksadıyla kimyasal ve fiziksel uygulamalarla hammaddenin geometrisinin, özeliğinin ve görünüşünün değiştirilmesi ile bir ürünün ortaya çıkarılmasıdır. Ayrıca birçok üretilmiş ürünün bir araya getirilmesi ile ortaya yeni bir ürün çıkarılması işlemine de üretim denir [3]. Temelde üretim bir hammaddenin, malzemesine bağımlı olmaksızın, doğadan alınması ve işlenmesi sayesinde eksiltici (subtractive) olarak tanımlanan işlemler toplamıdır. Hammadde doğadan temin edilir, yığın bir yarı ürün haline dönüştürülür. Ardından, yarı ürün çeşitli fiziksel ve kimyasal işlemler ile manipüle edilerek son ürün ortaya çıkarılır [4]. Üretim tarih öncesi devirlerden itibaren günümüzde de baskın olarak eksiltici yöntemlerle (Döküm, mekanik şekillendirme, kimyasal işlemler vb.) gerçekleşmektedir.
Eksiltici (Subtractive) üretim dünyamızı şekillendirmeye devam etmektedir. Bu yöntemlerde tarih boyunca büyük gelişmeler kaydedilmesine rağmen bazı sınırlamaları aşılamamıştır. Kompleks geometrilerin üretimi zor ve maliyeti yüksektir. Üretim süresince sürekli olarak atık malzemeler ortaya çıkmaktadır. Bu kısıtlamalar üretimde yeni bir paradigma olan eklemeli üretimi (Additive Manufacturing) ortaya çıkarmıştır [4].
Eklemeli üretim (Additive Manufacturing-AM) Tarihi
Eklemeli üretim ya da katmanlı üretim (Additive Manufacturing-AM) nesnelerin aşağıdan yukarı yöne doğru tabaka-tabaka üretilmesini sağlayan bir grup teknolojinin geneline denir. Bu yöntemde bilgisayar ortamında hazırlanmış bir çizim (Computer Aided Design-CAD) bir robotik sistem yardımıyla üretilir ve bu işlem için birçok teknoloji ortak çalışır [5]. Eklemeli üretim (Additive Manufacturing-AM) 3b yazıcı sistemleri ile yapılır. Bu sebeple, bu yönteme baskın olarak 3D Baskı (3D printing) yöntemi de denir. AM üretim aşamaları ise şunlardır:
- Bilgisayar destekli tasarımın yapılması (CAD)
- CAD dosyasının STL uzantılı dosyaya dönüştürme işlemi
- Dosyanın AM makinesine aktarılması
- Makinenin ayarlanması ve parametrelerin düzenlenmesi
- Baskı işleminin yapılması
- Parçanın çıkarılması ve temizlenmesi
- Post proses işlemleri (gerekli ise yapılması)
- Parçanın uygulamalarda kullanılması [6].
AM üretim tarihinde 6 dönem karşımıza çıkmaktadır. Her bir dönemin özellikleri ve yaşanan gelişmeler ayrı olarak ele alınmıştır
1.Dönem (İlk teşebbüsler 19. Yüzyıl-1980)
AM üretim yöntemi 19. Yüzyıl’a dayanan bir geçmişe sahiptir. 19.Yüzyıl’da Topografi (Topography) ve Fotoheykelleme (Photosculpturing) yöntemlerinden esinlenerek geliştirilmiştir [7]. Teknolojinin gelişimi ayrıca bağlantılı teknolojilerin gelişimine de yakından bağlıdır. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesi, bigisayar destekli tasarım (CAD) yazılımlarının geliştirilmesi, lazer teknolojisinin gelişmesi, baskı teknolojilerinin (Ink-jet, droplet printing vb.) geliştirilmesi, PLC devre sistemlerinin geliştirilmesi, üretim için gerekli uygun özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi, bigisayar sayımlı yönetim (CNC) sistemlerinin geliştirlmesi ve dijital tasarımın tabaka-tabaka ayrılmasını sağlayacak yazılım sistemi olan stl dosya sisteminin geliştirilmesi AM üretim teknolojilerinin geliştirilmesinde ehemmiyetli konulardır [5].
1951 senesinde ise Munz günümüzün Stereolitografi yönteminin atası sayılan bir teknik geliştirmiştir. 1968 senesinde Swainson, ışığa duyarlı plastik malzemeyi istenilen desene göre 2 lazer demeti kullanmak suretiyle polimerizasyon işlemine uğratarak 3 boyutlu olarak üretebilen bir makine yapmıştır. 1971 senesinde Ciraud toz bazlı bir teknoloji geliştirdir ve bu teknoloji modern AM tekniğinin özelliklerini sergileyen bir teknolojiydi [8]. Her ne kadar özellikleri sergileyen bir tasarım olsa dahi, prototipin üretildiğine dair bir kanıt bulunmamaktadır.
2. Dönem (İlk makinelerin ortaya çıkışı 1980-1990)
AM konusunda ilk makale “Automatic method for fabricating three-dimensional plastic model with photohardening polymer” başlığıyla Hideo Kodama tarafından 1981 yılında Japonya’da bulunan Nayoga Municipal Industrial Research Institute’de yayınlanmıştır. Bu makalede Stereolitografi yöntemi anlatılmaktadır [4].
1980’lerin sonuna doğru 3b yazıcılar için ticari hamleler başlamıştır. 1986 senesinde Chuck Hull Stereolitografi yöntemi için bir patent almıştır. Hull ek olarak 3b yazıcı sistemleri için .stl (Stereolithographic kelimesinin kısaltması) dosya formatını da oluşturmuştur. Bu dosya sistemi bugün baskın olarak kullanılmaktadır. 1987 senesinde ise Chuck Hull 3D Sytems firmasını kurmuştur ve The SLA-1 makinesini piyasaya sürmüştür. Bu makine ilk ticari 3b yazıcı olarak tarihe geçmiştir. 3D Systems bugün 3b yazıcı piyasasının en büyük firmalarından birisidir [9].
1989 senesinde Carl Deckard seçici lazer sinterleme (Selective Laser Sintering-SLS) yönteminin patentini almıştır. Bu yöntemde toz hammadde lazer ile tabaka-tabaka sinterlenerek 3b nesneler üretilir. Deckard, aynı sene Desk Top firmasını kurmuştur. Bu firma daha sonra 3D Systems bünyesine katılmıştır.
Scott Crump 1989 senesinde eriyik yığma modelleme (Fused Deposition Modelling-FDM) yönteminin patentini almıştır. Aynı sene Stratasys firmasını kurmuştur. Bu firma bugün AM marketinin en büyük firmalarından birisi durumuna gelmiştir.
1990 senesine gelindiğinde Stereolitografi (SLA), Eriyik yığma modelleme (FDM) ve seçici lazer sinterleme (SLS) yöntemleri icat edilmiş ve ticarileştirilmiştir. Bugün AM teknolojilerinin temelini bu 3 teknoloji oluşturmaktadır. Başlangıçta söz konusu bu teknolojiler sadece hızlı protatipleme (Rapid Prototyping-RP) maksadıyla tasarımcılar tarafından kullanılmıştır [4].
3. Dönem (Yardımcı teknolojilerin geliştirilmesi 1990-2005)
Bu döneme gelindiğinde AM teknolojisinin endüstriyel anlamda kabul görmesi için yapılan çalışmalar göze çarpmaktadır. Teknolojinin o zamanki en büyük sorunu yardımcı teknolojilerin yeterince iyi olmamalarıdır. 3b dijital tasarımların yapılması, bilgisayara kaydedilmesi ve verinin makineye aktarılması verimli değildi. 3b tasarımın karalama çizimden başlanarak yapılması veya MR (manyetik rezonans), tomografi gibi görüntüleme cihazlarından alınarak oluşturulması yöntemlerinin ikiside oldukça yavaştı. Ek olarak, donanım ve yazılım sistemleri birbirleri ile tam uyuşmamaktaydı [4].
Dönemin ilerleyen zamanlarına doğru bilgisayarların hesaplama kabiliyetleri ve veri depolama kabiliyetleri oldukça hızlı gelişmiştir. 3b modelleme yazılımlarının gelişimi de bu dönem içerisinde oldukça artmıştır. 1990 senesinde Materialise şirketi kurulmuştur. Bu şirket AM makineleri için 3b modelleme yazılımları üretmektedir. Günümüzde marketin en büyük şirketidir. Ek olarak, 1993 senesinde SolidWorks Corporation şirketinin kurulması, AutoCad şirketinin AM pazarına yönelmeye başlaması yazılımdan kaynaklanan verimsizlik sorununu gidermeye başlamıştır.
Bağlantılı teknolojilerden birisi olan malzeme teknolojside bu dönemde gelişme göstermiştir. PLA, ABS (akrilonitril bütadien stiren) gibi plastikler, toz hammaddeler ve ışığa duyarlı polimer malzemeler üzerine araştırmalar yapılmıştır.
Bu dönemde ticari şirketlerin sayısı artmıştır. AM teknolojisinin endüstrilerde kullanımı artmıştır. Ink-jet binding, pollyjetting gibi bazı yeni teknolojiler de bu dönemde icat edilmiştir.
Sağlık sektöründe ise kompleks ameliyatlarda AM teknolojisi kullanılmaya başlanmıştır. Öncelikle sert doku, craniomaxillofacial (CMF) pediatrik anormallikler ve travma yaralanmaları için AM teknolojileri görev almaya başlamıştır. Bu dönemde sadece ortopedik ameliyatlar ve oral cerrahide kullanım söz konusudur [4].
4. Dönem (RepRap 2005-2012)
Bu dönem 3b yazıcıların kitleler tarafından fark edilmesi ile popüler hale geldiği dönemdir. Büyük teknolojik ilerlemelerden ziyade teknolojinin hukuki ve sosyal açıdan değişimi gözlenmiştir. 1980’lerin sonunda alınan patentlerin sürelerinin dolması sebebiyle teknoloji herkese açık duruma gelmiştir. Bunu takiben teknolojinin internet ve sosyal medya ortamlarında yayılmıştır ve kitleler teknolojinin farkına varmıştır.
2005 senesinde İngiltere’de bulunan Bath Üniversitesi’nde RepRap projesi başlamıştır. Bu proje Adrian Bowyer tarafından başlatılmıştır. Proje kapsamında kendisini inşa edebilen 3b yazıcılar tasarlanmıştır. O zamana kadar olan yazıcılardan çok daha ucuza üretilebilen bu yazıcılar ile AM teknolojisi kişilere ulaşmıştır. Yazıcının plastik parçaları başka bir 3b yazıcıdan üretilebilir. Metal dış aksamı ve hareketli sistemi her hırdavat dükkanında bulunabilen malzemelerden oluşmaktadır. Elektronik aksam ise kit halinde (arduino mega, ramps, motor sürücüleri, motorlar, termokupl, led güç ünitesi, led gösterge ekranı, bağlantı kabloları vb.) satılmaktadır. 3b yazıcıların yazılımları ise açık kaynak kodlu olduğundan ücretsizdir. RepRap makineleri bu nedenlerle kişilerin karşılayabileceği rakamlarla üretilebilmektedir. RepRap projesi sayesinde “maker” hareketi başlamıştır. Bu sayede kişiler yoğun ilgi göstermeye başlamıştır ve toplum 3b yazıcıları benimsemeye başlamıştır. Ek olarak, dosya paylaşım toplulukları kurulmuş (thingiverse) ve ücretsiz olarak insanlar tasarımlarını bu sitelerde paylaşmışlardır. Tasarım sayısı her geçen gün artmaktadır [13].
3B yazıcıların (özellikle SLA ve FDM modelleri) açık ve erişilebilir hale gelmesi ile başlayan “maker” hareketi sonucunda konunun ilgilisi olan insanlar bir araya gelmeye başlamıştır. Tasarım ve yapım konusunda ilgili insanların bir araya gelmeleri ile yeni şirketler kurulmaya başlanmıştır. MakerBot ve Formlabs bu şirketlerin en önemlileridir. Bu şirketlerin en önemli özellikleri endüstriden ziyade bireysel kullanıcı insanlara ekonomik 3b yazıcılar satmayı hedeflemeleridir. MakerBot 2009 senesinde kurulmuştur ve bu fikri hayata geçiren ilk şirkettir. FDM yöntemi ile çalışan 3b yazıcı tasarlamışlardır. Bu 3b yazıcı son kullanıcının hobi için satın alabileceği bir fiyattadır.
Fromlabs ise stereolitografi (SLA) yöntemi ile çalışan 3b yazıcı tasarımı yapmıştır. FDM yöntemine görece daha pahalı olmasına karşın, çözünürlüğün çok yüksek olması sebebi ile tercih edilmiştir. Bu şirketler bugün de faaliyetlerine devam etmektedirler.
3b yazıcıların toplum tarafından farkındalığının artmasının sonucu olarak akademik alanda ve araştırma enstitülerinde de araştırmalar başlamıştır. Başlangıçta 3b yazıcılardan her nesnenin ve her malzemenin üretilebileceği gibi bir algı oluşmuştur. Bu sebeple araştırmacılar konunun üzerine eğilmişlerdir. Ardından, teknolojinin buna kabiliyetinin olmadığının farkına varılmış lakin potansiyelinin yüksek olması ile 3b yazıcılarla ilgili araştırmalar devam etmiştir.
Teknolojinin gelişiminin bu döneminde sağlık alanında kullanımı ise yaygınlaşmıştır. 3b yazıcılarda üretilmiş protez ve ortezler hem polimer esaslı hem de metalik esaslı olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Hükümetler de konunun ehemmiyetini anlamış ve araştırmalar için fon ayırmaya başlamışlardır. Amerika Birleşik Devletleri’nde Hükumet 2008 yılındaki ekonomik krizden derin olarak etkilenmiştir ve AM teknolojisini ülkenin üretim gücünü yeniden inşa edebilecek bir kurtarıcı olarak görmüştür [4]. 2012 senesinde Hükumet Üretim inovasyonu için ulusal ağ (National Network for Manufacturing Innovation-NNMI) enstitüsünü ve Ulusal Eklemeli Üretim Enstitüsü’nü (National Additive Manufacturing Innovation Institute-NAMII) kurmuştur [4].
Bu dönem sonunda AM teknolojisi toplum tarafından fark edilmiştir. Bunun sonucu olarak bireysel ve kurumsal olarak ilgi ile karşılanmıştır. Araştırma ve geliştirme faaliyetleri artmaya başlamıştır. 3b yazıcılar kişilerin ulaşabileceği maliyetlere indirilmiştir.
5. Dönem (2. nesil 3B yazıcılar 2012-2017)
Bu döneme kadar teknolojisinin yazılımı, donanımı, sosyal farkındalığı ve teknolojinin ulaşılabilirliği geliştirilmiştir. Bu dönem itibarıyla AM teknolojisi; akademik mecranın, hükumetlerin, sağlık sektörünün ve endüstrinin dikkatini çekmiş olduğundan yapılan araştırmaların sonucu olarak 3b yazıcı hammaddelerinde gelişmeler yaşanmıştır. Yeni yüksek fonksiyonlu hammaddelerle üretimin sonucunda ise teknoloji tasarım prototiplerini yapmaktan kompleks ürünlerin kitlesel üretimini yapmaya terfi etmiştir. Ek olarak, bu dönem itibarıyla 3B yazıcılar kemik, kıkırdak ve kas yapılarını iyileştirebilecek veya canlandırabilecek biyolojik doku üretiminde potansiyel olarak görülmüştür. Bu bağlamda, Amerika Birleşik Devletleri’nin Ulusal Sağlık Enstitüsü (National Institutes of Health-NIH), Savunma Bakanlığı (Department of Defence-DoD) ve Birleşik Devletler Yiyecek ve İlaç Yönetimi (US Food and Drug Administration-FDA) gibi kurumları medikal 3b yazıcı araştırmaları için fonlar ayırmışlardır.
Birleşik Devletler Yiyecek ve İlaç Yönetimi (US Food and Drug Administration-FDA) ise 3b yazıcılarla ilgili ilk kılavuzunu 2017 senesinde yayınlamıştır [16]. 2017 senesinde BioFabUSA kurulmuştur. Bu kurum büyük miktarda doku üretimini ve doku alakalı teknolojilerin üretimini üstlenmesi için kurulmuştur.
6. Dönem (Günümüz 2017- )
Bu dönem yazılım ve donanım açısından gelişimini tamamlamış 3b yazıcılar için daha gelişmiş malzemelerin üretilmesine odaklı durumdadır. Özellikle biyomalzelerin 3b yazıcı ile üretilmesi üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Gelişen sistemler ile hidrojel gibi yüksek biyofonksiyonu olan malzemelerin, yaşayan hücre ve doku üretimi gibi yüksek biyofonksiyonu olan malzemelerin, hatta organ ve doku üretiminin (Biyo yazıcılar) araştırmaları yapılmaktadır.
Günümüzde havacılık, uzay, mimari, tüketici ürünleri, dişçilik ve sağlık gibi birçok sektörde 3b yazıcılar hem tasarım hem de kitlesel üretimde kullanılmaktadırlar.
Kaynakça
[1] B. Bunch ve A. Hellemans, THE HISTORY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, BOSTON: Houghton Mifflin Company, 2004.
[2] Z. Tez, Madencilik ve metalurji tarihi, İstanbul: Kitapsaray Yayınları, 1989.
[3] M. P. Groover, FUNDAMENTALS OF MODERN MANUFACTURING MATERİALS, PROCESS, AND SYSTEMS 4TH EDITION, JOHN WILEY & SONS, INC., 2010.
[4] A. Jakus, 3D PRINTING IN ORTHOPAEDIC SURGERY CHAPTER 1, ELSEVIER, 2019.
[5] I. Gibson, «Development of Additive Manufacturing Technology,» %1 içinde Additive Manufacturing Technologies, New York, Springer, 2015.
[6] J. Edgar, «“Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Protoryping, and Direct Digital Manufacturing”, 2nd Edition,» Johnson Matthey Technology Review,, 2015.
[7] E. Matias ve R. Bharat, «3D Printing: On Its Historical Evolution and the Implications for Business,» 2015 Proceedings of PICMET’15: Management of the Technology Age, 2015.
[8] D. Bourell, J. Beaman, M. Leu ve D. Rosen, «A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for AdditiveManufacturing: Looking Back and Looking Ahead,» RapidTech 2009: US-TURKEY Workshop on Rapid Technologies, 2009.
[9] T. Wohlers ve T. Gornet, «History of Additive Manufacturing,» Wohlers Associates Inc., 2014.
[10] Celebrating Chuck Hull & the SLA-1 Original 3D Printer – Now a Historic Mechanical Engineering Landmark, https://3dprint.com/134861/chuck-hull-asme-landmark/, 25 Mart 2019.
[11] C. Deckard.United States of America Patent: 5,155,324, 1990.
[12] S. Crump.United States of America Patent: 5,121,329, 1989.
[13] RepRap, https://reprap.org/wiki/About, 25 Mart 2019.
[14] Makerbot, http://makerbot.wikidot.com/lineage, 25 Mart 2019.
[15] An affordable, professional 3D printer, https://www.kickstarter.com/projects/formlabs/form-1-an-affordable-professional-3d-printer, 25 Mart 2019.
[16] FDA, «Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff,» U.S. Food&Drug, 2017.
Ülkemiz için bir kazanç olursun inşaallah