HIZLI PROTOT PLEME YAZILIMI GEL ŞT RME ÇALIŞMASI Dr.Murat

TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi
26-28 Nisan 2006 - BALIKESİR
HIZLI PROTOTİPLEME YAZILIMI GELİŞTİRME ÇALIŞMASI
Dr.Murat Gültekin1, İ.Hüseyin Filiz2, Cengiz Doğan2,Faruk Çavdar2
1
ASELSAN A.Ş., Mikrodalga Sistem Teknolojileri Grubu, Mekanik Tasarım Müdürlüğü-Ankara
[email protected]
2
Gaziantep Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü-Gaziantep
[email protected], [email protected], [email protected]
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].
 zd − z1 
x( slc, n) = 
 * ( x 2 − x1) + x1
 z 2 − z1 
(1)
 zd − z1 
y ( slc, n) = 
 * ( y 2 − y1) + y1
 z 2 − z1 
(2)
Burada:
slc
n
zd
(x1, y1, z1)
(x2, y2, z2)
:
:
:
:
:
dilim numarası
her dilimdeki toplam kesişim noktası sayısı
yatay dilimleme düzleminin yüksekliği
üçgen yüzeycik 1. köşe koordinatları
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 V1 köşesi yukarıda, V2 köşesi aşağıda olan bir üçgen
yüzeycik fa(V1,V2,V3) 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