Katı Modelleme ile Mühendisliğin Evrimi

Her mühendis bir fikri gerçek kılmak ister. Da Vinci’nin tasarladığı kanatlar, Jules Verne’in -bilim kurguda olsa- neden olmasın dedirten denizaltısı, Tesla’nın kablosuz enerji hayali, “The Line” adlı çizgi şeklindeki şehir ve daha niceleri… Mühendisler bari hayallerinde fizik yasalarını düşünmesin. 😊 Sonuçta her yenilikçi fikir, önce mantıksız ve yapılamaz görünür. İşte mühendislik, mantıkla imkânsız sanılanı birleştirme sanatıdır. Peki mühendisler hayal dünyalarında dönenleri nasıl bize gösterir, bu yazıda bunu inceleyelim.

Adı Üstünde: TasarımFarkındalık oluşturmak için bölüme geçmişten bir olayla başlayalım. Eyfel Kulesi inşa edilmeden önce ülkedeki saygın isimler, mühendisler ve halk da dahil olmak üzere pek çok kesim tepki göstermiş. Bu kulenin şehrin silüetini çirkinleştireceğini, bu kadar yüksek bir yapının rüzgâra dayanamayacağını söylemişler.

“Zamanında Eyfel Kulesi içinde imkânsız denilmişti. (Bunu diyenler de mühendisti. 😊)”

 

Tamamıyla haksızlar da denemez aslında. Çünkü o dönemlerde çeliğin gerilme dayanımı üzerine kullanılan modern formüller henüz oturmamıştı. Eyfel’in yapıldığı dönemde;

• Çeliğin elastik davranışı biliniyordu. (Hooke yasası)
• Eğilme hesapları yapılabiliyordu. (Euler-Bernoulli yasası)
• Akma, yorulma, çok eksenli gerilme gibi modern dayanım kavramları yoktu.
• Tresca kriteri, Von Mises kriteri gibi teoriler kullanılmadı.

 

Bu yapıdaki mühendislik başarısı, teori eksikliğini sezgi ve güven katsayısıyla telafi etmekti.

“Mühendislerin asıl başarısı Eyfel’i dikmek değil, insanları ikna etmekti.”

 

Ne yani? Doğru yöntem sezgilerimize güvenmek ve güven katsayısını yüksek tutmak mı, diyebilirsiniz. Günümüz teknolojisinde, artan arz seviyesi ve rekabet koşulları nedeniyle artık mühendisler olarak daha hızlı, daha hafif ve daha verimli yapıları daha düşük maliyetlerle ortaya çıkarmak zorundayız.

Peki bu nasıl mümkün olabilir? Daha dayanıklı ve daha hafif bir Eyfel, daha düşük maliyetlerle, daha hızlı şekilde yapılabilir mi? Günümüz teknolojisiyle evet, bu mümkün. Günümüz teknolojisinde, mühendislerin kafasındaki tasarımlar dijital bir dünyada doğar. Katı modelleme işte bu dijital doğumun temelidir. Bir taslak fikri alır, ona şekil verir, ağırlık ve derinlik kazandırır, fizik kurallarına tabi hale getirir.

Bilgisayar destekli tasarım (CAD) programlarıyla oluşturulan bu modeller, yalnızca üç boyutlu görsel objeler değildir. Onlar üretim hattına, montaj talimatlarına, analiz raporlarına ve simülasyonlara rehberlik eden dijital prototiplerdir. Bu dijital prototiplerin oluşturulması sürecinin planlı bir yapıya dayanması gerekir. Bu yapı, ürün tasarımının bir çerçevesi olarak görülebilir.

Tasarım Sürecinin Çerçevesi

Bu çerçeve tasarım sürecinin dört temel aşamasını tanımlamaktadır:

• Modelleme: İlk aşamada ürünü oluşturan parçalar tasarlanır.
• Montaj: Tasarlanan parçaların ilişkileri tanımlanarak ürün oluşturulur.
• Belgelendirme: Ürünün üretilebilmesi için gerekli olan dokümanlar hazırlanır.
• Analiz: Üretilmeden önce ürüne dijital ortamda testler yapılır.

Tüm bu çerçevenin merkezinde ürün yer alır. Çünkü oluşturulan her model, ürünün görevini yerine getirmesi için oluşturulur.

Modelleme Aşaması

Tasarım sürecindeki ilk aşama, yani temel en önemlisidir. Modelleme. Modelleme aşaması üç adımda gerçekleşir: Modelin planlanması, oluşturulması ve doğrulanmasıdır. Bu aşama, mühendislikteki “hayal et, oluştur, test et” felsefesinin dijital karşılığıdır. Hayal etme adımında yani modelin planlandığı adımda, mühendisler kavramsal bir tasarım oluştururlar. Bu tasarımın yapıldığı platform kendi zihinleri ve zihinlerindekini aktardıkları defterleridir. Kimi zaman sıkıldıklarında karaladıkları ve anlamsız şekiller çizdikleri bir defter…

Zihinde modelle ilgili sınırlar yani genel çerçeve oluştuktan sonra bilgisayar ortamında tasarım adımına geçilir. Defterde yapılan çizimlere derinlik kazandırılır ve dijital dünyada da olsa ortaya somut bir model çıkar. Bu oluşturulan model ile kavramsal tasarım aşamasındaki limitler ve kriterler karşılaştırılır. Bu adım da oluşan modelin isterleri karşılayıp karşılamadığı doğrulanır. Mühendis, yüzüne o işi hakkıyla tamamlamanın vereceği tebessümü hissedene kadar “hayal et, oluştur, test et” döngüsünü tekrar eder.

• Planlama Adımı

Her şey bir problemle başlar: “Bu parçayı nasıl tasarlayabilirim?” Planlama, modelleme aşamasının en kritik adımıdır. Çünkü bu adımda, tasarımcı veya mühendis gereksinimleri gözden geçirir. Zihninde sadece modelin geometrik biçimini değil, modelin “nasıl çalışacağını, nasıl üretileceğini ve nelere nasıl dayanacağını” tasarlar.

Bu adımda zihninde dönen sorulara örnek vermek gerekirse:

• Fonksiyon : Parçanın görevi nedir? Yük mü taşıyacak, dairesel hareket mi yapacak, yoksa bu bir bağlantı elemanı mı olacak?
• Malzeme : Dayanımı, maliyeti, ağırlığı.. Bunlar gibi daha birçok kriter var. Peki hangi malzeme kullanılacak?
• Üretilebilirlik: Model gerçekten üretilebilir mi? CNC mi, döküm mü, lazer+büküm mü? Hangi üretim yöntemi daha uygun?

 

Muhtemelen sonrasında modelin bakım maliyetlerini, tekrar üretim kolaylığını, kullanım ömrünü, montaj kolaylığını da düşünecektir.

Bu aşama, modelin “neden” var olduğunu anlamamızı sağlar. Buraya kadar ki kısımda anlaşılacağı üzere, bilgisayar ortamında yeni bir parça oluşturmadan önce atılan ilk adım (planlama) aslında stratejiktir. Çünkü bu adım geometrinin değil, amacın planlanmasıdır. Amaç doğru planlandıktan sonrası zaten mühendisin hayal gücüne kalmıştır.

“Bir şeyi çizmeye başlamadan önce, neyi çizdiğini anlamalısın.”

Henry Dreyfuss

 

• Oluşturma Adımı

Artık sıra geldi mühendisin zihnindeki sanat eserini somutlaştırmasına. Tasarımcı, bir önceki adımda aldığı kararlarla sınır şartlarını belirlemiş ve bilgisayar ortamında üç boyutlu tasarımına başlamıştır. Modelleme aşamasının genelinde olduğu gibi modeli oluşturma adımı da döngüseldir. Yapılan her düzenleme, sizi nihai modele biraz daha yaklaştırır.

“Tasarım, bir şeyi güzel yapmakla değil, anlamlı kılmakla başlar.”

Victor Papanek

 

• Doğrulama Adımı

Modelleme aşamasının son adımı, doğrulama adımındayız. Bu adım dijital olarak ortaya çıkan modelin nihai testidir. Bu adımda, model artık yalnızca şekil olmaktan çıkar. Kullanılabilir olması için sayılar, malzemeler, fizik kuralları da işin içine dahil olur. Bu noktada amaç, oluşturulan modelin tanımlanan mühendislik gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını değerlendirmektir.

• Malzeme atama : Seçilen malzemenin fiziksel ve mekanik özellikleri (yoğunluk, elastisite modülü vb.) modele uygulanır.
• Kütle hesaplaması : Modelin kütle merkezi, toplam ağırlığı ve atalet momentleri kontrol edilir.
• Tasarım doğrulama : Modelin ölçüleri tolerans limitleriyle ve geometrik kısıtlamalarla kontrol edilir.

 

Yapılan kontroller neticesinde, tüm gereksinimler karşılanıyorsa model artık üretilebilir durumda demektir. Aksi durumda, model tekrardan döngünün oluşturma adımına döner.

“Mükemmellik asla tesadüf değildir; bilinçli niyetin, samimi çabanın ve akıllı uygulamanın sonucudur.”

Aristoteles

Sonuç

Kapanışa gelmişken buraya kadar bahsettiklerimizi bir hatırlayalım. Tasarım süreci dedik. Modelleme, montaj, belgelendirme ve analiz adlı dört temel aşamadan oluşur dedik. Bu yazımızda modelleme aşamasına yoğunlaştık. Bu konuya ele alarak da katı modelleme kavramının sadece çizgiler ve onlara derinlik katmaktan ibaret olmadığı anlatmak istedim.

Katı modelleme kavramı, mühendislik için yalnızca bir araç değil, bir düşünme biçimidir. Model üzerindeki her bir işlem, geometriyle birlikte fonksiyon, malzeme ve üretim bilgisini de taşır. Bir model oluşturulduğunda aslında yalnızca bir şekil değil, ürünün dijital ikizi doğar. Bu dijital ikiz, modelin kütlesinden ağırlık merkezine, geometrik toleranslarından malzeme davranışına kadar güncel olsun olmasın tüm parametreleriyle yaşayan bir veri kümesidir.

Bu yüzden katı modelleme, tasarımın yalnızca görsel temsili değil, aynı zamanda mühendislik doğruluğunun taşıyıcısıdır. Bir model tamamlandığında geride sadece bir CAD dosyası kalmaz. Onun içinde bir fikrin evrimi, bir problemin çözüm yolu, bir mühendislik aklı vardır.

Sonuçta, güçlü bir tasarımcı olmanın anahtarı sadece bildiğiniz çizim programları değildir. Tasarımı “çizim” olarak değil, “karar süreci” olarak görmekte yatar. Çünkü her çizgi, bir mühendislik kararıdır.

Nihai Tavsiye: Katı modellemeye sadece geometri üretimi olarak değil, bilgi üretimi süreci olarak yaklaş. Her modelini “gelecekte birinin anlayacağı şekilde” oluştur. İyi bir model, sadece doğru değil; okunabilir, sürdürülebilir ve geliştirilebilir olandır.

“Bir tasarım, biri onu kullanmaya başlayana kadar tamamlanmış sayılmaz.”
Brenda Laurel

 

Kaynakça:

• ptc.com – Fundamentals of Solid Modeling Eğitimi
• Gustave Eiffel, La Tour de 300 mètres (1900), G. Masson, Paris.