باز کردن منو اصلی
یک دستگاه نمونه سازی سریع که از روش پخت لیرزی انتخابی(SLS) استفاده می‌کند

نمونه‌سازی سریع (به انگلیسی: Rapid prototyping) مجموعه‌ای از تکنیک‌های ساخت سریع نمونه اولیه یک مدل سه-بعدی ساخته شده توسط CAD یا طرح رایانه ای می‌باشد.[۱] ساخت این قطعه معمولاً توسط پرینترهای سه بعدی یا «فرایند ساخت افزودنی» انجام می‌شود.

برای آن که بتوان در سطح جهانی قابلیت رقابت داشت، کمپانی‌ها بطور ممتد تحت فشار برای ارائه محصولات و فرایندهای جدید به بازار مصرف در زمان کوتاه‌تر و در عین حال با کیفیت و عملکرد بالاتر هستند. آنچه که از اهمیت ویژه ای برخوردار است، اطمینان از انطباق دقیق قطعات برای تولید یک محصول جدید و حصول مشخصه‌های اولیه آن در کوتاه‌ترین زمان ممکن می‌باشد. این انتظارات با بکارگیری روش‌های سنتی که در طی سال‌ها، حداکثر توان خود را نشان داده‌اند، امکان‌پذیر نیست و مستلزم به خدمت گرفتن فناوری‌های پیشرفته ساخت جهت افزایش قابلیت، کیفیت و سرعت است. یکی از این فناوری‌ها نمونه سازی سریع یا "Rapid Prototyping" می‌باشد.

اولین تکنیک برای نمونه‌سازی سریع در اواخر دههٔ ۱۹۸۰ در دسترس قرار گرفت و در تولید مدل‌ها و قطعات نمونه از آن استفاده شد.

محتویات

انواع روش‌های نمونه سازی سریعویرایش

۱- استریولیتوگرافی (SLA)ویرایش

 
مدل استریولیتوگرافیکی جمجمه انسان

این روش از اولین روشهای نمونه سازی است. در این سیستم، ساخت از پایین‌ترین لایه مدل آغاز می‌گردد. در این روش لایه‌ها از تابش اشعه (گاما) بر روی سطحی از رزین مایع حساس به نور تشکیل می‌شوند. پس از ساخت لایه اول، پلتفرم به اندازه ضخامت لایه پایین می‌رود و تیغه پوشش دهنده سطح مایع را هماهنگ و ضخامت آن را به‌طور یکسان تنظیم می‌کند. با تابش اشعه لیزر به رزین مایع لایه دوم نیز جامد شده و به لایه اول متصل می‌شود. بقیه لایه‌ها نیز به همین ترتیب ایجاد می‌شود تا قطعه تکمیل گردد. پس از اتمام ساخت قطعه با دقت از روی پلتفرم برداشته شده و رزین مایع روی سطح آن توسط یک حلال مناسب شسته می‌شود. پس از این کار عملیات پخت نهایی (جامد سازی) در یک کوره روی مدل یا قطعه انجام می‌شود. موادی که در این روش برای ساخت مدل‌ها به کار می‌روند، دامنه وسیعی از پلیمرهای حساس به نور از قبیل پلیمرهای شفاف، ضدآب و رزین‌های نرم می‌باشند.

مزایاویرایش

  • این فرایند بالاترین کیفیت سطح را برای ما به وجود می‌آورد.
  • سرویس دهی خوب به کاربر
  • دارای حجم‌های ساخت متفاوت است
  • دقت بالا
  • دامنه وسیع مواد

معایبویرایش

  • نیاز به پخت نهایی برای جامد شدن کامل
  • نیاز به پردازش مثل جدا کردن تکیه گاه و مواد زائد از قطعه
  • نیاز به تکیه گاه

کاربردهاویرایش

  • ساخت مدل و نمونه برای ارزیابی، طراحی و آنالیز
  • تولید قطعات برای ساخت قالب و قالب سازی با تیراژ پایین
  • ساخت الگو برای ریخته‌گری دقیق و ماسه ای

۲- پخت لیرزی انتخابی (SLS)ویرایش

 
فرایند پخت لیرزی انتخابی | ۱-لیرز ۲-سیستم اسکنر ۳-سیستم پخش پودر۴-پیستون توزیع پودر ۵-رولر یا غلتک ۶-پیستون ساخت ۷-بالشتک پودر ساخت ۸- قطعه در حال ساخت

در این فرایند ذرات پودر متناظر با مقطع قطعه به وسیله پرتوهای لیزر در محل ذوب شده و مطابق با طرح روی سطح به هم جوش می‌خورند و مواد مذاب جامد شده یک لایه جامد را تشکیل می‌دهد. سیلندر حاوی قطعه مطابق با طرح پایین می‌آید و پودر برای لایه بعدی توسط حرکت غلتک روی سطح کار قرار می‌گیرد و دوباره عملیات قبل انجام می‌شود و این کار ادامه می‌یابد تا قطعه تکمیل شود.

مزایاویرایش

  • سریع بودن بودن این روش
  • دقت بالا
  • کیفیت مناسب این قطعات

معایبویرایش

  • کم بودن تیتراژ

کاربردهاویرایش

  • مدل‌های تجسمی
  • قطعات کاربردی
  • ریخته‌گری دقیق و قالب‌های فلزی برای تیراژ پایین

۳- تولید شئ لایه‌ای (LOM)ویرایش

در این روش یک پرتوی لیزر (مثل برش چاقو) برای بریدن طرحی که روی هر یک از لایه‌ها در نظر گرفته شده‌است استفاده می‌شود. پس از برش یک لایه پلتفرم کمی پایین می‌آید و غلتک کاغذ حرکت می‌کند و لایه جدیدی برای ما آماده می‌کند و مجدد پلتفرم بالا می‌رود تا با سطح لایه بعد مماس شود و به همین ترتیب این عملیات تا پایان یافتن قطعه ادامه می‌یابد.

مزایاویرایش

  • گستره وسیع مواد مثل کاغذ، پلاستیک‌ها، فلزات، کامپوزیت‌ها و سرامیک‌ها
  • زمان سریع ساخت بنابراین برای قطعات بزرگ مناسب است.
  • نیاز به تکیه گاه ندارد.
  • قطعه ساخته شده عاری از هرگونه تنش و دیگر تغییر شکل‌ها است؛ بنابراین به پخت نهایی نیاز ندارد.

معایبویرایش

  • برای تنظیم دقیق دستگاه به اپراتور ماهر نیاز است.
  • یکپارچگی نمونه توسط چسب و حرارت
  • جدا کردن مواد اضافی وقت گیر است.

کاربردهاویرایش

  • ساخت مدل برای آنالیز، تست و آزمایش
  • ساخت مدل‌های دقیق به عنوان الگو یا قالب برای انواع ریخته‌گری‌ها
  • قالب سازی سریع

۴- ساخت به کمک رشته ذوب شونده (FDM)ویرایش

 
ساخت به کمک رشته ذوب شونده | ۱- رشته یا فیلامنت ۲- کِشنده رشته یا اکسترودر ۳- نازل داغ شده ۴- قطعه پرینت شده ۵- صفحه نگهدارنده قطعه

این روش شبیه فرایند اکستروژن است. در این فرایند رشته قابل ارتجاع (از مواد ترموپلاست) گداخته شده از داخل نازل گرم شده بیرون می‌آید و روی قطعه به صورت طرحی که به آن داده شده به صورت لایه لایه می‌نشیند و این لایه‌ها ادامه پیدا می‌کنند تا قطعه مورد نظر ساخته شود.

مزایاویرایش

  • حداقل اتلاف مواد
  • راحتی تغییر مواد
  • جدا شدن راحت تکیه گاه از قطعه
  • ساخت قطعات عملکردی
  • ساده بودن عملکرد

معایبویرایش

  • دقت محدود در مقایسه با روش SLA
  • غیرقابل پیش‌بینی بودن انقباض

۵- 3DPویرایش

این روش در آمریکا بنیان نهاده شد. این روش شبیه چاپ جت جوهر است با این تفاوت که به جای جوهر از چسب مایع استفاده می‌شود. در این روش یک لایه پودر با ضخامت کنترل شده روی سطح پلتفرم پخش می‌شود. از طریق سر چاپگر (نازل) و متناظر با اولین مقطع قطعه روی پودر چسب پخش می‌شود بنابراین لایه اول ساخته می‌شود. پلتفرم به اندازه ضخامت یک لایه پایین رفته و پودر لایه بعد ریخته می‌شود. متناظر با مقطع بعدی روی لایه جدید چسب ریزی می‌شود و به لایه قبلی متصل می‌گردد و به همین ترتیب ادامه می‌یابد تا قطعه کامل شود.

مزایاویرایش

  • سرعت زیاد
  • کاربرد چند گانه
  • سادگی کار یعنی به اپراتور ماهر نیاز ندارد.
  • عدم اتلاف مواد اولیه
  • ساخت قطعات رنگی

معایبویرایش

  • محدودیت در استحکام
  • صافی سطح نامناسب


6- پرینت سه بعدی فلزیویرایش

EBM:

روش EBM برای اولین بار در سال 1997 توسط شرکت سوئدی Arcam به منظور تولید قطعات فلزی ایجاد گردید. این دستگاه‌ها شامل اجزایی از قبیل تفنگ الکترونی با سیستم اسکن، محفظه خلاء با مخزن ساخت و نگه‌دارنده و تنظیم‌کننده پودر، پمپهای خلاء مانیتور، تجهیزات خطی، واحد ولتاژ بالا، سیستم کنترل الکترونیکی و واحد کنترل می‌باشد. اساس کار فرایند EBM شبیه فرایند SLS است با این تفاوت که در اینجا ذرات پودر به جای لیزر در معرض پرتو الکترونی قرار می‌گیرند و در عین حال ذرات پودر به جای سینتر، ذوب می‌شوند. در این سیستم پس از طی فرایند آماده‌سازی اطلاعات، یک لایه‌ی نازک از پودر فلز، معمولاً پودر فولاد ابزار H13، بر روی صفحه‌ی ساخت گسترده می‌شود. سپس یک تفنگ الکترونی نقاط مورد نظر را صلب می‌نماید و این چرخه تا پایان ساخت قطعه تکرار می‌گردد. در این روش برای اتصال ذرات پودر از ذوب آنها استفاده می‌شود. پس از برخورد الکترون‌های پرانرژی به ذرات پودر، انرژی جنبشی بسیار بالای آنها به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود و این انرژی سبب ذوب ذرات پودر و اتصال آنها در نقاط مورد نظر می‌گردد.[۲]

الکترون‌ها از یک رشته فلزی که بیش از 2500 درجه سانتیگراد گرم گردیده است خارج می‌گردند و سرعت آنها تا حدود نصف سرعت نور افزایش می‌یابد. سپس پرتو الکترون توسط یک میدان مغناطیسی متمرکز می‌شود و به سطح مورد نظر برخورد می‌نماید. به دلیل پرتوان بودن و انرژی بالای پرتو الکترونی در این دستگاه ها، از این فرایند می‌توان در ساخت قالب یا قطعات تیراژ پایین استفاده کرد.

DED:

روشهای DED قطعات را با ذوب پودر همزمان با توزیع آن می‌سازد. این تکنولوژی معمولاً با پودر فلزات یا مفتول فلز کار می‌کند. تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی DED به طور انحصاری در ساخت افزودنی فلز به کار می‌روند. طبیعت فرایند ساخت این تکنولوژی‌ها آنها را به یک‌تکنولوژی ایده‌آل برای کاربردهای تعمیر یا افزودن مواد به قطعات ساخته شده (مانند توربین ها) تبدیل کرده است. وابستگی این تکنولوژی پرینت سه بعدی به سازه‌های ساپورت متراکم باعث می‌شود DED برای ساخت قطعات از صفر مناسب نباشد. در این فناوری از هد لیزر و پرتو الکترونی برای تامین انرژی لازم استفاده می‌شود.[۳]

LENS محصول شرکت Optomec می باشد. این فرایند شامل ذوب و یکپارچه کردن پودر فلزات با استفاده از یک لیزر پرقدرت Nd:YAG و تولید یا تعمیر قطعات فلزی با هندسه پیچیده و بصورت کاملاً یکپارچه و چگال می‌باشد. امروزه به این روش می‌توان قطعاتی از جنس فولاد زنگ نزن 316 و 304، سوپر‌آلیاژهای پایه نیکل مثل اینکونل 625، 690، 718، فولاد ابزاری HB، تنگستن، آلیاژ تیتانیم Ti-6Al-4V، آلومینید نیکل، آلومینیوم و مس برای کاربردهای مختلف از جمله ملحقات قالبها، ایمپلنتهای بیولوژیکی و ... را تولید و یا بازسازی نمود[۴]

مبانی فرایند :

1- لیزر با توان بسیار بالا روی نقطه‌ای از لایه شکل گرفته قبلی، متمرکز شده و حوضچه مذابی در آن نقطه ایجاد می‌کند. همزمان پودر فلز به این حوضچه مذاب پاشیده شده و حجم مواد در آن نقطه افزایش می‌یابد. پودر فلز از اطراف هد دستگاه و پرتو لیزر از مرکز آن به صورت همزمان وارد موضع پرینت می‌شوند.

2- یک سیستم حرکتی همزمان با تابش لیزر و پاشش پودر، میز دستگاه را در جهت طولی و عرضی، متناظر با سطح مقطعی از قطعه حرکت می‌دهد تا سطح مقطع توسط لیزر ایجاد شود. بعد از شکل‌گیری یک لایه، نازل انتقال پودر به منظور ساخت لایه بعدی به بالا می‌رود.

مراحل ساخت :

1- یک هد که وظیفه انتقال پودر فلز و هدایت لیزر را بر عهده دارد، پودر فلز را به نقطه تمرکز یک پرتو لیزر پرتوان تغذیه می‌کند تا پودر فلز کاملاً ذوب شود. این لیزر به وسیله فیبر نوری یا با استفاده از آینه‌های بازتابنده دقیق به محل مورد نظر هدایت می‌گردد. مطابق شکل زیر در ساختمان هد دستگاه، راهگاه‌های انتقال پودر در اطراف و سیستم هدایت لیزر در مرکز قرار دارند.

2- پرتو لیزر با استفاده از مجموعه‌ای از عدسی‌ها در نقطه خاصی متمرکز و ثابت شده و سیستم محرک تعبیه شده در دستگاه، پلتفرم را به صورت طولی و عرضی حرکت می‌دهد. به این ترتیب هر لایه با ایجاد سطح مقطع توسط لیزر شکل می‌گیرد. همزمان با فرایند تابش لیزری و پاشش پودر، گاز آرگون به محل تابش پرتو لیزر تزریق می‌گردد تا از تاثیرات منفی اکسیژن موجود در هوا بر روی کیفیت اتصال ذرات و یکپارچگی قطعه جلوگیری شود.

3- بعد از اتمام یک لایه هد به بالا حرکت کرده و کار ایجاد لایه بعد را ادامه می‌دهد. فرایند به صورت لایه‌به‌لایه تا شکل‌گیری قطعه نهایی ادامه می‌یابد. کل فرایند در محیطی عایق نسبت به محیط اطراف انجام می‌گیرد. قطعات تولید شده به این روش معمولاً نیاز به پرداخت نهایی دارند اما از چگالی خوبی برخوردار بوده و ساختار دانه‌بندی مناسبی دارند.

مزایا :

1- مشخصات فیزیکی عالی : فرایند LENS قادر به تولید قطعات فلزی کاملاً متراکم می‌باشد. قطعات تولید‌شده به این روش دارای سازه‌های درونی و ویژگی‌های مادی بسیار خوب و خواص میکروسکوپی مناسبی می‌باشند.

2- تولید اشکال پیچیده : قابلیت برجسته این فرایند تولید قطعات فلزی کاربردی با هندسه پیچیده است.

3- نیاز به پس‌پردازش ناچیز : نیاز به عملیات تکمیلی (مانند حذف تکیه‌گاه‌ها) در کمترین حد ممکن است و به همین دلیل زمان تولید کاهش می‌یابد.

معایب :

1- محدودیت در مواد اولیه : در حال حاضر این روشظ تنها برای ساخت قطعات فلزی کاربرد دارد.

2- ابعاد بزرگ دستگاه

3- مصرف انرژی بالا : سیستم لیزر این فرایند توان مصرفی بالایی دارد.

4- صافی سطح نامناسب

5- عدم کارایی در ساخت قطعات کوچک

کاربردها :

1- تولید و تعمیر انواع قطعات کاربردی در صنایع هوافضا، انولع قالبها و قطعات جانبی آنها

2- ساخت قطعاتی از جنس تیتانیم به منظور کاربرد در صنایع مختلف مانند : ایمپلنتهای تیتانیمی برای کاربردهای پزشکی، خودروسازی و ...

3- امکان ایجاد سازه‌های پیچیده و کاربردی

این فرایند با بهره گرفتن از سیستم‌های حرکتی 5 محوره برای هد دستگاه قادر است تا قطعات با پیچیدگی هندسی بسیار بالاتر را نیز به سادگی تولید کند.

EBAM به دسته فناوری‌های اشعه‌ای با رسوب نشانی مستقیم DED تعلق داشته و تا حدودی مشابه دستگاه های LENS می‌باشند. از شرکت‌های متخصص در ساخت این دستگاه‌ها می‌توان شرکت Sciaky  را نام برد. تکنولوژی پرینت سه بعدی EBAM برای ساخت قطعات فلزی با استفاده از پودر یا سیم فلزی به کار می‌رود، این مواد  با استفاده از پرتوی الکترونی به عنوان  منبع حرارتی به یکدیگر جوش داده می‌شوند. این پرینتر سه‌بعدی در شرایط خلاء کار می‌کند و برای استفاده در فضا طراحی شده است. EBAM پروسه‌ای مشابه پرینتر سه‌بعدی LENS دارد با این تفاوت که مصرف انرژی آن بهینه‌تر است. در این سیستم‌ها اشعه به کاررفته در هد به جای لیزر پرتو الکترونی بسیار قوی و پرانرژی می‌باشد. همچنین سیستم تغذیه این دستگاه‌ها معمولا از سیم فلزات ( ویا پودر) به عنوان ماده مصرفی استفاده می‌کند که عموماً سیم فلز نسبت به پودر فلزات ارزان‌تر و دردسترس‌تر هستند[۵]

1- هد دستگاه متشکل از یک سیستم تشعشع مرکزی پرتو الکترونی خیلی قوی و یک سیستم تغذیه سیم از اطراف و به صورت همزمان به موضع پرینت است. با ورود همزمان این دو عامل به محل مورد نظر، با ذوب کامل سیم توسط پرتو الکترونی پر انرژی عمل رسوب‌نشانی و تشکیل آن نقطعه از قطعه اتفاق می‌افتد.

2- با حرکت نسبی میز و هد دستگاه در راستاهای X،YوZ با پیروی از فرمان‌های نرم‌افزار اسلایسر، به تدریج کل هندسه قطعه تشکیل می‌شود.

مزایا :

1- ارزان‌تر و قابل دسترسی‌تر بودن سیم فلز به نسبت پودر آن

2- پرانرژی‌تر بودن توان اشعه و امکان به دست آمدن قطعه‌ای چگال‌تر و مستحکم‌تر به دلیل ذوب خیلی خوب موضع

3- سرعت مناسب فناوری

4- کاربردهای بسیار وسیع فرایند به دلیل نوع مکانیزم اعمالی آن (استفاده از منبع انرژی و سیستم تغذیه یک جا و در یک هد کوچک) و امکان استفاده در موارد تعمیر موضعی تجهیزات آسیب دیده

5- امکان تولید اکثر مواد فلزی

6- مصرف انرژی خیلی کمتر نسبت به LENS

معایب :

1- گران بودن این گونه سیستم‌ها ( گران ترین روش ها)

2- فقط در محیط خلا قابل اجرا است..

کاربردها :

ساخت و تعمیر قطعات پیچیده، چگال و با خواص مکانیکی بالا مانند پره توربین‌ها و ...

مواد مصرفی :

به طور کلی طیف وسیعی از پودر فلزات را با توجه به توان بالای لیزر در پرینت سه بعدی فلز می توان مورد فراوری قرار دا به طوریکه انواع آلیاژها، سوپر آلیاژها، کامپوزیتها و مواد FGM قابل تولید هستند. پارامترهای مهم در انتخاب پودر مناسب عبارتند از: کروی بودن، سیالیت مناسب، توزیع اندازه، ترکیب شیمیایی[۶]

 
پودر مورد استفاده در پرینت فلز




 
پودر آلومینیوم کروی







جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. «Rapid Prototyping: An Overview». www.efunda.com. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۶-۰۳.
  2. «Arcam».
  3. [www.3dhubs.com «3DHubs»] مقدار |نشانی= را بررسی کنید (کمک).
  4. [/www.optomec.com «Optomec»] مقدار |نشانی= را بررسی کنید (کمک).
  5. [www.sciaky.com «Sciaky»] مقدار |نشانی= را بررسی کنید (کمک).
  6. «AM Powder».