مکانیک ساخت و تولید

این وبلاگ سعی در نمایش مطالب و مقالات و معرفي وبلاگها و سايتها در زمینه مهندسی مکانیک ساخت و تولید را دارد .

نمونه‌سازی و ابزارسازی سریع
ساعت ٥:٢٢ ‎ب.ظ روز پنجشنبه ۱۳ بهمن ۱۳٩٠  کلمات کلیدی:

نمونه‌سازی و ابزارسازی سریع

 

آشنایی با فرایندهای نمونه‌سازی سریع ؛روش استریولیتوگرافی ؛شیوه‌های مختلف ساخت مدل به روش استریولیتوگرافی ؛کاربردهای روش استریولیتوگرافی ؛مزایای روش استریولیتوگرافی ؛معایب روش استریولیتوگرافی ؛آشنایی با دستگاه استریولیتوگرافی SLA-5000 ؛ویژگی‌های سیستم استریولیتوگرافی مدل SLA-5000؛فناوری استریولیتوگرافی در شرکت جنرال‌موتورز ؛افزایش کارایی سیستم خنک‌کننده در موتور پورشه ؛بهینه‌سازی سیستم ایرودینامیک خودروی جگوار ؛کاربردهای موفق روش استریولیتوگرافی در صنایع نظامی دنیا ؛متخصصان مرتبط با نمونه‌سازی و ابزار سریع ؛ ...


نمونه‌سازی و ابزارسازی سریع

 

در سال‌های اخیر، تولید محصولات جدید دستخوش تغییراتی چشمگیر شده است. تنوع روزافزون تولید برای تسخیر بازارهای نو و به معنی عام، تلاش برای بقای واحدهای صنعتی، نیاز به روش‌های ساخت و تولید سریع را رفته‌رفته بر تمامی تولیدکنندگان تحمیل کرده‌ است. در جهان کنونی، با افزایش تنوع‌‌طلبی مشتری و تنگ‌‌تر شدن عرصه رقابت، تنها کسانی می‌‌توانند به حیات ادامه دهند که بتوانند کالاهای خود را با سرعت لازم روانه بازارهای مصرف کنند.

با نگاهی اجمالی به روند طراحی و تولید فرآورده‌‌های جدید در دو دهه گذشته، به آسانی می‌‌توان دریافت که تنوع و پیچیدگی محصولات، به‌طوری قابل ملاحظه افزایش یافته است. این افزایش به نوبه‌‌ی خود، زمان لازم برای طراحی، ساخت و مونتاژ راافزایش داده است. با ظهور و گسترش رایانه‌‌ها در صنعت، تحولاتی چشمگیر به وجود آمده است. گرچه توسعه‌ سیستم طراحی مهندسی توسط رایانه (CAD) و فرایند کنترل عددی توسط رایانه (CNC) کاهش زیادی را در زمان ساخت فراورده‌‌های جدید به وجود آورده است،‌اما نیاز صنعت به طراحی برای تولید و مونتاژ بدون صرف زمان و هزینه زیاد،‌هنوز برطرف نشده است. در این مقطع زمانی، فناوری نمونه‌‌سازی سریع که در 1988 با ابداع فرایند استریولیتوگرافی شروع شد، اثری شگرف و عمیق در ساخت قطعات صنعتی ایجاد کرد. با توسعه‌ قابلیت‌‌های این فناوری، امکان ساخت سریع قالب‌‌ها و ابزار (ابزارسازی سریع)‌نیز فراهم شده‌ است. هم اکنون فناوری نمونه‌‌سازی وابزارسازی سریع، یکی از عناصر اصلی و جزء لاینفک چرخه طراحی و تولید محصولات صنعتی تلقی می‌‌شود.

به رغم اهمیت و کاربرد زیاد فناوری، کمبود منابع اطلاعاتی و نیز تجهیزات لازم در این زمینه در کشور ما، آشکارا محسوس است. شاید کوتاه‌بودن عمر این فناوری (19سال) و تغییرات سریع به وجود آمده در این مدت اندک؛ علت اصلی کمبود یاد شده باشد.

هدف این مقاله، ارائه اطلاعات اولیه برای آشنایی با فرایندها، تجهیزات و متخصصین مرتبط با نمونه‌‌سازی سریع است.

 

آشنایی با فرایندهای نمونه‌سازی سریع

فرایندهای نمونه‌سازی سریع، تنوع زیادی دارند. از بدو ابداع اولین دستگاه نمونه‌سازی سریع به روش استریولیتوگرافی در 1987 تاکنون، تغییرات و تحولات شگرفی در این زمینه پدید آمده است. در جدول شماره1، روند توسعه تعدادی از روش‌های نمونه‌سازی سریع ارائه شده است. البته، روش‌های متعدد دیگری نیز وجود دارند که در اکثر موارد، مکانیزمی شبیه روش‌های معرفی شده در جدول 1 دارند. هدف از توسعه تمامی این روش‌ها، ساخت نمونه فیزیکی با کمترین زمان و هزینه ممکن و بهترین دقت ابعادی و نیز صافی سطح است.

 

جدول1: روندتوسعه چند روش اصلی نمونه سازی سریع در دنیا

 

بدیهی است که فرایندهای موجود را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته‌بندی کرد. متداول‌ترین روش، گروه‌بندی فرایندهای مختلف، حسب حالت ماده مورداستفاده است که به سه دسته‌ زیر دسته‌بندی می‌شوند:

1. مواد مصرفی در حالت مایع، مانند: Stereolitography

2. مواد مصرفی در حالت جامد، مانند: Laminated Object Manufacturing

3. مواد مصرفی در حالت پودر، مانند:

Selective Laser Sintering, Laser Engineered Net Shaping

 

 

روش استریولیتوگرافی

سیستم استریولیتوگرافی یا به اصطلاح SLA، اولین روش تجاری تولید سریع قطعات است که برای نخستین بار در سال 1987 در دیترویت امریکا توسط شرکت 3Dsystems معرفی و در 1988 وارد بازار شد. این فرایند، ابتدا دقت پایینی داشت ولی با گذشت زمان به سرعت پیشرفت کرد و ابداع روش‌های جدید، امکان تولید ابزار و قطعات فلزی و پلیمری را با استفاده از این دستگاه، فراهم کرد. در جدول شماره2، مشخصات سامانه‌های مختلف SLA معرفی شده است.

 

جدول2: مشخصات سامانه های مختلف SLA

 

در فرایند SLA، قطعات سه بعدی پلیمری، مستقیماً از مدل رایانه‌ای (CAD) تولید می‌شوند. اساس کار فرایند، جامدکردن لایه‌به‌لایه رزین مایع حساس به نور بر اثر تابش نور ماوراء بنفش است. پرتو لیزر، براساس فایل STL به لایه‌ای از پلیمر تابیده و آن را سخت می‌کند. در تصویر شماره1، عملکرد دستگاه SLA به طور شماتیک نشان داده شده است.

شکل1: نمای شماتیک عملکرد دستگاه SLA

 

برای ساخت یک مدل به روش SLA، ابتدا باید مدل رایانه‌ای آن تهیه شود. پس از برش‌زنی و تهیه فایل STL، عملیات ساخت با پایین رفتن سکوی دستگاه به اندازه ضخامت یک لایه شروع می‌شود. لیزر، براساس اطلاعات فایل STL به سطح پلیمر تابیده می‌شود تا لایه بعدی ساخته شود. به این ترتیب، محصول نهایی، تجسم فیزیکی داده‌های CAD خواهد بود.

 

 

شیوه‌های مختلف ساخت مدل به روش استریولیتوگرافی

در روش استریولیتوگرافی،مدل‌ها در دو نوع توپر و توخالی ساخته می‌شوند. مدل توپر که در اکثر موارد با عنوان Master Pattern نامیده می‌شود، با دو روش ACESTM و STAR-WeaveTM و نمونه توخالی، با روش QuickcastTM ساخته می‌شود.

 

الف ـ روش QuickcastTM

این نکته که سامانه QuickcastTM اولین بار به سفارش انجمن خودرویی امریکا به وجود آمد یا وزارت دفاع آن،‌چندان روشن نیست اما طراحی این سامانه و کاربردهای اساسی آن در اواخر دهه ??، در مراکز تحقیقات بنیادین ساندیا و آزمایشگاه پیشرفته لاکهید و تحت پروژه ملی "عملیات سریع" به وجود آمد. شرکت‌های خودروساز امریکایی و نیز شرکت بنز المان در تصویر شماره‌2، نمونه‌‌ای از مدل توخالی SLA ارائه شده است.

شکل 2: نمونه‌ای از مدل توخالی

 

این مدل در ابزارسازی سریع به کار می‌رود و مصارف مدل توپر را ندارد.

 

ب ـ روش ACESTM

وقتی از روش ACESTM استفاده می‌شود، داخل مدل تقریباً به طور کامل توسط لیزر سخت می‌شود. در این روش، فاصله‌ خطوط اسکن، به اندازه نصف قطر اشعه است و فقط از رزین‌های اپوکسی که هنگام پلیمریزه شدن،انقباض کمتری دارنداستفاده می‌شود. این روش، به علت عدم تغییر شکل، بهترین و دقیق‌ترین روش موجود در تکنولوژی استریولیتوگرافی است و در ساخت قطعات دقیق استفاده می‌شود.

 

پ ـ روش STAR-WeaveTM

این روش در 1991 توسط شرکت 3Dsystems معرفی شد. در این روش، پر کردن مدل با استفاده از یک‌سری شبکه‌ها که در هر لایه به اندازه نصف فاصله رسم انتقال می‌یابند، انجام می‌شود. در این روش، فقط از رزین‌های اکریلیک که هنگام پلیمریزه شدن منقبض می‌شوند،‌استفاده می‌شود.

 

 

کاربردهای روش استریولیتوگرافی

تکنولوژی SLA نیاز تولیدکنندگان را به کاهش زمان بازاریابی، کاهش هزینه‌های توسعه محصولات جدید و کنترل بهتر فرایند طراحی فراهم می‌کند. از جمله زمینه‌های کاربرد این تکنولوژی عبارتند از:

- ساخت الگوهای تجسمی

- ساخت نمونه‌های موردنیاز در طراحی، تحلیل، تأیید و آزمایش‌های کاربردی

- ساخت مدل‌های ریخته‌گری

 

 

مزایای روش استریولیتوگرافی

- سرعت تولید نسبتاً بالا

- کیفیت سطحی بسیار مناسب

- دقت ابعادی بین 0/127 تا 0/254 میلی‌متر

- ساخت قطعات پیچیده و امکان اتصال قطعات به یکدیگر

 

 

معایب روش استریولیتوگرافی

- امکان ایجاد شکاف در قطعه به دلیل کشش سطحی رزین

- محبوس شدن حباب هوا در نقاطی از قطعه که حجم رزین به‌کار رفته بالاست

- استفاده از مواد اولیه گران و سمی

 

 

آشنایی با دستگاه استریولیتوگرافی SLA-5000

نظر به اینکه نوع دستگاه استریولیتوگرافی شرکت ساپکو، مدل SLA-5000 است، مختصری به معرفی این مدل می‌پردازیم. در شکل شماره3، مدل SLA-5000 ساخت شرکت 3Dsystems قابل مشاهده است.

شکل 3: دستگاه SLA-5000 ساخت شرکت 3Dsystems

 

 

ویژگی‌های سیستم استریولیتوگرافی مدل SLA-5000

- لیزر

نوع منبع حالت جامد: Nd: YVO

طول موج: 7/354 نانومتر

قدرت: 216mv

- سیستم پوشش‌دهی مجدد

نوع سیستم: Zephyr Recoater

ضخامت پوشش مجدد برای ACES: 0/075 میلی‌متر

ضخامت پوشش مجدد برای Quickcast: 0/1 میلی‌متر

ابزارسازی: 05/0 میلی‌متر

- سیستم بالابر

حجم کاری: 508×508×584 میلی‌متر

دقت بالابر:00177 /0 میلی‌متر

بیشترین وزن قطعه قابل بالا بردن:04/68 کیلوگرم

 

 

کاربردهای موفق روش استریولیتوگرافی در صنایع خودروسازی دنیا

فناوری استریولیتوگرافی در شرکت جنرال‌موتورز

جنرال موتورز،‌ بزرگترین شرکتی است که از این فناوری استفاده می‌کند. در تمام بخش‌های این شرکت، نمونه‌سازی سریع وسیله‌ای مفید برای کاهش زمان رسیدن محصول به بازار است. مثلاً، این شرکت گزارش کرده است که در ساخت دکمه‌های پانل به جای ماشین‌کاری، با استفاده از روش SLA و ساخت قالب لاستیکیRTV،ساخت دکمه‌ها سریعتر وارزانتر انجام شده است.

 

 

افزایش کارایی سیستم خنک‌کننده در موتور پورشه

گروه موتور اسپورت پورشه، می‌داند که افزایش کارایی سیستم خنک‌کننده و نگهداری دمای سیلندر در دمای بهینه، کارایی موتور را بهبود می‌بخشد. با استفاده از شبیه‌سازی به روش المان محدود، امکان بررسی دقیق سیستم خنک‌کننده وجود دارد، اما کاربرد این روش بیش از 3 ماه طول می‌کشد. هزینه عملیات نیز بیش از 50 هزار دلار است. این شرکت، با استفاده از SLA، نمونه‌ای شفاف از سیستم آبگرد موتور سیلندر تهیه کرد که شامل تمام بخش‌های پیچیده سرسیلندر است. در این قطعه،‌بیش از 60 حسگر دما و فشار جاسازی شد. شفافیت نمونه، کلید موفقیت آزمایش بود. حباب‌های بسیار کوچک هوا، وارد مایعی خنک‌کننده شده و حرکتشان توسط یک دوربین با سرعت بالا ثبت شد. با تحلیل دقیق این تصاویر،مناطقی که به قدر کافی سرد نمی‌شدند، مشخص شد. این مناطق بحرانی در طراحی حذف شده و سیستم آبگرد دوباره با CAD طراحی شد. با این روش، کل زمان پروژه به 4 هفته و هزینه عملیات نیز به 23هزاردلار کاهش یافت.

 

 

بهینه‌سازی سیستم ایرودینامیک خودروی جگوار

شرکت جگوار،‌علاوه‌بر استفاده از فناوری SLA برای ساخت دستگیره درها، داشبورد و موتور،‌از این روش برای بهینه‌سازی ایرودینامیک خودروی تولید خود نیز استفاده کرد. نمونه‌های کاملی از جلو و عقب خودرو در مقیاس 3:8 با تمام جزئیات، تولید و روی نمونه‌های آزمایشی خودرو سوار شد. سپس، این نمونه‌های آزمایشی در تونل باد مورد ارزیابی قرار گرفتند و بهبود سیستم ایرودینامیک تأیید شد.

 

 

کاربردهای موفق روش استریولیتوگرافی در صنایع نظامی دنیا

ارتش ایالات متحده ازSLA برای ساخت قالب اینسرت‌های آلومینیومی تانک‌های نظامی خود استفاده کرد و توانست زمان ساخت این قالب‌ها را از 20 هفته به ? هفته کاهش دهد. مسئولیت این پروژه با مدیریت پشتیبانی دفاعی وزارت دفاع بود.درشکل شماره‌3 محل استفاده این اینسرت‌ها و در شکل شماره4، تصویر دقیق آنها ارائه شده است.

شکل4: محل استفاده اینسرت‌های آلومینیمی

شکل5: شکل دقیق اینسرت‌های آلومینیمی

 

 

متخصصان مرتبط با نمونه‌سازی و ابزار سریع

آقای دکتر بهرخ خوشنویس

عضو هیئت علمی دانشگاه کالیفرنیای شمالی

مخترع روش‌های نمونه‌سازی سریع SIS و Countor Crafting

 

آقای دکتر عبدالرضا سیم‌چی

عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف

مسئول بخش نمونه‌سازی سریع مرکز صنایع نوین ایران

 

آقای دکتر صادق رحمتی

عضو هیئت علمی دانشگاه امام حسین (ع)

متخصص در ابزارسازی سریع RTV

 

آقای پروفسور جرمن

عضو برجسته‌ هیئت علمی دانشگاه پنسیلوانیا

جزو چند متخصص برجسته متالورژی پودر دنیا که ارتباط عوامل علم متالورژی پودر و روش‌های نمونه‌سازی سریع پایه پودری را مطرح کرد. به رغم اثبات ریاضی و آزمایشگاهی پدیده "چگالش سریع" توسط ایشان در اوایل دهه??، هنوز رموز این کار جزو اسرار علمی و فنی است. اثبات ناکارایی رئولوژیکی مخلوط پودرهای پلیمری و فلزات پیشرفته در ساخت قطعات پیچیده که توسط ایشان اثبات شد، جزو شاهکارهای بشری است.

 

 

منابع:

1. "Stereolithography", Jacobs

2. 3Dsystems Incorporation Catalogue

3. Sandia Reports

4. American Metalcasting Consortium, Annual Report 2004

5. "Rapid Prototyping and Tooling", David Atkinson