İstanbul Teknik Üniversitesi

“MATLAB tabanlı üretken tasarım yaklaşımı ile, FDM yöntemiyle imal edilebilir gözenekli yapıların hedef gözeneklilik ve mekanik özellikler doğrultusunda hızlı ve sistematik olarak tasarlanması mümkün hale geldi. Bu sayede deneme-yanılma yerine, sayısal modelleme ile optimize edilmiş yapı iskeleleri kısa sürede elde edildi.”

– Doç. Dr. Atakan Altınkaynak, İstanbul Teknik Üniversitesi

Meydan Okuma

Doku iskelesi tasarımında yüksek gözeneklilik ile yeterli mekanik dayanımın aynı anda sağlanması ve bu dengenin etkin şekilde kurulması.

Çözüm

MATLAB ortamında geliştirilen üretken tasarım algoritması ile gözeneklilik, rijitlik ve imal edilebilirlik kısıtlarını sağlayan yapıların sayısal olarak oluşturulması ve optimize edilmesi.

Sonuçlar

• %70’in üzerinde gözenekliliğe sahip yapıların tasarlanması sağlandı.
• Trabeküler kemik ile karşılaştırılabilir mekanik davranış elde edildi.
• Karmaşık ve düzensiz geometrilerin FDM ile imal edilebilirliği gösterildi.
• Deneysel testler ile sayısal model sonuçları doğrulandı.
• Tasarım sürecinde deneme-yanılma ihtiyacı azaltıldı.

Kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılan yapı iskelelerinin tasarımı, gözenekli yapıların geometrisi ile mekanik özellikleri arasındaki hassas dengeye bağlıdır. Hücre gelişimini desteklemek için yüksek gözeneklilik gereklidir; ancak bu durum yapının mekanik dayanımını azaltmaktadır. Bu nedenle, hedeflenen gözeneklilik ve mekanik performansı aynı anda sağlayan yapıların tasarımı önemli bir mühendislik problemi olarak ortaya çıkmaktadır.

Bu çalışmada*, gözenekli yapıların tasarım sürecini deneysel deneme-yanılma yaklaşımından çıkararak sistematik ve öngörülebilir hale getirmek amacıyla bir hesaplamalı tasarım çerçevesi geliştirilmiştir. MATLAB ortamında geliştirilen üretken tasarım yaklaşımı ile farklı tasarım parametreleri altında çok sayıda alternatif yapı oluşturulmuş, bu yapılar FDM yöntemi ile imal edilmiş ve deneysel olarak doğrulanmıştır. Böylece tasarım, imalat ve test süreçleri arasında bütünleşik bir yaklaşım sağlanmıştır.

Meydan Okuma

Gözenekli yapı tasarımında, hücre gelişimini destekleyecek düzeyde yüksek gözeneklilik sağlanırken aynı zamanda yapının mekanik dayanımının korunması gerekmektedir. Ancak gözeneklilik arttıkça mekanik performansın düşmesi, bu iki gereksinim arasında doğrudan bir çelişki oluşturmaktadır. Mevcut yaklaşımlar genellikle sınırlı geometri seçenekleri üzerinden ilerlemekte ve hedef özellikleri sağlayan yapıların elde edilmesi yoğun deneysel deneme-yanılma süreçlerine dayanmaktadır.

Çözüm

Bu çalışma kapsamında, gözenekli yapıların tasarım sürecini sistematik ve öngörülebilir hale getirmek amacıyla MATLAB ortamında bir üretken tasarım çerçevesi geliştirilmiştir. Bu yapı, MATLAB ortamında parametrik ve tekrarlanabilir bir şekilde çalıştırılarak farklı tasarım senaryolarının hızlıca değerlendirilmesini mümkün kılmaktadır.

Geliştirilen yaklaşımda, tasarım uzayı Halton dizisi ile örneklenmiş, oluşturulan noktalar en yakın komşu algoritması ile birleştirilerek üç boyutlu yol ağları elde edilmiştir. Ardından, genetik algoritma kullanılarak yapı geometrisi; hedef gözeneklilik ve rijitlik değerlerini sağlayacak şekilde optimize edilmiştir.

Tasarım sürecine, minimum kesit boyutu ve maksimum imalat açısı gibi FDM imalat kısıtları doğrudan entegre edilerek elde edilen yapıların imal edilebilir olması sağlanmıştır. Bu sayede klasik periyodik yapılardan farklı olarak, düzensiz ve yüksek derecede özelleştirilebilir mimariler oluşturulmuştur.

Oluşturulan geometriler üç boyutlu modellere dönüştürülmüş, FDM yöntemi ile PLA malzeme kullanılarak imal edilmiş ve deneysel testler ile doğrulanmıştır.

Sonuçlar

• Geliştirilen algoritma ile çok sayıda tasarım alternatifinin kısa sürede oluşturulması sağlandı.
• Gözeneklilik değerleri %70’in üzerine çıkarılarak hedef aralıklar başarıyla sağlandı.
• Elde edilen yapıların mekanik davranışının trabeküler kemik ile uyumlu olduğu gösterildi.
• FDM yöntemi ile karmaşık geometrilerin destek yapısı gerektirmeden imal edilebilirliği doğrulandı.
• Yapı bağlantı yoğunluğu ve segment sayısının mekanik performans üzerindeki etkisi ortaya kondu.
• Sayısal model ile deneysel sonuçlar arasında genel bir uyum elde edildi.
• Tasarım sürecinde deneysel iterasyon ihtiyacı önemli ölçüde azaltıldı.

Bu çalışma, daha geniş kapsamlı bir disiplinlerarası projenin hesaplamalı tasarım bileşenini oluşturmakta olup, geliştirilen yapıların biyolojik performansı ilerleyen aşamalarda in vitro deneyler ile değerlendirilecektir.

MATLAB tabanlı üretken tasarım yaklaşımı ile elde edilen gözenekli yapı örneği. Görsel, düzensiz mimari yapıyı ve kontrol edilebilir bağlantı özelliklerini göstermektedir.

*Sugür, M., Tabak, E., Göcek, İ., Acer Kalafat, M., Önder, S., & Altınkaynak, A. (2025). A generative design framework for porous structures: implementation to bone scaffolds using FDM method. Progress in Additive Manufacturing, 10 (11), 10039-10052.