5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye HASARLI KALIP ELEMANLARININ ONARILMASI AMAÇLI TERSİNE MÜHENDİSLİK DESTEKLİ BİR ÇERÇEVE ÇALIŞMASI REVERSE ENGINEERING AIDED A FRAME STUDY AIMING AT REPAIRING OF DAMAGED DIE COMPONENTS Mustafa AYYILDIZ a ve Cevdet GÖLOĞLU b, * a Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, Türkiye, E-posta: mustafaayyildiz57@gmail.com b, * Karabük Üniversitesi, Tasarım ve Konstrüksiyon Anabilim Dalı, 78050, Karabük, Türkiye E-posta: cgologlu@karabuk.edu.tr Özet Kalıp endüstrisinde, kalıpların kullanımı sırasında oluşan yüksek kuvvetler kalıp elemanlarında aşınmalara, çatlak ve parçalanmalara neden olmaktadır. Sorunlar, genellikle maliyetleri çözümü zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada arızalı (kırılmış veya parçalanmış) kalıp elemanları üzerinde Tersine Mühendislik (TM) kavramı destekli olarak geliştirilen ürün bilgisini toplama çerçeve çalışması sunulacaktır. Bu amaçla hasarlı kalıp elemanı üzerinden ürününün boyut bilgisini içeren nokta bulutları temin edilmiştir. Nokta bulutu SolidWorks BDT programına aktarılmıştır. SolidWorks API fonksiyonları kullanılarak Visual Basic de yazılan bir ara yüz aracılığıyla nokta bulutuna müdahale edilerek eksik geometri tamamlanmıştır. Elde edilen geometri, kalıp elemanın imalatının yapılabilmesi için BDİ programında kolaylıkla kullanılabilecektir. Geliştirilen çerçeve çalışması hasarlı kalıp veya makine parçaların tamir edilmesinde TM kavramını uygulayarak bir çözüm sunmuştur. Kalıp elemanlarının yeniden yapımı için yüksek maliyetin azaltılması hedeflenmiştir. Anahtar kelimeler: Kalıp elemanları tamiri, Tersine Mühendislik (TM), Bilgisayar Destekli Tasarım (BDT). Abstract High loads arisen during die s usage in die industry cause wears, cracks and breaks in die components. The problems are tried to be solved by remanufacturing or repairing the dies. Unobtainable technical drawings of machining parts and high machining cost are complicated the solution. Aiming at collecting of product information, a frame study developed based on Reverse Engineering (RE) approach for faulty (broken) die components is presented in the study. For this purpose, point clouds comprising product size information were provided from damaged component. The point clouds were transferred to SolidWorks CAD program. Missing geometry was completed by intervening to point clouds via a user interface written in Visual Basic with using SolidWorks API functions. Then, the geometry obtained will be easily used for manufacturing die components in CAM software. The frame study developed presents a solution in repairing damaged die or machine components by applying RE approach. Moreover, the study is aimed to reduce high costs of die components for remanufacturing. Keywords: Repairing of die components, Reverse Engineering (RE), Computer Aided Design (CAD). 1. Giriş Ürünler gelişen teknolojinin yardımı ile on yıl öncesine göre daha serbest yüzeyli hatlara sahip olarak tasarlanmaktadır. Günümüzde müşteriler daha kişisel ve daha özelleştirilmiş ürünler talep etmektedir. Müşteri ihtiyaçlarındaki bu değişkenlik ve belirsizlik, rekabet güçlerini artırmak isteyen birçok işletmeyi yeni üretim ve pazarlama stratejileri uygulamaya teşvik etmektedir. Bu yüzden son zamanlarda imalat sektöründe, müşteri isteklerine ve önceden kestirilemeyen değişikliklere çok çabuk uyum sağlayabilecek; çevik, tepkisel ve esnek üretim ve yönetim stratejileri, yöntemleri ve paradigmaları öne çıkmış bulunmaktadır [1]. Kalıp endüstrisinde, kalıpların kullanımı sırasında oluşan yüksek kuvvetler kalıp elemanlarında aşınmalara, çatlak ve parçalanmalara neden olmaktadır. Bu sorunlar, genellikle maliyetleri çözümü zorlaştırmaktadır. Bu nedenle Tersine Mühendislik (TM) tekniklerine ihtiyaç duyulmuştur. Kavramsal tasarım ile başlayan geleneksel mühendislik sürecinin aksine, Tersine Mühendislik sürecinde ürün tasarımına, gerçekte var olan bir modelin şekil bilgisinin elde edilmesi ile başlanır. Serbest ve karmaşık yüzeylere sahip olan gerçek parçaların geometrik bilgisinin elde edilmesi tersine mühendisliğin en önemli aşamalarından biridir [2]. Bazı durumlarda ürün bilgisini oluşturan, ürünün teknik verileri, çizimleri, malzeme bilgileri gibi gerekli basamakların bir kısmı eksik olabilir. Örneğin elde ürünün kendisi varken bu üründen yapılacak imalat/çoğaltma işlemi için gereken teknik çizimi, bilgisayar modeli olmayabilir. Bu gibi durumlarda parçanın kendisinden hareket ederek geriye gitme işlemi, süreci geriye yürütme işlemi yapılır. Ürünün başlangıç aşamasındaki Bilgisayar Destekli Tasarım (BDT) modeli elde edilebilir. Bütün bu süreç TM olarak adlandırılır. TM, 3 Boyutlu (3B) sayısallaştırma tekniklerini uygulamak suretiyle bir iş parçasına ait nokta bulutu verilerinin toplanmasına ve dolayısıyla BDT modelinin oluşturulmasına imkân tanımaktadır. Sokovic ve Kopac [3] yapmış oldukları çalışmada tasarım ve imalat işlemlerini geliştirmek için TM tekniklerinin gerekliliği üzerinde durmuşlardır. Tam ve Chan [4] ısı ile IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
şekillendirme kalıbının tasarımı ve imalının verimliliği arttırmak için TM yaklaşımını kullanmışlardır. Geliştirilen pin sıralı bir sayısal aleti, bilgisayar yardımıyla kalıp tasarım ve imalatında kullanarak, geniş kapsamlı ve kısıtlı kaynaklarla çalışan şirketlere bir yaklaşım önermişlerdir. Budak ve ark. [5] 3B sayısallaştırma sonuçlarının düşük kalitesinden oluşan sorunların bir ön işleme program sistemi geliştirerek, çözüm deneysel ve uygulamaların kullanışlılığını sunmuşlardır. Hsiao ve Chuang [6] ürün üzerinden aldıkları nokta bulutları üzerine dört farklı şekil harmanlama yöntemi uygulayarak yeni şekiller oluşturmuş, tasarımcının kısa zamanda model oluşturmasına imkân sağlamıştır. Chen ve Lin [7] türbin kanatlarının 3B geometrik tasarımını yapmak için yenilenmiş model tabanlı sayısallaştırma işlemini, TM yaklaşımını kullanarak tek bir yüzeyde türbin kanadının modelleme işlemi ve yüzey sayısallaştırma işlemlerini birleştirmişlerdir. Bu yaklaşımı kullanarak doğru ürün BDT modellerini oluşturmayı amaçlamışlardır. Ruan ve ark. [8] oto panel kalıplarındaki kısmı fiziksel boşluk ya da yorgunluk aşınmasındaki sorunların tamiri için şekilsizlik unsur çıkartma özelliği kullanılarak, sayısal tamiri analiz ile kontrol edilerek oluşan sorunlar çözmeyi hedeflemişlerdir. Bu çalışmada arızalı (kırılmış veya parçalanmış) kalıp elemanları üzerinde TM kavramı destekli olarak geliştirilen ürün bilgisini toplama çerçeve çalışması sunulacaktır. Bu amaçla hasarlı kalıp elemanın nokta bulutu IGES formatına çevrilerek SolidWorks [9] BDT programına gönderilip, SolidWorks API fonksiyonlarını Visual Basic de yapılan bir arayüz programında kullanarak eksik geometri tamamlanmıştır. Elde edilen geometri, BDT programıyla modellenmiştir. Geliştirilen çerçeve çalışması hasarlı kalıp veya makine parçaların tamir edilmesinde TM kavramını uygulayarak bir çözüm sunmuş, kısa zamanda hasarlı parçalarının tamiri sağlanmış ve kalıp elemanlarının yeniden yapımı için yüksek maliyetin azaltılması hedeflenmiştir. 2. Geliştirilen Sistem Şekil 1 de hasarlı kalıp elemanının tamiri amaçlı kullanılan, geliştirilen çerçeve çalışması akış şeması verilmiştir. Hasarlı parçanın tamiri için geliştirilen sistemin, uygulama adımlarının sırası aşağıda açıklanmıştır. sustası (temaslı-temassız) koordinatı bilinmeyen yüzeylerde ileri geri hareket ederek, yüzey hakkındaki kayıt bilgisinin, nokta bulutu matrisini oluşturur. Üç boyutlu tarama aletiyle elde edilen nokta bulutu, BDT programına aktarılarak parçanın referans elemancıkları oluşturulmuştur. Bu veriyle Bilgisayarlı Sayısal Denetim (BSD) tezgah programı oluşturulabilir. Veri başka işlemler için BDT/Bilgisayar Destekli İmalat (BDİ) sistemlerde kullanılmak üzere çeşitli formatlara çevrilebilir [10-13]. 2.2. Nokta Bulutun Hazırlaması Taranan verinin yerleşimi varsayılan koordinat sistemi ile çakışmayabilir. Taranan nokta bulutunun yönü koordinat sistemi ile üst üste gelmesi için düzenlenir [4, 6, 10]. Nokta bulutunun orijinin tanıtılmasında oluşan hatalardan dolayı taşınması (yönlendirilmesi) gerekmektedir. Nokta bulutunu almakta kullanılan BDT programıyla, yönlendirme işlemi yapılarak, başka bir BDT programında yapılacak işlemlere temel olan nokta bulutu orijinini elde etmek için gerekli bir ön hazırlık işlemidir. 2.3. Nokta Bulutunu Düzeltme Taranan veri, modeldeki içbükey, dışbükeylerden ve parçalı çizgilerden dolayı hatalar oluşabilir. Bu durumda veriyi düzeltmek gerekir. Genellikle interpolasyon yöntemi veriyi düzeltmek için kullanılır [4, 8]. Çalışmada, nokta bulutu BDT programında IGES formatına çevrilerek BDT programında çalışır hale getirilerek, hasarlı kısmın geometrisini tamamlamak için programlama dilinde yapılan bir ara yüz yardımıyla müdahale edilerek geometri tamamlanır. Bu işlem eksik geometriyi tamamlayıp, nesneye oluşturmada gereklidir. 2.4. Nokta bulutunu Tamamlama Eksik geometri tamamlandıktan sonra nesneyi oluşturmak için gerekli referans profillere ihtiyaç vardır. Bu referans profiller, nokta bulutunu üzerinden ara yüz programı yardımıyla yapılmıştır. Oluşturulan referanslar nesnenin gerekli unsurlarını oluşturmak için yapılması gereklidir. 2.5. Nesne Oluşturma Veri noktaları B-spline ile kesit eğrileri oluşturulur. Bu kesit eğrileri ilgili yüzey süpürme komutuyla yüzey oluşturulur. Nesneyi oluşturmak için nokta bulutunu tamamlama işlemiyle yapılan referans profiller, BDT programında, programlama dilinde yapılan ara yüz yardımıyla oluşturulur. Nesne bu işlemle tamamlanmış olur. 3. Örnek Uygulama Şekil 1. Hasarlı kalıp elemanının tamiri amaçlı geliştirilen çerçeve çalışması akış şeması 2.1. Tarama Tarama, tanımlanmış bir 3B yüzeyden veri toplama işlemidir. Tarama işlemi boyunca analog/dijital tarama Geliştirilen sistem, Şekil 2 de gösterilen hasarlı kalıp elemanı olan kalıp lokma parçası üzerinde uygulama çalışması yapılmıştır. Hasarlı parça üzerindeki eksik daire geometrisi tamamlanacaktır Hasarlı parçanın nokta bulutunu oluşturmak için; nokta bulutunu çıkartmak amaçlı kullanılan bir BDT programı (Rhinoceros vb.) ve üç boyutlu koordinat aleti, parça üst yüzeyinden referans alarak, parçanın orijini tanımlar (Şekil 3). Bu orijin referans alınarak nokta bulutu oluşturulur. Nokta bulutu, taranan eğriler (curve) ve belirlenen noktalardan (point) meydana gelmektedir. Şekil 4 de gösterilen Rhino Koordinat
Yönlendirme bölümünden, açık olan Rhinoceros programından nokta bulutu çağrılır. Şekil 4 deki Yönlendir butonuna basıldığında tüm nokta bulutu seçilir ve SolidWorks da yapılacak işlemlere temel olan orijini elde etmek için eksik olan daire geometrisinin orta noktası seçilerek orijine taşınır (Şekil 5). Yönlendirme işlemi bittikten sonra IGES olarak kaydedilir. Nokta bulutunun oluşturma ve hazırlama aşamaları burada tamamlanmıştır. Şekil 2. Hasarlı kalıp elemanı Şekil 3. Orijin alma Şekil 5. Çalışılan nokta bulutları SolidWorks Sketch bölümünden IGES dosyası açılır. Buradaki amaç eksik daire geometrisi tamamlamak ve referans profiller oluşturmaktır. Bunu da Şekil 4 deki Düzeltme bölümü altında Seç butonuyla nokta bulutu üzerindeki eksik geometri seçilir, bu geometri SolidWorks programında 3DSketch olarak tanımlanır. 3DSketch eksik dairenin nokta kümesini belirtmektedir. 3DSketch seçildikten sonra Bul butonuyla nokta kümesindeki tüm noktaların orijine olan uzaklıkları, SolidWorks API fonksiyonu kullanılarak kaydedilir (Şekil 6). Geometri seçimi bölümünden tamamlamak istediğimiz geometriyi yani daire seçilir. Seçim işlemi Oluştur butonuna basılarak eksik geometri tamamlanarak daire meydana getirilmiştir (Şekil 7). Şekil 4. Geliştirilen programın ara yüzü
Şekil 9. Sketch Tamamlama API fonksiyonu Şekil 6. SolidWorks API Nokta Bulma fonksiyonu Nesneyi oluşturmak için nokta bulutunu tamamlama işlemiyle yapılan referans profiller, SolidWorks-Features bölümünden ilgili Extrude, Cut, Filet işlemleri yapılarak nesnenin unsurları oluşturulmuştur (Şekil 10). Şekil 7. SolidWorks da nokta bulutu ve Düzeltme işlemi Nesneyi oluşturmak için gerekli referans profillere ihtiyaç vardır. Bu referans profiller, nokta bulutunu üzerinde uygun düzlemler atılarak Sketch Tamamlama bölümünden Referans Atama butonu yardımıyla yapılmıştır (Şekil 8). Şekil 10. Extrude-Cut-Fillet işlemi yapılmış model Nesne unsurları tamamlanarak model, ara yüz düzeltme programında kaydedilmiştir (Şekil 11). Model imalat için gerekli geometriler işlenerek hazır hale getirilmiştir. Şekil 8. Sketch Tamamlama işlemi Oluşturulan referanslar nesnenin gerekli unsurlarını oluşturmak için yapılması gereklidir. API fonksiyonundan bir kesit Şekil 9 de verilmiştir. 4. Sonuç Şekil 11. TM yaklaşımı ile oluşturulmuş model Bu çalışma, hasarlı kalıp elemanlarının tamiri ve imali için tersine mühendislik destekli bir çerçeve çalışması sunmuştur. Kalıpların kullanımı sırasında oluşan yüksek kuvvetler kalıp elemanlarında aşınmalara, çatlak ve
parçalanmalara neden olmaktadır. Sorunlar, genellikle maliyetleri çözümü zorlaştırmaktadır. Kırılmış bir kalıp elemanı üzerinde TM kavramı destekli olarak geliştirilen ürün bilgisini toplama çerçeve çalışmasını bir örnek uygulama ile yapılmıştır. Bu amaçla; Hasarlı kalıp elemanı üzerinden ürününün elde edilebilen boyut bilgisi taşınabilir MicroScribe üç boyutlu tarama cihazı yardımıyla nokta bulutları Rhinoceros BDT programı ile alınmıştır. Nokta bulutu IGES formatına çevrilerek SolidWorks BDT programına aktarılmıştır. SolidWorks API fonksiyonları kullanılarak Visual Basic de geliştirilen bir ara yüz Düzeltme Programı aracılığıyla nokta bulutuna müdahale edilerek eksik geometri tamamlanmıştır. Elde edilen geometri, BDT programıyla üzerinde çalışılan kalıp elemanın makine imalatının yapılabilmesi için SolidWorks BDT/BDİ programında kolaylıkla kullanılabilmektedir. [10] Ayyıldız, M., Tersine Mühendislik, Teknik Rapor, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 2007. [11] Yang, Z., Chen, Y., A reverse engineering method based on haptic volume removing, Computer-Aided Design 37, 45 54, 2005. [12] Göloğlu, C., Ayyıldız, M., Nokta Bulutu İşleme Uygulama Notları (Rhinoceros, Pro/ENGINEER, SolidWorks), Karabük Üniversitesi, Karabük, 2008. [13] Ye, X., Liu, H., Chen, L., Chen, Z., Pan, X., Sanyuan Z., Reverse innovative design an integrated product design methodology, Computer-Aided Design, Article in Pres, 2008. Geliştirilen çerçeve çalışması hasarlı kalıp veya makine parçaların tamir edilmesinde TM kavramını uygulayarak bir çözüm sunulmuş, kısa zamanda hasarlı parçalarının tamiri sağlanmış ve kalıp elemanlarının yeniden yapımı için yüksek maliyetin azaltılması hedeflenmiştir. Geliştirilen arayüz ile daha çeşitli tarama verilerinin (açılı yay, farklı düzlemlerdeki unsurlar, vb.) kullanılması yaygınlaştırılmalıdır. Kaynaklar [1] TurkCadCam, www.turkcadcam.net, Haziran 2007. [2] Berbercuma, G., Üç Boyutlu Tarayıcılar İle Veri Toplanması Ve CAD Ortamına Değişik Formatlarda Aktarılması, Yüksek Lisans Tezi, GYTE Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006. [3] Sokovic, M., Kopac, J., RE (Reverse Engineering) As Necessary Phase By Rapid Product Development, Journal Of Materials Processing Technology 175, 398 403, 2006. [4] Tam, K., Chan, K., Thermoforming mould design using a reverse engineering approach, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 23, 305 314, 2007. [5] Budak, I., Hodolic, J., Sokovic, M., Development of a programme system for data-point pre-processing in Reverse Engineering, Journal of Materials Processing Technology, 162 163, 730 735, 2005. [6] Hsiao, S., Chuang, J., A reverse engineering based approach for product form design, Design Studies, 24(2), 2003. [7] Chen, L., Lin, G., Reverse engineering in the design of turbine blades - a case study in applying the MAMDP, Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 16, 161-167, 2000. [8] Ruana, J.K., Ke, Y.L., Fan, S.Q., Dong, H.Y., Research on rapid repairing techniques for auto panel dies, Journal of Materials Processing Technology 187 188, 69 72, 2007. [9] SolidWorks 2007, Teknolojik Yazılımlar, Büyükdere Cad, Stad Han 85, Mecidiyeköy, İstanbul, 2008.