روشهای نمونه سازی سریع

 

روشهای نمونه سازی سریع

کوتاه نمودن زمان توسعه و تکوین یک محصول از طراحی تا تولید ، رمز موفقیت یک سازمان تولیدی در دنیای رقباتی کنونی به شمار می آید.برای دستیابی به این محصول امروزه فن آوریهای جدید که به روش های نمونه سازی و تولید سریع RP&M

(Manufacturing & Rapid Prototyping)  معروفند معرفی شده اند نمونه سازی یک قطعه یا یک محصول طراحی شده ، به طور سنتی از طریق مدل سازی فیزیکی در کارگاه مدل با ابزارهای دستی و سعی و خطای فراوان انجام می پذیرد این فرآند کاری مشکل و بسیار وقت گیر و پرهزیده است.با بکارگیری روش های نمونه سازی سریع می توان در زمان کوتاهی (حدود چند ساعت)یک مدل سه بعدی فیزیکی از قطعه ای هر چند پیچیده را با هزینه ای کم با دقت بالایی ساخت و از آن در بررسی و ارزیابی طراحی و یا محصول و یا مصارف دیگر استفاده نمود.برتری و توانمندی این فن آوری وقتی آشکار می شود که اولا پارامتر کوتاه بودن زمان نمونه سازی برای ما اهمیت و الویت داشته باشد و ثانیا قطعه دارای شکل هندسی پیچیده ای باشد امروزه در صنایعی که نیاز به قطعات پیچیده دارند همچون صنایع هوا و فضا،خودروسازی،قالب سازی،لوازم خانگی ،ساخت استخوان ها و اعضا مصنوعی بدن و مهندسی پزشکی از این تکنولوژی استفاده می شود.

 

اما تنها ساخت نمونه ای از محصول برای رقابت کافی نیست و سازمان های تولیدی همیشه به دنبال تولید سریع محصولات خود و عرضه آنها به بازار هستند.با پیشرفت سریع تکنولوژی CAD و معرفی تکنیک های قالب سازی سریع امروزه این ایده عملی شده است.ترکیب روش های ساخت سریع نمونه و قالب با تکنولوژی تف جوشی فلز توسط لیزر،این امکان را به وجود آورده که نمونه ای اصلی و فابریک قطعات را بتوان در زمان بسیار کوتاهی (مثلا چند هفته) به صورت انبوه حتی از جنس مواد اصلی تولید نمود.لذا نمونه سازی سریع عاملی در تسریع فرآیند تولید است از طرفی امکان تجسم یافتن از طراحی را قبل از تولید واقعی قطعه فراهم می آورد فقط کافی است مشتری فایل CAD قطعه را با هر میزان پیچیدگی ارائه نماید و یا از طریق شبکه اینترنت برای شما ارسال کند و پس از چند زوز محصول واقعی را در تیراژ مورد نظر دریافت کند.این تکنیک که به معنی یک گام فراتر از نمونه سازی سریع تلقی می شود،آخرین نوآوری در تولید سریع قطعات با مواد اصلی می باشدکه در این فصل به آن پرداخته می شود.به عبارت دیگر نمونه سازی سریع یک فرآیند ساخت لایه وار و یا چاپ سه بعدی است با دریافت مدل CAD قطعه ، مدل جامد جسم را از جنس موم ، پلاستیک ،پودر سرامیک در مدت زمان بسیار کوتاهی تولید می کند که به آن MASTER MODEL می گویند امروزه برای آنکه نمونه ای مطلوب از قطعه و یا محصولی جدید در دفتر مهندسی و طراحی ساخته شود،دیگر لازم نیست طراح محصول تنها به قدرت تخیل خود متکی باشد زیرا دستگاه جدید “نمونه سازی دفتری ” به بازار عرضه شده است.این دستگاه به مانند یک اجرای عملیاتی ساده و بدون آموزش تخصصی ، طرح اولیه محصول را که به صورت یک فایل CAD می باشد را در زمانی بسار کوتاه و به طور مستقیم چاپ فضایی نموده و نمونه فیزیکی را جهت ارزیابی و بررسی ظاهری تولید می نماید.

 

مهمترین فرآیندهای نمونه سازی سریع یک قطعه یا یک محصول که در سال های اخیر معرفی شده اند عبارتند از:

نمونه سازی لیزری SLA

Stereo Lithography

مدل سازی موم افشان MJM

مدل سازی به روش رسوب جوش خورده

Fused Deposition Modeling – FDM

تف جوشی انتخاب لیزری SLS        

Selective Laser Sintering

 

نمونه سازی به روش لایه ورقی LOM       

Laminated Object Manufacturing

نمونه سازی به روش BPM

Ballistic Particles Manufacturing

نمونه سازی به روش RFP

Rapid Freeze Prototype

نمونه سازی به روش SGC

Solid Ground Curing

نمونه سازی به روش LENS

Laser Engineered Shaping

 

  نمونه سازی سریع ، چرا؟

    استفاده از فن آوریهای نمونه سازی سریع در فرآیند طراحی ،تحقیق،توسعه،تولید و مونتاژ مزایای فراوانی را به دنبال دارد که ازآن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد

تجسم (Visualization)

    مهندسان و طراحان به هنگام تجسم فضایی و نقشه خوانی از قطعه و یا مجموعه ای با شکل هندسی پیچیده ممکن است گمراه شده وآن را نادرست تفسیر وتحلیل نمایند.این مشکل صرف نظر از میزان تجربه طراح حتی ممکن است با دردست داشتن مدل CAD قطعه نیز برطرف نشود.زیرا تجسم به حالت روانی و قدرت تخیل فرد مربوط می شود و ممکن است یک نقشه به چندین حالت تفسیر گردد و تصور درستی از طرح حاصل نشود.بخصوص زمانی که قطعات پیچیده و مرکب مطرح باشند که در این حالت انسان در تجسم آنها با مشکلات زیادی روبرو خواهد شد.ساخت یک مدل فیزیکی در اسرع وقت با استفاده از فن آوری نمونه سازی سریع و مشاهده آن از بروز چنین خطاهایی جلوگیری می کند.

 

تصحیح طرح(Verification)

    با استفاده از فن آوری نمونه سازی سریع می توان بلافاصله پس از طراحی،نمونه فیزیکی را مشاهده و بررسی نمود و مورد اریابی قرار داد.از آنجا که هر طراحی همیشه به دنبال کیفیت بهتر است،چنین نمونه ای می تواند برای تصحیح طراحی و ارزیابی ویژگی های مطلوب در محصول طراحی به کار گرفته شود.به طور خلاصه می توان گفت که در دست داشتن یک نمونه واقعی فیزیکی از جسم کمک شایانی به اطمینان بخشی طراحی،کاهش آزمون و خطا و در نهایت افزایش کیفیت بهره وری فرآیند طراحی و تولید می نماید.

تکرار طرح(Iteration)

    تمامی فعالیت های طراحی دارای یک طبیعت تکرار هستند وطراحی مجدد (Redesign) از کارهای همیشگی طراحان است.از آنجا که یک محصول معین ممکن است از ترکیب چند جزء توسط طراح تشکیل شده باشد.می توان در یک روش آزمون و خطا و یا طراحی مجدد و یا بهره گیری از CAD در چندین حالت مختلف این اجزاء را با یکدیگر ترکیب نمود تا شکل هندسی مورد نظر ایجاد شود.سپس ان را تحت آنالیز تنش نیرو و … مورد ارزیابی و بررسی قرار داد.در صورتی که مدل این محصول از روش سنتی ساخته شده باشد، بعد از اتمام کار مدل سازی ممکن است نتوان کوچکترین تغییراتی را در آن ایجاد کرد.اما با استفاده از فرآیند نمونه سازی سریع بعد از انجام این مراحل تکراری،نمونه فیزیکی قابل لمس محصول برای بررسی در اختیار طراح قرار خواهد گرفت.

بهینه سازی(Optimization)

    بهینه سازی طرح می تواند کارایی محصول،کیفیت و قابلیت اطمینان آن را بهبود بخشد.فن آوری نمونه سازی سریع توام با تکنیک ها و نرم افزارهای قدرتمند طراحی و آنالیز ،این امکان را به طراح می دهد که بدون صرف هزینه ای گزاف جهت ساخت قالب و نمونه و بدون اتلاف وقت و با دقت بسیار بالا طرح خود را آنالیز و بهینه نماید.چنین نمونه ای می تواند برای اصلاح و بهینه سازی طراحی و ارزیابی ویژگی های مطلوب در محصول طراحی به کار گرفته شود.به طور خلاصه می توان گفت که در دست نگه داشتن یک نمونه فیزیکی از محصول کمک شایانی به افزایش کیفیت و بهره وری فرآیند طراحی و تولید می نماید.

آزمایش های عملکردی (Functional Tests)

    با استفاده از فن آوری نمونه سازی سریع نمونه فیزیکی قابل لمس از محصول در اختیار طراح قرار خواهد گرفت.بنابراین امکان انجام آزمایش های عملکردی مانند مونتاژ پذیری،سهولت تولید و آسانی تعمیر و نگهداری در مورد محصول طراحی فراهم می گردد و از این طریق هزینه های طراحی و تولید کاهش می یابد.بعد از اتمام مراحل تجسم تحقیق،تکرار پذیری،بهینه سازی،مونتاژپذیری و ساخت مدل اولیه به دنبال ساخت یک نمونه واقعی از محصول نهایی خواهیم بود.در این راستا تکنیک های زیادی موجود هستند که به طور موفقیت آمیزی برای دستیابی از یک نمونه RPM به یک قطعه دارای عملکرد واقعی FTM با یک روش نسبتا سریع و کم هزینه استفاده می کنند.بعضی از این تکنیک ها عبارتند از،ریخته گری خلایی، قالبگیری با رزین های قبل انتقال ،استفاده از قطعات ماهیچه ای یونیلیت و … لذا تحقیقات زیادی جهت بکار گیری این فن آوری در تولید سریع یک نمونه واقعی از محصول برای ارسال به بازار انجام شده است.با توجه به اینکه در حال حاضر قالب سازی سریع نیازمند به MASTER MODEL نمونه سازی سریع می باشد بنابراین در اینجا مروری بر روش های نمونه سازی سریع خواهیم داشت.

    برای آنکه طراح بتواند مدل فیزیکی قطعه طراحی شده را لمس کند و اشکالات ان را برطرف نماید و همچنین شرایط مونتاژی قطعه نیز بررسی گردد از روش های نمونه سازی سریع جهت ساخت نمونه اولیه قطعه با مواد خاصی استفاده می شود.

نکته:عموما روش های نمونه سازی سریع از این الگوریتم استفاده می کنند که:

ابتدا مدل سه بعدی توسط نرم افزار های موجود مدلینگ ترسیم می گردد

سپس یک نرم افزار دیگری مدل را به لایه لایه (با توجه به ضخامت لایه ها) تقسیم می کند.

در واقع فایل Slice آن تهیه می گردد این فایل شامل مختصات X,Y هر لایه می باشدمختصات Z نیز با توجه به ضخامت لایه تعیین شده به دستگاه معرفی می گردد.در نهایت با توجه به نوع روش، مدل فیزیکی سه بعدی ساخته می شود.

 

استریولیتو گرافی SLA

این روش اولین باردرسال ۱۹۹۸ توسط شرکت ۳D معرفی شد. سیستم مربوطه دارای یک برنامه نرم افزاری به نام Slicer می باشد که لایه هایی به ضخامت ۱۲۷, ۰ تا ۰,۰۰۵ میلیمتررا تولید می کند. دستگاه SLA شامل یک حمام photo Polymer پلیمرحساس به نور شدید است که هنگام برخورد لیزرجامد می شود, سیستم های مکانیکی دراین دستگاه حرکت لیزردرصفحه y ,x و محور Z را برای ساخت لایه ها امکان پذیر می کند.در این فرآیند از طریق تابانیدن پرتو لیزری به سطح مقطع ترسیم شده قطعه در حال ساخت(سطح پلیمر مایع), آن لایه نازک از پلیمر مایع به حالت جامد درمی آید هرلایه توسط لیزرجامد می شود تا در نهایت قطعه مورد نظر ایجاد شود حسن این روش اینست که قطعات توخالی و دارای هندسه بسیار پیچیده را می توان با آن تولید کرد. یکی از معایب این دستگاه این است که مدل ایجاد شده ترد و شکننده است و تحمل نیروی زیاد را ندارد و اینکه قطعه نمونه ایجاد شده از مواد اصلی قطعه نهایی نمی باشد. قیمت دستگاه بسته به ابعاد مدل $۱۰۰-$۴۵۰است. از طرف دیگرمدل ایجاد شده به دلیل اینکه لایه به لایه ایجاد می شود سطوح صاف ایجاد نمی کند بلکه پله پله می شود که درمرحله بعد عملیات پرداخت کاری باید روی آ ن انجام گیرد. مدل ایجاد شده را می توان به عنوان مدل اصلی در قالب های پلاستیکی سیلیکونی بکاربرد تا قطعه ای با سطح صاف و جنس اصلی داشته باشیم.به عبارتی در این سیستم , با بکارگیری تابش پرتوی از لیزر برروی پلیمر مذاب اولین لایه مدل فیزیکی سه بعدی از جنس مواد پلیمری ساخته می شود . مدل های ساخته شده در مراحل بعد قابلیت چسب کاری, سنگ زنی, سوهان کاری, پولیش کاری و پوشش های رزینی را دارند به همین دلیل احساس واقعی از حجم و شکل هندسی قطعه به طراح می دهند.علاوه بر این مدل فوق را می توان در مجموعه مونتاﮋی مورد بررسی و آزمون و ارزیابی قرار داد.

یک دستگاه استریولیتوگرافی از داده های مدلCAD که به سطو ح مقطع خیلی باریک قاچ بندی شده اند استفاده می کند . منبع لیزرانرﮋی پایین هلیوم- کادمیوم تولید می کند که در بالای سطح یک پاتیل رزین فتوپلیمر به وسیله یک سیستم نوری که دارای آینه های دینامیک می باشد و یه وسیله کامپیوترکنترل می شود حرکت داده می شود وبه نقاط مورد نظرتابانده می شود ولیزرمایع فتوپلیمررا به حالت جامد در می آورد. بدین ترتیب سطح مقطع چاپ شده با دقت بالائی سخت می گردد وسپس یک سیستم بالا بر عمودی,لایه شکل گرفته جدید را پایین می آورد به طوری که به ضخامت یک لایه پایین ترازسطح رزین قراربگیرد سطوح مقطع هر کدام به صورت مسلسل وار تولید شده و به لایه پایین ترازخود می چسبد وجسم لایه به لایه تولید می شود لذا دراین روش شکل قطعه از پایین به بالا ساخته می شود. پس ازاینکه آخرین لابه ساخته شد, قطعه از دستگاهSLA برداشته می شود و برای کامل شدن فرآیند پلیمریزاسیون, تحت نور ماوراء بنفش (UV )با شدت بالا قرارمی گیرد. وسپس مراحل کار روی قطعه به وسیله روش هایی مانند سمباده زدن,ماسه زنی, نقاشی یا رنگ زنی پرداخت انجام خواهند شد.

 

مراحل فرآیند استریولیتو گرافی SLA

تهیه مدل

همانطور که مشاهده می شود اولین قدم طراحی و آماده سازی مدل توپرقطعه (Solid Model )با استفاده از یک نرم افزار CADمی باشد. البته مدل مورد نیاز می توانه در بعضی موارد مدل سطح هم باشد, اما به دلیل نیاز قطعات پیچیده به مختصات دقیق سه بعدی ,مدل توپر ترجیح داده می شود . چون برای سیستم SLAباید مفاهیم و اضحی از مرزها وسطوح جسم ارائه گردد بنابراین مدل باید داخل, خارج, و مرزهای جسم را مشخص نماید واضح است که هر چه دقت ساخت مدل کامپیوتری بالاترباشدSLA نمونه ای با دقت ترارائه خواهد داد.دراین راستا نرم افزارهای زیادی ساخت و طراحی مدل های توپرراانجام می دهند.همانطور که می دانیم درسیستمCADسطوح منحنی به وسیله تعداد زیادی ازچند ضلعی ها ویا پخ ها جهت کاهش زمان تقریب زده می شوند و هرچه تعداد چند ضلعی ها زیاد ترباشد سطح تقریبا صاف ترخواهد بود ولی زمان ساخت آن افزایش می یابد. در این مرحله,با تهیه مدل رایانه ای , اطلاعات موجودبه داده هایی از مقاطع منفرد,تفکیک کی گردد با استفاده ازهمین داده ها در تکنیک نمونه سازی سریع مدل به صورت لایه لایه ساخته می شود از طرفی داده های فوق را می توان از هر نوع نرم افزارCADاستخراج نمود ( از جمله نرم افزارهایCADمی توان…,SOLDWORKS.CATIAاشاره کرد)این مدل کامپیوتری معمولا به یکی از فرمت هایIGES ,VDAFS , STLتهیه می شود . این داده ها به تنها برای نمونه سازی سریع وقالب سازی سریع به کار می رود بلکه درساخت قالب وابزارنهایی برای تولید نیزقابل استفاده هستند.

تبدیل مدل CADبه فرمت SLA

دراین مرحله به کمک مدل کامپیوتری, اطلاعات هندسی به داده هایی ازمقاطع یالایه های منفرد,تفکیک می گردد با استفاده از همین داده ها جسم به صورت لایه لایه های به ترتیب روی هم قرارگرفته ساخته می شوند.داده های فوق را می توان از هر نوع نرم افزارCADاستخراج نمود تنها با این فرض که برای انتقال داده های مقاطع استفاده شود. معمولا یک فایلCADباید جهت تبدیل به فرمت SLAاز مترجمCADبهRPMعبور داده شود.این مرحله موجبات وارد شدن داده هایCADرا به ماشینSLA به شکل یک فایل با فرمتSTLفراهم می سازد که این فایل به عنوان یک فایل استاندارد برای نمونه سازی سریع معرفی شده است.در نتیجه این عمل سطوح مرزی جسم به صورت مثلث های نازک بسیار زیادی درمی آید. البته پسوندSTLمی تواند درمیان تبدیل های(Interface )مختلف متفاوت باشد.

طراحی تکیه گاهها

قدم بعدی به وجود آوردن تکیه گاه ها در یک فایلCADبه طورجداگانه می باشد. طراحان ممکن است این کار مهم را به طورمستقیم یا با استفاده از نرم افزار های مخصوص مانندBridgeworkانجام دهند. به چهار دلیل در یک فرآیند نمونه سازی سریع از تکیه گاه استفاده می شود.

  ۱-به منظورحصول اطمینان از اینکه پرده تسطیح کننده رزین مایع به پایه ای که در حال ساخته شدن روی آن است به خصوص در مراحل اولیه شروع ساخت قطعه, برخورد ننماید.

۲-به منظور حصول اطمینان از اینکه هر لرزش کوچکی در سکو و دستگاه ,مشکلاتی را ضمن ساختن قطعه به وجود نخواهد آورد.

۳-به منظور مهیا ساختن روش ساده ای جهت برداشتن قطعه کاری از روی سکو بعد از اتمام کار. قبل از اتمام این مرحله قطعه و تکیه گاه ها نسبت به یکدیگرتنظیم می شوند به طوری که قطعه کاملا در یک چهارم مثبت سیستم مختصاتیz ,y ,xازفضایCADقراربگیرد.

 ۴- به منظور حفظ تعادل قطعات پیچیده ای که در حین ساخت, احتمال افتادن آنها از سکو وجود دارد.

  

 قاچ بندی قطعه کار

    در این مرحله, قطعه و تکیه گاه باید در مقطع متعدد برش داده شوند.قطعه توسط کامپیوتر به یک سری لایه های موازی افقی مانند طبقات یک ساختمان بلند مقطع زده می شود. به طوری خلاصه اینکه قطعه از پایین به بالا به چندین مقطع قاچ می شود. همچنین در این مرحله کلفتی لایه ها,روش ساخت مورد نظر, فواصل بین هاشورها , عمیق پخته شدن, مقدار جبران پهنای خط و فاکتور جبران انقیاض(shrinkage ) وجبران قطر اشعه لیزر توسط طراح انتخاب می گردند.

  

 ادغام مدل CADقطعه و تکیه گاه ها

    در این مرحله چندین قطعه و تکیه گاه هایشان نیز که یک فایل جداگانه دارند در صورتی که بخواهند به طور همزمان ساخته شوند ترکیب شده وتشکیل یک فایل واحد را می دهند. بدین ترتیب بعد ازمدل نمودن چند قطعه, با توجه به حجم آنها و ظرفیت جایگاه ساخت دستگاه استریولیتوگرافی و استفاده از توان کامل دستگاه می توان چند قطعه را به طور همزمان و در روی یک سکو ساخت.

 

  تنظیم پارامترهای سیستمSLA

    در مرحله آماده سازی و تنظیم دستگاه , پارامترهای عملیاتی متعددی مانند دفعاتی که پرده تسطیح کننده سطح پلیمرباید درهرلایه سطح مورد نظر را جاروب کند,پریود جاروب کردن سطح مایع پلیمر , مدت توقف محورZ وامثالهم انتخاب می شوند.بعد از این مورد , فایل SLI . از روی فایلSTLایجاد می گردد و ترکیب آنها فایل های چهار تایی داده هاراتشکیل می دهد. این فایل ها دارای پسوندهای(Rpm ,V .,R .L ) هستند. این چهار فایل, اصلی ترین فایل ها برای عملیات نمونه سازی سریع قطعه مورد نظر می باشند.

    ساخت

    مرحله ساخت هنگامی است که در داخل محفظه دستگاهSLAعمل پلیمریزاسیون رزین آغاز شده و یک قطعه سه ( ۳D-Prototype ) ساخته می شود. در این مرحله با کنترل همزمان ارتفاع سطح رزین وآینه های انعکاس دهنده لیزرمطابق سطح مقطع قاچ مورد نظر,لایه مر بوطه سخت خواهد شد.

    جدا سازی، تمیز کردن، شستشوی قطعه

    سکو، با قطعه ای که هنوز به آن چسبیده است, اکنون می تواند از روی دستگاه SLAبرداشته شود. برای جلوگیری از تماس رزین با دست,معمولا از دستکش های لاستیکی استفاده می شود. بعد از بیرون آوردن قطعه ازدرون پاتیل پلیمر مایع,پایه از قطعه جدا می شود و قطعه درون دستگاه حلال رزین قرارمی گیرد. در نتیجه قطعه از رزین اضافی تمیز گردیده و همچنین جهت زدوده شدن حلال تمیز کننده قطعه از داخل پاتیل با توجه به مشخصات رزین فرق می کند. در این مرحله ار ابزارهای پزشکی(چاقوهای لب تیز,قیچی و…)استفاده می شود.

 

    پخت نهایی قطعه

    تا اینجا قطعه به صورت جزئی پلیمریزه شده و هنوز خام است و حالت خیس دارد. بیشتر استحکام یک قطعه SLAبه زمان نوردهی خوب به وسیله لیزر بستگی دارد. اما جهت کامل شدن فرآیند پلیمریزاسیون و بهبود استحکام مکانیکی نمونه, قطعات باید پخته شوند. عمل پخت توسط تشعشع پیوسته ماوراء بنفش دریک دستگاه خاص(PCA )انجام می شود.

 

   پرداخت قطعه

    بسته به کاربرد مورد نظر, سطوح مختلفی از پرداخت نهائی قطعه ممکن است نیاز باشد. برای تجسم فکری و ارزیابی ومدل سازی,تنها جدا کردن تکیه گاه ها کافی است. برای بهینه کردن و تکرارپذیری ومونتاﮋ,روی مدل باید پرداخت سطح بهتری صورت گیرد وبرای این کار روش هایی مانند سمباده زنی دستی و پرداخت با پاشش سریع خورده شیشه ویاترکیبی از این دو مناسب هستند. در قطعاتی که به عنوان نمونه های تست اصلی استفاده می شوند عملیاتی مانند پولیش کردن, نقاشی کردن,روکش کردن با پاشش فلزبه کار گرفته می شوند. به علاوه برخی رزین هایی که اخیرابه بازار آمده است تحمل چندین عملیات ماشین کاری و پرداخت از قبیل سوراخ کاری,برقوزنی,فرزکاری,…رادارا بوده ولی کلا بسته به کاربرد نمونه تولید شده انتخاب می گردند.

    در شکل ۱ نمونه ای از سیستم دستگاه ودر شکل های ۲و۳نمونه ای از قطعات تولیدی باSLA نشان داده شده است.

 

 

 

 

/ 0 نظر / 93 بازدید