Ahşap malzemenin robot destekli eksiltmeli üretimi: Denklemden uygulamaya bir iş akışı

Abstract

Teknolojideki ilerlemeler, ahşap işlemeciliğini araç ve yöntemler bakımından gelenekselden otomatiğe dönüştürmüştür. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT)'nde servomekanizma laboratuvarının kurulmasıyla başlayan ve bir erken dönem bilgisayarın freze tezgahına bağlanmasıyla ilk kez sayısal olarak kontrol edilen bir freze tezgahının geliştirilmesiyle devam eden çalışmalar, otomatik işlemede dönüm noktası oluşturmuş ve bilgisayarlı sayısal kontrol (computer numeric control, CNC) teknolojisinin temellerinin atılmasını sağlamıştır. Bu gelişmeler sadece ahşap işlemeciliğini otomatikleştirmekle kalmamış, aynı zamanda karmaşık formların ahşap malzemeden üretimindeki sınırları belirsizleştirmiştir. Karmaşık kavramı genellikle eğrisel kavramıyla birlikte, Öklid dışı geometrilerden olan topolojik geometriler ile ilişkilendirilmektedir. Topolojik geometriler, bükme, esnetme ve dönüştürme gibi işlemlerle oluşmaktadır. Cebirsel geometriler ise denklemlerle tanımlanan geometrik nesneleri ifade etmekte olup soyut cebirsel ifadelere ve hesaplara dayanması sebebiyle karmaşık bir yapıya sahiptir. Matematiğin barındırdığı form bilgisini açığa çıkarmak konusunda karmaşıklık, matematik alanında derinlemesine bilgiye sahip olmayan mimar ve tasarımcılar için bir kısıttır. Bu bağlamda, tez kapsamında, bir hesaplamalı tasarım aracı olan Rhino-Grasshopper yazılımı için, Python yazılım dili kullanılarak, MathForm adında bir eklenti geliştirilmiştir. MathForm eklentisi, matematik denklemlerinin kural temelli yapısını kullanarak tekrarlama veya manipülasyon ile form üretimine olanak sağlamaktadır. Eklenti ile yaklaşık 20 matematik denkleminden form üretimi araştırılmıştır. Tez kapsamında, araştırılan formlar içinden topolojik ve cebirsel karmaşıklıkları sebebiyle iç-dış ayrımının yapılamadığı, yönlendirmesiz, dört Öklid dışı matematik yüzeyinden form üretimi derinlemesine bir bakış ile sunulmaktadır. Bunlar Möbius şeridi, Figür-8 Klein şişesi (çift sarmal Möbius şeridi olarak da adlandırılmaktadır), sekiz torus ve Umbilic torus yüzeyleridir. Bu tez, tasarım ile matematik arasındaki ilişkiyi bilgisayar destekli hesaplamalı tasarım ve üretim araçlarıyla geri bildirimli bir form üretim serisi kurgusu üzerinden araştırmakta ve denklemden uygulamaya bir iş akışı sunmaktadır. Bu bağlamda tez, matematik denklemleriyle tanımlanan çift eğrilikli yüzeylerin, hesaplamalı tasarım yöntemiyle modellenerek form oluşturulmasına, modellerin bilgisayar destekli üretim yazılımları aracılığıyla üretim planlaması yapılarak simüle edilmesine ve robot destekli eksiltmeli üretim yöntemiyle ahşap malzemeden üretilmesini odaklanmaktadır. Tez, dört farklı formun üretimini beş üretim uygulaması deneyi ile araştırmaktadır. Deneylerin her biri, matematik denklemleri kullanılarak, tez kapsamında geliştirilen MathForm eklentisi aracılığıyla oluşturulan formların üretim sürecini içermektedir. Üretim uygulaması deneylerinde, işleme için eksiltmeli üretim yöntemi ile CNC makinelerinin kullanımı benzerlik göstermesine rağmen kullanılan makine, makinelerin programlanması ve simüle edilmesi için kullanılan bilgisayar destekli üretim yazılımı, takım özellikleri, üretim tekniği, malzemenin montajlanması ve operasyon stratejileri bakımından farklılık göstermektedir. Deney 1'de üç eksen CNC makinesi kullanılırken, diğer dört uygulama deneyinde altı veya yedi eksen endüstriyel robot kol kullanılmıştır. Üretimlerde kontrplak ve lamine ayous malzeme, iki farklı tip ve çaptaki takımlar ile işlenmiştir. Deney 1, Figür-8 Klein Şişesi formunun üç eksen CNC makinesiyle, kontrplak malzemeden yığılmış dilimleme yöntemiyle üretimini ele almaktadır. Kullanılan üretim tekniği hızlı üretim avantajı sağlayarak araştırılan formların kavisli yüzeyleri ve yüzey açıları ile uyumlu takım çapı ve fiziksel model boyutunun belirlenmesine katkı sağlamıştır. Deney 2'de Möbius şeridi formu, endüstriyel robot kol aracılığıyla, bir destek malzemesi ile işleme tablasından yükseltilen lamine ayous bloğun XZ ekseninde çift yönlü olarak iki aşamada işlenmesi ile üretilmektedir. Deney 3 ise, bu montajlama ve üretim yönteminde nihai ürün kalitesine dolu hacim miktarı, malzeme kalınlığı ve ağırlığının etkisini araştırmaktadır. Bu amaç ile karakteristik formu itibariyle daha kalın, dolu hacmi ve ağırlığı daha fazla olan sekiz torus formu daha da büyütülerek Deney 2'de kullanılan montajlama ve işleme yöntemi ile üretilmektedir. Üretim yöntemindeki benzerliklerin yanı sıra bu deney, önceki üretimden farklı olarak, takım, işleme ekseni, formun alt parçalara ayrılarak üretimi gibi farklılaşan unsurlar içermektedir. Deney 4'te sekiz torus formu, Deney 3'teki montajlama yöntemine ilave çapraz elemanlar eklenerek yeniden üretilerek robot kol işleme hızı ve üretim süresine etkisi araştırılmıştır. Deney 5 ise montajlama ve işleme yönteminin üretim süresine ve fiziksel modele etkisi araştırılmaktadır. Bu amaçla umbilic torus formu, lamine ayous bloğunun doğrudan işleme tablasına monte edildiği ve bir yüzeyi XY ekseninde işlendikten sonra manuel olarak döndürülerek, kullanılan bir kılavuz sistemiyle, tekrar işleme tablasına montajlanarak diğer yüzeyinin işlenmesi sonucu üretilmektedir. Üretim uygulaması deneylerinin süreçleri, üretim öncesi yapılan simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılarak montajlama ve işleme yönteminin üretim hızı ve süresine etkisi analiz edilmiştir. Üretilen fiziki modeller, fotoğraf temelli üç boyutlu tarama yöntemi (fotogrametri) kullanılarak, dijitalleştirilmiş ve üretildikleri dijital modellerle çakıştırılarak fiziki model doğruluğu analiz edilmiştir. Çalışmanın ilave araç, farklı özelliklerdeki takım ve malzemeler ile yürütülmesinin üretim süreci ve nihai fiziksel modele etkisi öneriler üzerinden tartışılmıştır. Tez kapsamında sunulan MathForm eklentisinin, tasarımcıların matematik denklemleri aracılığıyla tasarımın erken aşamalarında form bulma, manipülasyonu ve formun analiz edilmesi süreçlerine hesaplamalı tasarım konusunda uzman bilgisine ihtiyacı azaltarak destek olacağı düşünülmektedir. Ahşap malzemenin hesaplamalı üretim yöntemleriyle işlenmesi ve endüstriyel robot kolun programlanması konularında sunulan kriterlerin yanı sıra simülasyon ve fiziksel üretim süreçlerinde deneyim ile elde edilen bilgiler, gelecek çalışmaların üretim süreçleri için bilgi kaynağı oluşturmaktadır. Geri bildirimli üretim süreci, ahşap malzemenin robot destekli eksiltmeli üretimini etkileyen parametrelerin belirlenmesi ve önerilecek iş akışı için kriterlerin oluşturulmasını sağlamıştır. Önerilen iş akışı, benzer çalışmalarda yaşanabilecek sorunlara karşı hazırlıklı olunmasına ve çözüm stratejilerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.