مقاله در مورد طراحي و مدلسازي كامپيوتري

طراحي و مدلسازي كامپيوتري
مروري بر نمونه سازي سريع
واژه (Rapid prototyping) RP به روشي اطلاق مي شود كه در آن از اطلاعات CAD، مدل فيزيكي ساخته مي شود.
اين پرينترهاي 3 بعدي به طراح اجازه مي دهد تا به جاي تصاوير دو بعدي، سريع تر به نمونه هاي محسوس طرحشان دسترسي داشته باشند. همچنين مدلهايي استفاده هايي متعدد مي توانند داشته باشند: آنها به عنوان يك وسيله بصري عالي، باعث سهولت ارتباط بين همكاران و يا مشتري ها مي شوند علاوه بر اين از نمونه ها مي توان براي تست طرح استفاده كرد. براي مثال يك مهندس هوافضا براي اندازه گيري نيروها در تونل باد نياز به مدل دارد.
طـراح ها هـميشه از مدل اسـتفاده مي كنند. RP به آنها اين امكان را مي دهد كه سريع تر و ارزان تر و دقيق تر نمونه را بسازند.
علاوه بر ساخت نمونه و روش هاي RP براي ساخت ابزار (Rapid tooling) و حتي ساخت قطعات (Rapid manufacturing) استفاده مي شوند. براي تعداد كم و اشياء پيچيده RP اغلب بهترين روش ساخت موجود است.
البته واژه سريع نسبي است، اكثر نمونه ها به زمان ساخت 3 تا 72 ساعت نياز دارند، كه بستگي به اندازه و پيچيدگي آنها دارد. اين ممكن است كند به نظر برسد ولي در مقايسه با هفته يا ماه ها كه در اكثر روش هاي ديگر از قبيل ماشينكاري براي ساخت نمونه صرف مي شود، سريع تر مي باشد. اين كاهش زمان به سازنده اجازه مي دهد كه محصولات را سريع تر و ارزان تر به بازار ارائه كند.
حداقل شش تكنيك RP در دسترس است كه هر كدام نقاط ضعف و قوت منحصر به فردي دارند، چون تكنولوژي RP، به صورت روزافزون در كاربردهايي به غير از نمونه سازي استفاده مي شود، از آن به عنوان Computer Automated manufacturing يا Layered Manufacturing يا Solid Free-From Fabrication (S.F.F) يا Solid Free Form Manufacturing ياد مي شود.
Layered Manufacturing: به طور خاص پروسه هايي را كه در همه تكنيكها استفاده مي شود، بيان مي كند. توسط يك
نرم افزار، مدل CAD به لايه هاي نازكي «حدود m 1/0» برش خورده و هر لايه بر روي لايه ديگري قرار مي گيرد.
RP يك روش افزايشي (Additive) است، كه لايه هايي از كاغذ، واكس يا پلاستيك را براي توليد يك قطعه جامد با هم تركيب مي كنند. اين درست برخلاف روش هاي ماشينكاري قديمي «تراشكاري، فرزكاري، سنگ زني و …» است كه روش هاي Subtractive هستند كه در آنها براي درست كردن قطعه، موازد از يك بلوك برداشته مي شوند.
طبيعت روش هاي افزودني RP آن است كه مي توان با آنها اجسامي با سطوح داخلي پيچيده ساخت كه نمي توان توسط هيچ روش ديگري توليد كرد.
البته RP روش كاملي نيست، حجم قطعه بسته به نوع ماشين RP به m3 125/0 يا كمتر محدود مي شود. ساخت نمونه هاي فلزي مشكل است كه تصور مي شود اين مشكل در آينده نزديك برطرف مي شود.
براي قطعات فلزي، توليد بالا يا قطعات ساده، تكنيكهاي ساخت مرسوم معمولاً اقتصادي تر هستند. اگر از محدوديت هاي ذكر شده بالا بگذريم، بايد گفت RPتكنولوژي است كه در پروسه هاي ساخت انقلابي ايجاد كرده است.
2- پروسه هاي پايه Basic Process
با وجود اينكه چندين روش RP وجود دارد ولي در تمامي آنها پنج مرحله زير مشترك است:
ايجاد مدل CAD از طرح
تبديل مدل CAD به فرمت STL
برش فايل STL به لايه هاي نازك
ساخت مدل به صورت لايه هاي روي يكديگر
تميز كردن و پرداخت مدل
ايجاد مدل CAD: ابتدا جسم توسط يك نرم افزار CAD مدل سازي مي شود، مدل سازي هاي Solid از قبيل Pro Engineer نسبت به مدل سازي هاي Wire Frame از قبيل اتوكد، اشياء سه بعدي دقيق تري مدل مي كنند، كه در نهايت به بهتر شدن نتايج مشخص مي شود.
تبديل به فرمت STL: نرم افزارهاي CAD مختلف، از الكوريتم هاي متفاوتي براي ارائه جسم سه بعدي
استفاده مي كنند، براي ايجاد سازگاري، فرمت STL (استريوليتوگرافي، اولين روش RP) به عنوان فرمت استاندارد صنعت RP پذيرفته شده است. بنابراين گام بعدي تبديل فايل CAD به فرمت STL مي باشد، اين فرمت سطح سه بعدي را به وسيله مجموعه اي از مثلث هاي صفحه ارائه مي كند. چون فايل هاي STL از المانهاي صفحه اي استفاده مي كنند، قادر نيستند سطوح منحني را دقيقاً ارائه كنند، با افزايش تعداد مثلثها تقريب بهبود مي يابد، ولي اين كار منجر به افزايش حجم فايل مي شود، فايل هاي بزرگ و پيچيده به زمان بيشتري براي پيش پردازش و ساخت نياز دارند، در نتيجه طراح بايد در توليد يك فايل STL بين دقت و مديريت پذيري تعادل ايجاد كند. چون فرمت STL جهاني مي باشد، اين مرحله نيز در ميان تمامي روش هاي RP مشترك است.
برش فايل STL: در گام سوم، برنامه پيش پردازش فايل STL را براي ساخت آماده مي كند، چندين برنامه موجود است كه در هر كدام به استفاده كننده، اجازه داده مي شود تا اندازه (size)، مكان (location) و جهت مدل (orientertion) را تنظيم كند. جهت دهي مدل به چند دليل مهم است: اول آنكه خواص مدل در جهات مختلف، متفاوت است، به عنوان مثال نمونه ها معمولاً در جهت Zضعيف تر و كم دقت تر مي باشند، علاوه بر اين، جهت دهي قطعه تا حدي زمان لازم براي ساخت مدل را مشخص مي كند، قرار دادن ابعاد كوتاهتر در جهت Z منجر به كاهش تعداد لايه ها در اين جهت مي شود، كه در نهايت باعث كاهش زمان ساخت مي گردد.
بسته به تكنيك مورد استفاده، نرم افزارهاي پيش پردازش مدل STL را به لايه هايي با ضخامت 01/0 تا 7/0 ميلي متر برش مي زنند. اين برنامه ها ممكن است براي توليد يك سازه جايي به عنوان تكيه گاه مدل، در زمان توليد نيز در نظر بگيرند.
تكيه گاه ها براي قسمتهاي ظريف و نازك شبيه به قسمتهاي آويزان، حفره هاي داخلي و قسمتهايي كه در آنها ديواره نازك است مفيد مي باشند. هر سازند
ماشين RP نرم افزار پيش پردازش مخصوص به خود را ارائه مي كند.
ساخت لايه به لايه: گاه چهارم، ساخت واقعي قطعه است. با استفاده از روش هاي RP، ماشين RP در هر بار يك لايه از پليمر، كاغذ يا پود فلز را مي سازد. اكثر ماشين ها خودگردان «اتومات» بوده و نياز كمتري به مداخله انسان دارند.
تميزكاري و پرداخت: گام نهايي است كه شامل برداشتن نمونه از ماشين و جدا كردن هرگونه، تكيه گاه است، بعضي از مواد حساس به نور، بايد قبل از استفاده پخته شوند، ممكن است نمونه به تميز كردن جزئي و پرداخت سطح نيز، نياز داشته باشند.
ماسه زني «sanding» آب بندي و درزبندي (sealing) و يا رنگ كاري باعث مي شود مدل داراي ظاهر و دوامي بهتر باشد.
3- روش هاي RP:
اكثر ماشين هاي RP تجاري موجود از يكي از 6 روش ذكر شده استفاده مي كنند:
استريوليتوگرافي: استريوليتوگرافي به عنوان انقلاب RP به سال 1986 برمي گردد، در اين روش با در معرض قرار دادن پليمرهاي مايع حساس به نور، در مقابل نور ماوراء بنفش، جسم جامد تشكيل مي شود. همان طور كه در شكل زير ملاحظع مي شود، مدل روي صفحه اي (Plat Form) كه دقيقاً زير سطح اپوكسي مايع يا رزين آكريلات (acrylate) موجود در ظرف مايع است، ساخته مي شود. توسط ليزر كم قدرت باتمركز بالا، لايه اول ترسيم مي شود كه باعث مي شودسطح مقطع مدل تبديل به جامد شود. در حالي كه سطوح اضافي به صورت مايع باقي مي ماند. سپس توسط يك آسانسور، صفحه به داخل مايع پايين مي رود، سپس توسط يك جاروب كننده، لايه جامد شده، مجدداً پوشانده مي شود و مجدداً ليزر لايه دوم را روي لايه اول تشكيل مي دهد براي موقعيت دهي نور ليزر از دو آينه عمود بر هم استفاده مي شود كه توسط سرد كنترل و گالوانومتر تنظيم مي شوند، اين پروسه تا كامل
شدن نمونه ادامه مي يابد. پس از آن قطع جامد از وان برداشته شده و مايع اضافي آن شسته مي شود، تكيه گاه ها از مدل جدا شده و مدل در اجاق ماوراء بنفش قرار مي گيرد تا پخت كامل شود.
ماشين هاي استرليتوگرافي (SLA) از سال 1988 توسط كمپاني 3D-System ساخته شده اند و اين كمپاني به عنوان رهبر اين صنعت بوده و بيشتر از هر كمپاني ديگري از اين نوع دستگاه ها ساخته است. نمونه هاي اوليه استريوليتوگرافي شكننده بودند و در اثر پخت تمايل به پيچش و اعوجاج داشتند ولي اصلاحات اخير تا حد زيادي اين مشكل را برطرف كرده است.
مزاياي اين روش:
پايداري سيستم، پروسه به صورت اتوماتيك انجام شده و نياز به دخالت اپراتور نمي باشد.
دقت ابعادي خوب 1/0 + ميلي متر
صافي سطح خوب: البته در روي ديواره هاي جانبي و سطوح منحني، آثار پله را مي توان مشاهده كرد، ولي سطح روي قطعه داراي صافي سطح خيلي خوبي است.
داراي پردازش بالا بوده و قادر به ساخت قطعاتي با پيچيدگي بالا است.
شركت 3D-System نرم افزاري به نام (Quick cast) براي ساخت قطعات توخالي ارائه كرده است كه مي توان از آن مستقيماً به عنوان الگو در روش ريخته گري مومي استفاده كرد.
اين روش بيشتر از ساير روش ها استفاده شده است و جا افتاده تر است.
معايب اين روش:
پيچش و تابيدگي قطعه: گاهي اوقات رزين آب جذب مي كند كه منجر به پيچش و تابيدگي مي شود، خصوصاً در نقاط نسبتاً نازك
هزينه نسبتاً بالا دستگاه: 200 تا 500 هزار دلار آمريكا، ولي پيش بيني مي شود كه اين قيمت با كاربرد بيشتر روش كاهش يابد.
رنج محدود مواد قابل استفاده: تنها از رزين هاي قابل پخت با نور مي توان استفاده كرد.
مرحله پخت بعد از ساخت: در اكثر موارد قطعه داخل وان پخته نمي شود و معمولاً يك مرحله پخت بعد از ساخت نياز دارد.
هزينه نگهداري و ساخت بالا: رزين و تفنگ ليزر خيلي گران است. سنسورهاي نوري بايد مرتب تنظيم شوند كه نسبتاً گران است. «يك گالن متوپليمر 300 تا 550 دلار است بستهب ه نوع دستگاه به 78 تا 67 گالن نياز است كه كل آن به 2340 تا 2730 دلار براي هر بار پر كردن مخزن پليمر مي شود. همچنين هزينه جايگزين تفنگ ليزر 9200 تا 25000 دلار آمريكا است».
در اكثر رزين هاي مايع از آكرليك استفاده شده است كه باعث سوزش چشم يا اثرات كمي ديگر مي شود، بعضي از اين رزين ها ممكن است سرطانزا باشند.
نياز به تكيه گاه هاي متفاوت
كاربردها:
ساخت مدل هاي مفهومي
تست مونتاژ و تداخل وبرنامه ريزي پروسه
به عنوان مدل در ريخته گري مومي
2- ساخت اشياء لايه به لايه Laminated object Manufacture
در اين روش كه توسط كمپاني Helisys توسعه يافته است، مواد به صورت ورقه هايي با پوشش چسبنده به صورت لايه به ليه به يكديگر چسبيده و نمونه در نهايت تشكيل مي شود. مواد اوليه شامل كاغذي است كه با چسب آغشته شده و روي قرقره هايي پيچيده شده است، چسب مذكور در اثر حرارت فعال مي شود. همان طور كه در شكل زير نشان داده شده است، يك مكانيزم تغذيه كننده/ جمع كننده «Collecter/Feeder» ورقه را روي صفحه يا PlatForm مي گسترانند، در حالي كه پايه از كاغذ ساخته شده است و دو طرف آن نوار فوم قرار دارد سپس يك غلطك گرم با اعمال فشار كاغذ را به پايه مي چسباند. خطوط مرزي لايه اول در كاغذ توسط ليزر بريده مي شود. «از ليزر CO2 استفاده مي شود» و سپس سطح اضافي توسط ليزر هاشور زده مي شود «فضاي منفي نمونه». هاشور باعث شكستن مواد اضافي مي شود كه باعث ساده تر شدن ماده
در طي مرحله پس از ساخت مي شود. در طي ساخت، مواد اضافي به عنوان تكيه گاه قسمتهاي آويزان و ديواره هاي نازك عمل مي كنند. پس از اينكه اولين لايه بريده شد، صفحه پايه به سمت پايين حركت و مواد تازه به كار مي رود. مجدداً صفحه پايه به كمي پايين تر از ارتفاع قبلي بالا مي رود و غلطك گرم، لايه دوم را به لايه اول مي پسباند و سپس ليزر لايه دوم را به لايه اول مي پسباند، اين مراحل تا كامل شدن قطعه ادامه مي يابد و در نهايت قطعه داراي بافتي شبيه چوب مي شود. چون مدل از كاغذ ساخته شده است بايد آببندي شود و رنگ زده شود.
كمپاني Helisys ورقه هايي از جنس پلاستيك، كاغذ پس زننده آب، سراميك و پودر فلز را نيز مورد استفاد ه قرار مي دهد. قطعه توليد شده توسط نوارهاي پودر فلز براي استحكام بيشتر بايد پخته شود.
مزاياي اين روش:
1- سرعت نسبتاً بالايي دارد، چونكه ليزر تنها مرز قطعه را اسكن مي كند و لازم نيست كه كل سطح مقطع را اسكن كند.
2- قطعه پس از ساخت بلافاصله قابل استفاده بوده و نياز به پخت پس از ساخت ندارد.
3- نياز به تكيه گاه نبوده و مواد لايه هاي قبل به عنوان تكيه گاه استفاده مي شوند.
4- به سادگي مورد استفاده قرار مي گيرد.
معايب اين روش:
1- گرچه موادي از قبيل كاغذ، پلاستيك، سراميك و كامپوزيت ها توانايي استفاده در اين روش را دارند ولي در حال حاضر بيشتر از كاغذ استفاده مي شود و ساير مواد در مرحله توسعه مي باشند.
2- قطعات ساخته شده به سرعت رطوبت را جذب مي كنند، در نتيجه بلافاصله پس از ساخت بايد به اپوكسي مخصوص مثلاً Lompoxy آغشته شوند.
3- گرچه غيرممكن نيست، ولي برداشتن مواد اضافي «فضاي منفي نمونه» از داخل خيلي مشكل است و در نتيجه براي ساخت قطعات تو رفته و مقعر استفاده نمي شود.
4- وقتي محفظه خيلي گرم باشد، خطر آتش سوزي وجود دارد.
3- سينتر انتخابي توسط ليزر Selective Laser Sintering (SLS)
اين روش توسط كارل ديكارد در دانشگاه تگزاس در سال 1989 ارائه شد و سپس توسط شركت DTM گسترش يافت.
در اين روش كه در شكل نمايش داده شده است ذرات پودر از قبيل نايلون، الاستومر و يا فلز به صورت انتخابي توسط ليزر در يكديگر نفوذ كرده و جسم جامد را ايجاد مي كنند. قطعات بر روي صفحه پايه اي ساخته مي شوند كه دقيقاً زير پودر قابل نفوذ با حرارت مي باشد. ليزر الگوي لايه اول را دنبال مي كند و باعث زينتر اين لايه مي شود. سپس صفحه به اندازه ارتفاع لايه بعدي به پايين آمده و پودر مجدداً شارژ مي شود. اين پروسه تا كامل شدن قطعه ادامه پيدا مي كند. پودر اضافي هر لايه در زمان ساخت به عنوان تكيه گاه عمل مي كند.
ماشين هاي SLS توسط شركتهاي TX, Austin, DTM توليد مي شوند
شرايط محفظه فرآيندب ه دقت كنترل مي شود، دماي اين محفظه همواره بايد زير نقطه ذوب باشد، براي جلوگيري از اكسيداسيون پودرها در دماي بالا، محفظه پر از نيتروژن است. ليزر دماي ذرات پودر را تا زير نقطه ذوب بالا مي برد و در نتيجه ذرات پودر در هم نفوذ مي كنند.
مزاياي اين روش:
توليد قطعات محكم تر نسبت به ساير روش ها
رنج متنوع تر مواد مورد استفاده شامل: پلاستيك، واكس و فلز و سراميك و …
قطعات در زمان كوتاهي (معمولاً با سرعت بيش از 1 اينچ در ساعت) ساخته مي شوند.
به مرحله پخت پس از ساخت نياز نيست.
به تكيه گاه نياز نيست.
معايب اين روش:
پودر بايد قبل از پروسه ساخت به دماي زير نقطه ذوب برسد كه حدود 2 ساعت طول مي كشد. پس از ساخت قطعه بايد حدود 5 تا 10 ساعت قبل از برداشتن قطعه براي سرد شدن آن صبر كرد.
صافي سطح قطعه به اندازه پودر و نقطه ليزر محدود شده است كه باعث متخلخل شدن سطح مي گردد، تنها به وسيله مراحل پس از ساخت مي توان به سطحي صاف دست يافت.
محيط پروسه بايد همواره پر از نيتروژن باشد تا عمل زينتر به خوبي انجام شود كه هزينه عمليات را افزايش مي دهد.
گازهاي سمي ايجاد مي شود كه در محيط منتشر مي شود.
استفاده از مواد مختلف، احتياج به پروانه هاي جداگانه دارد.
كاربردها:
نمايش بصري
تست عملكرد
استفاده براي ساخت ابزار نرم (Soft tooling)
ساخت الكترود براي EDM و الگو براي ريخته گري
ساخت مستقيم قالب فلزي
توليد به مقدار كم
Fused Deposition Modeling (FDM)
در اين روش، الياف ترموپلاستيك كه تا حالت نيمه مايع گرم شده اند از طريق نوك وسيله اي كه در جهت xyاسكترود مي شوند. شبيه آرايش دادن يك نانوا. سر اكستروژن دانه هاي خيلي نازك مواد را روي صفحه پايه به عنوان لايه اول ته نشين مي كند، صفحه پايه پايين آمد، سر اسكتروژن لايه بعدي را روي لايه اول تعه نشنين مي كند. تكيه گاه ها در طي مسير ساخته مي شوند، كه توسط ماده ضعيفتر يا يك پيوند سوراخدار به قطعه متصل مي شوند ضخامت لايه ها حدود 127/0 ميلي متر است. جنس صفحه پايه از فوم يا آكريليك مي باشد. اين روش اولين بار توسط شركت Stratasys ارائه شد.
اين شركت، رنج گسترده اي از ماشين هاي FDM رااز مدلسازي مفهومي تا ماشين هاي دقت بالا مي سازد. مواد مورد استفاده شامل ABS «درگريدهاي استاندارد پزشكي»، الاستومر، پلي كربنات، پلي فنل سولفان و واكس ريخته گري مومي مي باشد.
مزاياي اين روش:
سيستم هاي ساخت روميزي قابل استفاده در محيط اداري بدون انتشار گازهاي سمي و شيميايي
پروسه تميز و ساده بوده و به راحتي قابل استفاده است.
ساخت قطعات شبيه به بطري سا قطعات توخالي
مواد به صورت قرقره مورد استفاده قرار مي گيرند و در يك دقيقه اكان تعويض آنها وجود دارد.
مواد از لحاظ اقتصادي مناسب بوده و قطعات نمونه زير 20 دلار آمريكا ساخته مي شوند.
رنج مواد مورد استفاده گسترده بوده كه قبلاً ذكر گرديد.
معايب اين روش:
دقت نسبتاً پايين بوده و ساخت قطعات پيچيده مشكل است.
استحكام قطعات در جهت عمودي (Z) ضعيف است.
سرعت ساخت قطعات توپر كم است.
كاربردها:
مدلسازي مفهومي
تست عملكرد و شكل ظاهري قطعات
ساخت الگو براي ريخته گري مومي
مواد M-ABS براي كاربردهاي پزشكي خاص
Solid Ground Curing (SGC)
اين روش توسط شركت CUBITAL ارائه شد. SGC از اين نظر كه از نور ماوراء بنفش براي سخت كردن پليمرهاي حساس به نور استفاده مي كند، شبيه استريوليتوگرافي مي باشد ولي برهلاف SLA، در اين روش كل لايه در يك زمان پخته مي شود. شكل زير روش SGC را كه به پروسه Solider معروف است نشان مي دهد. در اين روش ابتدا رزين حساس به نور روي پلت فورم اسپري مي شود. سپس، ماشين يك ماسك نوري از لايه اي كه بايد ساخته نشود، ايجاد مي كند. اين ماسك نوري روي صفحه شيشه اي بالاي پلت فرم با استفاده از پروسه الكترواستاتيكي ايجاد مي شود كه مشابه فرآيند فتوكپي است ماسك سپس در معرض نور UV قرار مي گيرد و نور از قسمتهاي شفاف آن عبور مي كند و در نتيجه به صورت انتخابي قسمتهايي از لايه جاري سخت مي شود. پس از پخت لايه جاري، ماشين

فایل : 19 صفحه

فرمت : Word