اهمیت و روش‌ های نمونه‌ سازی سریع محصول

با پیشرفت صنعت و فناوری نوین در فنّاوری ساخت و تولید، روش‌های جدیدی برای ساخت قطعات مختلف ابداع شد که سرعت این روش‌ها در مقابل روش‌های سنتی مثل فرزکاری و شکل‌دهی بسیار زیاد بود و باعث بهینه شدن انرژی، زمان و هزینه هم می‌شود. یکی از روش‌ها که جزء جدیدترین فنّاوری روز جهان است روش نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping) است.

از سال ۱۹۹۰ شرکت‌های بزرگ دنیا مانند آمریکا، آلمان و ژاپن سرمایه زیادی را به فنّاوری نمونه سازی سریع اختصاص داده‌اند.

هدف از نمونه سازی سریع و قالب‌سازی سریع توانایی تولید نمونه با خواص و ویژگی‌های مواد عملکردی، در مدت زمانی کوتاه است.

تعریف نمونه‌سازی سریع

در مقاله انواع روش‌های نمونه‌سازی در طراحی صنعتی با روش‌هایی که در هر مرحله از توسعه محصول می‌توان نمونه‌های اولیه را جهت انجام آزمایش‌ها و تحلیل‌ها در رابطه بااینکه آیا محصول طراحی‌شده می‌تواند به‌خوبی کار کند یا خیر آشنا شدیم.

روش‌های نمونه سازی سریع از جدیدترین روش‌های ساخت و تولید قطعات هستند که در آن‌ها قطعه به‌صورت لایه‌لایه و در کوتاه‌ترین زمان ساخته می‌شود. فرآیندهای نمونه‌سازی سریع زیرمجموعه‌ی روش‌های ساخت افزایشی است. پرینترهای سه‌بعدی جدیدترین و مدرن‌ترین دستگاه‌های پیاده‌سازی نمونه‌سازی سریع هستند.

در عبارت نمونه سازی سریع، واژه‌ی “نمونه‌سازی”، به این معنی است که از این روش تولید صرفاً به جهت ایجاد نمونه است. هرچند با پیشرفت فناوری این فرآیندها به‌طور فزاینده‌ای، قابلیت کاربرد در تولید انبوه را نیز پیدا می‌کنند و در مسیر جایگزین شدن به‌جای روش‌های تولیدی سنتی همچون قالب‌سازی هستند.

اما واژه‌ی سریع به‌این‌علت به این فرآیندها اطلاق می‌شود که این فرآیندها، بسیار سریع‌تر از روش‌های سنتی ساخت و تولید انجام می‌پذیرند. در این روش، ساخت یک قطعه‌ی تک ممکن است تنها چند ساعت و یا حداکثر چند روز (با توجه به‌اندازه قطعه و فرآیند) طول بکشد. درحالی‌که فرآیندهایی که به تجهیزات خاص نیاز دارند، مثلاً قالب که باید طراحی و ساخته شود، ممکن است هفته‌ها طول بکشد. هرچند فرآیندهایی همچون ماشین‌کاری، زمان ساخت قابل‌ رقابت‌تری دارند، اما در مورد قطعات پیچیده، در این فرآیند‌ها زمان به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. تنوع استفاده از مواد گوناگون و اختیار عمل بیشتر در نوع طراحی از دیگر دلایل مناسب برای تولید به این روش هستند.

به‌عبارت‌دیگر نمونه سازی سریع، روشی برای اثبات است. پس از طراحی يک محصول، نمونه‌ای از طرح سریعاً ساخته‌شده در اختيار گروه طراحی مهندسی قرار می‌گيرد تا از جنبه‌های مختلف مورد ارزيابی قرار گيرد و پس از رفع ايرادات احتمالی و تأييد نهايی طرح، اقدام به توليد انبوه گردد. اين فنّاوری درزمینهٔ ساخت مدل‌های پزشکی، جواهرآلات، ماکت‌سازی، هنر و معماری نيز کاربردهای رو به گسترشی دارد.

با به‌کارگیری روش‌های نمونه‌سازی سریع می‌توان در زمان کوتاهی (حدود چند ساعت) یک مدل سه‌بعدی فیزیکی از قطعه‌ای هرچند پیچیده با هزینه‌ای کم و دقت بالا ساخت و از آن در بررسی و ارزیابی طراحی و یا محصول و یا مصارف دیگر استفاده نمود. این مزایا عرضه سریع محصولات جديد در بازار رقابتی و امکان بازاريابی محصول جديد قبل از توليد و کاهش ريسک توليد را فراهم می‌کند.

برتری و توانمندی این فناوری وقتی آشکار می‌شود که اولاً پارامتر کوتاه بودن زمان نمونه‌سازی برای ما اهمیت و اولویت داشته باشد و ثانیاً قطعه دارای شکل هندسی پیچیده‌ای باشد. از معایب نمونه سازی سریع، می‌توان به امکان به دست آوردن اطلاعات ناکافی و غیردقیق و تحلیل‌های نادرست، بالا بردن توقع کاربر و مشتری از محصول، تکیه بیش‌ازحد طراحان روی نمونه اشاره کرد.

اصول فرآیندهای نمونه سازی سریع

روش‌های متفاوت و متنوعی برای انجام فرآیند افزایشی وجود دارد. مدل (نمونه‌سازی شده) می‌تواند بسته به نوع کاربرد آن از جنس اصلی قطعه (در زمانی که مستقیماً استفاده شود) یا جنسی دیگر (معمولاً پلیمر یا ماده پلاستیکی) باشد که جهت تست‌های فیزیکی و مقاومتی، آزمون مونتاژی، بررسی تمرکز تنش، انتقال حرارت، آزمون تونل باد و …. مورداستفاده قرار می‌گیرد. هر روش ممکن است مواد و فن متفاوتی برای ساخت لایه‌های قطعه داشته باشد؛ اما همه‌ی این روش‌ها مراحل مشخص و یکسانی را پیروی می‌کنند:

ساخت مدل CAD

در همه‌ی فرآیندهای افزایشی در اولین مرحله طراح باید با استفاده از نرم‌افزارهای CAD (طراحی به کمک کامپیوتر), همچون نرم‌افزاری طراحی سه‌بعدی همچون CATIA،SOLIDWORKS،Inventor و … یک مدل سه‌بعدی طراحی کند. خروجی این مدل‌ها باید با فرمت STL ذخیره شود که تمامی دستگاه‌های ساخت نمونه سریع این فرمت را پشتیبانی می‌کنند. در این فرمت، سطوح مدل با مثلث‌هایی تقریب می‌خورد و هرکدام از این مثلث‌ها توسط مختصات سه رأس و یک بردار نرمال مشخص می‌گردد.

برش مدل STL به چندین لایه

جهت‌یابی و تعیین جهت در ساخت قطعه، یکی از مهم‌ترین پارامترهای تأثیرگذار بر زمان ساخت، کیفیت سطح و دقت ابعادی قطعه است. به همین دلیل قبل از لایه‌بندی مدل، باید جهت بهینه‌ی ساخت قطعه تعیین گردد. پس از تعیین جهت، نرم افزار مدل STL را به لایه‌های بسیار نازک در صفحه X-Y برش می‌دهد. هر لایه روی لایه‌ی قبلی ساخته خواهد شد و در راستای محور Z روی هم قرار خواهند گرفت.

ساخت لایه به لایه قطعه

روش‌های نمونه سازی سریع از جدیدترین روش‌های ساخت و تولید قطعات هستند که در آن‌ها قطعه به‌صورت لایه‌لایه و در کوتاه‌ترین زمان ساخته می‌شود. فرآیندهای نمونه‌سازی سریع زیرمجموعه‌ی روش‌های ساخت افزایشی است. پرینترهای سه‌بعدی جدیدترین و مدرن‌ترین دستگاه‌های پیاده‌سازی نمونه‌سازی سریع هستند.

 پردازش نهایی قطعه‌

پس از ساخت، قطعه و نگه‌دارنده‌ها از روی ماشین برداشته می‌شوند. به‌منظور افزایش دقت ابعادی، صافی سطح مدل و یا دستیابی به ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی بهتر قطعه، عملیات پس پردازش روی قطعه انجام می‌شود. از عملیات پس پردازش می‌توان فرآیندهای ماشین‌کاری، سند بلاست و انعقاد مجدد اشاره نمود. نوع و میزان عملیات پس پردازش، به نحوه‌ی تولید و کاربرد قطعه بستگی دارد.

روش‌های نمونه سازی سریع

امروزه، دستگاه‌های نمونه‌سازی سریع که بعضاً بانام پرینترهای سه‌بعدی یا چاپگرهای سه‌بعدی با دیجیتالی نیز شناخته می‌شوند به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. یکی از این دسته‌بندی‌ها بر اساس نوع مواد بکار گرفته شده است (ماده‌ای که جهت ساخت لایه به لایه استفاده می‌شود). این مواد به‌صورت جامد، مایع یا پودر هستند که فرآیند‌های آن‌ها را اصطلاحاً به ترتیب مایع پایه، جامد پایه و پودر پایه می‌نامند.

در انواع نمونه‌سازی سریع می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:

روش نمونه‌سازی استریولیتوگرافی (SLA)Stereolithography

این روش از اولین روش‌های نمونه‌سازی است. در این سیستم ساخت از پایین‌ترین لایه مدل آغازشده و لایه‌ها از تابش اشعه (گاما) بر روی سطحی از رزین مایع حساس به نور تشکیل می‌شوند. پس از ساخت لایه اول، پلتفرم به‌اندازه ضخامت لایه پایین می‌رود و تیغه پوشش‌دهنده سطح مایع را هماهنگ و ضخامت آن را به‌طور یکسان تنظیم می‌کند. با تابش اشعه لیزر به رزین مایع لایه دوم نیز جامد شده و به لایه اول متصل می‌شود. بقیه لایه‌ها نیز به همین ترتیب ایجاد می‌شود تا قطعه تکمیل گردد. پس از اتمام ساخت قطعه با دقت از روی پلتفرم برداشته‌شده و رزین مایع روی سطح آن توسط یک حلال مناسب شسته می‌شود پس‌ازاین کار عملیات پخت نهایی (جامد سازی) دریک کوره روی مدل یا قطعه انجام می‌شود. موادی که در این روش برای ساخت مدل‌ها به کار می‌روند دامنه وسیعی از پلیمرهای حساس به نور از قبیل پلیمرهای شفاف، ضدآب و رزین‌های نرم می‌باشند.

از مزایای استفاده از این روش می‌توان به ایجاد بالاترین کیفیت سطح، سرویس‌دهی خوب به کاربر، حجم‌های ساخت متفاوت، دقت بالای تولید و دامنه وسیع مواد اشاره کرد.

خواص مکانيکی نسبتاً ضعيف، سرعت ساخت پايين، نياز به ساخت تکیه‌گاه، کثيفی کار با رزين مايع، پايداری ابعادی کوتاه‌مدت، نياز به عمليات تکميلي در دستگاه (PCA)، قيمت بالای دستگاه و هزينه نسبتاً بالای خدمات از معایب این روش هستند.

مدل‌سازی سريع به روش (SLS)Selective Laser Sintering

در این فرآیند، ذرات پودر متناظر با مقطع قطعه به‌وسیله پرتوهای لیزر در محل ذوب‌شده و مطابق با طرح روی سطح به هم جوش می‌خورند و مواد مذاب جامد شده یک‌لایه جامد را تشکیل می‌دهد. سیلندر حاوی قطعه مطابق با طرح پایین می‌آید و پودر برای لایه بعدی توسط حرکت غلتک روی سطح کار قرار می‌گیرد و دوباره عملیات قبل انجام می‌شود و این کار ادامه می‌یابد تا قطعه تکمیل شود.

عدم نياز به تکیه‌گاه، خواص مکانيکی بالا (قطعات عملکردی)، تنوع مواد (پلاستيک – فلز – ماسه)، استفاده از مواد پلی آميد از مزایای این روش و صافي سطحي پايين، دقت 0.2 mm، نياز به سيکل خنک شدن، عدم توانايی ساخت قطعات ظريف، قيمت بالای دستگاه و هزينه نسبتاً بالای خدمات از معایب این روش به شمار می‌روند.

نمونه‌سازی به روش (FDM) Fused Deposition Modeling

این روش شبیه فرآیند اکستروژن است. در این فرآیند رشته قابل ارتجاع (از مواد ترموپلاست) گداخته شده از داخل نازل گرم شده بیرون می‌آید و روی قطعه به‌صورت طرحی که به آن داده شده به‌صورت لایه‌لایه می‌نشیند و این لایه‌ها ادامه پیدا می‌کنند تا قطعه موردنظر ساخته شود.

مزایای استفاده از این روش حداقل اتلاف مواد، راحتی تغییر مواد، جدا شدن راحت تکیه‌گاه از قطعه، ساخت قطعات عملکردی، ساده بودن عملکرد، بی‌صدا بودن و مناسب محيط اداری و معایب کيفيت سطحی متوسط، ابعاد کوچک ساخت، نياز به ساخت تکیه‌گاه و سرعت نسبتاً پايين ساخت می‌باشند.

نمونه سازی به روش (LOM) Laminated Object Manufacturing

در این روش یک پرتوی لیزر (مثل برش چاقو) برای بریدن طرحی که روی هر یک از لایه‌ها در نظر گرفته‌شده است استفاده می‌شود. پس از برش یک‌لایه، پلتفرم به سمت پایین حرکت می‌کند و غلتک کاغذ حرکت می‌کند و لایه جدید را آماده می‌کند و مجدد پلتفرم بالا می‌رود تا با سطح لایه بعد مماس شود و به همین ترتیب این عملیات تا پایان یافتن ایجاد قطعه ادامه می‌یابد.

گستره وسیع مواد مثل کاغذ، پلاستیک‌ها، فلزات، کامپوزیت‌ها و سرامیک‌ها، زمان سریع ساخت مناسب برای قطعات بزرگ مناسب، عدم نیاز به تکیه‌گاه، عاری بودن قطعه ساخته‌شده از هرگونه تنش و دیگر تغییر شکل‌ها و عدم نیاز به پخت نهایی از محاسن این روش و استحکام ضعيف قطعات، ناپايداری در برابر رطوبت، دقت ابعادی ضعيف، نامناسب برای ديواره‌های نازک، صافی سطح پايين از معایب آن به شمار می‌رود.

مدل‌سازی به روش (DMLS) Direct Metal Laser Sintering

این روش مشابه روش SLS است با این تفاوت که ماده اصلی آن پودر فلز است. تفاوت SLM و DMLS با یکدیگر در این است که SLM کاملاً پودر را ذوب می‌کند ولی DMLS پودر را به دمایی نزدیک ذوب می‌رساند تا پیوند برقرار شود. DMLS تنها با آلیاژها، مثل آلیاژهای نیکل کار می‌کند اما SLM از ساختار تک فلزهایی مثل آلومینیوم استفاده می‌کند. برخلاف SLS این دو فنّاوری نیازمند تکیه‌گاه گذاری در فرآیند ساخت هستند تا قطعه به‌صورت صحیح تولید شود. این روش بیشترین فنّاوری به‌کاررفته در دستگاه‌های تولید به روش افزودنی فلزی است.

از مزایای DLMS می‌توان به پایداری عالی قطعه، دامنه‌های وسیع مواد، عدم نیاز به نگه‌دارنده، دقت بالا و قابلیت تولید قطعه در اندازه بزرگ اشاره کرد.

مدل‌سازی به روش (SGC) Solid Ground Curing

این روش شبیه استریولیتوگرافی است، با این تفاوت که در این روش به‌جای اسکن لیزری، همه سطح لایه در معرض تابش نور یک لامپ UV قرار می‌گیرد. در این روش متناظر با هر لایه مقطع یک ماسک نوری ساخته می‌شود و برای ایجاد هر لایه، نور از پشت ماسک مخصوص آن لایه، به سطح رزین تابانده می‌شود. به‌این‌ترتیب کل یک‌لایه یا مقطع به‌طور هم‌زمان جامد می‌شود.

از مزایای این روش جامد سازی یکپارچه (کل سطح مقطع یک‌لایه به‌طور هم‌زمان جامد می‌شود (به‌جای جامد سازی نقطه‌به‌نقطه) به همین دلیل سرعت این فرآیند بسیار بالاتر و هزینه تولید ۲۵ تا ۵۰% کمتر است)، عدم نیاز به تکیه‌گاه، تلورانس خطای مناسب، خواص قطعه قابل‌قبول (محکم و قابل ماشین‌کاری و قابلیت پرداخت مکانیکی)، حداقل اثرات انقباض (این امر به خاطر جامد سازی کامل هر لایه است)، استحکام و پایداری بالای سازه‌ای) این امر به خاطر فرآیند پخت است که باعث حداقل شدن گسترش تنش‌های داخلی در سازه می‌گردد)، عدم ایجاد بو یا خاصیت خطرناک است.

از معایب این روش می‌توان به نیاز به فضای فیزیکی وسیع، فرورفتن موم در گوشه‌ها و درزها، ایجاد مواد زائد (فرآیند فرزکاری، تراشه‌هایی ایجاد می‌کند که باید از روی دستگاه تمیز شوند) اشاره نمود.

مدل‌سازی به روش (EBM) Electron Beam Melting

نوع دیگری از ساخت افزایشی برای قطعات فلزی است. در این روش نیز همانند SLM ماده اولیه به‌صورت پودر است. تفاوت اصلی این دو روش در این است که SLM از پرتو لیزر قدرتمند به‌عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند، این در حالی است که EBM از یک پرتو الکترون استفاده می‌کند. ماده مورداستفاده در EBM، پودر فلزی است که در اثر تابش پرتو الکترونی که توسط کامپیوتر کنترل می‌شود، ذوب‌شده و لایه به لایه تا تشکیل نهایی قطعه ادامه می‌یابد. برخلاف SLS، در EBM پودر فلزی به‌طور کامل ذوب می‌شود. این روند معمولاً در دماهای بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. در مقایسه با SLM این روش نسبتاً کند و گران است. دسترسی محدود به مواد از دیگر معایب این روش است.

استفاده مجدد از  پسماند (پس از پایان پرینت، اکثر پودرهای اضافی را می‌توان فوراً دوباره استفاده کرد. این قضیه برای تولیدکنندگان بسیار ارزشمند است، خصوصاً در صنایع هوانوردی که اغلب تنها ۲۰ درصد از مواد در ساخت نهایی قطعه استفاده می‌شوند و باقی آن‌ها جدا شده و به بازیافت منتقل می‌شوند(، سرعت تولید، تغییر شکل کم و کاهش نیاز به تکیه‌گاه، قطعات بسیار محکم و به‌شدت متراکم از مزایای این روش به شمار می‌آیند.

برخلاف SLS، در EBM پودر فلزی به‌طور کامل ذوب می‌شود. این روند معمولاً در دماهای بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و در مقایسه با SLM این روش نسبتاً کند و گران است. دسترسی محدود به مواد از دیگر معایب این روش است.

مدل‌سازی سريع به روش(3DP) 3D Printing

پرینت سه‌بعدی را به دلیل شباهتش به چاپ جت جوهر چاپ سه‌بعدی نامیده‌اند، با این تفاوت که به‌جای جوهر از چسب مایع استفاده می‌شود. مواد مورداستفاده در چاپ سه‌بعدی به‌صورت پودرهایی از جنس سرامیک‌ها، فلزات، پلیمرها و کامپوزیت‌ها می‌باشند. ذرات پودر به کمک چسب به هم متصل شده و لایه‌ها را ایجاد می‌کنند.

عدم نياز به تکیه‌گاه، امکان استفاده از مواد رنگی هم‌زمان، سرعت ساخت بالا (5  تا ۱۰ برابر ساير روش‌ها)، هزينه پايين خدمات و بازيافت مواد استفاده‌نشده از مزایا و استحکام ضعيف قطعات، صافي سطح ضعيف، دقت متوسط و ابعاد کوچک ساخت از معایب این روش هستند.

مدل‌سازی سريع به روش PolyJet

در این روش رزين فوتوپليمر از هد دستگاه خارج شده و هم‌زمان نور UV توسط لامپ تابیده می‌شود. در اثر تابش رزين جامد شده و لایه تشکیل می‌شود.

از مزايای روش پلی جت داشتن نازک‌ترین ضخامت لايه (۱۶ ميکرون) و صافی سطح عالی، قابليت ساخت جزئيات و ظرايف قطعات، دقت ساخت 0.1 mm، ساخت ديواره‌های نازک با حداقل ضخامت 0.6 mm، سرعت نسبتاً بالای ساخت، امکان استفاده از مواد شفاف و ساخت قطعات از جنس مشابه ABS و PP است.

معايب آن نیز نياز به ساخت تکیه‌گاه، سختي خروج تکیه‌گاه، خواص مکانيکی متوسط، هزينه خدمات متوسط و ابعاد کوچک ساخت است.

مدل‌سازی سريع به روش ThermoJet

در این روش موم مذاب از هد دستگاه خارج و سرد شده و تشکیل لایه می‌دهند. در مرحله بعدی فرزکاری سطح لايه برای رسيدن به ضخامت لايه موردنظر انجام می‌گیرد. در این روش ساخت هم‌زمان تکیه‌گاه متراکم صورت می‌پذیرد.

ساخت مدل مومی جهت ریخته‌گری دقيق، صافي سطح مناسب و ابعاد دستگاه مناسب محيط اداری از مزایای این روش محسوب شده و استحکام ضعيف قطعات مومی، ناپايداری در برابر حرارت، سرعت پايين ساخت، صدای فرزکاری و نياز به ساخت تکیه‌گاه از معایب آن است.

مدل‌سازی سريع به روش SPD

این روش شبیه چاپ جت جوهر است با این تفاوت که به‌جای جوهر از چسب مایع استفاده می‌شود. در این روش یک‌لایه پودر باضخامت کنترل‌شده روی سطح پلتفرم پخش می‌شود. از طریق سر چاپگر (نازل) و متناظر با اولین مقطع قطعه روی پودر چسب پخش می‌شود بنابراین لایه اول ساخته می‌شود. پلتفرم به‌اندازه ضخامت یک‌لایه پایین رفته و پودر لایه بعد ریخته می‌شود. متناظر با مقطع بعدی روی لایه جدید چسب ریزی می‌شود و به لایه قبلی متصل می‌گردد و به همین ترتیب ادامه می‌یابد تا قطعه کامل شود.

مزایای استفاده از این روش سرعت زیاد، کاربرد چندگانه، سادگی کار یعنی به اپراتور ماهر نیاز ندارد، عدم اتلاف مواد اولیه و ساخت قطعات رنگی و معایب آن محدودیت در استحکام و صافی سطح نامناسب است.

بنابراین می‌توان گفت نمونه سازی سریع یک گزینه بسیار سودمند برای پیاده‌سازی با گروه طراحی مهندسی شماست. نمونه سازی سریع به مدیران کمک می‌کند تا قبل از عرضه محصول واقعی، بازخورد واقعی مشتریان را دریافت کنند. این امر زمان، هزینه و تلاش لازم برای ساخت یک محصول واقعی را کاهش می‌دهد.

این فرآیند همچنین خطرات موجود در عرضه محصولی که کامل نیست را روشن می‌کند و فضایی برای پیشرفت و گوش دادن به آنچه مشتریان برای گفتن دارند باقی می‌گذارد.

مرکز طراحی ایران
اینستاگرام ما را دنبال کنید