Robot kol ile doğal taş işleme için bir çerçeve önerisi
A framework proposal for natural stone processing with robotic arm
Yazar: BERFİN AYBİKE KÖRÜKCÜ
Danışman: PROF. DR. SİNAN MERT ŞENER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Tez çalışması, robot kol ile taş işlemede endüstriyel örtük bilgiden destek alan bir çerçeve sunmayı amaçlamaktadır. Robot kol ile doğal taş işleme süreci gerçek zamanlı bir programlama ortamında simüle edilerek, malzeme, form ve operasyonların karmaşık etkileşimlerini sanal olarak prototipleyebilmek hedeflenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, robot kol ile doğal taş malzemenin işlenme sürecini araştırarak tasarımcıların, bu alanda yetkinlik kazanmalarını desteklemeyi ve mimari tasarımda doğal taş malzeme kullanımına dair yeni fırsatları keşfetmelerini amaçlamaktadır.
Tezin ilk bölümünde çalışmanın konusu, amacı, kapsamı ve yöntemi detaylı olarak açıklanmıştır. Özellikle dijital fabrikasyon araçlarının ve düşüncesinin mimari tasarım ve üretim süreçlerini kökten değiştirmiş olduğunun üzerinde durularak, 3 eksenli sac ayağı (malzeme-yazılım-donanım) kurgusuna uygun olacak şekilde, odaklanılacak malzeme olarak seçilen doğal taş malzeme ve uygulama alanı olan mimari tasarım çözümlenmesine dair sorular bu bölümde cevaplanmıştır. 
İkinci bölümde, dijital fabrikasyon araçlarının tarihi gelişiminden başlayan ve bu gelişimi mimari tasarım alanındaki hesaplamalı tasarım düşüncesiyle birleştiren bir anlatım yer almaktadır. Bu kurguyu destekleyen nitelikte mimari tasarım alanındaki dijital fabrikasyon örneklerinden bahsedilmiştir. Ardından anlatımın araştırmanın konusu olan robotik fabrikasyona doğru genişlemesiyle, robot kolların bu gelişim sürecindeki yeri ve mimarlık ile olan ilişkisi belirlenmiş, çalışma mekanizmaları, yetenekleri ve kapasiteleri incelenmiştir.
Araştırmanın üçüncü bölümü, araştırma konusunu desteklemek amacıyla doğal taş işleme ile başlamıştır. Araştırma yöntemini oluşturan simülasyon aracından bahsedilmiştir. Ardından robotik fabrikasyona dair gelişmelerin taş işleme ile kesiştiği örnekler incelenmiş ve çalışmanın literatürdeki yerini vurgulayan bir derleme sunulmuştur. Çalışmaların genelinde, doğal taş malzeme ile robotik işleme tekniklerini sistematik olarak sınıflandıran ve yapı sökümüne uğratan hesaplamalı araştırma sayısının oldukça az olduğu keşfedilmiştir.
Dördüncü bölümde, araştırmanın amacı olan alan çalışmaları geliştirilmiştir. Simülasyonu merkez alan çerçeveye temel olacak bir veri seti elde etmek için alan çalışması, çıktıları birbiri ile ilişkili olarak yorumlanabilecek iki bölümden kurgulanmıştır. Birinci alan çalışmasında, basit geometride detay artışı ve işlem süresi arasındaki ilişkiye odaklanılırken, ikincide, karmaşık geometrilerde malzeme, operasyon ve işlem süresi ilişkileri araştırılmıştır. 
Geleneksel taş işleme süreçlerine benzer olarak robot kol ile taş işlemeciliğinin, hem taşın doğasındaki homojen olmama durumundan kaynaklanan uzmanlık ve deneyim gerektiren bir beceri gerektirmesiyle hem de araştırma alanındaki eksiklikler nedeniyle örtük bilgi şeklinde aktarım olduğu sonucuna varılmasıyla, bu örtük bilginin elde edilmesi için Gürmas Güral firmasının uzmanları ile görüşmeler yapılmıştır. Yapılan görüşmeler sonucu malzeme ve sürece ilişkin araştırma soruları ilave katmanlarla derinleşmiştir. Ayrıca, gerek tezin araştırmaları ve uzman görüşmeleri sırasında sağladıkları geniş imalat olanakları, gerekse uzman bilgilerini test etmek için onların üretim alanının kullanılmasının yöntem olarak doğru olması sebepleriyle, Afyon Gürmas Gürel üretim alanında bulunan 6 eksenli Kuka robot kol ve tezgah düzeni (döner tezgah ve sabit tezgah) araştırmanın kapsamına dahil edilmiştir. Robot hareketini simüle etmek ve robotun çalışması için takım yolunu oluşturmak amacıyla, endüstriyel robot kollarını ve CNC freze makinelerini kontrol etmek üzerine bir program olan SprutCAM programı kullanılmıştır. Çalışmanın malzeme ayağında bahsedilen örtük bilgiden gelen dolomit ve marmara beyazı mermerleri yer almaktadır. Bölüm sonunda bulgular değerlendirilmiştir.
Son bölümde, sonuç ve öneriler üzerine genel bir değerlendirme sunulmuştur. Tez, kapsamı dahilinde geniş bir literatür araştırması ile başlamış olmasına karşın, robotik fabrikasyon süreçlerinin malzeme, yazılım ve donanım ekseninde her bir kriterde ayrı ayrı alt başlıklara ayrılabilecek geniş bir havuz olduğu unutulmamalıdır. Çalışma hedef ve gizli amaçları ile literatürde genişlemeye müsait ve çok temaslı bir yer tutmaktadır.

Abstract:
The thesis aims to provide a framework for industrial tacit knowledge-supported stone processing with a robotic arm. Real-time programming environment for stone processing with a robotic arm has been simulated to prototype the complex interactions between materials, forms, and operations virtually. This research is expected to expand the existing solution space and contribute to the literature on robotic fabrication in the field. Consequently, this thesis seeks to support designers in gaining competence in stone processing with a robotic arm and exploring new opportunities in architectural design using natural stone materials.
Digital fabrication methods have created a versatile environment for theoretical and applied research, becoming effective in all scales and stages of architectural processes. The precision and adaptability of industrial robotic arms in complex and extensive production lines have made them ideal tools for digital fabrication in architectural design. The advent of industrial robot arms in the field of architectural design and production has brought about various research topics such as automating actions, improving process quality, optimizing operations, and enhancing precision. Robot arms, equipped with specialized end-effectors for processing different materials, offer advantages for both the industry and designers, enabling high precision and repeatability at a speed beyond human capabilities. 
The development of digital design and production methods in architecture has also paved the way for the digitalization of natural stone processing applications. Digital Fabrication methods are effective at all scales and stages of architectural processes.  Integrating robotic fabrication into traditional areas like stone carving can increase the production scale without compromising geometric complexity. In subtractive methods, which is one of the digital fabrication methods, the material is shaped by subtracting parts from the main whole by cutting or milling. Processing with a robot arm is a subtractive production type, such as traditional stone carving. The process consists of the tool attached to the robot arm moving on the block. Along the path followed by the tool, the material is shaped by subtracting it according to the thickness, shape, step distance, progress speed, adjusted depth, and axis. In general, stone processing consists of two steps: rough processing, which removes the material roughly layer by layer, and fine processing, where the tool precisely processes the remaining part to achieve surface finishing. The initial rough processing cuts to a certain depth from the outside of the surface. This leaves a very rough surface. Subsequent milling is done with smaller tools to mill the remaining stone. The size of the tools directly influences the depth of cutting, and the machine must move slowly to prevent overloading and breaking the tool.
The design of this production process creates a relationship between time and quality. At this point, simulation can be used to design the process based on the production tool before production and to provide feedback on the produced form by measuring it to the digital model after production. However, limited computational research specifically focused on stone materials, categorizing and simulating robotic processing techniques. The cost of tooling and the risk of breakage when performing intensive milling operations on hard materials like stone are the primary reasons for the focus on softer materials like wood, foam, clay, and concrete. This situation creates a notable research area in the literature. To address the complexity and multidimensionality of this process, it is essential to formulate the solution space with visually definable rules based on combinations of components and functions that the designer has control over during production. 
The first section of the thesis extensively discusses the subject, purpose, scope, and methodology of the study. It emphasizes the transformative impact of digital fabrication tools and thinking on architectural design and production processes, focusing on the triad of material-software-hardware. It also addresses questions regarding the selected natural stone material and its application area within this framework.
The second section traces the historical development of digital fabrication tools, merging this development with computational design thinking in the field of architecture. It presents examples of digital fabrication in architecture that support this narrative. The evolution of robotic arms within this context and their relationship with architecture is then identified, with an examination of their mechanisms, capabilities, and capacities.
The third section commences with stone processing to support the research topic. The simulation tool that forms the research method is discussed, followed by an examination of examples where developments in robotic fabrication intersect with stone processing, accompanied by a review of the literature highlighting the research's place within it. Throughout the studies, it is discovered that there is a limited amount of computational research systematically classifying and deconstructing stone processing techniques with robotic arms.
In the fourth section, field studies are conducted to develop the foundation for the research. These studies are structured into two parts that produce a dataset central to the simulation-based framework. The first part focuses on the relationship between detail increase and processing time in simple geometry, while the second explores the relationships between material, operation, and processing time in complex geometries.
Given that stone processing with a robotic arm, similar to traditional stone processing, requires both expertise and experience due to the non-homogeneous nature of stone, and due to the research field's gaps in knowledge transfer, consultations with experts from Gürmas Güral company were conducted to acquire implicit knowledge. These consultations deepened the research questions related to materials and processes. Furthermore, the inclusion of Gürmas Gürel's production facility, equipped with a 6-axis Kuka robotic arm and machining setups (rotary and fixed tables), was deemed appropriate for methodological reasons, as they provided extensive manufacturing capabilities and an opportunity to test expert knowledge. The SprutCAM program was used to simulate robot movement and create toolpaths for the robot's operation, controlling industrial robot arms and CNC milling machines. The materials involved in this study, derived from implicit knowledge, include dolomite and Marmara white marble. The section concludes with an evaluation of the findings.
In the final section, a comprehensive assessment is presented on the results and recommendations. Despite starting with an extensive literature review within its scope, the thesis acknowledges that the realm of robotic fabrication processes is vast, with individual criteria for material, software, and hardware that can be further subdivided into subtopics. The study, with its objectives and implicit goals, occupies a versatile and multi-faceted space in the literature.