صنعت کامپیوترسازی - پایگاه دانلود رایگان کتاب | دانلود کتاب

مروری بر نمونه سازی سریع
واژه (Rapid prototyping) RP به روشی اطلاق می شود که در آن از اطلاعات CAD، مدل فیزیکی ساخته می شود.
این پرینترهای ۳ بعدی به طراح اجازه می دهد تا به جای تصاویر دو بعدی، سریع تر به نمونه های محسوس طرحشان دسترسی داشته باشند. همچنین مدلهایی استفاده هایی متعدد می توانند داشته باشند: آنها به عنوان یک وسیله بصری عالی، باعث سهولت ارتباط بین همکاران و یا مشتری ها می شوند علاوه بر این از نمونه ها می توان برای تست طرح استفاده کرد. برای مثال یک مهندس هوافضا برای اندازه گیری نیروها در تونل باد نیاز به مدل دارد.
طـراح ها هـمیشه از مدل اسـتفاده می کنند. RP به آنها این امکان را می دهد که سریع تر و ارزان تر و دقیق تر نمونه را بسازند.
علاوه بر ساخت نمونه و روش های RP برای ساخت ابزار (Rapid tooling) و حتی ساخت قطعات (Rapid manufacturing) استفاده می شوند. برای تعداد کم و اشیاء پیچیده RP اغلب بهترین روش ساخت موجود است.
البته واژه سریع نسبی است، اکثر نمونه ها به زمان ساخت ۳ تا ۷۲ ساعت نیاز دارند، که بستگی به اندازه و پیچیدگی آنها دارد. این ممکن است کند به نظر برسد ولی در مقایسه با هفته یا ماه ها که در اکثر روش های دیگر از قبیل ماشینکاری برای ساخت نمونه صرف می شود، سریع تر می باشد. این کاهش زمان به سازنده اجازه می دهد که محصولات را سریع تر و ارزان تر به بازار ارائه کند.
حداقل شش تکنیک RP در دسترس است که هر کدام نقاط ضعف و قوت منحصر به فردی دارند، چون تکنولوژی RP، به صورت روزافزون در کاربردهایی به غیر از نمونه سازی استفاده می شود، از آن به عنوان Computer Automated manufacturing یا Layered Manufacturing  یا Solid Free-From Fabrication (S.F.F) یا Solid Free Form Manufacturing یاد می شود.
Layered Manufacturing: به طور خاص پروسه هایی را که در همه تکنیکها استفاده می شود، بیان می کند. توسط یک نرم افزار، مدل CAD به لایه های نازکی «حدود m 1/0» برش خورده و هر لایه بر روی لایه دیگری قرار می گیرد.
RP یک روش افزایشی (Additive) است، که لایه هایی از کاغذ، واکس یا پلاستیک را برای تولید یک قطعه جامد با هم ترکیب می کنند. این درست برخلاف روش های ماشینکاری قدیمی «تراشکاری، فرزکاری، سنگ زنی و …» است که روش های Subtractive هستند که در آنها برای درست کردن قطعه، موازد از یک بلوک برداشته می شوند.
طبیعت روش های افزودنی RP آن است که می توان با آنها اجسامی با سطوح داخلی پیچیده ساخت که نمی توان توسط هیچ روش دیگری تولید کرد.
البته RP روش کاملی نیست، حجم قطعه بسته به نوع ماشین RP به m3 125/0 یا کمتر محدود می شود. ساخت نمونه های فلزی مشکل است که تصور می شود این مشکل در آینده نزدیک برطرف می شود.
برای قطعات فلزی، تولید بالا یا قطعات ساده، تکنیکهای ساخت مرسوم معمولاً اقتصادی تر هستند. اگر از محدودیت های ذکر شده بالا بگذریم، باید گفت RP تکنولوژی است که در پروسه های ساخت انقلابی ایجاد کرده است.

۲- پروسه های پایه Basic Process
با وجود اینکه چندین روش RP وجود دارد ولی در تمامی آنها پنج مرحله زیر مشترک است:
۱-    ایجاد مدل CAD از طرح
۲-    تبدیل مدل CAD به فرمت STL
۳-    برش فایل STL به لایه های نازک
۴-    ساخت مدل به صورت لایه های روی یکدیگر
۵-    تمیز کردن و پرداخت مدل
۱-    ایجاد مدل CAD: ابتدا جسم توسط یک نرم افزار CAD مدل سازی می شود، مدل سازی های Solid از قبیل Pro Engineer نسبت به مدل سازی های Wire Frame از قبیل اتوکد، اشیاء سه بعدی دقیق تری مدل می کنند، که در نهایت به بهتر شدن نتایج مشخص می شود.
۲-    تبدیل به فرمت STL: نرم افزارهای CAD مختلف، از الکوریتم های متفاوتی برای ارائه جسم سه بعدی استفاده می کنند، برای ایجاد سازگاری، فرمت STL (استریولیتوگرافی، اولین روش RP) به عنوان فرمت استاندارد صنعت RP پذیرفته شده است. بنابراین گام بعدی تبدیل فایل CAD به فرمت STL می باشد، این فرمت سطح سه بعدی را به وسیله مجموعه ای از مثلث های صفحه  ارائه می کند. چون فایل های STL از المانهای صفحه ای استفاده می کنند، قادر نیستند سطوح منحنی را دقیقاً ارائه کنند، با افزایش تعداد مثلثها تقریب بهبود می یابد، ولی این کار منجر به افزایش حجم فایل می شود، فایل های بزرگ و پیچیده به زمان بیشتری برای پیش پردازش و ساخت نیاز دارند، در نتیجه طراح باید در تولید یک فایل STL بین دقت و مدیریت پذیری تعادل ایجاد کند. چون فرمت STL جهانی می باشد، این مرحله نیز در میان تمامی روش های RP مشترک است.
۳-    برش فایل STL:  در گام سوم، برنامه پیش پردازش فایل STL را برای ساخت آماده می کند، چندین برنامه موجود است که در هر کدام به استفاده کننده، اجازه داده می شود تا اندازه (size)، مکان (location) و جهت مدل (orientertion) را تنظیم کند. جهت دهی مدل به چند دلیل مهم است: اول آنکه خواص مدل در جهات مختلف، متفاوت است، به عنوان مثال نمونه ها معمولاً در جهت Z ضعیف تر و کم دقت تر می باشند، علاوه بر این، جهت دهی قطعه تا حدی زمان لازم برای ساخت مدل را مشخص می کند، قرار دادن ابعاد کوتاهتر در جهت Z منجر به کاهش تعداد لایه ها در این جهت می شود، که در نهایت باعث کاهش زمان ساخت می گردد.
بسته به تکنیک مورد استفاده، نرم افزارهای پیش پردازش مدل STL را به لایه هایی با ضخامت ۰۱/۰ تا ۷/۰ میلی متر برش می زنند. این برنامه ها ممکن است برای تولید یک سازه جایی به عنوان تکیه گاه مدل، در زمان تولید نیز در نظر بگیرند.
تکیه گاه ها برای قسمتهای ظریف و نازک شبیه به قسمتهای آویزان، حفره های داخلی و قسمتهایی که در آنها دیواره نازک است مفید می باشند. هر سازند ماشین RP نرم افزار پیش پردازش مخصوص به خود را ارائه می کند.
۴-    ساخت لایه به لایه: گاه چهارم، ساخت واقعی قطعه است. با استفاده از روش های RP، ماشین RP در هر بار یک لایه از پلیمر، کاغذ یا پود فلز را می سازد. اکثر ماشین ها خودگردان «اتومات» بوده و نیاز کمتری به مداخله انسان دارند.
۵-    تمیزکاری و پرداخت: گام نهایی است که شامل برداشتن نمونه از ماشین و جدا کردن هرگونه، تکیه گاه است، بعضی از مواد حساس به نور، باید قبل از استفاده پخته شوند، ممکن است نمونه به تمیز کردن جزئی و پرداخت سطح نیز، نیاز داشته باشند.
ماسه زنی «sanding» آب بندی و درزبندی (sealing) و یا رنگ کاری باعث می شود مدل دارای ظاهر و دوامی بهتر باشد.
۳- روش های RP:
اکثر ماشین های RP تجاری موجود از یکی از ۶ روش ذکر شده استفاده می کنند:
۱-    استریولیتوگرافی: استریولیتوگرافی به عنوان انقلاب RP به سال ۱۹۸۶ برمی گردد، در این روش با در معرض قرار دادن پلیمرهای مایع حساس به نور، در مقابل نور ماوراء بنفش، جسم جامد تشکیل می شود. همان طور که در شکل زیر ملاحظع می شود، مدل روی صفحه ای (Plat Form) که دقیقاً زیر سطح اپوکسی مایع یا رزین آکریلات (acrylate) موجود در ظرف مایع است، ساخته می شود. توسط لیزر کم قدرت باتمرکز بالا، لایه اول ترسیم می شود که باعث می شودسطح مقطع مدل تبدیل به جامد شود. در حالی که سطوح اضافی به صورت مایع باقی می ماند. سپس توسط یک آسانسور، صفحه به داخل مایع پایین می رود، سپس توسط یک جاروب کننده، لایه جامد شده، مجدداً پوشانده می شود و مجدداً لیزر لایه دوم را روی لایه اول تشکیل می دهد برای موقعیت دهی نور لیزر از دو آینه عمود بر هم استفاده می شود که توسط سرد کنترل و گالوانومتر تنظیم می شوند، این پروسه تا کامل شدن نمونه ادامه می یابد. پس از آن قطع جامد از وان برداشته شده و مایع اضافی آن شسته می شود، تکیه گاه ها از مدل جدا شده و مدل در اجاق ماوراء بنفش قرار می گیرد تا پخت کامل شود.
ماشین های استرلیتوگرافی (SLA) از سال ۱۹۸۸ توسط کمپانی ۳D-System ساخته شده اند و این کمپانی به عنوان رهبر این صنعت بوده و بیشتر از هر کمپانی دیگری از این نوع دستگاه ها ساخته است. نمونه های اولیه استریولیتوگرافی شکننده بودند و در اثر پخت تمایل به پیچش و اعوجاج داشتند ولی اصلاحات اخیر تا حد زیادی این مشکل را برطرف کرده است.
مزایای این روش:
۱-    پایداری سیستم، پروسه به صورت اتوماتیک انجام شده و نیاز به دخالت اپراتور نمی باشد.
۲-    دقت ابعادی خوب ۱/۰ + میلی متر
۳-    صافی سطح خوب: البته در روی دیواره های جانبی و سطوح منحنی، آثار پله را می توان مشاهده کرد، ولی سطح روی قطعه دارای صافی سطح خیلی خوبی است.
۴-    دارای پردازش بالا بوده و قادر به ساخت قطعاتی با پیچیدگی بالا است.
۵-    شرکت ۳D-System نرم افزاری به نام (Quick cast) برای ساخت قطعات توخالی ارائه کرده است که می توان از آن مستقیماً به عنوان الگو در روش ریخته گری مومی استفاده کرد.
۶-    این روش بیشتر از سایر روش ها استفاده شده است و جا افتاده تر است.
معایب این روش:
۱-    پیچش و تابیدگی قطعه: گاهی اوقات رزین آب جذب می کند که منجر به پیچش و تابیدگی می شود، خصوصاً در نقاط نسبتاً نازک
۲-    هزینه نسبتاً بالا دستگاه: ۲۰۰ تا ۵۰۰ هزار دلار آمریکا، ولی پیش بینی می شود که این قیمت با کاربرد بیشتر روش کاهش یابد.
۳-    رنج محدود مواد قابل استفاده: تنها از رزین های قابل پخت با نور می توان استفاده کرد.
۴-    مرحله پخت بعد از ساخت: در اکثر موارد قطعه داخل وان پخته نمی شود و معمولاً یک مرحله پخت بعد از ساخت نیاز دارد.
۵-    هزینه نگهداری و ساخت بالا: رزین و تفنگ لیزر خیلی گران است. سنسورهای نوری باید مرتب تنظیم شوند که نسبتاً گران است. «یک گالن متوپلیمر ۳۰۰ تا ۵۵۰ دلار است بستهب ه نوع دستگاه به ۷۸ تا ۶۷ گالن نیاز است که کل آن به ۲۳۴۰ تا ۲۷۳۰ دلار برای هر بار پر کردن مخزن پلیمر می شود. همچنین هزینه جایگزین تفنگ لیزر ۹۲۰۰ تا ۲۵۰۰۰ دلار آمریکا است».
۶-    در اکثر رزین های مایع از آکرلیک استفاده شده است که باعث سوزش چشم یا اثرات کمی دیگر می شود، بعضی از این رزین ها ممکن است سرطانزا باشند.
۷-    نیاز به تکیه گاه های متفاوت
کاربردها:
۱-    ساخت مدل های مفهومی
۲-    تست مونتاژ و تداخل وبرنامه ریزی پروسه
۳-    به عنوان مدل در ریخته گری مومی

۲- ساخت اشیاء لایه به لایه         Laminated object Manufacture
در این روش که توسط کمپانی Helisys توسعه یافته است، مواد به صورت ورقه هایی با پوشش چسبنده به صورت لایه به لیه به یکدیگر چسبیده و نمونه در نهایت تشکیل می شود. مواد اولیه شامل کاغذی است که با چسب آغشته شده و روی قرقره هایی پیچیده شده است، چسب مذکور در اثر حرارت فعال می شود. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک مکانیزم تغذیه کننده/ جمع کننده «Collecter/Feeder» ورقه را روی صفحه یا PlatForm می گسترانند، در حالی که پایه از کاغذ ساخته شده است و دو طرف آن نوار فوم قرار دارد سپس یک غلطک گرم با اعمال فشار کاغذ را به پایه می چسباند. خطوط مرزی لایه اول در کاغذ توسط لیزر بریده می شود. «از لیزر CO2 استفاده می شود» و سپس سطح اضافی توسط لیزر هاشور زده می شود «فضای منفی نمونه». هاشور باعث شکستن مواد اضافی می شود که باعث ساده تر شدن ماده در طی مرحله پس از ساخت می شود. در طی ساخت، مواد اضافی به عنوان تکیه گاه قسمتهای آویزان و دیواره های نازک عمل می کنند. پس از اینکه اولین لایه بریده شد، صفحه پایه به سمت پایین حرکت و مواد تازه به کار می رود. مجدداً صفحه پایه به کمی پایین تر از ارتفاع قبلی بالا می رود و غلطک گرم، لایه دوم را به لایه اول می پسباند و سپس لیزر لایه دوم را به لایه اول می پسباند، این مراحل تا کامل شدن قطعه ادامه می یابد و در نهایت قطعه دارای بافتی شبیه چوب می شود. چون مدل از کاغذ ساخته شده است باید آببندی شود و رنگ زده شود.
کمپانی Helisys ورقه هایی از جنس پلاستیک، کاغذ پس زننده آب، سرامیک و پودر فلز را نیز مورد استفاد ه قرار می دهد. قطعه تولید شده توسط نوارهای پودر فلز برای استحکام بیشتر باید پخته شود.
مزایای این روش:
۱- سرعت نسبتاً بالایی دارد، چونکه لیزر تنها مرز قطعه را اسکن می کند و لازم نیست که کل سطح مقطع را اسکن کند.
۲- قطعه پس از ساخت بلافاصله قابل استفاده بوده و نیاز به پخت پس از ساخت ندارد.
۳- نیاز به تکیه گاه نبوده و مواد لایه های قبل به عنوان تکیه گاه استفاده می شوند.
۴- به سادگی مورد استفاده قرار می گیرد.
معایب این روش:
۱- گرچه موادی از قبیل کاغذ، پلاستیک، سرامیک و کامپوزیت ها توانایی استفاده در این روش را دارند ولی در حال حاضر بیشتر از کاغذ استفاده می شود و سایر مواد در مرحله توسعه می باشند.
۲- قطعات ساخته شده به سرعت رطوبت را جذب می کنند، در نتیجه بلافاصله پس از ساخت باید به اپوکسی مخصوص مثلاً Lompoxy آغشته شوند.
۳- گرچه غیرممکن نیست، ولی برداشتن مواد اضافی «فضای منفی نمونه» از داخل خیلی مشکل است و در نتیجه برای ساخت قطعات تو رفته و مقعر استفاده نمی شود.
۴- وقتی محفظه خیلی گرم باشد، خطر آتش سوزی وجود دارد.
۳- سینتر انتخابی توسط لیزر         Selective Laser Sintering (SLS)
این روش توسط کارل دیکارد در دانشگاه تگزاس در سال ۱۹۸۹ ارائه شد و سپس توسط شرکت DTM گسترش یافت.
در این روش که در شکل نمایش داده شده است ذرات پودر از قبیل نایلون، الاستومر و یا فلز به صورت انتخابی توسط لیزر در یکدیگر نفوذ کرده و جسم جامد را ایجاد می کنند. قطعات بر روی صفحه پایه ای ساخته می شوند که دقیقاً زیر پودر قابل نفوذ با حرارت می باشد. لیزر الگوی لایه اول را دنبال می کند و باعث زینتر این لایه می شود. سپس صفحه به اندازه ارتفاع لایه بعدی به پایین آمده و پودر مجدداً شارژ می شود. این پروسه تا کامل شدن قطعه ادامه پیدا می کند. پودر اضافی هر لایه در زمان ساخت به عنوان تکیه گاه عمل می کند.
ماشین های SLS توسط شرکتهای TX, Austin, DTM تولید می شوند

شرایط محفظه فرآیندب ه دقت کنترل می شود، دمای این محفظه همواره باید زیر نقطه ذوب باشد، برای جلوگیری از اکسیداسیون پودرها در دمای بالا، محفظه پر از نیتروژن است. لیزر دمای ذرات پودر را تا زیر نقطه ذوب بالا می برد و در نتیجه ذرات پودر در هم نفوذ می کنند.
مزایای این روش:
۱-    تولید قطعات محکم تر نسبت به سایر روش ها
۲-    رنج متنوع تر مواد مورد استفاده شامل: پلاستیک، واکس و فلز و سرامیک و …
۳-    قطعات در زمان کوتاهی (معمولاً با سرعت بیش از ۱ اینچ در ساعت) ساخته می شوند.
۴-    به مرحله پخت پس از ساخت نیاز نیست.
۵-    به تکیه گاه نیاز نیست.
معایب این روش:
۱-    پودر باید قبل از پروسه ساخت به دمای زیر نقطه ذوب برسد که حدود ۲ ساعت طول می کشد. پس از ساخت قطعه باید حدود ۵ تا ۱۰ ساعت قبل از برداشتن قطعه برای سرد شدن آن صبر کرد.
۲-    صافی سطح قطعه به اندازه پودر و نقطه لیزر محدود شده است که باعث متخلخل شدن سطح می گردد، تنها به وسیله مراحل پس از ساخت می توان به سطحی صاف دست یافت.
۳-    محیط پروسه باید همواره پر از نیتروژن باشد تا عمل زینتر به خوبی انجام شود که هزینه عملیات را افزایش می دهد.
۴-    گازهای سمی ایجاد می شود که در محیط منتشر می شود.
۵-    استفاده از مواد مختلف، احتیاج به پروانه های جداگانه دارد.