Ünal Uslu
Ekim 2008, İstanbul

Özet

Bu çalışmada; karmaşık iç ve dış yapıya sahip parçaların, CT cihazında taranarak, 3D modelinin ortaya çıkarılması böylece konvansiyonel ölçme cihazlarıyla yapılamayan boyutsal ölçümün ne kadar yüksek bir doğrulukla elde edilebileceği araştırılmıştır.

Uygulama için; önce numune parça spiral tomografide taranarak, kesit görüntüleri elde edilmiştir.  Bu raster görüntüler üzerinde, MATLAB yardımıyla çeşitli görüntü analizi yöntemleri uygulanmış ve PASCAL dilinde yazılan bir program aracılığıyla da 2D konturların vektör geometrisi çıkarılmıştır. Daha sonra bu verilerden faydalanılarak Mastercam tasarım yazılımında nesnenin birebir yüzey CAD modelinin elde edilmesine çalışılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar, hem MIMICS tersine mühendislik yazılımında ve hem de COORD3&CAPPS CMM yazılımı ile analiz edilerek karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Tersine Mühendislik (RE), Bilgisayarlı Tomografi (CT), Sayısal Görüntü İşleme (DIP), Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD)

Giriş

Günümüzden 110 yıl önce Willhelm C. Röntgen'in X-ışınlarını buluşu tıpta yeni bir dönemin başlamasına neden olmuştur. Bilgisayarlı tomografinin matematik prensiplerinin 20.yy başlarında Radon tarafından ortaya konmuş olması rağmen, teknolojik uygulamalarına daha geç başlanmıştır. 1960'ların sonlarına ve 1970'lerin başlarına doğru G. Hounsfield, İngiltere'de ilk ticari X-ışınlı CT sistemini -CAT (Bilgisayar Destekli Tomografi) tarayıcısını- geliştirmiştir. 1970'lerde bilgisayarlı tomografinin endüstriyel amaçlı ve araştırma uygulamaları için kullanımı sınırlıydı bu yüzden çalışmalar medikal sistemler üzerine yoğunlaşmıştır. Cisimlerin kesilmeden muayenesini sağlayan radyolojik görüntüleme yöntemlerinden olan "röntgen" ile "bilgisayarlı tomografi" arasındaki en büyük farklılık; incelenen parçanın iki boyutlu izdüşümü değil, kesit görüntüsünün elde edilebilmesidir. Böylece üç boyutlu uzayda numunenin hem dış hem de iç yüzeyinin şekli hakkında bilgi sahibi olmak mümkündür. 1970 ve 80'li yıllarda dijital görüntü işleme teknolojisindeki ilerleme ve bilgisayar destekli tasarım alanında üretilen yeni yazılımlar sayesinde tomografiden alınan verilerin 2D ve 3D boyutlu ölçüm analizi fevkalade kolaylaşmıştır.

Endüstrinin artan ihtiyaçlarını karşılamak üzere, 3D ölçme tekniklerine olan ilgi ve işletmelerin bu konudaki yatırımları giderek artmaktadır. Gerek mühendislik uygulamaları ve imalat prosesleri gerekse endüstriyel tasarım ve ürün geliştirme faaliyetleri hızlı, hassas ve kullanıcı dostu ölçme sistemlerine ihtiyaç duymaktadır. Özellikle dijital görüntüleme teknikleri sayesinde iş parçasına ait nokta verilerinin tek tek toplanması ile imalat toleranslarını doğrulama, yeniden imal edilecek parçalar için geometri belirleme ve deformasyon problemleri görüntüleme gibi pek çok tersine mühendislik ve muayene işlemleri mümkün olmaktadır. Günümüz CAD/CAM uygulamalarında çoğunlukla bilgisayar ile oluşturulan üç boyutlu modelden hareket edilerek uygun CNC veri oluşturulması yoluyla imalat aşamasına geçilmektedir. Buna alternatif bir uygulama olarak "tersine mühendislik" diye tanımlanan yöntem de mevcuttur. Esasen bu yöntemi genel anlamı ile ele aldığımızda, elde mevcut olan mamul parçadan hareketle ve imalat prosesindeki işlem sırasında geriye doğru gidilmek suretiyle, operasyonların tümünün çözümlenmesine yönelik çalışmaların bütünü olarak görmek gerekmektedir.

Konvansiyonel ölçme cihazlarıyla tanımlanamayan girift yüzeylere sahip parçaların CAD datasının hızlı ve nispeten hassas bir şekilde oluşturulması için en uygun çözüm bir CT tarayıcısından faydalanmaktır.

Medikal görüntülemenin fiziği ve bilgisayarlı tomografi

Tomografi klinik uygulamaların vazgeçilmez diagnostik aygıtıdır. CT; vücudu dilim dilim bölmek suretiyle iç derinliklerine kadar görüntüleme imkanı sunan yegane sistemdir. 1972'de EMI Mark I adlı ilk CT tarayıcı baş inceleme amaçlı olarak kullanıldığında 80x80 piksel çözünürlüğünde (3 mm.lik pikseller) görüntü elde edilmiştir. O zamanlar her bir dilimin taranması için 4,5 dakika ve geriçatma için 1,5 dakika geçmesi gerekiyordu. Geometrisi, detektör teknolojisi, çoklu detektör dizileri ve X-ışını tüplerindeki teknolojik gelişmeler tarama operasyonlarının saniyeler mertebesine inmesine sebep olmuştur. Yaptıkları çalışmalardan ötürü Hounsfiled ve Gormack'a 1979'da Nobel Ödülü verilmiştir.

Modern CT'ler sadece tıp medikal sahada değil tahribatsız deneyler ve maden analizinde de faydalı hizmetler vermektedir. Spiral tomografinin gelişimi ancak 1990'ların başlarında gerçekleşmiştir. Petrol endüstrisi, medikal tip tarayıcıları ilk kullanan sektör olmuştur. Bu tür cihazlar, hem hastane hem de işletmelerin laboratuarlarında örneğin, karbon kompozit malzemelerin ve hafif alaşımlı metallerin iç yapılarının, tahribatsız muayenesinde kullanılmıştır. Endüstriyel CT sistemlerini, medikal sahada kullanılanlardan ayıran en büyük fark; daha büyük ve yoğun malzemeleri, yüksek enerjili X-ışın kaynağıyla, daha yüksek çözünürlükte ve imalat ortamında analiz edebiliyor olmasıdır. Askeri kaynaklı taleplerin de etkisiyle; 1970'lerin sonları ve 1980'lerin başlarına doğru büyük roket motorları, uçak motorlarının küçük ama hassas döküm parçaları inceleme programına alınmıştır.

Tomografi Tarayıcısının İç Yapısı ve Endüstriyel Tomografi Cihazları

CT tarayıcısından görüntü üretmek için temel olarak; X-ışını jeneratörü, X-ışın tübü, kolimatör, "gantry" düzeneği, dedektörler, nesneyi taşıyan tabla ve görüntüleme ekranı, veri kayıt birimlerini içeren bir teknolojik donanıma gerek duyulur.  Şekil 2.1'de  300 mm çapa ve 600 mm boya kadar olan büyük endüstriyel amaçlı parçaların tahribatsız muayenesi ve boyut analizi için tasarlanmış bir tomografi görülmektedir.
Veri toplama geometrisi bakımından endüstriyel tomografiler üç ana sınıfa ayrılır:

• Birinci nesil; ayrık ışın sınırlayıcılı, ilerleyen/dönen tipte tek dedektörlü tarayıcılardır.
• İkinci nesil; ince yelpaze huzmesi şeklinde sınırlandırılmış doğrusal dedektör dizisinden oluşur.
• Üçüncü nesil; geniş açılı konik ışın demeti ve alan dedektörü yardımıyla tarama yapar. Birinci nesilden, farkı yatay hareket yerine olduğu yerde parçanın dönmesi yada tüp/dedektör sisteminin parçanın etrafında dolanmasıdır.

Endüstriyel nesneler, medikal sahadan çok daha geniş alana yayılmaktadır. İncelenecek parça boyutları 1 mm.den 100 cm.ye kadar uzanır. Bu malzemeler, X-ışını daha az zayıflatan plastik malzemeler olabildiği gibi, plutonyum gibi yüksek zayıflatma katsayılarına sahip özel yapılarda bulunabilir. Böyle geniş bir enerji ihtiyacı gerektiren malzeme yelpazesi Şekil 2.2'de gösterilmiştir [Martz ve Schneberk, 2001].

Şekil 2.1 Endüstriyel CT ve DR tarayıcısı (Dennis, 1992)

Şekil 2.2 CT tarayıcısında, malzemeye göre X-ışını enerjisi ve hacimsel çözünürlüğe ait performans diyagramı (Martz ve Schneberk, 2001)

3. Tomografik görüntü verilerinden 3D CAD modelin oluşturulmasına yönelik uygulama

Bu çalışmanın başladığı dönemde Türkiye'de bir endüstriyel tomografi cihazı mevcut olmadığı için, uygulama medikal bir bilgisayarlı eksenel (axial) tomografide gerçekleştirilmiştir. Konvansiyonel tarama cihazları ile geometrik ölçümü kolaylıkla yapılamayacak kadar karmaşık ya da ters açılı iç ve dış yüzeylere sahip parçaların seçilmesine dikkat edilmiştir. Öncelikle numune plastik fön nozulu ve alüminyum motor fanı üzerinde deneme çekimleri yapılmıştır.

Tomografiden alınan dijital görüntüler DICOM formatında *.dcm uzantılı dosyalardır ve herhangi bir kesitteki görüntü bilgisinin yanı sıra cihazın özellikleri hakkında geniş bilgi verir (Şekil 3.1).

Şekil 3.1 Tomografiden alınmış bir görüntü bilgisinin, MATLAB penceresindeki görünüşü

3.1 Çekim Parametreleri

Tablo 3.1 Numunelerin tarandığı tomografinin çekim parametreleri

Şekil 3.2 Tomografide taranmış nozulun, cihaza ait yazılımla ekranda elde edilen 3-boyutlu "render" görüntü (SIENET MagicView)

Nozul çekimleri Tablo 3.1'de belirtilen çalışma parametreleri dahilinde gerçekleştirilmiştir. Spiral tomografide 1 mm.lik dilimler halinde yapılan tarama işlemi sonucu, cihaz üzerinde kullanılan bir yazılım yardımıyla Şekil 3.2'de verilen 3D görüntüler alınmıştır. Bunun yanı sıra, mevcut yazılım ile kesit resimlerini inceleme, mesafe ölçümü ve zoom  işlemleri yapılabilmektedir.