فرآیند SLA

 

فرایند SLA بر پایه دو اصل زیر توسعه یافته است :

۱- قطعات از رزین مایع حساس به نور ساخته می شوند. رزین مایع در اثر تابش پرتو لیزر که سطح رزین را اسکن می کند، جامد می گردد.

۲- ساخت به صورت لایه به لایه انجام می گیرد. هر لایه توسط سیستم اسکن اپتیکی، اسکن شده و بعد از شکل گیری توسط یک مکانیزم بالابر، به سمت پایین می رود..

انواع بسیار زیادی فتوپلیمر مایع وجود دارد که در اثر تابش تشعشع الکترومغناطیس با طول موجهای اشعه گاما، UV، X مرئی یا پرتو الکترونی جامد می شوند. درصد زیادی از فتوپلیمرهای مورد استفاده در سیستمهای RP تجاری، از جمله دستگاههای SLA ، قابل جداسازی در دامنه UV می باشند.

موادی که در استریولیتوگرافی برای ساخت مدلها کاربرد دارند شامل دامنه وسیعی از پلیمرهای حساس به نور از قبیل پلیمرهای شفاف ، ضد آب و رزینهای نرم می باشند.

از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- دستگاه SLA قادر است به طور شبانه روزی و پوسته تا اتمام ساخت یک مدل کار کند.

۲- دستگاههای SLA مختلف دارای حجم های ساخت متفاوت می باشند که برای کاربردهای مختلف متناسب هستند.

۳-SLA دارای دقت خوبی است واز آن می توان در کاربردهای بسیاری استفاده نمود.

۴- SLA از بهترین سیستمها در زمینه ارائه صافی سطح بالا می باشد.

۵-دامنه وسیعی از مواد شامل مواد معمولی تا مواد خاص برای کاربردهای خاص وجود دارد.

کاربردها:

تکنولوژی SLA سازندگان را قادر ساخته زمان هدایت ساخت و هزینه های توسعه محصول را کاهش داده و در عین داشتن کنترل بیشتر بر فرایند طراحی، طراحی محصول را بهبود بخشند.

کاربردهای استریولیتوگرافی عبارتند از:

۱- ساخت مدلهای تجسمی و نمایشی

۲- ساخت نمونه برای ارزیابی طراحی، آنالیز، تائید و تست عملکردی

۳- تولید قطعات برای ساخت نمونه قالب و قالب سازی سریع با تیراژ پایین

۴- ساخت الگو برای ریخته گری دقیق، قالبگیری و ریخته گری ماسه ای

فرآیند SLS :

در این فرایند ، ذرات پودر متناظر با مقاطع قطعه، توسط پرتو لیزر Co2 به هم جوش داده شده و لایه های متوالی را ایجاد می کنند.فرایند ساخت در SLS شبیه SLA می باشد با این تفاوت که در این روش ذرات پودری با جنسهای مختلف از قبیل پلیمرهای سخت و نرم، ماسه، فلزات، سرامیکها، پلی استایرن و موم جایگزین رزین حساس به نور می شوند.

مراحل کار در فرایند  SLS:

۱- سیلندر قطعه در ارتفاع لازم برای شکل دهی اولین لایه قرار می گیرد.

۲- مواد پودری توسط یک غلتک از محفظه پودر، روی سطح سیلندر قطعه پخش شده و ضخامت لایه نیز توسط همین غلطک تنظیم میگردد.

۳- پرتو لیزر Co2 ، اولین مقطع را روی سطح پودر ترسیم می کند.ذرات پودر در اثر برخورد پرتو لیزر گرم شده و به هم جوش می خورند. به این ترتیب اولین لایه شکل می گیرد.

۴- سیلندر قطعه به اندازه ضخامت اولین لایه به پایین رفته و لایه پودر بعدی پخش می شود.

۵- پرتو لیزر مقطع جدید را اسکن و لایه بعدی را ایجاد می کند، به طوری که این لایه به لایه قبلی متصل می گردد.

۶- مراحل بالا تا شکل گیری همه لایه ها ادامه می یابد.

مزایای این روش عبارتند از:

۱- قطعات در محیطی با کنترل دقیق ایجاد می شوند و فرایند و مواد طوری طراحی شده اند که خروجی آن قطعات عملکردی است.

۲- دامنه وسیعی از مواد از جمله نایلون، پلی کربنها، فلزات و سرامیکها را می توان در این سیستم استفاده کرد. به همین دلیل انعطاف پذیری سیستم برای کاربردهای مختلف بسیار بالا است.

۳- عدم نیاز به تکیه گاه

۴- نیاز به پس پردازش کم

۵- قطعه تفت جوشی شده به کمک لیزر به اندازه کافی صلب بوده و نیاز به پخت نهایی ندارد.

کاربردهای SLS عبارتند از :

۱- مدلهای تجسمی

۲- مدلهای عملکردی و قطعات کاری

۳- الگوهای پلی کربنات (Rapid Casting)، این الگوها در فرایند ریخته گری دقیق استفاده می شوند و ساخت آنها سریعتر از ساخت الگوهای مومی است و برای طراحی های با دیواره نازک و خصیصه های کوچک نیز بسیار مناسب هستند همچنین این الگوها پایدار و مقاوم به حرارت می باشند.

۴- به کمک این فرایند می توان قالبهای فلزی با تیراژ پایین ایجاد نمود.

فرآیند LOM :

در این سیستم قطعه از روی هم قرار گرفتن لایه های متوالی مواد ورقه ای ایجاد می شوند. در این روش، پرتو لیزر متناظر با کانتورهای محیطی هرمقطع از قطعه، مواد ورقه ای را برش می دهد. ورقهای برش خورده روی هم تشکیل یک بلوک حجمی می دهند که در نهایت، قطعه از درون این بلوک خارج می گردد.

مواد ورقه ای کاغذی که لایه ها از آن ساخته می شوند، به صورت یک رول پیوسته که توسط غلتکهایی از یک طرف میز دستگاه باز شده و اضافه آن از طرف دیگر جمع می شود.

یک غلطک حرارتی ، فشار و حرارت لازم را برای چسباندن هرلایه به لایه قبلی را فراهم می کند.

از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد :

۱- در واقع هر نوع مواد به شکل ورق را می توان در سیستم LOM بکاربرد.

۲- در این فرایند قطعات با ضخامت لایه بزرگتر، سریعتر ساخته می شوند. به همین دلیل فرایند LOM برای ساخت قطعات بزرگ و حجیم مناسب است.

۳- دقت قابل دستیابی در این فرایند معمولاً کوچکتر از mm0.127 است.

۴- در فرایند LOM نیازی به تکیه گاه اضافی وجود ندارد.

۵- از آنجایی که تغییر فازهای فیزیکی و شیمیایی در مواد ورقه ای اعمال نمی شود، نیازی به پخت نهایی نیست. قطعات تمام شده LOM عاری از هرگونه تنشهای پسماند یا دیگر تغییر شکلها می باشند.

کاربردها :

۱- مدلهای LOM را مانند مدلهای چوبی، می توان پرداخت و رنگ آمیزی نمود و آنها را به شکل محصول نهایی در آورد.

۲- از قطعات LOM می توان برای بازبینی طراحی و ارزیابی عملکرد استفاده نمود.

۳- ساختار قطعات LOM به گونه است که بسته به نوع ماده آب بندی یا پرداخت مورد استفاده می توان از آنها در بیشتر روشهای قالبسازی ثانوی به عنوان الگو یا قالب استفاده کرد که این روشها عبارتند از: ریخته گری دقیق، ریخته گری ماسه ای، قالب گیری تزریقی، قالب گیری سیلیکونی، شکل دهی در خلاء، و قالب گیری اسپری فلزی.

۴- قالبهای دو تکه براحتی توسط سیستم LOM ایجاد می شوند. ساخت قالبهای بزرگ و پیچیده به این روش بسیار مقرون به صرفه است. از این قالبهای شبیه چوب در تزریق موم، پلی اورتان، اپوکسی یا دیگر مواد در فشار و درجه حرارت پایین، می توان استفاده کرد. همچنین این قالبها را می توان از طریق ریخته گری دقیق به آلومینیوم یا فولاد، برای فرایندهای فشار و درجه حرارت بالاتر تبدیل کرد.

فرآیند FDM :

در این فرایند لایه ها از مواد ترمو پلاستیک که به شکل مفتول رشته ای می باشند، ساخته می شود،همانند سایر روشهای RP در این روش نیز از مدل CAD لایه لایه استفاده می شود.موادی که در این روش کاربرد دارند عبارتند از ABS، پلی کربنات، پلی فنیل سولفون و موم. ماده ترموپلاستیک با دمایی کمی پایینتر از دمای ذوب از طریق یک نازل اکسترود می شود. همزمان با اکسیژن مواد ، نازل متناظر با مقطعی از مدل، در راستای X و Y حرکت کرده و لایهای از قطعه را ایجاد می کند. نازل دیگری نیز به طور همزمان تکیه گاههای مورد نظر را ایجاد می کند. این فرایند همانند نوشتن حروف روی کیک بوسیله کرم شکلاتی است.

قطعه کار با اکستروژن متوالی لایه ها ایجاد شده و هر لایه در حین شکل گیری به لایه قبلی خود متصل می شود.

۱- به کمک این فرایند می توان نمونه هایی را مشابه قطعات اصلی تولید نمود. نمونه های ساخته شده از ABS قطعات کاملا عملکردی هستند که ۸۵% استحکام محصول اصلی را دارند.

۲- در این فرایند قطعات توسط اکستروژن مواد نیمه مذاب ایجاد می شوند بنابراین فقط به میزان مورد نیاز برای ساخت مدل و تکیه گاه از مواد اولیه مصرف می شود و اتلاف مواد حداقل می باشد.

۳- با استفاده از BASS و WWSS تکیه گاههای ایجاد شده در فرایند FDM براحتی قابل شکستن و شستن از مدل می باشند.

۴- مواد ساختی که بصورت قرقرهای مصرف می گردند ( یا بصورت کارتریج ) ، براحتی در حین کار قابل جابجایی و تعویض می باشد.

فرآیند  MJM :

فرایند MJM نیز شبیه چاپ جت جوهر است، با این تفاوت که چاپ به صورت سه بعدی و با کنترل کامپیوتر انجام می گیرد. سر چاپگر شامل تعداد زیادی جت (بیش از ۱۰۰ عدد) است که به صورت خطی آرایش یافته اند. در این فرایند مواد ترموپلیمر و آکرلیک فتوپلیمر توسط جتها و متناظر با مقاطع قطعه روی پلتفرم ریخته شده و لایه ها و تکیه گاههای مورد نیاز را ایجاد می کنند.برای شکل دهی لایه ها، سرچاپگر در راستای X و پلتفرم دستگاه در راستای Y و Z حرکت می کنند. وقتی ساخت یک لایه تمام شد، پلتفرم به اندازه ضخامت یک لایه به سمت پایین حرکت کرده و فرایند مجددا تکرار می شود.

 

مزایای این روش عبارتند از :

۱- در MJM مستقیما از فایل STL برای ساخت مدلها استفاده می شود وهیچگونه آماده سازی قبلی نیاز نمی باشد.

۲- در MJM از مواد ارزان ترموپلیمر استفاده می شود.

۳- ساخت سریع

۴- چون سیستم تمیز ، ساده، کارآمد و کوچک است، از این رو به تاسیسات خاصی نیاز ندارد همچنین بخاطر قابلیت شبکه شدن می توان چندین سیستم کامپیوتری را به آن متصل نمود.

کاربرد ها:

کاربرد اصلی Thermojet ساخت مدلهای تجسمی است اما از آن در ساخت الگوهای ریخته گری دقیق و مرجع قالب سازی سریع نیز استفاده می شود.

فرآیند ۳D-Printing :

چاپ سه بعدی به دلیل شباهتش به چاپ جت جوهر ، چاپ سه بعدی نامیده میشود.

با این تفاوت که به جای جوهر از چسب مایع استفاده می شود. مواد مورد استفاده در۳D-P  به صورت پودرهایی از جنس سرامیکها، فلزات ، پلیمرها و کامپوزیتها می باشند. ذرات پودر به کمک چسب به هم متصل شده و لایه ها را ایجاد می کنند.

 روش کار در این فرایند به ترتیب ذیل می باشد:

 ۱- پلتفرم در ارتفاع مناسب قرار گرفته و یک لایه پودر با ضخامت کنترل شده روی سطح پلتفرم پخش می شود.

۲- از طریق سر نازل و متناظر با اولین مقطع قطعه، روی پودر چسب ریخته می شود. ریخته شدن چسب روی ذرات پودر باعث به هم چسبیدن آنها و شکل گیری لایه اول مدل می شود.

۳- پلتفرم به اندازه ضخامت یک لایه به سمت پایین حرکت کرده و پودر لایه بعد ریخته می شود.

۴- متناظر با مقطع بعدی، روی لایه جدید چسب ریزی می شود. به این ترتیب مقطع بعدی شکل گرفته وبه لایه قبلی متصل می گردد.

۵- مراحل فوق تا ایجاد بالاترین مقطع مدل و شکل گیری قطعه تکرار می شود.

از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- سرعت بالا:  توسط این سیستم می توان هر لایه را در چند ثانیه ایجاد کرد.

۲- کاربرد چند گانه:  قطعات ساخته شده توسط این سیستم در آرشیتکت ، معماری ، اتوموبیل سازی، آموزش، پزشکی، کفش سازی، صنایع هوا فضا و صنایع مخابراتی مورد استفاده قرار می گیرد.

۳- ساخت قطعات رنگی: این سیستم با استفاده از محفظه های رنگی قادر به ایجاد قطعات با رنگهای مختلف می باشد.

کاربردها :

۱- ساخت مدلهای نمایشی

۲- ساخت پوسته های سرامیکی برای ریخته گری فلزی، قالبهای استفاده شده به این روش برای ریخته کری فلزات استفاده می شوند ودر بسیاری از موارد مانند صنایع خودرو سازی، هوا فضا و پزشکی کاربرد دارند.

۳- توسط این فرایند می توان ابزارهای فلزی و توپی های قالبگیری ترزریقی را به طور مستقیم ساخت

۴- به کمک این فرایند می توان سرامیکهای ساختمانی را با اشکال پیچیده ساخت.

۵- انعطاف پذیری فرایند۳D-P  سبب شده تا ترکیبی از شکلهای مختلف هندسی با ذرات متنوع در طراحی فیلتر بدست آید. بازده فیلترهای تولیدی ۱۰ برابر فیلترهای معمولی است.

کاربرد RP در پزشکی :

امروزه فرایندهای RP پهنه وسیعی از فعالیتها را در بر می گیرد. ساخت قطعات پیچیده که با روش های قدیمی قابل تولید نبوده و یا اینکه زمان و هزینه زیادی در بر داشته امروزه با روشهای RP و در پی آن فرایندهای ساخت بسیار ساده وهمچنین کم هزینه شده است ضمن اینکه زمان مورد استفاد آن در مقایسه با گذشته بسیار ناچیز می باشد. بیشترین کاربرد نمونه سازی سریع در صنعت هوافضا ، اتومبیل سازی و پزشکی و… می باشد.

استفاده از این تکنیک ها در پزشکی بسیار وسیع می باشد. با اینکه هنوز حتی بسیاری از پزشکان با این فرایندها آشنایی کامل نداشته و گاهاً بعضی به آن اطمینان ندارند ولی این تکنولوژی توسعه خود را در پزشکی ادامه خواهد داد  وبه پیشرفتهای چشمگیری دست خواهد یافت .استفاده این تکنولوژی در پزشکی بیشتر جهت تدوین و پیش بینی فرایندهای جراحی می باشد. ترکیبی از روشهای تصویر برداری پزشکی وتکنیک های نمونه سازی سریع می تواند راهکارهای بسیار مفیدی را در روند درمان ایجاد کند، بخصوص در طراحی اپمیلانت ها و ساخت پروتز ها. در روشهای گذشته برای تشخیص نوع بیماری وعمق و … آ ن از عکسبرداری به روشهای مختلف استفاده می شده دراین روش جراح بادر اختیار داشتن عکسهای دو بعدی از مقاطع مختلف محل ضایعه به تحلیل وتجزیه بیماری می پرداخته این عمل خود انرژی بسیار زیادی می طلبد .مخصوصاً اگر ضایعه در نواحی پیچیده همچون جمجمه قرار گرفته باشد . تکنیکهای نمونه سازی سریع این اجازه را به جراحان میدهد که یک مدل سه بعدی ازناحیه بیماری رادراختیار داشته باشند تا با مشخص کردن ناحیه ضایعه  بهترین مسیرها را جهت انجام عملیات درمان ایجاد کنند.

بطور کلی مزایای استفاده از RP در پزشکی بدین ترتیب می باشد :

۱- بهبود دید وتصویر سازی جراح روی ترکیبات واعضای آناتومیک مانند تومورها

۲- امکان تمرین فرایندهای جراحی همچون برش، سوراخکاری، جایگزینی وتکرار آنها روی مدل

۳- قطعاتی همچون صفحات پین ها و بستها و… که احتیاج به یک سری اعمال جمع آوری دارند می توانند قبل از جراحی روی مدل شوند که باعث پایین آوردن زمان جراحی می شود

۴- نمونه Implant ها می تواند توسط تکنیکSLA ساخته شود و انطباق آن روی مدل چک شود

سپس از آن اجزاء از تیتانیم ، اکرلیک یا ترموپلاستیک ساخته می شود.

با توجه به حساسیت این مبحث واینکه ارتباط مستقیم با زندگی شخص دارد حساسیت فرایندهای ساخت نیز به شدت بالا می رود . به همین دلیل باید دقت بسیار مد نظر قرار گیرد. این دقت در تمام مراحل باید در نظر گرفته شود یعنی از اولین مرحله تا آخرین آن . بطور اجمالی اینگونه می توان به آن اشاره کرد.

به جهت اینکه تصویر واضح وگویا و با کیفیت در دسترس باشد باید درضخامت لایه های تصویر برداری شده دقت فراوانی کرد. تمامی اسلایدها باید به یک اندازه باشند و بنا به نیاز و در حد امکان دستگاه تصویر برداری ضخامت اسلایدها کم در نظر گرفته شود. در مرحله بعد این اسلایدها باید یک مدل سه بعدی تبدیل شوند که این عمل توسط بسته های نر م افزارهای مختلفی از قبیل mimics و یا BioBuild و… انجام می شود که به جای خود به طور مفید توضیح داده خواهند شد. این نرم افزارها با سر هم کردن اسلایدها به طور مرتب ایجاد یک مدل سه بعدی می کنند. حتی تا همین مرحله ا زکار و اینکه یک مدل سه بعدی کامپیوتری در اختیار است خود می تواند بسیار مفید باشد و یک فهم مناسب از نوع بیماری و جراحت ومحل آن را در اختیار پزشک معالج قرار دهد. در فضای نرم افزارها می توان به تحلیل تصاویر دو بعدی و سه بعدی پرداخت از قبیل Three sholding یا آستانه دهی ، برش دادن، تفکیک سازی ، و… به طورکلی وظیفه این نرم افزارها ایجاد ارتباط مدل CAD با دستگاههای RP می باشد بدین ترتیب که مدل ایجاد شده را توسط فایل هایCT و یا MRI را به فرمتی آشنا برای دستگاه های نمونه سازی تبدیل کند فرمتهایی از قبیل STL،SLC ،CFL ،IGES  دراین نرم افزارها به جهت ایجاد سطوح یکنواخت به طور خود به خود یا ارادی یک میانیابی intropolation صورت می گیرد که سبب صیقلی شدن سطح می شود .(Smoothing)

پس از اینکه مدل به یکی از فرمتهای دستگاههای RP در می آید ودر اختیار دستگاه ساخت قرار می گیرد و مدل ساخته می شود پس از ایجاد مدل پزشک یا تیم پزشکی می توانند با درک کامل نوع ضایعه را هکارهای مختلف جهت درمان را بررسی کنند چندی پیش گفتیم که مدل ایجاد شده سه بعدی در کامپیوتر نیز می تواند بسیار مفید باشد ولی در اینجا پزشک ، یک مدل تقریباً کامل از ناحیه بیماری را در دستان خود دارد وبطور کامل آن را لمس کرده و تمام زوایای آن را مشاهده می کند در این مرحله این امکان وجود دارد که جراح مراحل جراحی را روی مدل تمرین کند و با توجه به سریع بودن این نمونه سازی وسرعت دسترسی به مدل می تواند چندین بار این کار را تکرار کند تابه بهترین روش دست یابد بطور کل این نمونه می تواند ارتباط خوبی بین پزشک یا تیم پزشکی با پرستاران ، اعضای خانواده بیمار و حتی خود بیمار برقرار کند.

روشی وجود دارد بنام استریولیتوگرافی رنگی (colored SLA)که بسیار جدید می باشد د راین روش می توان موضعی از مدل را که از قبل انتخاب شده بطور رنگی ساخت . در این روش از زرین رنگی استفاده می شود و محل های رنگی در مدل CAD مشخص می شود. هنگام پلیمریزه شدن رزین پس از اینکه هر لایه جامد شد. لیزر با دز بیشتر و سرعت کمتر تنها روی قسمتهای رنگی هر لایه حرکت کرده و رنگ آن را تغییر می دهد بدین ترتیب پس از اتمام مدل قسمتهایی از آن بصورت رنگی در اختیار می باشد. این روش در پزشکی کاربرد فراوانی دارد یعنی می توان ضایعات و نواحی مختلف مانند تومورها، ریشه های دندان ، ضایعات درون فک و… را بطور رنگی نشان داد و درک بیشتری را برای پزشکان ایجاد کرد. تاکنون بیشتر از رنگهای قرمز و آبی استفاده شده است ولی می توان انواع رنگهای دیگر را نیز در اختیار داشت. قابلیت این رزینها این می باشد که nontoxic یا غیر سمـــی بوده و می توان از آن در درون اتاق جراحی و در محیط بیمارستانی استفاده کرد پس از مشخص شدن ایمپلنت وساخت نمونه آن نوبت به ساخت خود قطعی شود که این کار با روشهای مختلفی از قبیل ریخته گری مستقیم ریخته گری وغیر مستقیم وRapid tooling …. انجام می گیرد. ولی مسئله مهم دراینجا ماده مورد استفاده برای پروتز می باشد . با توجه به ناحیه ضایعه ماده مورد استفاده برای آن متفاوت است یعنی با توجه به نیروهایی که پروتز باید تحمل کند ماده آن انتخاب می شود بطورمثال در ساخت پروتز فک نمی توان از اکرلیک با موادی شبیه به آن استفاده کرد زیرا فک در هنگام جویدن غذا یا گاز زدن به میوه و… متحمل فشار نسبتاً زیادی می شود و باید از جنسی باشد که این فشار را تحمل کند برای این منظور می توان از تیتانیم استفاده کرد که دارای خواص مکانیکی مناسبی است. البته قیمت تیتانیوم درحدود دو برابر (یا بیشتر) اکرلیک می باشد.

تف جوشی لیزری مستقیم فلزی  : (DMLS)

در روش DMLS   بر روی پودرهای فلزی به طور مستقیم توسط دستگاه تف جوشی با توان لیزر بسیار بالا کار می شود. معمولا دستگاه برای ساخت اینسرتهای قالب استفاده می شود، اما ساخت قطعات فلزی نیز توسط آن امکان پذیر است.

 مواد مورد استفاده در فرایند DMLS عبارتند از :

۱- مواد پایه برنزی که در ساخت قالبهای تزریق استفاده می شود و این قالبها را می توان در ساخت حداکثر ۱۰۰۰ قطعه از جنسهای مختلف استفاده نمود.

۲- مواد پایه فولادی که در ساخت قالبهای تزریق، جهت تولید ۱۰۰۰۰۰قطعه پلاستیکی، بکار می روند.

ساخت یک قالب تزریق به این روش، حدود ۲ هفته به طول می انجامد، در صورتیکه ساخت همین قالب بروش ماشینکاری تقریبا به ۱۰ هفته زمان نیاز دارد. بعلاوه هزینه ساخت قالب به این روش بمراتب کمتر می باشد. قالبها یا قطعات تف جوشی شده با پودر برنز، پس از تفت جوشی، بمنظور افزایش چگالی، توسط یک رزین عالی نفوذ دهی می شوند. در مورد پودرهای فولادی، فرایند قادر است قطعاتی با چگالی ۹۵% ایجاد نماید، که در این حالت دیگر به نفوذ دهی نیاز نمی باشد. قطعات ساخته شده بروش DMLS ، دارای دقت و صافی سطح خوبی می باشند. البته صافی سطح در پودرهای پایه فولادی نیاز به بهبود دارد، علاوه بر اینکه ساخت قطعات فولادی به آهستگی انجام می گیرد.

نمونه‌سازی و ابزارسازی سریع  :

در سال‌های اخیر، تولید محصولات جدید دستخوش تغییراتی چشمگیر شده است. تنوع روزافزون تولید برای تسخیر بازارهای نو و به معنی عام، تلاش برای بقای واحدهای صنعتی، نیاز به روش‌های ساخت و تولید سریع را رفته‌رفته بر تمامی تولیدکنندگان تحمیل کرده‌ است. در جهان کنونی، با افزایش تنوع‌‌طلبی مشتری و تنگ‌‌تر شدن عرصه رقابت، تنها کسانی می‌‌توانند به حیات ادامه دهند که بتوانند کالاهای خود را با سرعت لازم روانه بازارهای مصرف کنند.

با نگاهی اجمالی به روند طراحی و تولید فرآورده‌‌های جدید در دو دهه گذشته، به آسانی می‌‌توان دریافت که تنوع و پیچیدگی محصولات، به‌طوری قابل ملاحظه افزایش یافته است. این افزایش به نوبه‌‌ی خود، زمان لازم برای طراحی، ساخت و مونتاژ راافزایش داده است. با ظهور و گسترش رایانه‌‌ها در صنعت، تحولاتی چشمگیر به وجود آمده است. گرچه توسعه‌ سیستم طراحی مهندسی توسط رایانه (CAD) و فرایند کنترل عددی توسط رایانه (CNC) کاهش زیادی را در زمان ساخت فراورده‌‌های جدید به وجود آورده است،‌اما نیاز صنعت به طراحی برای تولید و مونتاژ بدون صرف زمان و هزینه زیاد،‌هنوز برطرف نشده است. در این مقطع زمانی، فناوری نمونه‌‌سازی سریع که در ۱۹۸۸ با ابداع فرایند استریولیتوگرافی شروع شد، اثری شگرف و عمیق در ساخت قطعات صنعتی ایجاد کرد. با توسعه‌ قابلیت‌‌های این فناوری، امکان ساخت سریع قالب‌‌ها و ابزار (ابزارسازی سریع)‌نیز فراهم شده‌ است. هم اکنون فناوری نمونه‌‌سازی وابزارسازی سریع، یکی از عناصر اصلی و جزء لاینفک چرخه طراحی و تولید محصولات صنعتی تلقی می‌‌شود.

به رغم اهمیت و کاربرد زیاد فناوری، کمبود منابع اطلاعاتی و نیز تجهیزات لازم در این زمینه در کشور ما، آشکارا محسوس است. شاید کوتاه‌بودن عمر این فناوری (۱۹سال) و تغییرات سریع به وجود آمده در این مدت اندک؛ علت اصلی کمبود یاد شده باشد.

آشنایی با فرایندهای نمونه‌سازی سریع :

فرایندهای نمونه‌سازی سریع، تنوع زیادی دارند. از بدو ابداع اولین دستگاه نمونه‌سازی سریع به روش استریولیتوگرافی در ۱۹۸۷ تاکنون، تغییرات و تحولات شگرفی در این زمینه پدید آمده است. در جدول شماره۱، روند توسعه تعدادی از روش‌های نمونه‌سازی سریع ارائه شده است. البته، روش‌های متعدد دیگری نیز وجود دارند که در اکثر موارد، مکانیزمی شبیه روش‌های معرفی شده در جدول ۱ دارند. هدف از توسعه تمامی این روش‌ها، ساخت نمونه فیزیکی با کمترین زمان و هزینه ممکن و بهترین دقت ابعادی و نیز صافی سطح است.

جدول۱: روندتوسعه چند روش اصلی نمونه سازی سریع در دنیا

بدیهی است که فرایندهای موجود را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته‌بندی کرد. متداول‌ترین روش، گروه‌بندی فرایندهای مختلف، حسب حالت ماده مورداستفاده است که به سه دسته‌ زیر دسته‌بندی می‌شوند:

۱- مواد مصرفی در حالت مایع، مانند : Stereo lithography

۲- . مواد مصرفی در حالت جامد، مانند :  Laminated Object Manufacturing

۳- مواد مصرفی در حالت پودر، مانند:

Selective Laser Sintering, Laser Engineered Net Shaping

روش استریولیتوگرافی :

 

سیستم استریولیتوگرافی یا به اصطلاح SLA، اولین روش تجاری تولید سریع قطعات است که برای نخستین بار در سال ۱۹۸۷ در دیترویت امریکا توسط شرکت۳-Dsystems معرفی و در ۱۹۸۸ وارد بازار شد. این فرایند، ابتدا دقت پایینی داشت ولی با گذشت زمان به سرعت پیشرفت کرد و ابداع روش‌های جدید، امکان تولید ابزار و قطعات فلزی و پلیمری را با استفاده از این دستگاه، فراهم کرد. در جدول شماره۲، مشخصات سامانه‌های مختلف SLA معرفی شده است.

جدول۲: مشخصات سامانه های مختلف SLA

در فرایند SLA، قطعات سه بعدی پلیمری، مستقیماً از مدل رایانه‌ای (CAD) تولید می‌شوند. اساس کار فرایند، جامدکردن لایه‌به‌لایه رزین مایع حساس به نور بر اثر تابش نور ماوراء بنفش است. پرتو لیزر، براساس فایل STL به لایه‌ای از پلیمر تابیده و آن را سخت می‌کند. در تصویر شماره۱، عملکرد دستگاه SLA به طور شماتیک نشان داده شده است.

برای ساخت یک مدل به روش SLA، ابتدا باید مدل رایانه‌ای آن تهیه شود. پس از برش‌زنی و تهیه فایل STL، عملیات ساخت با پایین رفتن سکوی دستگاه به اندازه ضخامت یک لایه شروع می‌شود. لیزر، براساس اطلاعات فایل STL به سطح پلیمر تابیده می‌شود تا لایه بعدی ساخته شود. به این ترتیب، محصول نهایی، تجسم فیزیکی داده‌های CAD خواهد بود.

 

شیوه‌های مختلف ساخت مدل به روش استریولیتوگرافی :

در روش استریولیتوگرافی،مدل‌ها در دو نوع توپر و توخالی ساخته می‌شوند. مدل توپر که در اکثر موارد با عنوان Master Pattern نامیده می‌شود، با دو روش ACESTM و STAR-Weave TM و نمونه توخالی، با روش Quick cast TM ساخته می‌شود.

الف ـ روش Quick cast TM :

 

این نکته که سامانه Quick cast TM اولین بار به سفارش انجمن خودرویی امریکا به وجود آمد یا وزارت دفاع آن،‌چندان روشن نیست اما طراحی این سامانه و کاربردهای اساسی آن در اواخر دهه ??، در مراکز تحقیقات بنیادین ساندیا و آزمایشگاه پیشرفته لاکهید و تحت پروژه ملی “عملیات سریع” به وجود آمد. شرکت‌های خودروساز امریکایی و نیز شرکت بنز المان در تصویر شماره‌۲، نمونه‌‌ای از مدل توخالی SLA ارائه شده است.

ب ـ روش ACESTM :

 

وقتی از روش ACESTM استفاده می‌شود، داخل مدل تقریباً به طور کامل توسط لیزر سخت می‌شود. در این روش، فاصله‌ خطوط اسکن، به اندازه نصف قطر اشعه است و فقط از رزین‌های اپوکسی که هنگام پلیمریزه شدن،انقباض کمتری دارنداستفاده می‌شود. این روش، به علت عدم تغییر شکل، بهترین و دقیق‌ترین روش موجود در تکنولوژی استریولیتوگرافی است و در ساخت قطعات دقیق استفاده می‌شود.

پ ـ روش STAR-Weave TM :

 

این روش در ۱۹۹۱ توسط شرکت ۳-Dsystems معرفی شد. در این روش، پر کردن مدل با استفاده از یک‌سری شبکه‌ها که در هر لایه به اندازه نصف فاصله رسم انتقال می‌یابند، انجام می‌شود. در این روش، فقط از رزین‌های اکریلیک که هنگام پلیمریزه شدن منقبض می‌شوند،‌استفاده می‌شود.

کاربردهای روش استریولیتوگرافی :

تکنولوژی SLA نیاز تولیدکنندگان را به کاهش زمان بازاریابی، کاهش هزینه‌های توسعه محصولات جدید و کنترل بهتر فرایند طراحی فراهم می‌کند. از جمله زمینه‌های کاربرد این تکنولوژی عبارتند از:

۱- ساخت الگوهای تجسمی

۲-  ساخت نمونه‌های موردنیاز در طراحی، تحلیل، تأیید و آزمایش‌های کاربردی

۳-  ساخت مدل‌های ریخته‌گری

مزایای روش استریولیتوگرافی :

 

۱-  سرعت تولید نسبتاً بالا

۲-  کیفیت سطحی بسیار مناسب

۳-  دقت ابعادی بین ۰/۱۲۷ تا ۰/۲۵۴ میلی‌متر

۴-  ساخت قطعات پیچیده و امکان اتصال قطعات به یکدیگر

معایب روش استریولیتوگرافی :

 

۱- امکان ایجاد شکاف در قطعه به دلیل کشش سطحی رزین

۲- محبوس شدن حباب هوا در نقاطی از قطعه که حجم رزین به‌کار رفته بالاست

۳- استفاده از مواد اولیه گران و سمی

آشنایی با دستگاه استریولیتوگرافی SLA-5000 :

نظر به اینکه نوع دستگاه استریولیتوگرافی شرکت ساپکو، مدل SLA-5000 است، مختصری به معرفی این مدل می‌پردازیم.

ویژگی‌های سیستم استریولیتوگرافی مدل SLA-5000 :

– لیزر

نوع منبع حالت جامد Nd: YVO

طول موج: ۷/۳۵۴ نانومتر

قدرت: ۲۱۶mv

– سیستم پوشش‌دهی مجدد

نوع سیستم : Zephyr Recoated

ضخامت پوشش مجدد برای ACES: 0/075 میلی‌متر

ضخامت پوشش مجدد برای Quick cast: 0/1 میلی‌متر

ابزارسازی: ۰۵/۰ میلی‌متر

– سیستم بالابر

حجم کاری: ۵۰۸×۵۰۸×۵۸۴ میلی‌متر

دقت بالابر:۰۰۱۷۷ /۰ میلی‌متر

بیشترین وزن قطعه قابل بالا بردن:۰۴/۶۸ کیلوگرم

کاربردهای موفق روش استریولیتوگرافی در صنایع خودروسازی دنیا

– فناوری استریولیتوگرافی در شرکت جنرال‌موتورز :

 

جنرال موتورز،‌ بزرگترین شرکتی است که از این فناوری استفاده می‌کند. در تمام بخش‌های این شرکت، نمونه‌سازی سریع وسیله‌ای مفید برای کاهش زمان رسیدن محصول به بازار است. مثلاً، این شرکت گزارش کرده است که در ساخت دکمه‌های پانل به جای ماشین‌کاری، با استفاده از روش SLA و ساخت قالب لاستیکیRTV،ساخت دکمه‌ها سریعتر وارزانتر انجام شده است.

 

– افزایش کارایی سیستم خنک‌کننده در موتور پورشه :

 

گروه موتور اسپورت پورشه، می‌داند که افزایش کارایی سیستم خنک‌کننده و نگهداری دمای سیلندر در دمای بهینه، کارایی موتور را بهبود می‌بخشد. با استفاده از شبیه‌سازی به روش المان محدود، امکان بررسی دقیق سیستم خنک‌کننده وجود دارد، اما کاربرد این روش بیش از ۳ ماه طول می‌کشد. هزینه عملیات نیز بیش از ۵۰ هزار دلار است. این شرکت، با استفاده از SLA، نمونه‌ای شفاف از سیستم آبگرد موتور سیلندر تهیه کرد که شامل تمام بخش‌های پیچیده سرسیلندر است. در این قطعه،‌بیش از ۶۰ حسگر دما و فشار جاسازی شد. شفافیت نمونه، کلید موفقیت آزمایش بود. حباب‌های بسیار کوچک هوا، وارد مایعی خنک‌کننده شده و حرکتشان توسط یک دوربین با سرعت بالا ثبت شد. با تحلیل دقیق این تصاویر،مناطقی که به قدر کافی سرد نمی‌شدند، مشخص شد. این مناطق بحرانی در طراحی حذف شده و سیستم آبگرد دوباره با CAD طراحی شد. با این روش، کل زمان پروژه به ۴ هفته و هزینه عملیات نیز به ۲۳هزاردلار کاهش یافت.

– بهینه‌سازی سیستم ایرودینامیک خودروی جگوار :

 

شرکت جگوار،‌علاوه‌بر استفاده از فناوری SLA برای ساخت دستگیره درها، داشبورد و موتور،‌از این روش برای بهینه‌سازی ایرودینامیک خودروی تولید خود نیز استفاده کرد. نمونه‌های کاملی از جلو و عقب خودرو در مقیاس ۳:۸ با تمام جزئیات، تولید و روی نمونه‌های آزمایشی خودرو سوار شد. سپس، این نمونه‌های آزمایشی در تونل باد مورد ارزیابی قرار گرفتند و بهبود سیستم ایرودینامیک تأیید شد.

– کاربردهای موفق روش استریولیتوگرافی در صنایع نظامی دنیا :

 

ارتش ایالات متحده ازSLA برای ساخت قالب اینسرت‌های آلومینیومی تانک‌های نظامی خود استفاده کرد و توانست زمان ساخت این قالب‌ها را از ۲۰ هفته به ? هفته کاهش دهد. مسئولیت این پروژه با مدیریت پشتیبانی دفاعی وزارت دفاع بود.درشکل شماره‌۳ محل استفاده این اینسرت‌ها و در شکل شماره۴، تصویر دقیق آنها ارائه شده است.

متخصصان مرتبط با نمونه‌سازی و ابزار سریع

آقای دکتر بهرخ خوشنویس

 

عضو هیئت علمی دانشگاه کالیفرنیای شمالی

مخترع روش‌های نمونه‌سازی سریع SIS و Countor Crafting

 

آقای دکتر عبدالرضا سیم‌چی

عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف

مسئول بخش نمونه‌سازی سریع مرکز صنایع نوین ایران

 

آقای دکتر صادق رحمتی

عضو هیئت علمی دانشگاه امام حسین (ع)

متخصص در ابزارسازی سریع RTV

 آقای پروفسور جرمن

عضو برجسته‌ هیئت علمی دانشگاه پنسیلوانیا

جزو چند متخصص برجسته متالورژی پودر دنیا که ارتباط عوامل علم متالورژی پودر و روش‌های نمونه‌سازی سریع پایه پودری را مطرح کرد. به رغم اثبات ریاضی و آزمایشگاهی پدیده “چگالش سریع” توسط ایشان در اوایل دهه??، هنوز رموز این کار جزو اسرار علمی و فنی است. اثبات ناکارایی رئولوژیکی مخلوط پودرهای پلیمری و فلزات پیشرفته در ساخت قطعات پیچیده که توسط ایشان اثبات شد، جزو شاهکارهای بشری است