Cilt: 54
Sayı: 638
20
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina21
Cilt: 54Sayı: 638Teknik
B
irkaç ay önce bazı öğrencile-rimden 3-D özellikli bir yazı-cı tarafından basılmak üzere bir kalemlik tasarlamalarını istedim. Bu yazıcı tarafından üretilebilecek sınırsız tasarım seçeneklerini onlara anlattıktan sonra, bir sonraki buluş-mamıza çılgın görünümlü kalemlik-lerle gelmelerini istedim. “Zihninizin sınırlarını aşın!” dedim. Bir takımavangart kalemlikler göreceğimi umut ediyordum. Bir sonraki derste öğren-ciler kalemlikleriyle geldiler; bazıları diğerlerine göre daha yenilikçiydi ama hiçbiri umduğum çılgınlıkta değildi. Sorun neredeydi?
3-D baskı ve hızlı prototiplendirme gibi aditif imalat teknolojileri daha yetkin bir hale geldikçe, üretim kaynakları ve becerileri üzerindeki geleneksel engel-ler neredeyse tamamen ortadan kalk-maktadır. Şu andaki limit sadece hayal gücümüzdür. Ancak ne yazık ki hayal gücümüz sınırlıdır.
Son yıllarda tasarımcıların, bilgisayar destekli tasarım yazılımının boş
sayfa-sıyla ve 3-D yazıcısının sınırsız kapasi-tesiyle baş başa kaldıklarında birkaç ba-sit özellik dışında bir özelliği olmayan sıradan nesneler tasarladıklarını gör-düm. Bu şekilde, 3-D baskının yaratıcı özgürlüğünü kullanma şansını tepiyor-lardı. Bu miyopluk, yıllar yılı, gelenek-sel üretim kısıtlamalarına tabi olan seri imalat ürünü nesneleri görmekten ileri geliyor olabilir. Ancak bu durum aynı zamanda geleneksel CAD yazılımının empoze ettiği düşünce biçimlerinden ve 3-D baskı olanakları tarafından açıl-mış olan muazzam tasarım alanından yararlanabilen yeni tasarım araçlarının eksikliğinden de kaynaklanıyor olabilir.
¹ Mechanical Engineering (The Magazine of ASME) dergisinin Ekim 2012 sayısında yer alan bu yazı, Yeliz Demir tarafından dilimize çevrilmiştir. ²
Hod Lipson, Cornell Üniversitesi’ne bağlı Sibley Makina ve Uzay Mühendisliği Okulu’nda ve aynı üniversitenin Bilgisayar ve Bilişim Bilimi Fakül-tesinde doçent olarak görev yapmaktadır. Melba Kurman’la birlikte yazmış oldukları son kitabı “Fabricated: The New World of 3D Printing” John Wiley Press tarafından Kasım ayında basılacaktır. [EN: Söz konusu kitap basılmıştır. ]
Hod Lipson
23-D Baskı Çağında Tasarım
Design in the Age of 3-D Printing
1
Tüm çevrelerden tasarımcılar
çevrimiçi araçlar sayesinde
kendi spor ayakkabılarını
üretebiliyorlar
Son 40 yıl içerisinde CAD araçları, ürün tasarım sürecinde ve tasarım fi-kirlerimizi şekillendirmede kritik rol oynamışlardır. Ancak CAD araçları tasarım felsefeleri açısından büyük öl-çüde durağan bir konumda kalmışlar-dır. Arayüzler zamanla daha kullanıcı dostu bir şekil almış, geometrik ma-nipülasyonlar hızlanmış ve video an-latımları kalın kullanım kılavuzlarının yerini almıştır, ancak kavramsal olarak CAD yazılımı günümüzde, hedefle-rimizi kaydeden bir 3-D çizim tahtası olmaktan ileriye geçememiş, çok nadi-ren bir iç görü veya fikir sunabilmiş ve geometrik karmaşıklığın yeni ve muaz-zam alanına çok sınırlı bir giriş olanağı sağlayabilmiştir.
Klasik CAD modeli, görebildiğimiz kadarıyla bir süre daha egemenliğini koruyacaktır, ancak her geçen gün yeni tasarım modelleri de ortaya çıkmak-tadır. Bu fikirlerin çoğu on yıllardır hüküm sürmekteydi, ancak onları teo-riden pratiğe aktaracak bir üretim süre-cini beklemekteydiler.
Karmaşıklık Serbest
İnsan tarihinde ilk kez daha karmaşık
nesnelerin yapımı basit nesnelere göre daha zor, daha pahalı ve daha fazla za-man alıcı olmaktan çıkmıştır. Delikli, çentikli ve yuvarlak kenarlı bir parça-nın basımı, sıradan katı bir parçaparça-nın basımından daha fazla kaynak veya beceri gerektirmemektedir. Karma-şık bir nesnenin üretimi için harcanan çaba, bir kâğıt ağırlığının basımı için gösterilen çabadan daha fazla değildir. Günümüzde karmaşık üretimin azalan maliyeti, vaktiyle ciddi oranlarda za-man, donanım, enerji ve iş yükü ge-tirdiği dönemlerden keskin bir ayrılışı göstermektedir. Eskiden pek çok fikrin hayata geçirilmesine engel olan kay-nak ve beceriyle ilgili bariyerler gün geçtikçe ortadan kalkmaktadır. Ekstra bir tasarım özelliğinin eklenmesinin marjinal maliyeti sıfıra yakındır. Bu durum, güç maliyetinin keskin düşü-şüyle tetiklenmiş olan endüstriyel dev-rimin ayarında bir tasarım devdev-rimini tetikleyebilecek bir potansiyeli göster-mektedir.
Üretimde kaynak ve beceri faktörle-rinin ortadan kalkmasıyla, tasarımda iki çok önemli değişim meydana gel-miştir: Birincisi, yeni bir tasarım alanı
oluşmuştur, ikincisi ise, yeni bir tasa-rımcı modeli yaratılmıştır. Her iki akım da CAD’in biçimini değiştirecektir. Üç boyutlu yazıcılar, tasarımcılara mad-denin şekli ve kompozisyonu üzerinde benzersiz bir kontrol gücü vermektedir. Son teknoloji ürünü 3-D yazıcılar çok sayıda malzemeyi 10 mikrometreye yakın çözünürlükte rastgele bir model içerisinde birleştirebilmekte, doğal dünya geometrisiyle yarışabilecek doğ-rulukta ve karmaşıklıkta bir geometri yaratmaktadır.
Yazıcılar daha yetkin hale geldikçe tü-keticiler ve tasarımcılar CAD sistemle-rinin de buna ayak uydurmasını bekle-mektedir.
Tasarım araçlarının felsefesini ileriye taşıyan veya sınırlandıran şey hep şe-killeri temsil etmekte izledikleri yol – geometrinin bilgisayar belleğinde nasıl kodlandığı ve kaydedildiği – ol-muştur. Belirli bir kodlama şekli belirli manipülasyonları etkin hale getirirken diğerlerini pasivize edecektir. Gelenek-sel CAD yazılımının 3-D yazıcıların sunduğu karmaşıklığın hızına yetişe-memesi, bir bakıma, elverişsiz iç tasa-rımlarından kaynaklanıyor olabilir.
CAD Sınırları Ötesinde Düşünebilmek
Eğer bir şeyi çizebiliyorsa-nız (bu savaşçı heykelciği örneğinde ol-duğu gibi) onu çevrimiçi tasa-rım araçları ve 3-D yazıcıların yardımıyla üretebilirsiniz de.
Cilt: 54
Sayı: 638
22
Mühendis ve Makina Mühendis ve Makina23
Cilt: 54Sayı: 638Geometrik tasarımları, şekilleri tanım-layan diller gibi düşünebiliriz; bazı dil-ler düşük seviyeli diğerdil-leriyse yüksek seviyelidir. Konuşulan sözcükler gibi yüksek seviyeli diller karmaşık nos-yonları çoğunlukla kompakt bir şekilde tanımlayabilmektedir. Yüksek seviyeli tasarımlar düşük seviyeye aktarıla-bilmektedir; bunun tersini yapmaksa kolay değildir, hatta mümkün bile ol-mayabilir. Örneğin C++ programı ma-kina koduna dönüştürülebilir ancak her makina kodu programı C++’a dönüştü-rülemez.
Günümüzde çoğu CAD sistemi, ge-leneksel ozalit baskısının yüzyıllarca yaptığı gibi, geometriyi açık bir biçim-de göstermektedir. Sınır tasarımları ya da B-Reps, geometriyi yüzeyler yoluy-la, bilişimsel Uzay Geometrisi (CSG) ya da CSG tasarımları, hacmi, ilkel şekillerin Boolean kombinasyonları yoluyla tanımlamaktadır.
Voxel tabanlı tasarımlar, çok yaygın olmasa da, geometriyi tanımlamada biz dizi 3-D pikselinden yararlanmaktadır. Parametrik tasarımlar 1990’larda ayar-lanabilir boyutlara sahip CSG modelle-rini sunduklarında CAD endüstrisinde devrim yaratmışlardır.
Güçlü ve anlaşılır olmalarına rağmen, bu geleneksel kodlama biçimleri kar-maşık yapıları temsil etmede iyi sonuç verememektedir. Kafes gibi bir yapıyı (mesela bir sandalye için) geleneksel CAD sisteminde modellemeye çalışan herkes anında hafıza ve işlemsel güç sınırlılıklarıyla karşılaşmaktadır. Günümüzün CAD ve 3-D baskı yete-nekleri arasındaki uçurumu anlamak için doğaya gözümüzü çevirebiliriz. Biyoloji bilimi şekil ve fonksiyonu anlamak için temelde farklı yöntemler kullanmaktadır. Genom doğrudan ge-ometrinin son halini kodlamak yerine, geometrinin nasıl geliştiğini kodla-maktadır.
Sandalye kafesinin periyodik ve tekrar eden yapısı, geometriyi prosedürel ola-rak tanımlamanın bu durumda uygun bir seçenek olduğunu göstermektedir.
Geometriyi bir yapım süreci veya geometrik bir program olarak görmek mantıklıdır: tekrar eden yapılar, konuma göre değişen ya-rı-periyodik yapılar ve daha küçük alt yapılardan oluşan hiyerarşik yapılar, yapılandırılmış program dillerine yakın benzerlik göster-mektedir. Böyle bir tasarım kul-lanılarak, tekrar eden bir milyon dikdörtgen hücreden oluşan bir kafesin tanımlanması için gereken hafıza, sadece 10 ünitelik bir kalıp için gereken hafızadan hiç de fazla değildir.
Üretici tasarımlar daha dolaylıdır. Bu kodlamalar, belirli kurallar çer-çevesinde, tasarımın ilkin bir tohum durumundan nasıl gelişmiş bir hale geldiğini göstermektedir. Örneğin, iki kural düşünün: Kurallardan bi-rine göre her “A”, “BA” ile değişti-rilecektir. İkinci kurala göre ise her “B”, “A” ile
değişti-rilecektir. Şimdi bir “A” ele alın ve kural-lar aynı anda uygulan-dığında ne olacağını görün: “A”, “BA” ya dönüşür; “BA”, “ABA”ya dönüşür ve daha sonra “BAA-BA” ya ve sonrasında “ABABAABA”ya dönüşür ve bu şekilde devam eder. Çok geç-meden karmaşık gö-rünen bir yapı elde
et-tiğimizi düşünürüz ancak gerçekte basit iki kural ve bir “A” tohumu sonucunda buraya varmış oluruz.
“A” ve “B” sembollerini geometrik şe-killerle değiştirin, örneğin bir küre ve bir küp ile. Bu durumda şekil grame-ri dediğimiz şeyi elde edersiniz. Basit kurallar, karmaşık organik görünümlü geometrilerin üretimine ve keşfine ola-nak tanır.
Hem doğrudan hem de dolaylı tasarım-lar hala balistiktir: buntasarım-lar, bir geomet-riyi, bağlamına bakmaksızın, “açık bir döngü” içerisinde tanımlamaktadırlar.
Biyolojiden de ipuçları alarak, gele-ceğin CAD sistemleri çevreye tepki olarak şekillenen geribildirime dayalı
tasarım spesifikasyonları kullanacaktır. Bu türdeki “dinamik ozalit baskılar” bulundukları çevreye göre farklı şekil-ler alacaktır.
Bir bitkinin şeklini – hem yerin üstün-deki kısmını hem de kökünü – yöneten bir ozalit baskıyı düşünün. Bitkinin üst kısmının geometrisi, sensörler (örn. harici güneş ışığı sensörleri ve dâhili yapısal gerilim sensörleri) tarafından yönetilen bir dizi üretici kurallar tara-fından belirlenmektedir. Işık koşulları-na ve kaldırabileceği mekanik gerilime bağlı olarak bitki farklı bir şekil alacak ve içinde bulunduğu koşullara göre bir denge sağlayacaktır. Benzer bir biçim-de, kökleri, nem içeriği ve ozmotik ba-sınç tarafından yönetilen bir dizi kurala göre gelişecektir.
Bu olayı ürün tasarımına nasıl aktarabi-liriz? Bir odada dengeli miktarda aydın-latmayı sağlayacak geometriyi gelişti-ren bir dizi kural kullanılarak, bir abajur için üretilmiş dinamik ozalit baskıyı düşünün. Abajuru simülasyon ürünü pencereli bir odanın bir köşesine yer-leştirin. Bu durumda tasarım belirli bir geometriye dönüşecektir. Bu defa aba-juru farklı bir odaya, başka bir aydın-latma armatürünün yanına yerleştirin. Bu durumda aynı dinamik ozalitin son şekli farklı olacaktır. Bu sensör temel-li kuralların karmaşıklığı değiştiğinde,
hedef şeklimizi onun hedef geometrisi-ne bağlı olarak değil, hedef davranışına bağlı olarak belirlemekteyiz.
Yeni Tasarımcılar, Yeni Araçlar
3-D yazıcıları gibi kişisel üretim araç-larının gittikçe yaygın hale gelmesi ta-sarımı demokratikleştirmekte ve yeni tasarımcılar yaratmaktadır. Bu yeni tasarımcıların çoğunun da, geleneksel CAD araçlarının hizmet ettiği örgün bir mühendislik eğitimine sahip olması pek olası değildir.
Her geçen gün çok sayıda ressamın, sı-radan kullanıcının ve hatta çocukların bilgisayar destekli tasarıma ilgi duydu-ğunu görmekteyiz. Bu yeni ve gittikçe büyüyen toplum – CAD toplumundan çok daha geniş bir toplum – tasarım araçlarının, arayüzlerin ve modellerin geliştirilmesi için yeni olanaklar sun-maktadır. Bu gelişmelerden bazıları mühendislerin de işine yarayacaktır çünkü artık yazılımdan çok tasarım için vakit harcanacak ve yeni nesil tasarım-cıların güçlenmesi sağlanacaktır. Sıradan kullanıcılar için tasarım araç-ları üretmenin yolaraç-larından biri doğal kullanıcı arayüzlerine dayanmaktadır. Grafik arayüzlerin tersine doğal arayüz-ler akıcı iletişim biçimarayüz-lerinden (el-kol hareketleri, çizim ve konuşma gibi) çok daha fazla yararlanır. Örneğin taslak
çi-zime dayalı arayüzler belirli bir yapım sırası kaygısı gütmeden kullanıcıların taslak 3-D objelerini aşamalı olarak ha-yata geçirmelerine olanak tanır. Gerçek zaman simülasyonlarını kulla-nan fizik temelli etkileşimlerle de bir-leştirildikleri zaman doğal arayüzler daha da üretken hale gelmektedir. Sanal çamuru elleriyle şekillendirebilmekte veya aerodinamik objeler üretmek için sıvı akışıyla etkileşime geçebilmekte-dirler. Gerçekçi fizik simülasyonları, anında performans geribildirimi vere-bilmekte, bu da eğitimsiz kullanıcıların optimal çözümleri hızlı bir şekilde bul-malarına olanak tanımaktadır.
Gittikçe artan sayıda kullanıcı, tas-laktan obje üretmek yerine toplanmış verilerden tasarımlar üretmeyi tercih etmektedir. Kullanıcılar çevrelerinde buldukları, CAD modelleri üretilmemiş olan gerçek şekilleri – doğal objeler veya sentetik objeler – taramaktadırlar. Xbox için üretilen Kinect’ten Video Capture’a kadar çeşitli yeni nesil tarayı-cı cihazlar detaylı renkli 3-D modelleri üretme kapasitesine sahiptir. Gelecek-te, simülasyonlar ve sensör ağları gibi, başka görsel olmayan veri kaynakları da kullanılabilir.
Tarayıcılar yüzey örgü modelleri üret-tiklerinden – ki bu modeller geometrik tasarımların en düşük seviyesidir – gü-nümüzün CAD sistemleri bunları etkin bir biçimde işlemenin çabasını vermek-tedirler. Yine de kullanıcılar taranan nesneler üzerinden formları gittikçe karmaşıklaşan manipülasyonlar (basit ölçeklendirme ve esnetme manipülas-yonlarından objeler arası aradeğerle-meye ve özelliğe göre akıllı parametrik düzenlemeler yapmaya varan manipü-lasyonlara kadar) üretme beklentisine sahip olacaklardır.
Zorluklardan belki de en ilginç olanı, geleneksel modellemeye hiçbir şekilde ilgi duymayan, ancak, bir estetik bilin-ci olan ve ne yapmak istediğini bilen tasarımcılara uygun bir sistem geliş-tirmektir. Bu tip tasarımcıların talep-lerine cevap vermek, oldukça kısa bir kullanıcı etkileşiminden akılcı tasarım çıkarımları yapan yeni yapay zekâ
tek-Günümüzde tasarım ve baskı araçları, yaprak damarların-dan yapılmış Sinir Sistemi’nin Hyphae (Hif) lambası gibi or-ganik tasarımlara olanak tanı-maktadır. Bu Venedik çömleği, dijital fotoğraflardan 3-D model-ler üreten My3DScanner yardımıyla yapılmıştır. Modeller daha sonra 3-D baskıyla basıl-maktadır.
EndlessForms.com sitesinde istediğiniz şekle dönüştürebileceğiniz objeler bu-lunmaktadır. Aynı zamanda, çizimlerden objeler yaratabilirsiniz.
Cilt: 54
Sayı: 638
24
Mühendis ve Makinanikleri gerektirmektedir. Kişiler çoğun-lukla taslaktan tasarım üretmek yerine neyi beğenip neyi beğenmediklerini söylemeyi daha kolay bulurlar. Örne-ğin, potansiyel evlerin zemin planlarını incelemek, gereken malzemeleri açık açık listelemekten daha kolaydır. An-cak, iyi bir mimar çoğu zaman bu sınır-lı geribildirime dayanarak uygun bir ev tasarlayabilir.
Kısa bir kullanıcı etkileşimine dayanan tasarımlar üretmenin yollarından biri “kör saatçi süreci” diye adlandırılan bir süreçtir; bu süreç interaktif evrime dayalıdır. Burada sistem kullanıcıya gelişigüzel şekillere sahip bir dizi obje sunmaktadır. Kullanıcı bu objeler ara-sından beğendiklerini seçer. Bu sınır-lı geribildirime dayasınır-lı olarak sistem istenmeyen objeleri elimine eder ve seçilen şekillerin küçük varyasyonları olan yeni objeler üretir. Birkaç tekrar üzerine, amaçlanan şekle uyan şekiller ortaya çıkmaya başlar.
Ancak, bu tarzda interaktif evrime da-yalı bir sistemin geliştirilmesi, rastgele geometrileri temsil edebilen ve anlamlı varyasyonlar üretmek için özellikleri otomatik olarak parametreleştirebilen sofistike arka uç algoritmaları gerekti-rir. Örneğin, bir kullanıcı değişik aba-jur formları ürettiğinde yazılım otoma-tik olarak abajur varyasyonları – kimi yuvarlak, kimi dikdörtgen, kimi düz ve kimi pürüzlü – üretmektedir. Bunu yaparken de, abajurlar, yüzey düzlü-ğü veya abajur tasarımıyla ilgili diğer boyutlar hakkında hiçbir bilgiye sahip değildir.
Tasarım araçlarının belki de en dolay-lı olanı bizim madde derleyici olarak bildiğimiz şeydir. Madde derleyici, üst seviyeli tasarım şartlarını ve kısıtlama-larını, 3-D yazıcı özelliklerine ve elde bulunan materyallere özgü optimize bir baskı dosyası içerisinde toplamaktadır. Bir duvar üzerine raf tutturmak üzere bir dirsek tasarlayan kullanıcıyı dü-şünelim. Bu kullanıcının mühendislik bilgisi çok az olsa da, dirseğin sığma-sı gereken hacmi ve taşımasığma-sı gereken yükü belirleyebilir. Bu koşullar ve kı-sıtlamaların yanı sıra kullanıcının 3-D
yazıcısında bulunan materyallerle ilgili bilgi de eklenince yazılım optimal bir dirseği tasarlayacaktır.
Kullanıcı metal bir yazıcıya sahipse, çı-kacak ürün plastik bir yazıcıdan çıkan üründen farklı olabilir. Çok materyalli bir yazıcı için derlenen obje, tek mater-yalli yazıcı için derlenen objeden farklı görünebilir.
Tasarım tamamlandığı zaman, kullanı-cı, dirseğin aynı zamanda duvar boru-suna yer ayıracak şekilde tasarlanması gerektiğini fark edebilir. Bu ek kısıtla-ma da eklenir ve tasarım yeniden der-lenerek modifiye bir tasarım elde edilir ve bu böyle devam eder; tıpkı yazılım geliştirmenin tekrarlanan doğası gibi.
FabApps
Aynı zamanda, genel amaçlı CAD araç-larından niş uygulamaları için kullanı-lan özel tasarım araçlarına doğru bir ge-çişe tanık olmaktayız. Bu spektrumun diğer bir ucunda, tek ve yalnızca bir tek tipte obje üretmeyi hedefleyen bir uygulama olan FabApp’ın doğduğunu görüyoruz. Bu uygulamalar kullanıcı-ya bir obje tasarlama özgürlüğünü ver-mekte ancak objenin başarılı bir şekilde üretilmesini sağlamak için gereken tüm teknik bilgiyi de sunmaktadır.
Shapeways.com, Sculpteo.com ve diğer şirketlerin web siteleri, FabApps kulla-nılarak kişiye özel mücevherler ve ev gereçleri üreten araçları kullanıma sun-maktadır. Niş tasarım araçlarına ve eğ-lenceli arayüzlere olan eğilim, CAD’i
“oyunlaştırmaya” doğru gitmektedir. Bundan sadece on yıl önce mühendis-lere çalıştıkları CAD yazılımının za-manla popüler bir oyuna dönüşeceğini söyleseydiniz, sizi ciddiye almakta zor-lanırlardı. Ama bu eğilim şu anda açık-ça görülebilmektedir.
Voxel tabanlı bir 3-D tasarım aracı olan MineCraft (www.minecraft.net), çok seri bir şekilde kullanıcı toplamaktadır. Tasarımcısı Markus Persson onu kulla-nıcısının hayal ettiği her şeyi inşa etme-si üzerine kurulu bir oyun olarak gör-mektedir. 30 milyonun üzerinde kayıtlı kullanıcısı ve 6 milyon ücretli müşterisi olan MineCraft, CAD yazılım sistem-leri içerisinde muhtemelen en yaygın olanlardan birisidir ve kuşkusuz en hızlı gelişen CAD piyasası durumun-dadır. Eğer geleneksel CAD yazılımı bu bağımlılık yapıcı tasarım modeli ve işbirliğine dayalı tasarım çevresinden yararlanabilirse, yepyeni bir tasarımcı neslini yaratma olanağımız olur. Yeni geometrik tasarımlar, yeni tasa-rım modelleri ve yeni arayüzler CAD alanında zorlu yeni görevlere ve daha önce hiç olmadığı kadar yeni fırsatlara kapı açacaktır. İyi tasarım araçları çoğu zaman teknolojik yeniliğin gizli aktör-leridir.
Var olan performans motorunu yeni bir paradigma değişimi ile dengelemek zor bir iştir, ama eğer CAD içinde bir yeni-lik yapılacaksa, zamanı tam da bugün-dür. Minecraft oyuncuları dokulu küp-lerden 3-D ya-pılar üretmek-tedir. 6 milyon müşteriye sahip oyun, CAD’in en hızlı büyüyen piyasaların-dan biridir.
