نمونه سازی ، ساخت نمونه و مدل سازی سریع Rapid Prototyping

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 مهم ترین قدم در این راه است.

مدل سازی , قطعه سازی , ساخت نمونه و در حقیقت 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 تست های 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 مقیاس های مختلف با هرگونه پیچیدگی و طرافت به صورت 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 استخوان های شکسته، ساخت پروتزها و ایمپلنت های 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 یا Stereo Lithography Apparatus
• SLS یا Selective Laser Sintering
• FDM  یا Fused Deposition Modelin
• PolyJet یا Polymer Jet Printing
• ThermoJet
• 3DP یا 3Dimensional Printing
• LOM یا Laminated Object Manufacturing

مدل سازی سریع به روش SLA:
1- تابش باریکه لیزر روی سطح رزین مایع (فوتو پلیمر)
2- پلیمریزاسیون نوری رزین و جامد شدن لایه
3- چسبیدن لایه ها به یکدیگر به دلیل خاصیت خود چسبندگی مواد
4- ساخت ساپورت مشبک هم زمان از همان ماده

روش sla

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:
1- پهن شدن یک لایه پودر ترموپلاستیک
2- پیش گرم پودر توسط هیتر تا دمای زیر سینتر شدن
3- تابش باریکه لیزر روی سطح پودر گرم و اعمال توان حرارتی
4- جوش سطحی ذرات پودر (سینتر شدن)
5- 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 FDM:
1- تغذیه فیلامنت پلاستیکی به یک نازل
2- گرم شدن نازل و ذوب مواد
3- حرکت نازل در صفحه XY
4- خروج مذاب پلاستیک از نازل
5- سرد شدن مواد و تشکیل لایه
6- ساخت هم زمان ساپورت متراکم

مزایای FDM:
- استفاده از مواد ABS، پلی کربنات، موم
- استفاده به عنوان 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:
1- خروج رزین فوتوپلیمر از هد دستگاه
2- تابش هم زمان نور UV توسط لامپ
3- جامد شدن رزین و تشکیل لایه
4- ساخت هم زمان 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:
1- خروج موم مذاب از هد دستگاه
2- سرد شدن موم و تشکیل لایه
3- فرز کاری سطح لایه برای رسیدن به ضخامت لایه مورد نظر
4- ساخت هم زمان 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 3DP:
1- پهن شدن یک لایه گچ روی سطح
2- پرینت شدن چسب روی گچ
3- چسبیدن ذرات گچ و تشکیل لایه

مزایای 3DP:
- عدم نیاز به ساپورت
- امکان استفاده از مواد رنگی هم زمان
- سرعت ساخت بالا  (5 تا 10 برابر سایر روش ها)
- هزینه پایین خدمات (25% هزینه سایر روش ها)
- بازیافت مواد استفاده نشده

معایب 3DP:
- استحکام ضعیف قطعات
- صافی سطح ضعیف
- دقت متوسط
- ابعاد کوچک ساخت

مدل سازی سریع به روش LOM:
1- لایه گذاری کاغذ چسب دار
2- حرکت غلطک داغ روی کاغذ
3- فعال شدن چسب حرارتی و چسبیدن لایه کاغذ
4- برش مرز های مقطع مربوطه در صفحه XY
5- برش قسمت های اضافی کاغذ به صورت مربعی

مزایای LOM:
- ظاهر شبه چوب
- قابلیت کار با مدل مشابه مدل های 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: طراحی صنعتی ایرانی

برگرفته از سمینار “کارگاه نمونه سازی سریع”، ارائه شده توسط مهندس رضا معینی در دانشگاه علم و صنعت ایران