HIZLI PROTOTİPLEME YAZILIMI GELİŞTİRME ÇALIŞMASI

TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi 26-28 Nisan 2006 - BALIKESİR HIZLI PROTOTİPLEME YAZILIMI GELİŞTİRME ÇALIŞMASI Dr.Murat Gültekin 1, İ.Hüseyin Filiz 2, Cengiz Doğan 2,Faruk Çavdar 2 1 ASELSAN A.Ş., Mikrodalga Sistem Teknolojileri Grubu, Mekanik Tasarım Müdürlüğü-Ankara mgultek@aselsan.com.tr 2 Gaziantep Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü-Gaziantep hfiliz@gantep.edu.tr, dogan@gantep.edu.tr, fcavdar@gantep.edu.tr Özet Hızlı prototipleme üç boyutlu objelerin doğrudan bilgisayar destekli tasarım (BDT) dosyaları kullanılarak çok kısa bir sürede üretilmesini sağlayan bir teknolojidir. Konvansiyonel tezgahların aksine, model bloktan malzeme keserek değil, her dilimde üst üste malzeme sererek üretilir. Hızlı prototipleme süreci üç temel adımdan oluşmaktadır; dilimleme, takım yollarının oluşturulması ve üretim. İlk iki adımda AutoCAD üçgen şekilli yüzeylerle tanımlanan modelin, dilimlerin ve yolların ekranda grafik olarak gösterimi amaçlı grafik kullanıcı arayüzü olarak kullanılabilir. Bunun için, AutoCAD objeleri Visual Basic içerisinden ActiveX arayüzü kullanılarak çağrılmaktadır. Böylece, kullanıcı ekrandaki görüntüyü (üçgen şekilli yüzeylerle tanımlanmış model, dilimler veya yollar) sağa, sola ve yukarı aşağı kaydırabilir, yaklaşıp uzaklaşabilir ve üç boyutlu olarak döndürebilir. Bu çalışmada hızlı prototiplemeye yönelik olarak Visual Basic programlama ortamında geliştirilen Rapid Slice yazılımı tanıtılmaktadır. Rapid Slice yazılımı herhangi bir STL dosyasını okuyarak dilimleme ve malzeme serim yollarının oluşturulması işlemlerini gerçekleştirmektedir. Anahtar Terimler: Hızlı prototipleme, tabakalar halinde üretim, AutoCAD Abstract Rapid prototyping (RP) is the technology of manufacturing of 3D objects from CAD (Computer Aided Design) files directly in a very short time. In contrast to conventional machines, model is manufactured directly by laying material onto each other slice by slice, not cutting material away from stock. RP process includes three main steps; slicing, creation of tool paths and manufacturing. During the first two steps AutoCAD can be used as the graphical user interface to represent the facetted model, slices and roads graphically on the screen. In order to establish this, AutoCAD objects are called through ActiveX interface within Visual Basic. User can pan, zoom and view dynamically the facetted model, slices and roads easily with less programming effort. In this study, the software called Rapid Slice is described which is developed under Visual Basic. Rapid Slice software reads an STL file, slices the facetted model and creates roads. Key Words: Rapid prototyping, layered manufacturing, AutoCAD 326

1. GİRİŞ Bir tasarımın doğrulanması genellikle son ürüne çok yakın ve çok sayıda fiziksel prototipin üretilmesi sonrasında gerçekleştirilmektedir. Tasarım değişiklikleri mevcut prototipin alt montaj veya elemanlarında bir çok düzeltme ve modifikasyonu gerektirebilmektedir. Fiziksel prototipler ele alındığında, bu türde değişiklikler tasarım hesaplamalarının yeniden yapılmasına, yeni takım ve aparat tasarımına ve imalat işleminin tekrarlanmasına yol açabilmektedir. Bu durum ek malzeme ve işçilik giderlerine neden olmaktadır. Sonuç olarak, fiziksel prototiplerin klasik yöntemlerle üretilmesi çok pahalı ve zaman alıcı bir süreçtir [1]. Klasik yöntemlere nazaran hızlı prototipleme yöntemi sayesinde tasarım mühendislerine fiziksel prototipleri direkt olarak bilgisayar destekli tasarım (BDT) verisi kullanarak üretme imkanı kazandırmaktadır. Böylece mühendisler çok daha hızlı tasarım doğrulama yapabilmekte ve aynı zamanda daha kompleks yapıdaki prototiplerin üretimi mümkün olmaktadır. Bu çalışmada üç boyutlu BDT modelini STL dosya formatında okuyan, dilimleme ve takım yolu hesaplama işlemlerini gerçekleştiren Rapid Slice yazılımı tanıtılacaktır. Ayrıca, kullanıcı grafik arayüzü için AutoCAD yazılımının kullanımına değinilecektir. 2. HIZLI PROTOTİPLEME Hızlı prototipleme üç boyutlu objelerin direkt olarak BDT verisi kullanılarak, insan kontrolüne ihtiyaç duymaksızın otomatik olarak üretilmesi anlamına gelmektedir. BDT dosyası sisteme girilmekte, bir kaç saat beklendikten sonra objenin fiziksel prototipi elde edilmektedir. Prototip konvansiyonel talaşlı imalat metodlarının aksine blok şeklindeki ham malzemeden kesilmek yerine, üst üste malzeme serilmesi yoluyla üretilmektedir. Bu nedenle hızlı prototipleme yöntemiyle karmaşık şekilli objelerin üretimi bir sorun teşkil etmemektedir. Ancak, bu yöntemle üretilen prototipin bir model olduğu, gerçek son kullanıcı ürünü olmadığı gözden kaçırılmamalıdır [1]. 2.1 Hızlı Prototipleme Yöteminin Uygulama Alanları Hızlı prototipleme yöntemi, Tasarımı yapılan ürünün nasıl göründüğü, özellikle bir tüketici ürününün boyandıktan ve paketlendikten sonra ne derece çekici olduğunun değerlendirilmesi amacıyla, Tasarımı yapılan ürünün monte edileceği yere uygun olup olmadığı ve fonsiyonelliği hakkında değerlendirme yapılması amacıyla, Son ürünün doküm yöntemiyle üretilmesi amacıyla, kullanılabilir. 2.2 STL Dosya Formatı STL dosya formatı hızlı prototipleme endüstrisi tarafından kabül edilen standart dosya formatıdır. Bu format üç boyutlu obje hacminin yüzeycik adı verilen üçgenlerle tanımlanmasını sağlamaktadır. Her bir üçgen yüzeycik kendi üç kenarının nokta koordinatları ve malzemenin tersine yönlendirilmiş, yüzeye dik normal vektörü ile tanımlanır. STL dosyası içinde her komşu üçgenin iki kenar koordinatı ortak olmak durumundadır. Düz yüzeylerin az sayıda üçgen yüzeyciklerle tanımlanması mümkündür. Buna karşılık, radyuslu yüzeylerin çok sayıda küçük üçgen yüzeycikler ile tanımlanması gerekmektedir. 327

Şekil 1. BDT dosyasının taranmış ve STL formatında üçgen yüzeyciklerle gösterimi. 3. BDT VERİSİNİN DİLİMLENMESİ Üç boyutlu BDT modeli hızlı prototipleme tezgahının çalıştırılması için direkt olarak kullanılamaz. Üç boyutlu BDT modelinin öncelikle X ve Y koordinatlarında kesişim noktalarından oluşan kontur(lar) elde edilecek şekilde dilimlenmesi gerekir. Daha sonra, her dilim için kontur(ların) içini tarayarak dolduracak şekilde takım yollarının hesaplanması gerekmektedir. 3.1 Kenar Düzlem Kesişim Noktası Hesabı Kenar düzlem kesişim hesabı dilimleme işleminin temel aşamasıdır. Katı modelin dilimlenmesi için kullanılan dilimleme düzlemleri Z ekseninde ardışık yüksekliklere sahip yatay düzlemlerdir. Bu yaklaşım dilimleme işlemini basitleştirmektedir [2]. Üçgen yüzeyciğin bir köşesi kesme düzleminin üzerinde, diğer köşesi ise altında ise söz konusu kenar ile düzlem arasında bir kesişim noktası hesaplanabilir. Kesişim nontası denklemi aşağıdaki sunulmuştur [3]. Burada: zd z1 x ( slc, n) * + x z2 z1 ( x2 x1) 1 = (1) zd z1 y ( slc, n) * + y z2 z1 ( y2 y1) 1 = (2) slc : dilim numarası n : her dilimdeki toplam kesişim noktası sayısı z d : yatay dilimleme düzleminin yüksekliği (x 1, y 1, z 1 ) : üçgen yüzeycik 1. köşe koordinatları (x 2, y 2, z 2 ) : üçgen yüzeycik 2. köşe koordinatları 328

Şekil 2. Dilimleme işlemi sırasında kenar düzlem kesişimi. 3.2 Dilimleme İşlemi İçin Adım Atma Algoritması Adım atma yöntemi her dilimde katı modelin o dilime ait konturlarının oluşturulması için kullanılır. Bu işlem için STL verisi içinde karışık halde yer alan üçgen yüzeyciklerin arasında belirli bir kesme düzlemi yüksekliği için komşu üçgen yüzeyciklerin ayıklanması önem taşımaktadır. Her üçgen yüzeycik kesme düzlemi ile kesişen iki kenara sahiptir. Aynı zamanda komşu üçgen yüzeycik ile ortak iki köşe noktasınada sahiptir. Böylece, düzgün bir kontur kesişim noktasından diğer kesişim doktasına adım atarak ilerlemek suretiyle elde edilebilir. Şekil 3 de kesme düzlemine göre V 1 köşesi yukarıda, V 2 köşesi aşağıda olan bir üçgen yüzeycik f a (V 1,V 2,V 3 ) ve sonraki komşu üçgen yüzeyciğe göre adım atma algoritması kullanılarak kontur oluşumu görselleştirilmiştir. Şekil 4 de ise başlanğıç üçgen yüzeyciği olarak seçilen fa nın başlangıç kenarı (V1,V2) için V3 kenarının kesim düzlemi altında kalması nedeniyle sonraki kesişim noktası bulunacak üçgen yüzeycik olarak komşu f13 üçgen yüzeyciğinin seçilmesi ve bu şekilde kontur hesaplamasına adım atma algoritması kullanılarak ilerlemek suretiyle devam edilmesi görselleştirilmiştir [3]. Şekil 3. Dilimleme işlemi için adım atma algoritması 329

Şekil 4. Verilen bir başlangıç üçgen yüzeyciği için sonraki kesişim noktası bulunacak üçgen yüzeyciğin belirlenmesi STL dosyası içinde karışık durumda bulunan üçgen yüzeycikler dikey yöndeki konumlarına göre sınıflandırılırlar. Bu uygulama, dilimleme yazılımının daha hızlı çalışmasına imkan sağlar. [2] 3.3 Rapid Slice Yazılımının Dilimleme Sonuçları AutoCAD yazılımının Visual Basic uygulama arayüzü ve ActiveX otomasyon özellikleri nedeniyle Rapid Slice yazılımı Visual Basic programlama dili kullanılarak geliştirilmiştir. AutoCAD yazılımı Visual Basic programlama dili içinden kullanılarak dilimleme sonucu hesaplanan konturlar ve üçgen yüzeycikli üç boyutlu model ekranda kolayca görüntülenebilir. Geliştirilmiş olan Rapid Slice yazılımı adım atma algoritmasını kullanarak dilimleme ve kontur hesaplama işlemlerini gerçekleştirmektedir. Yazılım bir STL dosyasını okuyarak üç boyutlu objenin Z yönünde maksimum ve minimum koordinatlarını belirleyerek işe başlar. Daha sonra, yazılım sabit dilimleme aralığı kullanarak minimum Z koordinatından maksimum Z koordinatına kadar üç boyutlu objeyi tarar. Şekil 6 da 44.5mm çap ve 60.5mm uzunlukta, keskin köşelere ve radyuslara sahip bir üç boyutlu objenin Rapid Slice yazılımı ile dilimlenmesi sonucu sunulmuştur [3]. Şekil 5. 75.3x60x8mm (En x Boy x Yükseklik) boyutlarına sahip örnek parça. 330

Şekil 6. Dilimlenmiş örnek parça. Dilimleme aralığı: 1mm, Dilim sayısı: 6 adet, Üçgen yüzeycik sayısı: 1206 adet 4. TAKIM YOLUNUN OLUŞTURULMASI Dilimleme sonrası elde edilen her dilimdeki kontur(ların) içinin takım yolları ile doldurulması gerekmektedir. Geliştirilen Rapid Slice yazılımı takım yollarını raster yöntemi ile oluşturmaktadır. Üretilen parçanın daha sağlam olması için her dilimde raster yönü 90 döndürülmektedir. Elde edilen takım yolu şekli kontur şekli ile birlikte kullanıcıya görsel olarak sunulmaktadır. 4.1 Takım Yolu Oluşturma Algoritması Bir önceki adımda gerçekleştirilen dilimleme işlemi sonucunda her dilimde konturlar çıkartılmış durumdadır. Bu aşamada her konturu raster şekilde doldurmak üzere takım yollarının mümkün olduğunca sürekli olacak şekilde hesaplanması gerekmektedir [2]. Şekil 7. Basit bir geometri için raster takım yolu şekli. 331

Takım yolu parçaları her dilimdeki konturun sırayla sonsuz çizgilerle kesiştirilmesi ile elde edilmektedir. Kesişim noktaları (1) ve (2) de verilen aynı denklemler kullanılarak hesaplanmaktadır. Takım yolu parçacıkları raster takım hareketi elde edilecek şekilde geriden ileriye doğru sıralanmaktadırlar. Şekil 8. Dilimlenmiş kontur için takım yolu oluşturulması. Takım yolu aşağıda sıralanan adımlardan oluşan metot kullanılarak çıkartılmaktadır [3]. 1. Bir takım yolu parçacığı diğer parçacığa sadece parçacıkların birbirleriyle komşu ve sıralı olmaları durumda bağlanabilir. Bu kural kesişim noktaları arasında en yakın noktanın seçilmesi suretiyle sağlanabilir. 2. Takım yolu parçacıklarının ancak başı ve sonu arasında bir bağlantı gerçekleştirilebilir. Bu kural takım yolunun uygun oryantasyonunu sağlamaktadır. 3. Bir takım yolu parçacığı diğeriyle sadece eğer her iki ucun aynı kontur kesişiminden elde edilmiş olması durumunda bağlanabilir. Bu kurallar dilimleme aşamasında açıklanan adım atma algoritmasıyla birlikte uygulanarak bir takım yolu parçacığından diğerine tüm kurallar sağlandığı sürece ilerlenmek suretiyle düzgün bir takım yolu elde edilmiş olur. Bir dilimdeki takım yollarının tümü hesaplanana kadar yukarıda belirtilen işlem tekrarlanır. 4.2 Rapid Slice Yazılımının Takım Yolu Hesaplama Sonuçları Rapid Slice yazılımı yukarıda belirtilen yöntemleri kullanarak takım yollarını hesaplamaktadır. Yazılım istenen STL dosyasını okuyarak üç boyutlu objeyi dilimlemek suretiyle her dilimdeki konturları çıkartır. Daha sonra, başlangıç konturundan başlayarak son kontura kadar kontur çigzi kesişim hesaplaması ve adım atma algoritmasını kullanarak her dilim için takım yollarını hesaplar. Örnek parça üzerinde Rapid Slice yazılımının takım yolu hesaplama sonuçları Şekil 9 da sunulmuştur. Şekil 10 ve Şekil 11 de ise örnek parçanın 17. ve 22. dilimindeki takım yolu hesaplama sonuçları sunulmuştur [3]. 332

Şekil 9. Dilimlenmiş ve takım yolları hesaplanmış örnek parça. Dilimleme aralığı: 1mm, Dilim sayısı: 6 adet, Üçgen yüzeycik sayısı: 1206 adet Şekil 10. Örnek parçanın 1. dilim görünüşü. Bu dilmdeki takım yolu parçacık sayısı: 172 333

Şekil 11. Örnek parçanın 2. dilim görünüşü. Bu dilmdeki takım yolu parçacık sayısı: 182 5. SONUÇ Tasarımcılar git gide hızlı prototipleme teknolojisini daha yagın olarak kullanmaktadırlar. Çünkü, bu teknoloji onların geliştirdikleri ürünleri piyasaya daha kısa süre içinde sunmalarına yardımcı olmakta ve piyasada daha etkin rol almalarını sağlamaktadır. Bu teknoloji tasarım mühendislerinin geliştirme süreci içinde mühendislik problemlerini daha erken aşamada çözmelerine yardımcı olmakta ve konsepten bitmiş ürüne çok daha kısa zaman dilimi içinde ve daha küçük bir bütçe ile ulaşmalarına imkan vermektedir [5]. Bu çalışmada seçilen STL dosyasını okuyarak herhangi bir üç boyutlu objenin dilimleme ve takım yolu hesaplama işlemlerini gerçekleştiren Rapid Slice yazılım tanıtılmıştır. AutoCAD yazılımından Visual Basic programlama dili içinden kullanılmak suretiyle kullanıcı grafik arayüzü olarak faydalanılmıştır. Bu sayede kullanıcı tüm veya istenen dilimde konturları ve takım yollarını ekranda inceleyebilmekte ve üç boyutlu yakınlaşma uzaklaşma, sağa sola, yukarı aşağı kaydırma ve döndürme işlemlerini kolaylıkla gerçekleştirebilmektedir [4]. Örnek bir parça STL dosya formatında Rapid Slice yazılımına okutularak dilimleme ve takım yolu hesaplama işlemleri gerçekleştirilmiş ve sonuçları sunulmuştur. 6. KAYNAKÇA [1] LAMONT, W., Rapid Automated Prototyping An Introduction, ISBN 0-8311-3047-4, New York, 1993 [2] SABOURIN E, Adaptive High Precision Exterior High Speed Interior Layered Manufacturing, Virginia Polytechnics Institute and State University, Blacksburg, 1996 [3] GÜLTEKİN, M., Hızlı Prototipleme Makinası Tasarımı ve Geliştirilmesi, Gaziantep Üniversitesi, Gaziantep, 2003 [4] GÜLTEKİN, M., DOĞAN C., FİLİZ H., Using AutoCAD as the Graphical User Interface for Rapid Prototyping Software, 2nd International Conference On Responsive Manufacturing, pp. 136-141, 2002, University Of Gaziantep Gaziantep [5] BOHN J.H., Integrating Rapid Prototyping into the Engineering Curriculum a Case Study, Rapid Prototyping Journal, Volume 3, Number 1, pp. 32-37, 1997, MCB University Press 334