CAD & CAM Üzerine Notlar

CAD & CAM GEREKLİLİĞİ

Teknoloji çağı olarak adlandırdığımız günümüz dünyasında endüstriyel ürünlerin tasarlanması ve modellenmesi sürecinde bilgisayar teknolojileri vazgeçilmez bir unsur haline gelmiştir. Böylece kaliteli, konforlu, ergonomik, fonksiyonel ve standartlara uygun ürünlerin tasarım ve üretimleri çok daha kısa sürede yapılabilmektedir.

Savunma & havacılık, otomotiv, mobilya, inşaat gibi sektörlerde ürünlerin hızlı ve bazılarında belki müşteriye göre butik çeşitlenmesi doğasının bir gereği olarak ortaya çıkmaktadır. Buna paralel olarak da düşük teknoloji ve sermaye ile emek yoğun faaliyet gösterdiği düşünülen Türkiye endüstrisi, hızlı bir dönüşüm geçirerek geçmiş yıllara oranla çok daha fazla bilgi ve sermaye yoğun bir sektör olma yolunda ilerlemektedir.

CAD KAVRAMININ ÇERÇEVESİ

Tasarım bir ürünün üretilebilmesi için düşüncenin çizim olarak aktarılmasından üretilmesine kadar geçen süre içindeki yaratma, seçme ve karar verme gibi eylemlerin tümüdür. İngilizcesi Computer Aided Design olan Bilgisayar Destekli Tasarım, uluslararası platformda kısaca bu kelimelerin baş harflerinden oluşan CAD terimi ile anılmaktadır. Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD), tasarım işlemlerinin bilgisayar yardımı ile gerçekleştirilmesidir.

CAD sistemi gerçek anlamda üç boyutlu modelleme, model üzerinde analiz yapabilme olanağını sağlar. Tasarımda CAD kullanımı tasarım sonuçlarını CAM ortamında doğrudan kullanabilme, tasarım ve imalatın entegrasyonu imkânını verir.

CAD SİSTEMİ

CAD sistemi, temelinde kullanılan donanım (hardware), yazılım (software) ve kullanıcı üçlüsünden oluşur. CAD kullanımı tasarım sonuçlarını CAM ortamında kullanabilme, tasarım ve imalatın entegrasyonu imkânını verir. Tasarım, CAM aracılığıyla da CNC (computer numerical control) parça programlama aşamasına iletilerek parçanın imalatı gerçekleşir, otomasyon için gerekli CAD/CAM bütünleşmesi sağlanmış olur.

CAD sistemi gerçek anlamda üç boyutlu modelleme, model üzerinde analiz ve değerlendirme yapabilme olanağını sağlar.

ÜÇ BOYUTLU MODELLEME

3 boyutlu modelleme, özel yazılımlar aracılığıyla üç boyutlu bir nesnenin matematiksel gösteriminin geliştirilmesi sürecidir. Modelleme sonucu ortaya çıkan ürüne üç boyutlu model adı verilir. Bu özellik tasarımda görülen özelliklerin olabildiğince üretime aktarılabilmesi için altı çizelerek üzerinde durulması gereken bir yapıdır. Hangi türleri var ve bunların güçlü ve zayıf yanları nelerdir üzerinde sırasıyla duralım.

POLİGON MODELLEME

Poligon modelleme üç boyutlu çokgen yüzeylerden (poligonlar) meydana gelen şekillerin nokta, kenar ve yüzeyleri üzerinde değişiklikler yaparak yeni biçimler oluşturulmasına imkânı veren bir modelleme yöntemidir. Bu çokgen yüzeyler veya poligonlar bir araya gelerek üç boyutlu modeli meydana getirir.

Poligon modelleme şu alanlarda kullanılabilmektedir:

• Detaylı yaratık ve karakterler: Farklı çözünürlük modlarında çalışmak mümkündür. Böylece çok sayıda detay eklenebilir.
• Doğal organikler: Tüm bitki tipleri. Poligonlar yapraklar, ağaç budakları, kayalar, dağ, vadiler, göller ve ahşap evler, taş duvarlar, çakıl taşı yollar, tomruk kabinler gibi doğal yapılar için çok uygundur. Bu şekilde tamamen pürüzsüz ve hatasız değildir. İçinde asimetrik oluşumlar, aşınmış yüzeyler, kaotik yüzey ve detaylar bulundurur.
• Lineer modeller: Bilgisayar ekipmanı, binalar, caddeler gibi lineer modellerde kullanılır. Bu nesneler az sayıda eğri ve çok miktarda düz yüzeyden meydana gelir.

YÜZEY MODELLEME

Katı görünen nesneleri temsil eden matematiksel bir tekniktir. Yüzey modellemesi, poligon modellemeden daha karmaşık bir yöntem olmakla birlikte katı modelleme kadar karmaşık bir yapı değildir. Yüzey ve katı modeller ekranda aynı görünmekle birlikte, oldukça farklıdırlar. Yüzey modelleri katı modellerde olduğu gibi dilimli olarak açılamaz. Ayrıca, yüzey modellemede, nesne matematiksel geometrik olarak yanlış olabilirken katı modellemede ise doğru olacaktır.

KATI MODELLEME

Katı model, parçaların hacimsel şeklinin tanımlanması ile elde edilen gerçeğe en yakın modelleme şeklidir. Katı modeller; çakışma kontrolünde, kütle özellikleri hesaplarında, sonlu eleman modellemesinde, bilgisayar destekli işlem planlamada (computer aided process planning) ve sayısal kontrol(NC) programlamada tutarlı yapıları nedeniyle özellikle kullanılırlar.

Sadece geometrik verileri kullanan tel kafes ve yüzey modellerinin aksine, katı modeller, yan yana gelen nesnelerin hem geometrik verilerini hem de topolojik ilgilerini kullanırlar. Katı modelin sakladığı topolojik ve geometrik bilgiler, daha sonraki kütle özelliklerinin hesabı, sonlu elemanlar ağı üretme gibi işlemlerinin otomatik olarak yapılmasını sağlar.

Katı modellemede kullanılan temel üç metod vardır; sınır temsili (B-rep) , yapısal geometri ve unsur tabanlı.

KATI MODELLEME — Sınır Temsili (B-Rep: Boundary Representation)

Bu yöntemde katı model, sınır elemanları (noktalar, yüzeyler, eğriler) ve bu elemanların birbirleri ile ilişkileri şeklinde oluşturulur.

Sınır temsili modelleyiciler, karmaşık şekilleri daha iyi sunarken daha fazla işlem zamanı gerektirmektedirler.

B-Rep katı modelin ihtiyaç duyulduğunda poligon modellemeye dönüştürülmesi yapısal olarak çok kolaydır. Ayrıca katı modellemeler matematiksel modeller oldukları için ayrıntı kaybetmeden vektörel olarak büyütülüp küçültülebilirler. Topolojik olarak ilişkiler çerçevesinde de yapılanmış olması, belirli bir sahnede farklı yapıların (kenar, verteks, hacim gibi) çeşitli seviyelerde işletilebilmesini de gayet mümkün ve kolay kılmaktadır. Ayrıca olası bir sonlu elemanlar analizi, sıvı akışkanları analizi, ağırlık ve özkütle hesabı için de katı modeller uygun yapısal ve matematiksel alt yapı sağlamaktadırlar.

KATI MODELLEME — Yapısal Katı Geometri (CSG :Constructive Solid Geometry)

Bu yöntemde katı modeller, küp, dikdörtgenler prizması, koni, silindir gibi temel geometrik şekillere Boolean işlemleri uygulanarak elde edilir.

Bu modelleyiciler yapılandırma açısından daha basit ve ekranda görüntüleme açısından daha uygundur fakat karmaşık bir şeklin tanımlanmasında zorluklar olabilir.

KATI MODELLEME — Unsur Tabanlı (Feature Based)

Bir montajın birkaç ayrı parçadan oluşması gibi, bu tasarım modeli de ayrı bileşenlerden oluşur. Bu öğelere unsur adı verilir. Bir Cad/Cam yazılımını kullanarak bir model oluşturduğumuzda, boss’lar, cut’lar (boşaltma), delikler, federler, köşe yuvarlatmaları, pah kırmalar ve draft gibi zeki ve kolay anlaşılır geometrik unsurlarla çalışırsınız. Unsurlar oluşturuldukça doğrudan çalışma parçasına uygulanır.

Eğer tasarım sisteminiz sadece CAM yapısını beslemeye yönelikse, CAM editörü gibi davranıyorsa yapı bu şekilde kurgulanabilir.

CAM KAVRAMININ ÇERÇEVESİ

CAM (Computer Aided Manufacturing) bilgisayar destekli üretim anlamına gelmektedir ve işletmelerde malzeme akışında, üretim makinelerinde işletme planlamasında, yönetiminde ve kontrolünde bilgisayarların kullanımıdır. Daha geniş bir tanımla bir imalat tesisinin üretim kaynakları arasında olusturulan bir bilgisayar etkileşim alanı vasıtasıyla tesisin faaliyetlerini ister direkt ister endirekt olarak planlaması, yönetimi ve kontrolü için bilgisayar sistemlerinin kullanımı olarak tanımlanabilir. Tanımdan da anlasılacagı üzere CAM’ in uygulamaları iki genis kategoriye ayrılır:

Bilgisayarlı Gözetim ve Kontrol: Bilgisayarların prosesin gözlenmesi veya kontrolü amacıyla imalat prosesine dogrudan dogruya baglandıkları direkt uygulamalarıdır.

İmalat Destek Uygulamaları: Bilgisayarla imalat prosesi arasında direkt bir etkilesimin olmadıgı, bilgisayarın tesis içindeki üretim faaliyetleridir.

CAD / CAM SİSTEMLERİNİN FAYDALARI

CAD / CAM sistemlerinin getirdiği faydalardan bir kaçını maddeleştirerek ifade etmekte fayda var:

• Mimari ve mühendislik üretkenliğini geliştirir.
• Yapılmış tasarımlar üzerinde ortaya çıkan müşteri isteklerinin kolaylıkla yerine getirilmesi sağlanır.
• Piyasanın ihtiyaçlarına daha hızlı cevap verilir. Gerekli yapı olusturulduktan sonra benzer yeni mamuller üretmek için gereken proje zamanlarını en aza indirerek pazar rekabetinde avantaj sağlar.
• Kopyalama hataları minimuma iner.
• Tasarımlar daha standart ve doğru olur.
• Analiz sırasında bilesenlerin birbirleriyle etkilesimleri daha kolay belirlenir.
• Daha iyi bir fonksiyonel analiz sağlayarak prototip test veya prova sayısı azalır.
• Maliyetler hakkında daha iyi bilgi ve analiz imkanı sağlar.
• NC parça programları ve rutin çizim görevleri için gerekli eğitim süresini azaltır.
• NC parça programlarında daha az hata oluşur.
• Tasarımın mevcut imalat tekniklerine uygun olmasını sağlar.
• Algoritmaları optimize ederek malzemelerden ve makine zamanlarından tasarruf sağlar.
• Mühendisler, mimarlar, tasarımcılar, yönetim ve farklı proje grupları arasında daha iyi bir anlaşma ve haberleşme ortamı saglar.

LİTERATÜRDEN CAD / CAM

Arıkan (1997) yapmış olduğu çalışmada; CAM sisteminin bir üretim sisteminin planlanması, yönetilmesi ve denetimi islerinde doğrudan veya dolaylı olarak iki sekilde kullanıldığını belirtmiştir. Bilgisayar sisteminin bu işler için kullanılmasını; bilgisayar ile izleme, denetim ve üretim destek uygulamaları seklinde ifade etmiştir. Bu sistemlerin, küçük veya orta büyüklükteki partilerin işlenmesini ekonomik hale getirmenin yanı sıra, konvansiyonel tezgahlarla işlenmesi mümkün olmayan karmasık parçaların işlenmesinin de mümkün olabildiğini belirtmiştir.

Semiz (1999) yaptığı çalısmada; pazardan gelebilecek taleplere cevap vermek ve rekabeti devam ettirebilmek için ekonomik olarak kısa zamanda yeni ürün tipini üretmeye başlamanın ürün esnekliğinin en belirgin özelliği olduğunu vurgulamıştır. Ürün ömürlerinin kısa ve çeşitlerinin çabuk değişmesi bilgisayar destekli tasarım ve üretimin (CAD/CAM) önem kazanmasına neden olmaktadır. Ürün esnekliğinin sağlanmasında bilgisayar destekli üretim planlaması, esnek iş programı yazılımları ve çok amaçlı aparatların kullanılması gerektiğini bildirmiştir.

Bakır (2006), bilgisayar destekli tasarımın iç yapılarını, üretimde kullanımı ve yöntemleri ile avantajlarını açıklamış; CAD yazılımlarından örnekler vermiştir. Ayrıca ileride bilgisayar destekli tasarım ile ilgili olası gelişmeler ve değişikliklere değinmiştir. Çalışmasında, bilgisayar destekli tasarımda kullanılan yabancı terimlerin uygun Türkçe karşılık önerilerini saptamıştır.

Kibaroğlu (2006), CAD/CAM sistemleri ile tasarım aşamasını ve tasarım programlarını açıklamış; üç boyutlu modellemenin tasarımcı ile bağlantılı rolünü incelemiştir. CAD/CAM programları arasındaki farklılıkları belirterek gelişen teknolojinin programlar üzerindeki etkisini incelemiştir. Bu çalışması ile tasarımcı ve tasarımın ihtiyaçlarına göre en uygun CAD/CAM uygulamalarının belirlenmesi için üretici firma veya kişilere ışık tutmaktadır.

Arslan (2017), Türkiye Mobilya Endüstrisinde mobilya üretim aşamalarının tasarım süreci aşamasında hangi bilgisayar yazılımlarının kullanıldığı ve bilgisayar kullanımının sektöre ne gibi faydalar sağladığı incelemiştir. Bilgisayarların hangi aşamalarda devreye girdiği üzerinde durularak CAD sistemlerinin sağladığı faydalar belirtilmiştir.

CAD & CAM AKIŞINDA DOĞRU VERİ ÜRETEBİLMESİ İÇİN GEREKLİ BAZI TEMEL ALGORİTMALAR

Cad & Cam ve/veya bunlar arası entegrasyon için development yapmak isteniyorsa bunu en üst düzeyde sağlamak adına kullanılabilecek temel bazı algoritmalar şu şekilde sıralanabilir:

Bir noktanın bir düzleme uzaklığı

Bir doğrunun düzlem ve üçgenle kesişimi

İki düzlemin kesişimi

Kapsayıcı Kutunun (Bounding Box) Bulunması

Çoğunlukla sınırlı bir geometriyi kapsayan kapalı bir kapsayıcı ilişkilerin algılanması açısından çok kullanışlıdır. İki veya üç boyutlu bir uzayda da bunu sınırlayıcı ya da kapsayıcı kutu olarak adlandırabiliriz.

Boyuttan bağımsız olarak bir geometride kapsayıcı kutunun bulunması için aynı yol izlenir. Tüm koordinat düzlemlerindeki minimum ve maksimum verteks değerleri bulunarak buna istinaden bir kutu tanımlanabilir.

Dış Bükey Örtünün Bulunması

Dışbükey örtü (convex hull); bir geometrik objeyi (poligon , nokta seti vb) kapsayan en küçük dışbükey setine verilen isimdir. Dış bükey örtünün bulunması sofistike geometri algoritmalarından biridir ve birçok varyasyonu mevcuttur.

KAYNAKLAR

Arıkan, M. A. S., 1997, Sayısal Denetim, Bilgisayarlı Sayısal Denetim Takım Tezgahları ve Modern İmalat Sistemleri, İsletmelerde CAD/CAM Yazılımlarının Etkin Kullanımı Semineri Notları, Ankara, 1–80.

Arslan, R., Özdemir T. ve Akyüz İ. (2017). Türkiye Mobilya Sektörü Açısından Tasarım Sürecinde Bilgisayar Kullanımının Önemi ve Sektöre Yönelik Bilgisayar DestekliTasarım (Cad) Yazılımlarının İncelenmesi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 6 (3):1105–1118.

Bakır, S., 2006, Bilgisayar Destekli Mekanik Tasarım, Yıldız Teknik Üniversitesi,Fen Bilimleri Enstitüsü, YL tezi, 118s, İstanbul.

Bilgisayar Destekli Tasarım. (2015, Ağustos). Türkçe Elektrik-Elektronik: http://www.elektrik.gen.tr/2015/08/bilgisayar-destekli-tasarim/333 adresinden alındı

Birgül İ., 2013, Yat Mobilyası Üreten Bir İşletmede Geleneksel Üretim Sistemi ile Bilgisayar Destekli Üretim Sisteminin Karşılaştırılması , Yüksek lisans Tezi, Düzce Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.

Erdinler, E. (2005). Cad Sistemleri ve Türkiye Mobilya Endüstrisinde UygulanmaEtkinliğinin Analizi. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

MEGEP, 2006, Giyim Üretim Teknolojisi Bilgisayarlı Kalıp Sistemi, Milli Eğitim Bakanlığı, 48s, Ankara.

Ofluoğlu, S. (2011). Autodesk 3DSMax ile 3D Modelleme (Ders notları). Sayısal Mimar : http://www.sayisalmimar.com/dersnotlari/3dsmax/3dsmax04.pdf adresinden alındı

PCMAG Encyclopedia. (tarih yok). Surface Modeling: https://www.pcmag.com/encyclopedia/term/52270/surface-modeling adresinden alındı

Semiz, S., 1999, Endüstri İŞletmelerinde Esnek Üretim Sistemlerinin Verimlilik Ve Etkinlik Üzerindeki Etkileri İle İlgili Bir Arastırma, Yüksek lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.

Spallone, R. (2015). Digital reconstruction of demolished architectural masterpieces, 3D modeling, and animation: the case study of Turin Horse Racing by Mollino. S. Brusaporci içinde, Handbook of Research on Emerging Digital Tools for Architectural Surveying, Modeling, and Representation (s. 476–509). IGI Global.

Tunçel, S., Burdurlu, E., 2002, Bilgisayar Teknolojilerinin Mobilya Endüstrisi Firmalarının Organizasyonel Yapılarına Etkileri, Hacettepe Üniversitesi, Ağaçişleri Endüstri Mühendisliği, Beytepe, Teknoloji Dergisi, 9–20

Ulay G., 2011 ,Yat Mobilyası Üreten Bir İşletmede Geleneksel Üretim Sistemi ile Bilgisayar Destekli Üretim Sisteminin Karşılaştırılması, Yüksek lisans Tezi, Düzce Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.