نمونه سازی سریع در چاپ سه بعدی: تعریف، انواع، و روش ها

آخرین به روزرسانی

با نمونه سازی سریع، ایده های خود را به واقعیت تبدیل کنید! این مقاله به شما در درک مفهوم نمونه سازی سریع، انواع آن، مزایا و معایب، و کاربردهای آن در دنیای واقعی کمک می کند.همه چیز را در مورد فرآیند تولید سریع نمونه های اولیه سه بعدی برای محصولات و قطعات بیاموزید.

مقدمه

در دورانی که بسیاری از محصولات برای پاسخگویی به نیازهای بی حد مشتریان خلق می شوند، توسعه دهندگان محصول به دنبال راه هایی برای بهبود فرآیندهای تولید خود، به ویژه کاهش هزینه یا سرعت در تولید، هستند. این امر راه را برای فناوری های نمـونه سازی سریع باز می کند. نمونه سازی سریع به انگلیسی Rapid Prototyping به معنای استفاده از یک ماشین (معمولاً یک چاپگر سه بعدی) در طراحی و ساخت واقعی قطعات تولیدی است. این فرآیند شامل گروهی از تکنیک ها است که توسط رایانه ها کنترل می شوند.

تکنیک های مختلفی در نمـونه سازی سریع استفاده می شود، از جمله ساخت افزایشی، کاهشی و ریخته گری. در فرآیند چاپ سه بعدی، روش های متنوعی وجود دارد، از جمله استریولیتوگرافی (SLA)، مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM)، تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)، همجوشی بستر پودر، و ذوب لیزری انتخابی (SLM). این مقاله به بررسی چیستی نمـونه سازی سریع در چاپ سه بعدی، انواع و روش های آن خواهد پرداخت و روش های آن را با ماشین کاری مرسوم مقایسه می کند.

نمونه سازی سریع در چاپ سه بعدی چیست؟

نمونه سازی سریع در چاپ سه بعدی به معنای استفاده از فناوری چاپ سه بعدی در طراحی و ساخت یک مدل فیزیکی است. این فرآیند کاملا سریع و آسان است که تحویل های به موقع به بازار را میسر می کند و یک فرآیند ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) محسوب می شود. قسمت فیزیکی تولید شده نمونه اولیه با دقت بالا (High-Fidelity) نامیده می شود. این بدان معنی است که هنگام بررسی، نمونه اولیه و محصول نهایی تفاوت کمی با هم دارند یا اصلا تفاوتی ندارند.

در حالی که بسیاری از فناوری های دیگر مانند ریخته گری و ماشین کاری CNC به عنوان ابزارهای مرتبط برای نمـونه سازی سریع طرح ها شناخته می شوند، چاپ سه بعدی به دلیل اثبات ایده (proof of concept) در اکثر صنایع ترجیح داده می شود. در این مرحله، باید توجه داشت که نمونه اولیه به خودی خود هدف نیست، بلکه وسیله ای برای رسیدن به هدف است. تکرار نمونه های اولیه در نهایت به تولید نهایی یک قطعه کاملا مهندسی شده می انجامد.

منظور از ایده (proof of concept) یا اثبات مفهوم، ارائه ی شواهدی برای نشان دادن امکان‌پذیری یک ایده یا نظریه است. این شواهد می تواند شامل یک مدل اولیه، نمونه، یا حتی فقط یک طرح یا شرح کتبی باشد.

هدف از اثبات مفهوم، تائید عملی بودن یک ایده قبل از سرمایه گذاری قابل توجه در توسعه ی آن است. این کار به منظور کاهش ریسک و افزایش احتمال موفقیت انجام می شود.

شکل زیر تصویری از فرآیند نمـونه سازی سریع با استفاده از چاپ سه بعدی است:

انواع مختلف نمونه سازی سریع کدامند؟

انواع مختلف نمـونه سازی سریع در جدول 1 زیر فهرست شده است:

انواع	شرح	تفاوت‌ها	مثال‌ها
SLA – استریولیتوگرافی	اولین روش شناخته شده برای چاپ سه بعدی تجاری است. بستری از رزین حساس به نور در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار می گیرد و در نقاط مختلف به صورت لایه به لایه تا زمان تکمیل همجوشی (fuse) می شود.	از بستر رزین حساس به نور استفاده می شود.	الگوهای مفهومی یا نمونه های اولیه ظاهری
SLS – تف جوشی لیزری انتخابی	هم برای پلاستیک ها و هم فلزات قابل استفاده است. همانطور که از نامش مشخص است، این فرآیند، یک نمونه اولیه را با تف جوشی (sintering) بستر پودر به وسیله یک پرتو لیزر به صورت لایه به لایه ایجاد می کند.	از یک بستر پودر استفاده می کند.	نمونه های اولیه و قطعات نهایی
FDM- مدل سازی رسوب ذوب شده یا اکستروژن مواد	روشی کاملا مقرون به صرفه که از یک قرقره رشته (فیلامنت) ترموپلاستیک استفاده می کند. رشته مذاب شده و از طریق یک نازل لایه به لایه اکسترود می شود تا فرآیند نهایی شود.	از یک قرقره رشته ترموپلاستیک استفاده می کند.	برای قطعات نهایی کاربرد دارد و همچنین در بسته بندی مواد غذایی و دارویی استفاده می شود.
SLM – ذوب لیزری انتخابی یا همجوشی بستر پودر	فرآیندی بسیار کارآمد که در اکثر کاربردهای با استحکام بالا استفاده می شود. در این فرآیند، یک پودر فلزی ریز تا تکمیل ساختار، لایه به لایه ذوب می شود.	از پودر فلز ریز استفاده می کند.	در تولید پروتزهای پزشکی، قطعات نهایی، و نمونه های اولیه کاربردی به کار می رود.
LOM – تولید ورقه ای اشیا یا لمینیت ورقه ای	شامل تولید مجموعه ای از لمینت های نازک است که تا تکمیل جسم به یکدیگر چسبانده میشوند. این روش از پرتو لیزر یا وسیله دیگری که کار برش را انجام می دهد استفاده می کند.	برای نمـونه سازی قطعات پلاستیکی استفاده می شود و همچنین می تواند اقلام تبلیغاتی سه بعدی ارزان و در عین حال چشم نواز خلق کند.	برای نمـونه سازی قطعات پلاستیکی کاربرد دارد. همچنین می توان از آن برای ساخت اقلام تبلیغاتی سه بعدی ارزان قیمت و در عین حال جذاب استفاده کرد.

مزایا و معایب نمـونه سازی سریع چیست؟

مزایا و معایب نمونه سازی سریع عمدتاً به سرعت و هزینه ایجاد یک قطعه مربوط می شود. یکی از مزایای اصلی این است که تیم می تواند درکی از ظاهر و عملکرد طراحی نهایی پیدا کند. این امر امکان ایجاد بهبود ها و تغییرات خیلی زودهنگام، پیش از تولید نهایی، را ممکن می سازد.

نقطه ضعف نمـونه سازی سریع این است که گاهی اوقات، توسعه دهندگان محصول توجه زیادی به یک نمونه اولیه محدود می کنند. این امر آن ها را از انجام یک تحلیل کامل محصول، برای بررسی نقاط قوت و ضعف، باز می دارد و ممکن است کیفیت محصول دچار مخاطره شود. مزیت دیگر این فرآیند مقرون به صرفه بودن آن است. نمـونه سازی سریع یک فرآیند خودکار است که به افراد کمی برای اجرا نیاز دارد.

از نمـونه سازی سریع برای چه اموری استفاده می شود؟

از نمونه سازی سریع در ساخت مدل های فیزیکی و دیجیتالی استفاده می شود. این فرآیندی بسیار سریع و کارآمد است که در تولید نمونه های اولیه کمک می کند. نمـونه سازی سریع در ارزیابی قطعات از نظر عیوب یا مشکلاتی که باید قبل از تکرار نهایی برطرف شوند، کمک می کند.

مطالعات موردی

نمونه‌سازی سریع با استفاده از چاپ سه‌بعدی قادر است مدل‌هایی با هر شکل، اندازه و متریالی تولید کند. از قطعات ساده مانند چرخ‌دنده‌ها، قطعات خودرو یا دستگاه‌های الکترونیکی گرفته تا مدل‌های بزرگ‌مقیاس از سازه‌های معماری، همه قابل ساخت هستند.

شرکت مهندسی موتورسیلینو از چاپگر سه‌بعدی رومیزی Nexa3D XiP برای تسریع فرآیند تکرار و اعتبارسنجی طراحی محصولات سخت‌افزاری در صنایع مختلف مانند موتور اسپورت، پزشکی، الکترونیک مصرفی و دفاعی استفاده می‌کند. فناوری اختصاصی XiP به این معنی است که می‌تواند با نیروی کمتری چاپ کند و هندسه‌های نسل بعدی را ایجاد کند. با استفاده از این سیستم‌های معکوس، تولیدکننده می‌تواند عمدتاً بر هندسه‌های پیچیده با زمان چاپ فوق‌العاده سریع، انعطاف‌پذیری و دقت بالا تمرکز کند.

ویلسون اسپورتینگ نیز نمونه‌ای عالی از استفاده از نمونه‌سازی سریع برای توسعه محصول است. این شرکت از پلتفرم‌های Nexa3D و Addifab برای تولید نوآوری‌های جدید و بهبود خطوط محصولات موجود استفاده می‌کند.

اگرچه تیم طراحی ویلسون در ابتدا از روش‌های تولید سنتی کاهشی برای تولید ابزارهای نمونه اولیه قالب تزریق پلاستیک استفاده می‌کرد، اما به زودی از تکنولوژی زیرلایه روان‌کننده فتوشیمیایی (LSPc®) Nexa3D برای بهبود ابزارسازی قالب تزریق نمونه اولیه و تولید چند قطعه استفاده کرد. این شرکت توانست هزینه‌ها و زمان ورود به بازار را کاهش دهد و در عین حال تعادل کامل بین استحکام و انعطاف‌پذیری در محصولات خود را حفظ کند.

روش نمونه سازی سریع چیست؟

روش نمونه سازی سریع شامل تولید سریع یک قطعه فیزیکی با استفاده از تکنیک های مختلف است. از جمله این تکنیک ها چاپ سه بعدی (یک فرآیند ساخت افزایشی)، ماشین کاری پرسرعت (یک فرآیند ساخت کاهشی)، تزریق قالب، و ریخته گری است.

نمونه سازی سریع چگونه کار می کند؟

روش کار نمونه سازی سریع به شرح زیر است:

• با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک رایانه (CAD) یک مدل سه بعدی دیجیتال از قطعه تولید می شود.
• مدل CAD به فرمت فایل تبدیل می شود (فرمت های رایج: STL ،OBJ ، و DXF).
• نرم افزار اسلایسر (Slicing software) مدل سه بعدی را به یک سری برش های لایه ای دو بعدی تقسیم می کند.
• چاپگر سه بعدی این برش ها را در فرآیند ساخت واقعی تا تکمیل جسم تفسیر می کند.
• برای جلوگیری از اعوجاج یا تاب برداشتن ممکن است نیاز به ساختارهای پشتیبان در مدل نمونه اولیه باشد.
• نمونه های اولیه ممکن است برای دستیابی به یک پرداخت سطح خوب، به پس پردازش هایی مانند سنباده زنی، شستشو، و رنگ آمیزی نیاز داشته باشند.

چگونه از نمونه سازی سریع استفاده کنیم؟

از نمونه سازی سریع برای کاهش هزینه و تحویل به موقع هنگام تولید یک محصول جدید استفاده می شود. نمونه های اولیه ابتدا به عنوان یک ایده وجود دارند و سپس اعتبارسنجی فیزیکی مدل (به نام اثبات ایده) تولید می شود. این کار به تیم امکان می دهد بداند در مرحله بعدی فرآیند تکرار به کدام سمت باید برود. برای به حداکثر رساندن بهره وری یک فرآیند نمونه سازی سریع، باید نکاتی در نظر گرفته شوند. این موارد عبارتند از:

• نمونه های اولیه در مراحل ابتدایی تولید تقریباً همیشه خشن ترین نمونه ها هستند. معمولا با مواد مختلف و رنگ های مختلف ساخته می شوند.
• پس از شناسایی نمونه اولیه در خشن ترین شکل آن، مرحله بعدی پس پردازش است که به بهبود کیفیت محصول و رفع الزامات کمک می کند.
• بعد از هر فرآیند، نمونه اولیه به یک نمونه اولیه کاربردی تبدیل می شود: هرچند ممکن است هنوز کاملاً کاربردی نباشد. در این مرحله، نمونه های اولیه معمولاً با مواد مشابهی ساخته می شوند که در ساخت محصول نهایی استفاده خواهد شد. عملکرد [نمونه اولیه] ارزیابی می شود تا ببینیم آیا با نتیجه مطلوب مطابقت دارد یا خیر. سوالاتی که ممکن است در این مرحله مطرح شوند عبارتند از: چقدر با یک شرط تعیین شده سازگار است؟ آیا در نقطه پیشنهادی در یک مجموعه [قطعات] جا می گیرد؟

چرا مهندسان از نمونه سازی سریع استفاده می کنند؟

مهندسان از نمونه سازی سریع برای توسعه سریع مدل های نمونه اولیه به طور مستقیم از فایل های CAD استفاده می کنند. به جای اتکا به چارچوب مفهومی، مهندسان می توانند طرح های خود را بر اساس بازخورد آزمایش دنیای واقعی اصلاح کنند. آنها می توانند قبل از رفتن به تولید انبوه، ظاهر و عملکرد محصول نهایی یا واقعی را ببینند.

آیا نمونه سازی سریع و چاپ سه بعدی یکسان هستند؟

خیر، نمونه سازی سریع و چاپ سه بعدی با هم تفاوت دارند. اگرچه این کلمات به جای هم استفاده می شوند، اما از نظر فنی با هم فرق دارند. نمونه سازی سریع اصطلاح کلی برای توسعه سریع یک نمونه اولیه با استفاده از نرم افزار کامپیوتری است. از سوی دیگر، چاپ سه بعدی فرآیند ساخت مدل های سه بعدی از یک مدل CAD است، صرف نظر از اینکه نمونه اولیه باشند یا نه. به این معنی که چاپ سه بعدی فقط یکی از فرآیندها و روش های متعدد مورد استفاده برای نمونه سازی سریع است.

تفاوت نمونه سازی سریع با ماشین کاری مرسوم چیست؟

نمونه سازی سریع با ماشین کاری مرسوم در این تفاوت دارد که نمونه سازی سریع فرآیندی خودکار است که امکان ایجاد مدل های محصول را فراهم می کند. در مقابل، ماشین کاری مرسوم فرآیندی تحت کنترل انسان است. دامنه کاربرد آن وسیع تر از نمونه سازی سریع است و از ابزارهای ماشینکاری مختلفی از جمله ماشین های تراش، فرز و مته استفاده می کند.

سوالات متداول

خلاصه

این مقاله به معرفی نمونه سازی سریع در چاپ سه بعدی، چیستی آن، و انواع مختلف نمونه سازی سریع پرداخت. این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه الکترونیکی ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

• stratasys.com/en/resources/blog/guide-to-rapid-prototyping
• nexa3d.com/blog/3d-printing-prototypes
• tpm.com/blog/rapid-prototyping-in-3d-printing-what-you-need-to-know

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.