روش های مدل سازی سریع یا rapid prototyping
چرا نمونه سازی سریع؟
امروزه رمز موفقیت شرکت های طراح و سازنده، به روز نمودن به موقع محصولاتشان می باشد. در بازار رقابتی امروز، نیاز به ساخت محصولات جدید و جایگزینی با محصولات موجود به خوبی حس می شود.
نمونه سازی سریع اولین و مهمترین قدم در این راه است...
نمونه سازی سریع تکنولوژی نسبتاً جدیدی است که در آن یک نمونه به صورت لایه لایه مستقیماً از روی فایل مدل سه بعدی آن ساخته می شود. در این روش هیچ محدودیتی از نظر شکل هندسی وجود نداشته و نمونه بدون نیاز به هیچ قالب یا ابزاری با سرعت و دقت بسیار بالایی ساخته می شود. کاربرد اصلی نمونه سازی سریع در زمینه طراحی مهندسی در صنایع مختلف به عنوان یکی از زنجیره های طراحی تا تولید محصولات جدید می باشد.
پس از طراحی یک محصول، نمونه ای از طرح سریعاً ساخته شده و در اختیار تیم طراحی مهندسی قرار می گیرد تا از جنبه های مختلف مورد ارزیابی قرار گیرد و پس از رفع ایرادات احتمالی و تأیید نهایی طرح، اقدام به تولید انبوه گردد. این تکنولوژی در زمینه ساخت مدل های پزشکی، جواهر آلات ، ماکت سازی، هنر و معماری نیز کاربردهای رو به گسترشی دارد.
از جمله ی این کاربرد ها می توان این موارد را برشمرد:
کاربرد در صنعت: ساخت نمونه قطعات صنعتی در صنایع مختلف نظیر: الکترونیک، خودرو، هوافضا، لوازم خانگی، اسباب بازی و ... جهت انجام تستهای مختلف
کاربرد در طراحی صنعتی: ساخت نمونه اولیه از طرح محصول جدید در مراحل مختلف طراحی جهت بررسی از نظر زیبایی، ارگونومی، امکان سنجی تولید، بازار یابی و...
کاربرد در ماکت سازی: ساخت اجزای ماکت های معماری، سازه، صنعتی، تأسیسات، نیروگاه و ... در مقیاسهای مختلف با هرگونه پیچیدگی و طرافت بصورت یکپارچه
کاربرد در جواهر سازی: ساخت مدل های جواهر آلات با دقت و ظرافت بالا و طبق سفارش مشتری جهت استفاده در فرآیندهای ریخته گری
کاربرد در هنر و مجسمه سازی: ساخت انواع مجسمه، تندیس و قطعات تزئینی جهت فرآیندهای ریخته گری
کاربرد در پزشکی: ساخت مدل بافت های سخت یا نرم، خارج کردن تومور، بازسازی دندان، ترمیم استخوانهای شکسته، ساخت پروتزها و ایمپلنتهای سفارشی
مزایای استراتژیک استفاده از نمونه سازی سریع:
کاهش زمان و هزینه سیکل طراحی تا تولید محصول جدید
افزایش سرعت طراحی محصول جدید و اعمال سریع اصلاحات
عرضه سریع محصولات جدید در بازار رقابتی
امکان بازار یابی محصول جدید قبل از تولید و کاهش ریسک تولید
امکان ساخت نمونه های پیچیده بدون هیچ گونه محدودیت در شکل هندسی
سرعت و راحتی فرآیند
دقت بالای نمونه سازی
مقایسه با روش CNC
نمونه سازی سریع راه حلی برای تمام مسائل ساخت نیست. مزیت عمده نمونه سازی سریع در مقایسه با روش CNC امکان ساخت قطعات با هرگونه پیچیدگی شکل هندسی می باشد. روش CNC یک تکنولوژی اقتصادی ، رایج و در دسترس می باشد که امکان استفاده از هرنوع مواد در آن وجود دارد. در برخی روش ها دقت نمونه سازی سریع به خوبی روش CNC نیست.
دامنه مواد:
بسته به فرآیند هر روش، مواد محدودی قابل استفاده می باشند.
مواد های گوناگونی با خواص مکانیکی متنوع برای هر روش به سرعت در حال گسترش و عرضه می باشد.
دامنه مواد مورد استفاده عبارت است از پلاستیک ، فلز، کاغذ ، سرامیک
اطلاعات ورودی:
فرمت های igs, stp, model, catpart و ...
مدل های حجمی:
Wire frame Surface, Solid,
دسته بندی روش ها:
معیارهای مختلفی برای دسته بندی روش های نمونه سازی سریع وجود دارد.
دسته بندی بر اساس نوع ماده مورد استفاده:
روش هایی که از مایع استفاده می کنند
روش هایی که از پودر استفاده می کنند
روش هایی که از ماده جامد استفاده می کنند
روش های متداول:
SLA (Stereo Lithography Apparatus)
SLS (Selective Laser Sintering)
FDM (Fused Deposition Modeling)
PolyJet (Polymer Jet Printing)
ThermoJet
3DP (3Dimensional Printing)
LOM (Laminated Manufacturing)
حال به توضیح روش های نمونه سازی سریع می پردازیم و مزایا و معایت هر روش را مورد بررسی قرار می دهیم:
مدل سازی سریع به روش SLA :
مراحل انجام کار به این صورت است:
تابش باریکه لیزر روی سطح رزین مایع (فوتو پلیمر)
پلیمریزاسیون نوری رزین و جامد شدن لایه
چسبیدن لایه ها به یکدیگر بدلیل خاصیت خود چسبندگی مواد
ساخت ساپورت مشبک همزمان از همان ماده
مزایای : SLA
اولین روش نمونه سازی سریع (سال 1986)
صافی سطح بالا
دقت بالا (0.1 mm)
حداقل ضخامت لایه 0.05 mm
امکان ساخت قطعات بزرگ
امکان استفاده از مواد شفاف
امکان تغییر رنگ محدوده خاصی از قطعه
معایب : SLA
خواص مکانیکی نسبتاً ضعیف
سرعت ساخت پایین
نیاز به ساخت ساپورت
کثیفی کار با رزین مایع
پایداری ابعادی کوتاه مدت
نیاز به عملیات تکمیلی در دستگاه (PCA)
قیمت بالای دستگاه
هزینه نسبتاٌ بالای خدمات
مدل سازی سریع به روش SLS
مراحل انجام کار به این صورت است:
پهن شدن یک لایه پودر ترموپلاستیک
پیش گرم پودر توسط هیتر تا دمای زیر سینتر شدن
تابش باریکه لیزر روی سطح پودر گرم و اعمال توان حرارتی
جوش سطحی ذرات پودر (سینتر شدن)
بدون نیاز به ساخت ساپورت
مزایای : SLS
عدم نیاز به ساپورت
خواص مکانیکی بالا (قطعات عملکردی)
تنوع مواد (پلاستیک – فلز – ماسه)
استفاده از مواد پلی آمید
معایب : SLS
صافی سطحی پایین
دقت 0.2 mm
نیاز به سیکل خنک شدن
عدم توانایی ساخت قطعات ظریف
قیمت بالای دستگاه
هزینه نسبتاً بالای خدمات
مدل سازی سریع به روش مراحل انجام کار به این صورت است:: FDM
تغذیه فیلامنت پلاستیکی به یک نازل
گرم شدن نازل و ذوب مواد
حرکت نازل در صفحه XY
خروج مذاب پلاستیک از نازل
سرد شدن مواد و تشکیل لایه
ساخت همزمان ساپورت متراکم
مزایای : FDM
استفاده از مواد ABS ، پلی کربنات ، موم
استفاده بعنوان قطعات عملکردی
حل شدن ساپورت در حلال
پولیش پذیری مناسب
سادگی کار با دستگاه
بی صدا بودن و مناسب محیط اداری
معایب : FDM
کیفیت سطحی متوسط
ابعاد کوچک ساخت
نیاز به ساخت ساپورت
سرعت نسبتاً پایین ساخت
مدل سازی سریع به روش : PolyJet
مراحل انجام کار به این صورت است:
خروج رزین فوتوپلیمر از هد دستگاه
تابش همزمان نور UV توسط لامپ
جامد شدن رزین و تشکیل لایه
ساخت همزمان ساپورت متراکم
مزایای : PolyJet
نازک ترین ضخامت لایه (16 میکرون) و صافی سطح عالی
قابلیت ساخت جزئیات و ظرایف قطعات
دقت ساخت 0.1 mm
ساخت دیواره های نازک با حداقل ضخامت 0.6 mm
سرعت نسبتاً بالای ساخت
امکان استفاده از مواد شفاف
ساخت قطعات از جنس مشابه ABSو PP
معایب : PolyJet
نیاز به ساخت ساپورت
سختی خروج ساپورت
خواص مکانیکی متوسط
هزینه خدمات متوسط
ابعاد کوچک ساخت
مدل سازی سریع به روش : ThermoJet
مراحل انجام کار به این صورت است:
خروج موم مذاب از هد دستگاه
سرد شدن موم و تشکیل لایه
فرز کاری سطح لایه برای رسیدن به ضخامت لایه مورد نظر
ساخت همزمان ساپورت متراکم
مزایای : ThermoJet
ساخت مدل مومی جهت ریخته گری دقیق
صافی سطح مناسب
ابعاد دستگاه مناسب محیط اداری
معایب : ThermoJet
استحکام ضعیف قطعات مومی
ناپایداری در برابر حرارت
سرعت پایین ساخت
صدای فرز کاری
نیاز به ساخت ساپورت
مدل سازی سریع به روش : (3 Dimensional Printing) 3DP
پهن شدن یک لایه گچ روی سطح
پرینت شدن چسب روی گچ
چسبیدن ذرات گچ و تشکیل لایه
مزایای 3DP
عدم نیاز به ساپورت
امکان استفاده از مواد رنگی همزمان
سرعت ساخت بالا
(5 تا 10 برابر سایر روشها)
هزینه پایین خدمات
(25% هزینه سایر روشها)
بازیافت مواد استفاده نشده
معایب 3DP
استحکام ضعیف قطعات
صافی سطح ضعیف
دقت متوسط
ابعاد کوچک ساخت
مدل سازی سریع به روش: LOM
مراحل انجام کار به این صورت است
لایه گذاری کاغذ چسب دار
حرکت غلطک داغ روی کاغذ
فعال شدن چسب حرارتی و چسبیدن لایه کاغذ
برش مرز های مقطع مربوطه در صفحه XY
برش قسمتهای اضافی کاغذ بصورت مربعی
مزایای LOM
ظاهر شبه چوب
قابلیت کار با مدل مشابه مدلهای چوبی
مناسب برای قطعات حجیم و توپر
مناسب برای مدل های ریخته گری
عدم نیاز به ساپورت
معایب LOM
استحکام ضعیف قطعات
ناپایداری در برابر رطوبت
دقت ابعادی ضعیف
نامناسب برای دیواره های نازک
صافی سطح پایین
منبع:تبیان زنجان
