بررسی روشهای نمونه سازی سریع

بررسی روشهای نمونه سازی سریع – بخش اول

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

& Manufacturing ) RP&M (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

2-1- 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
۲-۱-۱- 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.

۲-۱-۲- 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.
۲-۱-۳- 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.
۲-۱-۴- 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.
۲-۱-۵- 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 باشد
مختصات 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.