Rapid prototyping
1
فهرست مطالب
مقدمه
تاریخچه نمونه سازی سریع
نمونه سازی سریع
نمونه سازی سریع چرا؟
فرایند نمونه سازی
مهمترین و کاربردی ترین روشهای نمونه سازی
نمونه سازی لیزری
نمونه سازی به روش رسوب جوش خورده
نمونه سازی به روش لایه ورقی
تف جوشی لیزری
مشکلات پیش رو در روش های رایج نمونه سازی سریع
منایع
2
مقدمه
کوتاه نمودن زمان توسعه و تکوین یک محصول از طراحی تا تولید، رمز موفقیت یک سازمان تولیدی در دنیای رقابتی کنونی به شمار می آید.
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.
3
این فرایند کاری مشکل، بسیار وقت گیر و پرهزینه است. با بکارگیری روش های نمونه سازی سریع می توان در زمان کوتاهی یک مدل سه بعدی فیزیکی از قطعه ای هر چند پیچیده را با هزینه ای کم و با دقت بالایی ساخت و از آن در بررسی و ارزیابی طرح 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 اولویت داشته باشد و ثانیا قطعه دارای شکل هندسی پیچیده ای باشد.
4
تاریخچه نمونه سازی سریع
در مورد فناوری نمونه سازی سریع، اولین نتایج تحقیقات در این ارتباط در سال 1982 به چاپ رسید و کاربرد صنعتی آن در سال 1989 با سیستم استریولیتوگرافی از کمپانیSystems 3D در ایالت کالیفرنیای آمریکا آغاز گردید.
در سالهای اخیر نیز شرکت Dimension Printing توانسته سیستمهایی مبتنی بر تکنولوژی FDM طراحی کرده و بسازد که هزینه تمام شده دستگاه و محصول آن نسبت به کارایی سیستم بسیار پایین می باشد.
5
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.
6
اکثر روش های نمونه سازی سریع با تکنیک مقطع زنی یک طرح، ساخت هر مقطع و بر روی هم گذاری آنها انجام می شود.
تصور کنید جسمی را که برش هایی با ضخامت های کم زده شده، با قرار دادن همان برش ها بر روی یکدیگر مجددا جسم ساخته شود.
معمولا تفاوت اصلی بین روش های نمونه سازی سریع نوع مواد استفاده شده و چگونگی سخت شدن لایه ها است.
7
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.
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 میشوند.
8
نمونه سازی سریع
نمونه سازی سریع به مجموعه عملیات مرتبطی اتلاق می شود که برای ساختن یک شی فیزیکی بطور مستقیم از داده های CAD انجام می شود .
نمونه سازی سریع با نامهای دیگری نظیر : شکل دهی آزاد، ساخت لایه ای ، ساخت اتوماتیک و… نیز شناخته می شود.
9
روشهای نمونه سازی سریع عموماٌ از این نظر به هم شبیهند که در آنها با افزودن لایه های موجود به صورت متناوب، قطعه مورد نظر ایجاد می شود. این کار دقیقاٌ در مقابل عملی قرار دارد که فرزکاری و تراشکاری انجام می شود. در تراشکاری و فرزکاری اشیا به وسیله برداشتن لایه از مواد فرم دهی میشوند.
10
چه صنایعی می توانند از نمونه سازی سریع استفاده کنند؟
صنایع نظامی
صنایع پزشکی
11
چه صنایعی می توانند از نمونه سازی سریع استفاده کنند؟
صنایع قالب سازی
صنایع خودرو
12
فعالیت های هنری و معماری و ماکت سازی حرفه ای
13
نمونه سازی سریع ، چرا؟
14
تجسم (Visualization)
مهندسان و طراحان به هنگام تجسم فضایی و نقشه خوانی از قطعه با شکل هندسی پیچیده ممکن است آن را نادرست تحلیل نمایند.این مشکل صرف نظر از میزان تجربه طراح ممکن است با دردست داشتن مدل CAD قطعه نیز برطرف نشود.زیرا تجسم به 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 ساخت یک مدل فیزیکی و مشاهده آن از بروز چنین خطاهایی جلوگیری می کند.
15
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 ارزیابی 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.
16
تکرار طرح(Iteration)
تمامی فعالیت های طراحی دارای یک طبیعت تکرار هستند وطراحی مجدد از کارهای همیشگی طراحان است.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.
17
بهینه سازی(Optimization)
بهینه سازی طرح می تواند کارایی محصول،کیفیت و قابلیت اطمینان آن را بهبود بخشد. نمونه سازی سریع توام با 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.
18
با ایجاد یک نمونه از پیش ساخته این قابلیت وجود خواهد داشت که اشتباهات طرح پیدا شده و یا اگر دید مناسبتر و یا طرح بهتری از مطالعه یک نمونه نسل قبلی به وجود آمد، قابلیت تکرار وجود خواهد داشت. مسئله ای که در این مورد وجود دارد اینست که ساختن یک نمونه با روشهای سنتی فوق العاده زمانبر است. آماده سازی ابزار و ماشین آلات فوق العاده زمانبر است و در طول این مدت تا آماده شدن یک نمونه اولیه امکانات و نیروی انسانی و خدمات هزینه به بار می آورد.
19
مورد دیگر سرعت عرضه به بازار و توانایی رقابت محصول در بازار است . واضح است که اگر محصول زودتر از رقبا روانه بازار شود قطعا سودآوری بیشتری را نصیب سازنده خواهد کرد. از اینرو هرچقدر سرعت جریان محصول از یک ایده تا محصول نهایی بیشتر باشد حالات مطلوبتری خواهد بود که بازهم نیاز به ایجاد یک نمونه سریع را جبران ناپذیر می نماید.
20
قطعات فارغ از هر پیچیدگی یا ظرافت هندسی بدون نیاز به تنظیمات خاص ماشین ابزار می توانند ساخته شوند.
سیستم های نمونه سازی سریع، ساخت قطعات پیچیده را در یک فرایند قابل کنترل، پیشتاز و نسبتا سریع خلاصه می کنند.
21
مزایای دیگرنمونه سازی سریع
از عملیات نمونه سازی سریع می توان در بعضی موارد برای ساختن ابزار آلات عملیات تولیدی استفاده کرد. به این طریق ، می توان ابزارآلات را در عرض چند روز به دست آورد.
کاهش زمان و کاهش هزینه ساخت و تولید
به روز نگه داشتن محصول و ارائه طرح های جدید
ایجاد هماهنگی بیشتر بین قسمتهای ساخت و فروش
کاهش زمان ترقی و پیشرفت
22
فرایند نمونه سازی سریع
Three stages: pre-processing, building, and post processing
RP Process
Post Process
Pre Process
in RP
systems
in CAD
23
تبدیل مدل سه بعدی به لایه های تشکیل دهنده
24
25
مهمترین و کاربردی ترین روشهای نمونه سازی
26
تقسیم بندی روش های نمونه سازی بر اساس شکل ماده شروع می باشد.
Liquid-based
Solid-based
Powder-based
27
نحوه کار در نمونه سازی سریع
تکنولوژی های نمونه سازی سریع بر مبنای هرماده ای که برای بشر ساخته شده پایه ریزی گردید. مایعانی که تحت اثر نور به جامد تبدیل می شوند (فتوپلیمر) در اولین نسل ماشینهای کاربردی (استریولیتوگرافی) مورد استفاده قرار گرفتند.
پایه ریزی شده بر اساس لایه پودر (تفجوشی لیزری انتخابی) ، اکستروژن ترموپلاستیک ها (مدلسازی رسوب گداخته) ، رسوب مواد ورقی (تولید اشیای چند لایه).
28
نمونه سازی لیزری ( Stereo Lithography Apparatus )
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
29
دستگاه استریولیتوگرافی
30
قطعه ساخته شده به روش استریولیتوگرافی
31
مدل سازی به روش رسوب جوش خورده Fused Deposition Modeling
این تکنولوژی در سال 1989 توسط Scott Crump و همسر ایشان اختراع و ثبت گردید. آقای کرمپ به عنوان موسس شرکت Stratasys Inc در حال حاضر به عنوان مدیر عامل و عضو هیات مدیره مشغول به فعالیت می باشد. شرکتهای Fortus، RedEye وDimension از زیر مجموعه های Stratasys می باشند که انواع دستگاه های نمونه سازی سریع با تکنولوژی FDM را به بازار عرضه می کنند.
32
ارزانترین دستگاه نمونه سازی سریع در دنیا
یکی از پرکاربردترین تکنیکهای نمونه سازی سریع روش FDM است که در این روش از ذوب رشته های نازک پلاستیکی و قراردادن آنها بصورت لایه لایه، قطعات عملکردی از جنس انواع پلاستیکهای صنعتی تولید می شود.
ارزانترین دستگاه نمونه سازی سریع موجود، دستگاه Rapman ساخت شرکت Bits From Bytes می باشد که این دستگاه نیز از تکنیک FDM جهت ساخت سریع نمونه قطعات استفاده می کند. نماینده رسمی فروش دستگاه Rapman در ایران شرکت آرتا ره آوران شتاب می باشد. مزیت اصلی این دستگاه قیمت بسیار پائین آن در مقایسه با سایر دستگاههای نمونه سازی سریع موجود می باشد.
33
از دیگر شرکت هایی که در سال های اخیر در تولید دستگاه های FDM بسیار موفق بوده است شرکت آمریکایی Dimension می باشد و "نمونه سازی سریع آرکا" در ایران فروشنده مدل های مختلف این دستگاه و ارائه دهنده خدمات نمونه سازی سریع با آن می باشد.
34
فرایند FDM
فرآیند FDM با ارائه مدل سه بعدی (CAD Data) آغاز می گردد. مدل سه بعدی بایستی در یکی از نرم افزارهای طراحی از قبیل Catia، PRO E، Rhinoceros، Mechanical Desktop، Auto CAD و Solid Work به صورت Solid تهیه شده باشد. سپس فایل مربوطه به فرمت STL (Stereolithography) تبدیل شده و در نرم افزار دستگاه خوانده می شود.
35
فرایند FDM
پس از تعیین موقعیت قطعه روی میز کار و آنالیز کامپیوتری لایه ها، مسیر حرکت نازل، مرز قطعه در هر لایه به تفکیک مواد اصلی و تکیه گاه مشخص می گردد. در انتها با ارسال اطلاعات به دستگاه قطعه در زمان تعیین شده و با صرف حجم مواد پیش بینی شده ساخته خواهد شد.
36
فرایند FDM
مواد مورد استفاده معمولاً در دو جنس متفاوت برای قطعه اصلی (Model Material) و تکیه گاه (Support Material) عرضه می شوند.
پس از ساخت قطعه توسط دستگاه، مواد تکیه گاه از قطعه ساخته شده جدا می شوند و نهایتاً قطعه اصلی با کلیه جزییات در دسترس خواهد بود. مواد تکیه گاه در دو حالت جدا شونده (Breakable) و قابل حل در محلول (Soluble) و مطابق طراحی هر نوع دستگاه قابل تامین می باشند.
37
38
زمانی که قطعه به طور کامل ساخته شد، از روی میز کار جدا شده و مواد تکیه گاه از روی آن جدا می گردد (با شکستن و یا حل کردن در محلول). پس از پاک شدن قطعه از مواد تکیه گاه، قطعه نهایی بدون نیاز به فرآیند تکمیل کاری قابل استفاده می باشد. در هر صورت قطعات ساخته شده با تکنولوژی FDM قابلیت سمباده کاری، رنگ کاری، سوراخ کاری، ماشین کاری و آبکاری را دارا می باشند.
39
نمونه سازی به روش لایه ورقی Laminated Object Manufacturing
40
نمونه سازی به روش لایه ورقی
41
تف جوشی لیزری انتخابی Selective Laser Sintering
این روش همچون روش SLA ،مقاطع را ایجاد می نماید با این تفاوت که از پودرهایی از جنس پلی استایرن و یا نایلون با رنگ های متنوع استفاده می شود. پودر بر روی میزی مستقر در اتاقک گرمکن پخش شده و پرتو لیزر حرارت مضاعفی را بر روی پودرها ایجاد می کند و مسیر پرتو نیز مطابق فرم هر برش است.با عملیات تف جوشی ، دانه های پودر به یکدیگر می پیوندند و هر مقطع ایجاد می شود.
42
فرایند تف جوشی لیزری
43
قطعه ساخته شده به روش تف جوشی لیزری
44
مشکلات پیش رو در روش های رایج نمونه سازی سریع
45
نمونه سازی سریع لزوما خیلی سریع نیست بلکه سرعت در آن نسبی است
46
1. نمونه سازی سریع لزوماٌ خیلی سریع نیست بلکه سرعت در آن نسبی است
پروسه ها ممکن است هفته ها یا ماه ها برای طراحی چرخه به طول بیانجامد اما هنوز نیازمند صرف ساعتها و وقت برای ساخت یک شی باشد.
واژه نمونه سازی سریع یک نام غلط برای این تکنولوژی است. این فناوری بطور واقع بیانگر حالات نوظهور تولید کامپیوتری است. دنیای واقعی ملموس است و مدلسازی سریع واسطه بین قوانین مور و دنیای ملموس است.
47
ایمنی و سلامت
همواره نگرانی های زیست محیطی بر روش های رایج نمونه سازی سریع سایه افکنده است، زیرا که بسیاری از روش های نوین مواد زاید سمی تولید می کنند و نیاز به سامانه های تهویه ای مناسب دارند. همچنین بسیاری از مواد دور ریز این روش قابل بازیافت نیستند.
48
سرمایه گذاری بالا
اکثر سامانه های نوین نمونه سازی در دامنه قیمتی 60000دلار تا 250000 دلار می باشند و به همین دلیل تنها کمپانی های بزرگ شانس استفاده از این سامانه ها را دارند. هزینه زیاد تعمیر ونگهداری و همچنین گرانقیمت بودن مواد اولیه مصرفی، بسیاری از کمپانی های متوسط و کوچک را از بهره مندی از این فناوری محروم ساخته است.
49
تفاوت روش نمونه سازی سریع((Rapid Prototyping با روش ساخت سریع((Rapid Manufacturing
در نمونه سازی معمولا مواد حساس به نور یا رزین های فتو پلیمر و.. در معرض نورلیزر یا اشعه UV) ) یا حرارت، جامد شده و به شکل مورد نظر در می آیند که پس از عملیات پخت و پرداخت نهایی مورد استفاده قرار می گیرند. ولی در ساخت سریع با این روش یک نازل ماده ی مورد نظر رابه کمک اشعه لیزر ذوب می کند و می پاشد و با پاشش لایه به لایه شکل مورد نظر درست می شود و سپس یک فرز یا سنگ عملیات پر داخت نهایی را انجام می دهند. این روش به هیچ وجه در خواص فیزیکی مورد نظر برای قطعه تغییری ایجاد نمی
کند. نام این روش LENS می باشد.
50
منابع
1. مبانی جامع و پیشرفته مدیریت تولید و عملیات در سازمان های تولیدی و خدماتی.جلد چهارم. تالیف و ترجمه: دکتر سید محمد سید حسینی،محمد سعید صفاکیش.ناشر:انتشارات سازمان مدیریت صنعتی 1386
2.قالبسازی و نمونه سازی سریع. تالیف و ترجمه : سامان خلیل پور آذری وعلی خانجانی. ناشر : ناقوس
3. فناوری نمونه سازی سریع. مولف: دکتر صادق رحمتی. ناشر: ناقوس
4. مجله فنی مهندسی ساخت و تولید. سال پنجم.شماره بیستم.شهریور 87
5. Michael Rees, (2009) "Rapid prototyping and art", Rapid Prototyping Journal, Vol. 5 Iss: 4, pp.154 – 167
6. Arnaud Bertsch, Paul Bernhard, Christian Vogt, Philippe Renaud, (2007) "Rapid prototyping of small size objects", Rapid Prototyping Journal, Vol. 6 Iss: 4, pp.259 – 266
7. Anna Kochan, (2003) "Rapid developments in rapid prototyping", Assembly Automation, Vol. 15 Iss: 4, pp.18 – 19
51
`
8. Rapid Prototyping: Principles and application. Chee Kai Chua. Kah Fai Leong. Chu Sing Lim_2003
9. http://www.cc.utah.edu/~asn8200/rapid.html
10. http://www.xpress3d.com/
52