Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği

Reha Özcan/ Mekanik Tasarım Mühendisi

Daha önce hiç metamateryal hakkında bir şey duymuş muydunuz? Tasarım ve mühendisliği birleştirdiğinizde doğada olmayan yeni özellikleri keşfedebileceğinizi biliyor muydunuz? Metamateryallerin ortaya çıkardıkları özellikler bakımından bu iş için oldukça etkileyici olduğu söylenebilir. Bu yazının içeriğinde metamateryal mekanizmaları ve bu yapıların 3D yazıcı teknolojisi ile nasıl üretileceği konusunda bilgiler aktaracağım. 3D yazıcıdan çıkan ürünlerin aksine metamateryal yapılar pasif bir yapı elemanı değil bunun aksine kendi içerisinde bir mekanizma gibi hareket edebilen yapılardır.

Metamateryal Nedir?

Yunanca “ötesinde” anlamına gelen “meta” sözcüğünden türeyen metamateryaller, sahip oldukları mekanik özeliklerini üretildiği malzemeden değil de tamamen oluşturulduğu iç yapılardan alır. Yani bu yapılar herhangi bir malzemenin ötesinde anlamına gelmektedir çünkü yeni geliştirilen bu yapı, doğal olarak oluşabilecek tüm mekanik yapıların ötesinde bir organizasyon formu içerir.

Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği
Kollara kuvvet uygulandığında uçtaki braketler de içeri doğru kapanma hareketi yaparak çiviyi arada sıkıştırır.

Metamateryallerin Farklı Tipleri Var mı?

Evet! 3D yazma teknolojisi hakkında konuşurken hep yapay malzemelerden yapılan mekanik veya elastik parçaları düşünürüz fakat bunun yanında elektromanyetik metamateryaller gibi diğer türlerin de olduğunu unutmayalım. Fotonik metamateryaller gibi bazı elektromanyetik metamateryaller ışıkla etkileşir ve negatif bir kırılma indisine sahiptir. Negatif kırılma, malzemenin üzerinde ışığın dışarı doğru kırılması veya bükülmesidir. Bu malzemenin pozitif kırılma indeksine sahip olan cam mercek gibi malzemelerden temel farklılıklardan biridir. Bu malzemelerde elektrik ve manyetik alanlar, optik cihazlar ile zıt davranış gösterir. Metamateryaller ışık kırma indisi üzerindeki etkisi sayesinde 2006 yılında yapılan ve kısmen çalışan görünmezlik pelerini imalatında kullanılmıştır. Doğal olarak bulunan hiçbir malzeme ile yapılamayacak deneyler metamateryaller ile başarılabilmektedir.

Metamateryal Uygulamaları

Metamateryal mekanizmalarının son zamanlarda tasarlanan özellikleri ile elektromanyetik dalgaları bloklaması, sönümlemesi veya kırması yolu ile geleneksel malzemeler ile yapılanların ötesine geçilebilmektedir. Bu sayede geleneksel malzemeler ile yapılması fi zibıl olmayan konstrüksiyonların yapılmasına olanak sağlamaktadır.

Metamateryal kullanılmaya başlanılmasından sonra pek çok mühendislik alanı bu konudan etkilenmese de bu tekniği kullanan bazı alanlarda, kullanımları ciddi oranda yaygınlaşmaya başlamıştır. Bunlardan bazıları medikal cihazlar, elektrik mühendisliği, uzak havacılık uygulamaları, sensör algılamaları, sismik metamateryaller ve daha fazlası. Örnek vermek gerekirse metamateryaller ile geleneksel merceklerin kırılma yüzünden inebildiği minimum çözünürlükten daha iyi çözünürlük elde etmek mümkündür.

Bu sayede ilerleyen zamanlarda süperlenslerin imalatına öncülük edebilecektir. Bunun haricinde gelen kuvvetleri yönlendirme ve sönümleme etkisi kullanılırsa metamateryalden yapılmış çarpışma sırasında araca ve içerisindeki yolcuya zarar vermeden kazaları atlatmaya yarayan tampon veya gövde parçaları imal edilebilir.

Metamateryaller Nasıl Çalışır?

Metamateryaller genellikle tekrarlanarak çoğaltılmış hücreler ile oluşturulan ve bu hücrelerin diziliş şekli ile kendine özgü karakteristik mekanik özellikleri olan yapay olarak konstrükte edilmiş yapılardır. Konseptine göre yapılan bazı çalışmalarda sıkıştırıldığında öteki ucunda da baskı oluşturan pense gibi sıradışı malzemeler üretmek mümkündür. Bu hareket yumuşak veya sert kalacak şekilde dizilmiş hücreler dizininin gelen tahrike göre birbirine kuvvet iletirken hücre kafesleri içerisinde iki boyutlu hareket oluşur. Bu hareket zincirleme etkiyle zayıf olan hücrelere doğru kuvvet aktarmaya devam eder ve kasıtlı olarak yerleştirilmiş yumuşak ve sert hücre grupları üzerinden istenilen yöne doğru kuvvet iletimi sağlanabilir.

Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği
Kesme hücresi bası kuvvetine maruz kalırsa şekilde gösterilen nokta sabit kalan nokta üzerinden dairesel çizgiyi takip eder. Bu sayede 90° kuvvet yönü değiştirilmiş olur

Aşağıda açıklanan objelerin uygulandığı aygıtlarda belirli bir kuvvet girdisi istenilen şekilde yönlendirilerek ihtiyaç olan hareketi yapması sağlanmıştır

Metamateryal Mekanizma #1: Kapı Kilidi

Aşağıdaki resimde bir kapı kilidi gösterilmiştir. Bu kapı kilidi bir metamateryal mekanizması olarak uygulanmıştır. Bu obje kapı kolu, yayı, dili ve gövdesini içeren tek bir kafes temelli malzemeden 3D printer ile yazılmış gövdeden oluşmaktadır. Kapı kolunu aşağıya çektiğiniz zaman merkezi menteşe dizisinin deforme olmasına neden olur. Daha sonra hücreler makaslanır ve kapının kilidi içeri doğru çekilir, bu da kapıyı açar.

Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği

Metamateryal Mekanizma #2: Pantograf

Şimdiki parçamız ise bir pantograf. Bu farklı esnekliğe sahip hücrelerden oluşan tek bir parçadır. Pantografın bir tarafı masaya sabittir ve diğer tarafı ise serbest hareket yapabilecek şekildedir. Kafesin içerisine iki adet kalem yerleştirilmiştir ve resimde gözüken en sağda bulunan kalem bizim çizim için kullandığımız kalemdir fakat ikinci kalem birinci kalemin hareketlerini taklit ederek çizilen resmin daha küçüğünü çizecek şekilde kendi başına hareket eder.

Bu uygulamalarda bu yapıların hiç kırılıp kırılmadığını merak ettiniz mi? Yanıt hayır. Çünkü metamateryal mekanizmalar tamamen elastik sınırlar içerisinde çalışır ve bu sayede yorulma ve malzeme hasarları oluşmamış olur.

Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği

Metamateryal Üretim Yöntemleri

Bu tarz mekanizmaların oluşturulması için temel olarak iki yol kullanılabilir. Bunlardan birincisi 3D yazıcılar ile. Yukarıda verilen örnekler gibi 2D mekanizmaların yanında haya gücüne göre 3D mekanizmalarda tasarlanabilir. Bunun haricinde 2D hareket edebilen mekanizmalar lazer kesim ile üretilen parçalarla da yapılabilir.

Metamateryaller: 3D Yazıcı Teknolojisinin Geleceği