3D prıntıng of ınfıll-based tpu auxetıc metamaterıals: a slıcer-controlled desıgn-to-fabrıcatıon experıment

3B baskıyla dolgu tabanlı tpu oksetik metamalzemeler: Dilimleyici kontrollü tasarımdan üretime bir deney

PDF İndir

Tez No: 990198
Yazar: FATIMA AYECH
Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞEGÜL AKÇAY KAVAKOĞLU
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Mimarlık, Architecture
Anahtar Kelimeler: Auxetic malzemeler, Esnek malzemeler, Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, Katmanlı üretim, Metamalzemeler, Yüzey deformasyonu, Üç boyutlu baskı, Auxetic materials, Flexible materials, Functionally graded materials, Additive manufacturing, Metamaterials, Surface deformation, 3D printing
Yıl: 2026
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Son yıllarda mimarlık, havacılık, ürün tasarımı ve giyilebilir teknolojiler gibi tasarım disiplinlerinde, dış koşullara kontrollü esneklik, deformasyon ve geri kazanım yoluyla yanıt verebilen malzeme ve yapılara yönelik ilgi giderek artmaktadır. Bu çerçevede, negatif Poisson oranı (NPR) davranışı ile tanımlanan oksetik metamalzemeler, çekme altında yanal daralma yerine genişleme gösteren tepkileriyle dikkat çeken mühendislik sistemleri olarak öne çıkmaktadır. Bu karşı-sezgisel davranış, büyük ölçüde malzemenin kimyasal bileşiminden ziyade hücrelerin, menteşelerin, eklemlerin ve boşlukların düzenlenmesine dayanan mikro-mimari konfigürasyon tarafından belirlenmektedir. Bu bağlamda oksetik yapılar; ayarlanabilir gözeneklilik, yerel deformasyon ve tekrarlanabilir mekanik davranış özelliklerine sahip hafif sistemlerin geliştirilmesine olanak tanıyan, geometri temelli bir tasarım yaklaşımı sunmaktadır. Paralel olarak, özellikle ergiyik yığma modelleme (Fused Deposition Modeling – FDM) temelli eklemeli imalat teknikleri, bu tür mikro-mimarilerin erişilebilir biçimde üretilmesini mümkün kılmıştır. Bu tez, elastomerik oksetik metamalzemelerin geliştirilmesi amacıyla dolgu (infill) tabanlı üç boyutlu baskıyı tasarımdan üretime uzanan bir araç olarak incelemektedir. İlk değerlendirme malzemesi olarak rijit PLA, temel elastomerik ortam olarak ise TPU 95A kullanılarak; dilimleme yazılımı (slicer) mantığı ve takım yolu (toolpath) kararları, deformasyon eğilimlerinin, gözenekliliğin ve malzeme verimliliğinin doğrudan üretim sürecine gömülebildiği aktif bir tasarım ve karar verme katmanı olarak ele alınmaktadır. Metamalzemeler, oksetik deformasyon mekanizmaları, desen temelli tasarım stratejileri ve eklemeli imalat iş akışlarını kapsayan odaklı bir literatür incelemesinin ardından araştırma, literatürde görece az çalışılmış özgül bir kesişim noktasına konumlandırılmaktadır. Oksetik davranış; geometri ve malzeme seçimi üzerinden kapsamlı biçimde incelenmiş olsa da, dilimleme kontrollü dolgu stratejilerinin deformasyonun ve mekanik tepkinin programlanmasındaki sistematik rolü yeterince ele alınmamıştır. Bu nedenle tez, dolgu deseninin türü, yoğunluk varyasyonu ve takım yolu konfigürasyonunun, üç boyutlu yazdırılmış oksetik metamalzemelerin gözlemlenebilir davranışını belirleyen birincil tasarım değişkenleri olarak nasıl ele alınabileceğini araştırmaktadır. Dolgu, ikincil bir yapısal dolgu elemanı olarak değil; dijital geometri ile fiziksel performans arasında aracılık eden bir mikro-mimari katman olarak yeniden çerçevelenmekte ve bu sayede hafif, deformasyona açık ve geri kazanabilir TPU tabanlı numunelerin kontrollü biçimde üretilmesi sağlanmaktadır. Çalışma, deney temelli ve prototip odaklı bir metodoloji ile yapılandırılmış üç ardışık aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, analog ve görsel incelemelerden başlayarak hesaplamalı desen üretimi ve sayısal simülasyona uzanan keşifsel bir desen araştırması yürütülmektedir. Bu aşamada oksetik desen aileleri; geometrik açıklık, deformasyonun okunabilirliği ve literatürdeki yaygınlık kriterlerine göre keşifsel bir önceliklendirme listesi içerisinde sınıflandırılmakta, performans sıralaması yerine yapılandırılmış bir tasarım uzayı oluşturulmaktadır. Yüksek potansiyele sahip tipolojiler, görsel programlama araçları kullanılarak parametrik tanımlara dönüştürülmekte ve bu sayede kontrollü varyasyon ile karşılaştırmalı değerlendirme mümkün kılınmaktadır. Fiziksel prototipleme, başlangıçta elastomerik davranıştan bağımsız olarak geometrik eklemlenme, baskı doğruluğu ve deformasyon mantığının doğrulanması amacıyla PLA tabanlı numunelerle gerçekleştirilmektedir. Ardından, silikon kullanılarak elastomerik tepkinin gözlemlendiği bir malzeme geçiş aşaması uygulanmakta; bu süreç, ters kalıp temelli döküm yöntemlerinin mikro-ölçekli mimarinin kontrolünde yarattığı sınırlamaları da ortaya koymaktadır. Merkezi deneysel aşamada ise TPU 95A kullanılarak, dolgu tabanlı üretim elastomerik oksetik metamalzemelerin elde edilmesinde temel mekanizma hâline gelmektedir. Prototipler boyunca, dilimleme yazılımına bağlı parametreler sistematik olarak değiştirilmekte ve belgelenmekte; üretim kararlarının deformasyon açıklığı, gözeneklilik, elastik geri kazanım ve yapısal dayanım üzerindeki etkileri incelenmektedir. Sayısal simülasyon, karşılaştırmalı gözlemleri desteklerken; sonuçlar, tüm test edilen kategorilerde tipoloji, dolgu stratejileri, baskı parametreleri ve gözlemlenen davranışları içeren bir prototip dokümantasyon matrisi aracılığıyla bütünleştirilmektedir. Tezin temel katkısı, elastomerik üç boyutlu baskıda oksetik tipoloji ile dolgu temelli davranışı ilişkilendiren, dilimleyiciye bağımlı bir tasarımdan üretime iş akışının ortaya konulmasında yatmaktadır. Bu çerçevede deformasyon; dolgu deseni seçimi, yoğunluk varyasyonu, kabuk ve duvar konfigürasyonu, ekstrüzyon ayarları ve takım yolu mantığı aracılığıyla şekillenen, programlanabilir bir mikro-mimari sonuç olarak ele alınmaktadır. Bu yaklaşım, temel geometrinin yeniden modellenmesine gerek kalmadan hızlı iterasyona olanak tanımakta; tek bir tipolojinin yalnızca dilimleme stratejileri üzerinden birden fazla davranış sergilemesini mümkün kılmaktadır. Sinüzoidal, fidget, döner, çok yönlü, hiyerarşik ve fonksiyonel dereceli sistemler dâhil olmak üzere oksetik ve oksetik olmayan kategorilerin karşılaştırmalı değerlendirilmesi, dolgu mantığının algılanan adaptiflik, deformasyon tepkisi ve elastik geri kazanım üzerinde doğrudan etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Döner oksetik konfigürasyonlar, görünür genişleme mekanizmaları ve elastomerik üç boyutlu baskıdaki güvenilir davranışları nedeniyle sürekli olarak yüksek öncelikli adaylar olarak öne çıkmaktadır. Sürdürülebilirlik, çalışma boyunca paralel bir bulgu olarak ortaya çıkmaktadır. Katı baskı yerine dolgu tabanlı üç boyutlu baskının kullanılması sayesinde prototiplerde belirgin ölçüde malzeme tasarrufu, düşük yoğunluk ve daha kısa baskı süresi elde edilirken oksetik davranış korunmaktadır. Karşılaştırmalı testler, gyroid dolgunun deformasyon sürekliliği ve izotropik tepki açısından üstün performans sergilediğini; buna karşın üç boyutlu bal peteği (3D honeycomb) dolgunun hacimsel kullanımda daha az filament ve daha kısa üretim süresi gerektirmesi nedeniyle maliyet verimliliği açısından öne çıktığını göstermektedir. Bu gözlem, dolgu tasarımının sürdürülebilirlik odaklı bir araç olarak potansiyelini vurgulamakta ve deformasyon performansı ile çevresel verimliliği eş zamanlı olarak optimize eden dolgu desenlerine yönelik gelecekteki araştırmaları teşvik etmektedir. Son aşamada tez, en yüksek keşifsel önceliğe sahip seçilmiş oksetik numunelerin iç hava basıncı altındaki tepkilerini incelemek amacıyla pnömatik deformasyonu deneysel bir gözlem olarak ele almaktadır. Bu aşama, standartlaştırılmış bir mühendislik değerlendirmesinden ziyade niteliksel bir inceleme olarak açıkça tanımlanmaktadır. Şişirme işlemi; geri dönüşlü deformasyon davranışı, elastik toparlanma ve oksetik topoloji, boşluk dağılımı, menteşe davranışı ve dilimleyici kontrollü mikro-mimari etkileşiminden kaynaklanan eğrilik eğilimlerini izlemek için kullanılmaktadır. Bu gözlemler, pnömatik etkiyi araştırmanın ana itici gücü olarak konumlandırmadan; düzlemsel oksetik tekstillerin, kontrollü üretim mantığı ve malzeme elastikiyeti aracılığıyla hacimsel tepkilere yönlendirilebileceği yönündeki temel savı doğrulamaktadır. Genel olarak çalışma, dolgu tabanlı TPU üç boyutlu baskıyı; hafif, nefes alabilir ve deformasyona duyarlı oksetik metamalzemelerin üretimi için, tekrarlanabilir ve genişletilebilir bir deneysel çerçeve sunan, üretim farkındalığı yüksek bir yaklaşım olarak konumlandırmaktadır. Sistematik prototipleme, keşifsel önceliklendirme ve yapılandırılmış bir dokümantasyon matrisi üzerine kurulu olan bu yaklaşım, oksetik metamalzeme çalışmalarında sıklıkla karşılaşılan ve deneysel sonuçların birbirinden kopuk biçimde sunulmasına yol açan karşılaştırma eksikliğini gidermeyi hedeflemektedir. Dokümantasyon matrisi, yalnızca elde edilen sonuçların bir sentezi değil; aynı zamanda dolgu mantığı, yoğunluk gradyanları, kabuk konfigürasyonu ve malzeme seçimi gibi parametrelerin sürekliliğini koruyarak yeniden üretim, genişletme veya yeniden kalibrasyona olanak tanıyan pratik bir metodolojik iskelet işlevi görmektedir. Bu bağlamda tez çıktısı, yalnızca üretilen prototiplerle ya da dokümantasyon matrisiyle sınırlı kalmamakta; dolgu geometrisini ikincil bir baskı parametresi olmaktan çıkararak, hareketi, gözenekliliği ve elastisiteyi doğrudan malzeme sistemlerine kodlayabilen birincil bir mimari tasarım aracı olarak ele alan bir tasarımdan üretime paradigması önermektedir. Böylece araştırma, farklı tasarım alanları arasında kümülatif bilgi üretimine katkı sağlamakta ve dolgu tabanlı oksetik metamalzeme üretimini; hesaplama, malzeme davranışı ve sürdürülebilir tasarım kesişiminde gelecekteki çalışmalar için verimli bir araştırma zemini olarak konumlandırmaktadır.

Özet (Çeviri)

In recent years, designs disciplines across architecture, aerospace, product development, and wearable technology, have witnessed increasing interest in materials and structures capable of responding to external conditions through controlled flexibility, deformation, and recovery. Within this spectrum, auxetic metamaterials have emerged as a notable class of engineered systems defined by negative Poisson's ratio (NPR) behavior, in which lateral expansion occurs under tension rather than contraction. This counterintuitive response is ruled primarily by micro-architectural configuration, the arrangement of cells, hinges, joints, and voids, rather than by material composition alone. Given that, auxetics provide a geometry-driven path toward lightweight structures with tunable porosity, localized deformation, and repeatable mechanical behavior. In parallel, additive manufacturing, particularly fused deposition modeling (FDM), has enabled the accessible fabrication of such micro-architectures. This thesis investigates infill-based 3D printing as a design-to-fabrication medium for developing elastomeric auxetic metamaterials. Using rigid PLA as an initial evaluation material and TPU 95A as the primary elastomeric medium, the study frames slicer logic and toolpath decisions as an active layer of design control and decision-making, through which deformation tendencies, porosity, and material efficiency can be embedded directly into fabricated specimens. Following a focused literature review of metamaterials, auxetic deformation mechanisms, pattern-based design strategies, and additive manufacturing workflows, the research positions itself at a specific underexplored junction. While auxetic behavior has been widely examined through geometry and material selection, the systematic role of slicer-controlled infill strategies as a means of programming deformation and response remains inadequately explored. The thesis therefore investigates how infill pattern, density variation, and toolpath configuration can be treated as primary design variables influencing the observable behavior of 3D-printed auxetic metamaterials. Rather than approaching infill as a secondary structural filler, it is reframed as a micro-architectural mediator between digital geometry and physical performance, enabling the controlled production of lightweight, deformable, and recoverable TPU-based specimens. The study consists of an experiment-driven, prototype-based methodology structured into 3 sequential phases. It begins with exploratory pattern investigation, moving from analog and visual inspection to computational pattern generation and digital simulation. During this stage, auxetic pattern families are sorted in an exploratory prioritization list based on geometric clarity, deformation legibility, and frequency in literature, setting a structured design space rather than a performance ranking. Typologies of highest potential are translated into parametric definitions using visual programming, enabling calculated variation and comparative evaluation. Physical prototyping initially proceeds through PLA-based specimens to validate geometric articulation, print fidelity, and deformation logic independently of elastic material behavior. A material transition stage follows, using silicone to observe elastomeric response while revealing restrictions in controlling micro-scale architecture through inverse mold-based casting. The central experimental stage then shifts to TPU 95A, where infill-based fabrication becomes the primary mechanism for producing elastomeric auxetic metamaterials. Across prototypes, slicer-dependent parameters are systematically modified and documented to examine how fabrication decisions influence deformation clarity, porosity, elastic recovery, and structural resilience. Digital simulation supports comparative observation, while results are consolidated through a prototype documentation matrix that records typology, infill strategies, printing parameters, and observed behavior across all tested categories. The core contribution of the thesis lies in establishing a slicer-dependent design-to-fabrication workflow that links auxetic typology to infill-driven behavior in elastomeric 3D printing. Within this framework, deformation is seen as a programmable outcome of micro-architectural decisions, shaped through infill pattern selection, density variation, shell and wall configuration, extrusion settings, and toolpath logic. This approach enables rapid iteration without redesigning base geometry, as a single typology can express multiple behaviors through slicing strategies alone. Through comparative evaluation of non-auxetic categories and multiple auxetic categories, including sinusoidal, fidget, rotating, multidirectional, hierarchical, and functionally graded systems, the study reveals how infill logic directly impacts perceived adaptivity, deformation responsiveness, and elastic recovery. Rotating auxetic configurations consistently emerge as high-priority candidates due to their visible expansion mechanisms and reliable behavior in elastomeric 3D printing, while hierarchical and graded specimens expose how spatial variation in infill density can support programmable elasticity and confined performance tuning. Sustainability emerges as a parallel finding throughout the study. By relying on infill-based 3D printing rather than solid 3D printing, the prototypes achieve substantial material reduction, lower density, and reduced print time while retaining auxetic behavior. Comparative testing further revealed that while gyroid infill provides superior deformation continuity and isotropic response, 3D honeycomb infill surpasses gyroid in cost efficiency when used volumetrically, requiring less filament and shorter fabrication time. This observation underscores the potential of infill design as a sustainability measure and motivates future research into infill patterns optimized simultaneously for deformation performance and environmental efficiency. In the final stage, the thesis introduces pneumatic deformation as an experimental observation to examine how nominated auxetic specimens with highest exploratory priority respond under internal air pressure. This stage is viewed explicitly as qualitative rather than as a standardized engineering assessment. Inflation is used to track reversible deformation behavior, elastic recovery, and curvature tendencies emerging from the interaction between auxetic topology, void distribution, hinge behavior, and slicer-controlled micro-architecture. These observations verify the broader claim that planar auxetic textiles can be steered toward volumetric responses through controlled fabrication logic and material elasticity, without positioning pneumatic actuation as the primary force behind the research. Overall, the study positions infill-based TPU 3D printing as a viable, fabrication-aware approach for producing lightweight, breathable, and deformation-responsive auxetic metamaterials through a replicable and extendable experimental framework. By grounding the investigation in systematic prototyping, exploratory prioritization, and a structured documentation matrix, the research addresses a persistent gap in auxetic metamaterial studies, in which experimental outcomes are often presented in isolation and without a shared foundation suggesting proper comparison. The documentation matrix functions not only as a synthesis of results but as a handy methodological scaffold, enabling future researchers to reproduce, extend, or recalibrate the same parameters, such as infill logic, density gradients, shell configuration, and material selection, while maintaining continuity in evaluation. Beyond its immediate findings, the framework establishes a foundation for future investigations into elastomers of lower hardness, custom infill pattern design, and functionally graded micro-architectures optimized for both mechanical performance and material efficiency. The observed trade-offs between deformation clarity, structural stability, and filament usage point toward opportunities for integrating sustainable infill strategies, in which material reduction and print efficiency are treated as design objectives alongside mechanical behavior. Moreover, the slicer-dependent approach opens opportunities for the development of custom slicing tools or plugins that would allow designers to program deformation logic directly at the toolpath level, democratizing access to programmable metamaterial fabrication even more. In this sense, the thesis outcome extends beyond the specific prototypes produced and is not limited to the documentation address too as its only contribution, but rather offers a design-to-fabrication paradigm in which infill geometry is elevated from a secondary printing parameter to a primary architectural design medium, capable of encrypting motion, porosity, and elasticity directly into material systems. By doing so, the research supplies cumulative knowledge-building across different fields of design, and positions infill-based auxetic metamaterial fabrication as a fertile ground for future work at the intersection of computation, material behavior, and sustainable design.

Benzer Tezler

Tez No
976933
Studying the effect of the type of 3D printed material and surface roughness on the grip efficiency of end effector for an educational robotic arm
Bı̇r eğı̇tı̇m robot kolu ı̇çı̇n 3 boyutlu baskılı malzeme türü ve yüzey pürüzlülüğünün uç efektörün kavrama verı̇mlı̇lı̇ğı̇ üzerı̇ndekı̇ etkı̇sı̇nı̇n ı̇ncelenmesı̇
FEDAA AFDAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliği Karabük Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL HAKKI KARA
Tez No
723348
3D yazıcılar için ahşap biyo-kompozit filament üretimi ve bazı özelliklerinin incelenmesi
Wood bio-composite filament production for 3D printer and examination of some properties
VEYSEL TOKDEMİR
Doktora
Türkçe
2022
Ağaç İşleri Karabük Üniversitesi
Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SUAT ALTUN
Tez No
824740
Tasarım süreçlerinin prototipleme veya son ürün aşamalarında ürün gereksinimlerini etkileyen 3B baskı parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of 3D printing parameters that affect product requirements in prototyping or final product stages of design
SERAP YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Endüstri Ürünleri Tasarımı Gazi Üniversitesi
Endüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH TOĞAY
Tez No
989144
Eriyik yığma modellemesi ile üretilen PLA numunelerde delik imalat yöntemlerinin mikroyapı ve çekme dayanımına etkisinin incelenmesi
Effect of hole manufacturing methods on microstructure and tensile strength of PLA specimens produced by fused filament fabrication
ENES KALYONCU
Doktora
Türkçe
2025
Makine Mühendisliği Yıldız Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL AŞÇIOĞLU TEMİZTAŞ
DOÇ. DR. BERNA BOLAT
Tez No
830663
A line-based infill optimization method for material extrusion additive manufacturing
Malzeme ekstrüzyonu eklemeli imalat yöntemi ile üretilen parçalar için çizgi tabanlı iç yapı optimizasyon yöntemi
RAHMAN UNCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliği Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN

Geri Dön