3D Taramanın Başlıca Türleri Nelerdir?

3B Tarama Teknolojisi

3B tarama teknolojisi, temaslı, temassız ve tahribatlı yöntemler olarak sınıflandırılabilir. Bu teknoloji, ölçüm, tersine mühendislik, kalite kontrol ve ilgili uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Temaslı Ölçüm Yöntemleri

Temaslı Tarama: Koordinat Ölçüm Makineleri

Koordinat ölçüm makineleri (CMMs), 1960’larda geliştirilmiş verimli ve hassas ölçüm aletleridir. Bu makinelerin ortaya çıkışı, otomatik ve CNC takım tezgahlarında giderek daha karmaşık hale gelen parçaların verimli bir şekilde işlenmesini destekleyecek güvenilir ölçüm ekipmanlarına duyulan ihtiyaçtan kaynaklanmıştır. Elektronik, bilgi işlem, sayısal kontrol ve hassas işleme alanlarındaki gelişmeler de CMM'lerin teknik temelini oluşturmuştur.

1960 yılında, Birleşik Krallık’taki Ferranti şirketi dünyanın ilk CMM’sini başarıyla geliştirdi. 1960’ların sonuna gelindiğinde, yaklaşık 10 ülkede 30’dan fazla şirket CMM üretimi yapıyordu; ancak bu ürünler hâlâ erken bir aşamadaydı. 1980'lerden itibaren ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti ve Moore gibi şirketler yeni ürünler piyasaya sürmeye devam ederek CMM'lerin hızlı bir şekilde gelişmesine öncülük etti. Modern CMM'ler, bilgisayar kontrolü altında karmaşık ölçümler yapabilir, işlemeyi kontrol etmek için CNC takım tezgahlarıyla bilgi alışverişinde bulunabilir ve ölçüm verilerine dayalı tersine mühendisliği destekleyebilir.

Günümüzde CMM cihazları, makine imalatı, otomotiv, elektronik, havacılık ve savunma sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu cihazlar, modern endüstriyel denetim ve kalite kontrolü için vazgeçilmez ekipmanlar haline gelmiştir.

CMM Bileşenleri ve Çalışma Prensibi

CMM, esas olarak mekanik ve elektronik sistemlerden oluşan tipik bir mekatronik sistemdir.

1. Mekanik sistem: Bu sistem genellikle üç adet ortogonal doğrusal hareket ekseninden oluşur. Tipik bir yapıda, X ekseni kılavuz sistemi çalışma masasına monte edilir, hareketli köprü kirişi Y ekseni kılavuz sistemini oluşturur ve Z ekseni kılavuz sistemi merkezi kızak üzerine kurulur. Her eksen, yer değiştirmeyi ölçmek için bir ölçek ile donatılmıştır. Manuel el çarkları ve motorlu tahrikler, ister elektrikle çalışsın ister CNC ile kontrol edilsin, genellikle eksenlerin yakınında bulunur. İncelenen parçanın yüzeyine temas etmek için kullanılan prob, Z ekseninin ucuna monte edilmiştir.
2. Elektronik sistem: Bu sistem genellikle bir ölçek sayma sistemi, bir prob sinyali arayüzü ve bir bilgisayardan oluşur. Ölçülen parçadan koordinat noktası verilerini toplar ve bu verileri işler.

CMM cihazının çalışma prensibi, geometrik özelliklerin ölçümünü, bu özellikler üzerindeki bir dizi noktanın koordinatlarının ölçümüne dönüştürmektir. Nokta koordinatları elde edildikten sonra, matematiksel hesaplamalar sayesinde boyutlar ve geometrik toleranslar belirlenir. Örneğin, silindirik bir deliği ölçerken, delik eksenine dik bir düzlemde birkaç nokta taranabilir. Bu noktaların uzamsal koordinatları daha sonra delik çapını, merkez koordinatlarını, yuvarlaklık hatasını, silindirlik hatasını ve delik ekseninin konumsal ilişkisini hesaplamak için kullanılabilir. Bu, CMM cihazının yüksek çok yönlülüğünü ve esnekliğini gösterir: prensip olarak, herhangi bir iş parçasının herhangi bir geometrik özelliğini ve parametresini ölçebilir.

Mafsallı Kollu Ölçüm Makinelerinin Tamamlayıcı Rolü

Mafsallı kollu ölçüm makinesi de bir temaslı ölçüm cihazıdır. CMM modelinden farklı olarak, bu makine hassas çalışma masası, kolon veya kılavuz rayları kullanmaz. Bunun yerine, çok sayıda serbestlik derecesine sahip mafsallı bir kol kullanır ve esnek bir koordinat ölçüm makinesi olarak işlev görebilir.

Kolun ucuna bir sensör takılabilir. Döner enkoderler her bir eklemin dönme açısını kaydeder ve sensörün uzaydaki koordinatları kinematik ilkeler kullanılarak hesaplanır. Kullanım sırasında operatör, ölçüm kolunu tutar ve probu incelenen yüzeye temas ettirir. Bir düğmeye basıldığında koordinatlar ve prob sapının yönü kaydedilir; bu veriler daha sonra bir seri kablo aracılığıyla ölçüm yazılımına aktarılır. Bu tür makineler yön açısından neredeyse hiçbir kısıtlamaya tabi değildir ve çalışma alanı içindeki herhangi bir yönde ölçüm yapabilir. Genellikle, CIM-CORE ve FARO’nun manuel kolları da dahil olmak üzere, büyük sac kalıplarının tersine mühendislik ölçümleri için kullanılır.

CMM'lerle karşılaştırıldığında, mafsallı kollu ölçüm makineleri biraz daha düşük hassasiyete sahip olmakla birlikte, daha geniş bir ölçüm aralığına sahiptir ve iş parçası boyutu ve şekliyle ilgili daha az kısıtlama barındırır. Bu makineler kompakt yapıdadır, kullanım açısından esnektir ve üretim süreci sırasında yapılan ölçümler için uygundur. Diğer açılardan ise CMM'lerle benzerdir.

Temassız Yöntemler

Temassız ölçüm, veri toplamak için esas olarak optik ilkelerden yararlanır. Yaygın yöntemler arasında lazer mesafe ölçümü, lazer üçgenleme, yapılandırılmış ışık, görüntü analizi ve interferometrik ölçüm yer alır. Optik ölçüm ekipmanları, yüksek ölçüm hızı ve yüksek derecede otomasyon sağlar. Temas basıncı veya sürtünme olmadığından, kuvvet altındaki parçanın deformasyonundan kaynaklanan ölçüm hatalarını önleyebilir; bu da onu karmaşık modellerden hızlı ve büyük ölçekli veri toplama için son derece uygun hale getirir.

Optik ölçümün temel ilkesi, fiziksel bir analog büyüklüğü uygun algoritmalar aracılığıyla parça yüzeyi için koordinat verilerine dönüştürmektir.

Lazer Mesafe Ölçümü

Lazer mesafe ölçümü, lazer ışınının uçuş süresi, ışık hızı ve atmosferik kırılma indisi verilerinden yola çıkarak ölçülen nokta ile referans düzlemi arasındaki mesafeyi hesaplar. Doğrudan süre ölçümü zor olduğundan, faz tabanlı mesafe ölçüm cihazlarında genellikle sürekli dalga faz ölçümü kullanılır. Bu yöntem, tipik olarak milimetre düzeyinde bir doğrulukla birkaç yüz metreye kadar mesafeleri ölçebilir.

Lazer Üçgenleme

Lazer üçgenleme yöntemi, noktaların uzamsal koordinatlarını hesaplamak için bir ışık kaynağı ile kamera gibi bir görüntüleme sensörü arasındaki konumu ve açıyı kullanır. Bu yöntem, nokta, çizgi veya yüzey ölçümleri için kullanılabilir.

1. Çalışma mesafesi uzundur ve iş parçasının yüzeyinden nispeten uzakta olsa bile ölçüm yapabilir.
2. Geniş bir ölçüm aralığına sahiptir. Geniş aralıktan kaynaklanan doğrusal olmayan hatalar, yazılım aracılığıyla kalibre edilip düzeltilebilir.
3. Prob, ölçülen nesneye temas etmediğinden, yumuşak malzemeden yapılmış yüzeylerden veri toplayabilir ve keskin kenarları, çukurları ve diğer karmaşık konturları etkili bir şekilde ölçebilir.
4. Veri toplama işlemi hızlıdır. Geniş yüzeylerde, veriler CMM veya CNC takım tezgahında prob telafisi yapılmaksızın hızlı bir şekilde toplanabilir.
5. Nispeten pahalıdır ve istenmeyen yansımalar ile dikey duvarlar gibi yüzey özellikleri, veri toplama doğruluğunu etkileyebilir.
6. Ölçülen malzemeye, yüzey pürüzlülüğüne ve yansıtıcılığa duyarlıdır ve doğruluğu genellikle CMM modelininkinden biraz daha düşüktür.

Yapısal Işık ve Gri Kod Teknolojisi

Yapısal ışık yöntemleri, bir nesnenin yüzeyine şeritler veya ızgaralar gibi belirli bir ışık deseni yansıtır. Yüzeyin üç boyutlu koordinatları, yansıyan desenin kavisli yüzey tarafından nasıl deforme olduğu tespit edilerek hesaplanır. Tipik bir yaklaşım olan yansıtmalı ızgaralar, yüzey yüksekliğindeki değişikliklerin neden olduğu ızgara şeritlerinin deformasyonundan yükseklik bilgisini elde eder.

Pasif görüntü analizinden farklı olarak, yapılandırılmış ışık yöntemi yapay bir ışık kaynağının aktif olarak yansıtılmasını gerektirir. Pasif stereo görüş, bir nesneyi farklı açılardan görüntülemek için bir veya daha fazla kamera kullanır ve görüntü farklılığından derinliği hesaplar. Binoküler yapılandırılmış ışık sistemleri, her iki yaklaşımın avantajlarını bir araya getirir ve ölçüm verimliliğini daha da artırabilir.

Binoküler yapılandırılmış ışık ölçümü, tek bir işlemde büyük miktarda veri toplayabilir ve karmaşık yüzeylerin verimli bir şekilde ölçülmesi için uygundur. Ancak sonuçlar, nesne yüzeyinin optik özelliklerinden etkilenir; bu da şeffaf veya siyah yüzeylerin ölçülmesini zorlaştırır. Ölçüm doğruluğu genellikle temaslı ölçüme kıyasla biraz daha düşüktür.

Almanya merkezli GOM firmasının ürettiği ATOS optik tarayıcı, tipik bir yapılandırılmış ışık ölçüm sistemidir. Bu sistem, nesne yüzeyine ızgara şeritleri yansıtır, iki adet yüksek çözünürlüklü kamera kullanarak deforme olmuş şerit görüntülerini yakalar ve üç boyutlu yüzey koordinatlarını hesaplar. Karmaşık yapılar için eksiksiz nokta bulutu verilerini çok kısa sürede elde edebilir. ATOS II, yaklaşık 280 mm x 350 mm'lik tek bir ölçüm alanına sahiptir, 1,3 milyona kadar tarama noktası yakalayabilir ve tek ölçümde artı veya eksi 0,03 mm hassasiyetine ulaşabilir. Daha büyük nesneler için, farklı açılardan alınan ölçümler birleştirilerek yaklaşık 0,1 mm/m montaj hassasiyetine sahip eksiksiz modeller oluşturulabilir.

Sinüzoidal faz kaydırma ile birleştirilen Gri kodu, yapılandırılmış ışık teknolojisinde yaygın olarak kullanılan bir kodlama yöntemidir. Gri kodu, öncelikle ölçüm alanını bölgelere ayırarak her bir noktanın yaklaşık konumunu belirler. Ardından, her bir bölge içinde hassas konumlandırma için faz kaydırma kullanılır.

Gri kodun temel özelliği, birbirine komşu kodların yalnızca bir bit farklılık göstermesidir. Bu, birden fazla bitin aynı anda değişmesi durumunda ortaya çıkabilecek hataları önleyerek, geniş aralıklı ölçümlerde yüksek güvenilirlik ve düşük kod çözme hata oranı sağlar. Başlıca özellikleri şunlardır:

1. Düşük hata oranına sahip güvenilir kodlama.
2. Bu, ağırlıklı bir koddur. Farklı Gray kodları doğrudan karşılaştırılamaz ve işlenebilmeleri için önce ikili koda dönüştürülmeleri gerekir.
3. Bir kod kelimesindeki 1 rakamlarının sayısı, ilgili değerin tek mi yoksa çift mi olduğunu belirlemek için kullanılabilir.

Çok frekanslı heterodin faz ızgara teknolojisi, bilgisayar tarafından oluşturulan dijital ızgaraları bir nesne yüzeyine yansıtmak için bir DLP projektör kullanır. İki kamera, deforme olmuş şeritleri eşzamanlı olarak yakalar ve faz hesaplamaları sonucunda nesne yüzeyi için üç boyutlu nokta bulutu verileri elde edilir. Bu yaklaşım, yüksek projeksiyon doğruluğunu korurken ızgara frekansının esnek bir şekilde ayarlanmasına olanak tanır.

Görüntü Analizi

Görüntü analizi, birden fazla görüntüdeki aynı noktanın göreceli konumunu kullanarak disparite yoluyla mesafeyi hesaplar ve böylece söz konusu noktanın uzamsal koordinatlarını elde eder. Ayrıca, ölçüm verimliliğini ve uygulanabilirliğini artırmak amacıyla genellikle diğer optik yöntemlerle birleştirilir.

Yıkıcı Yöntemler

Tahribatlı Taramanın Uygulama Kapsamı

Otomatik seri kesit tarayıcı, bir modelin iç ve dış kontur verilerini elde etmek için katman katman malzeme kaldırma işlemini katman katman tarama işlemiyle birleştirir. İlk olarak, ölçülecek parça, grafit tozu veya pigment ile doldurulmuş özel bir reçine malzemesi içinde tamamen kapsüllenir. Reçine sertleştikten sonra, bir freze makinesine sabitlenir ve hem parçayı hem de reçineyi içeren bir kesit oluşturmak için çok küçük bir kesme derinliği ile işlenir. Kesit daha sonra dijital örnekleme için bir CCD dijital kameranın altına getirilir. Kaplama malzemesi ile parça arasında belirgin bir sınır olduğu için, filtreleme, kenar çıkarma, doku analizi ve ikilileştirme gibi dijital görüntü işleme teknikleri kullanılarak sınır konturu çıkarılabilir ve kontur koordinat değerleri elde edilebilir. Tüm model kesitlerinin koordinat verileri elde edilene kadar kesme ve analiz işlemleri tekrarlanır.

Endüstriyel bilgisayarlı tomografiye kıyasla, otomatik seri kesit tarayıcıların ekipman ve işletme maliyetleri daha düşüktür. Piksel çıkarma yöntemine dayandıkları için, her katmanda büyük miktarda veri toplayabilirler. En belirgin dezavantajları ise ölçülen nesneyi tahrip etmeleridir. Piyasada bulunan nispeten olgun bir otomatik seri kesit tarayıcı, ABD’deki CGI firmasının ürettiği RE1000 modelidir.

Endüstriyel Bilgisayarlı Tomografi

Endüstriyel bilgisayarlı tomografi (ICT), karmaşık iç ve dış yapıları ile malzeme biçimlerini yeniden oluşturmak için tahribatsız bir dijital tomografik yöntem sunar. Fiziksel bir numune tomografik taramadan geçirildikten sonra, ICT bir dizi enine kesit görüntü dilimi ve veri üretir. Bu dilimler ve veriler, iş parçasının enine kesit konturları ve iç yapısı hakkında eksiksiz bilgi içerir.

ICT, tıbbi CT teknolojisinin başarılı uygulamasını endüstriye genişletmektedir. Bu teknoloji, karmaşık yapıya sahip küçük, orta ve büyük boyutlu kalıplanmış parçaların ters modellemesi ve kalite kontrolünün yanı sıra teknik analiz, ürün arızalarının tahribatsız teşhisi ve güvenilirlik değerlendirmeleri ile montaj-yapı analizleri için de kullanılabilir.