بررسی روشهای نمونه سازی سریع – بخش دوم

بررسی روش های نمونه سازی سریع – بخش دوم

این روش اولین بار درسال ۱۹۹۸ توسط شرکت ۳D معرفی شد. سیستم مربوطه دارای یک برنامه نرم افزاری به نام Slicer می باشد که لایه هایی به ضخامت ۱۲۷, ۰ تا ۰,۰۰۵ میلیمتر را تولید می کند. دستگاه SLA شامل یک حمام photo Polymer پلیمر حساس به نور شدید است که هنگام برخورد لیزر جامد می شود, سیستم های مکانیکی دراین دستگاه حرکت لیزر در صفحه y,x و محور Z را برای ساخت لایه ها امکان پذیر می کند. در این فرآیند از طریق تابانیدن پرتو لیزری به سطح مقطع ترسیم شده قطعه در حال ساخت (سطح پلیمر مایع), آن لایه نازک از پلیمر مایع به حالت جامد در می آید هر لایه توسط لیزر جامد می شود تا در نهایت قطعه مورد نظر ایجاد شود حسن این روش اینست که قطعات تو خالی و دارای هندسه بسیار پیچیده را می توان با آن تولید کرد.

یکی از معایب این دستگاه این است که مدل ایجاد شده ترد و شکننده است و تحمل نیروی زیاد را ندارد و اینکه قطعه نمونه ایجاد شده از مواد اصلی قطعه نهایی نمی باشد. قیمت دستگاه بسته به ابعاد مدل۱۰۰-۴۵  دلار است. از طرف دیگر مدل ایجاد شده به دلیل اینکه لایه به لایه ایجاد می شود سطوح صاف ایجاد نمی کند بلکه پله پله می شود که در مرحله بعد عملیات پرداخت کاری باید روی آ ن انجام گیرد. مدل ایجاد شده را می توان به عنوان مدل اصلی در قالب های پلاستیکی سیلیکونی به کاربرد تا قطعه ای با سطح صاف و جنس اصلی داشته باشیم.به عبارتی در این سیستم , با به کارگیری تابش پرتوی از لیزر برروی پلیمر مذاب اولین لایه مدل فیزیکی سه بعدی از جنس مواد پلیمری ساخته می شود . مدل های ساخته شده در مراحل بعد قابلیت چسب کاری, سنگ زنی, سوهان کاری, پولیش کاری و پوشش های رزینی را دارند به همین دلیل احساس واقعی از حجم و شکل هندسی قطعه به طراح می دهند.علاوه بر این مدل فوق را می توان در مجموعه مونتاژی مورد بررسی و آزمون و ارزیابی قرار داد.
یک دستگاه استریولیتوگرافی از داده های مدلCAD  که به سطو ح مقطع خیلی باریک قاچ
بندی شده اند استفاده می کند . منبع لیزر انرﮋی پایین هلیوم- کادمیوم تولید می کند که در بالای سطح یک پاتیل رزین فتوپلیمر به وسیله یک سیستم نوری که دارای آینه های دینامیک می باشد و یه وسیله کامپیوتر کنترل می شود حرکت داده می شود و به نقاط مورد نظر تابانده می شود و لیزر مایع فتوپلیمر را به حالت جامد در می آورد. بدین ترتیب سطح مقطع چاپ شده با دقت بالائی سخت می گردد و سپس یک سیستم بالا بر عمودی,لایه شکل گرفته جدید را پایین می آورد به طوری که به ضخامت یک لایه پایین تر از سطح رزین قرار بگیرد سطوح مقطع هر کدام به صورت مسلسل وار تولید شده و به لایه پایین تر از خود می چسبد و جسم لایه به لایه تولید می شود لذا در این روش شکل قطعه از پایین به بالا ساخته می شود. پس از اینکه آخرین لابه ساخته شد, قطعه از دستگاهSLA  برداشته می شود و برای کامل شدن فرآیند پلیمریزاسیون, تحت نور ماوراء بنفش (UV)با شدت بالا قرار می گیرد. و سپس مراحل کار روی قطعه به وسیله روش هایی مانند سمباده زدن,ماسه زنی, نقاشی یا رنگ زنی پرداخت انجام خواهند شد.

مراحل فرآیند استریولیتو گرافی SLA

  • تهیه مدل
    همانطور که مشاهده می شود اولین قدم طراحی و آماده سازی مدل توپر قطعه (Solid Model)با استفاده از یک نرم افزارCAD می باشد. البته مدل مورد نیاز می تواند در بعضی موارد مدل سطح هم باشد, اما به دلیل نیاز قطعات پیچیده به مختصات دقیق سه بعدی ,مدل توپر ترجیح داده می شود . چون برای سیستم SLA باید مفاهیم واضحی از مرزها و سطوح جسم ارائه گردد بنابراین مدل باید داخل, خارج, و مرزهای جسم را مشخص نماید واضح است که هر چه دقت ساخت مدل کامپیوتری بالاتر باشدSLA  نمونه ای با دقت تر ارائه خواهد داد.در این راستا نرم افزارهای زیادی ساخت و طراحی مدل های توپر را انجام می دهند. همانطور که می دانیم درسیستم  CADسطوح منحنی به وسیله تعداد زیادی از چند ضلعی ها ویا پخ ها جهت کاهش زمان تقریب زده می شوند و هر چه تعداد چند ضلعی ها زیاد تر باشد سطح تقریبا صاف تر خواهد بود ولی زمان ساخت آن افزایش می یابد. در این مرحله,با تهیه مدل رایانه ای , اطلاعات موجود به داده هایی از مقاطع منفرد,تفکیک می گردد با استفاده از همین داده ها در تکنیک نمونه سازی سریع مدل به صورت لایه لایه ساخته می شود از طرفی داده های فوق را می توان از هر نوع نرم افزارCAD  استخراج نمود ( از جمله نرم افزارهای CAD می توان…, SOLD WORKS . CATIA اشاره کرد)این مدل کامپیوتری معمولا به یکی از فرمت هایIGES,VDAFS, STL  تهیه می شود . این داده ها به تنها برای نمونه سازی سریع و قالبسازی سریع به کار می رود بلکه در ساخت قالب و ابزارنهایی برای تولید نیز قابل استفاده هستند.
  • تبدیل مدل CAD به فرمت SLA
    در این مرحله به کمک مدل کامپیوتری, اطلاعات هندسی به داده هایی از مقاطع با لایه های منفرد,تفکیک می گردد با استفاده از همین داده ها جسم به صورت لایه لایه های به ترتیب روی هم قرار گرفته و ساخته می شوند.داده های فوق را می توان از هر نوع نرم افزار CAD استخراج نمود تنها با این فرض که برای انتقال داده های مقاطع استفاده شود. معمولا یک فایل CAD باید جهت تبدیل به فرمت SLA از مترجم CAD بهRPM  عبور داده شود.این مرحله موجبات وارد شدن داده های CAD را به ماشین SLA به شکل یک فایل با فرمتSTL  فراهم می سازد که این فایل به عنوان یک فایل استاندارد برای نمونه سازی سریع معرفی شده است.در نتیجه این عمل سطوح مرزی جسم به صورت مثلث های نازک بسیار زیادی در می آید. البته پسوندSTL  می تواند در میان تبدیل های(Interface) مختلف متفاوت باشد.
  • طراحی تکیه گاهها
    قدم بعدی به وجود آوردن تکیه گاه ها در یک فایل CAD به طورجداگانه می باشد. طراحان ممکن است این کار مهم را به طور مستقیم یا با استفاده از نرم افزار های مخصوص مانند Bridgework انجام دهند. به چهار دلیل در یک فرآیند نمونه سازی سریع از تکیه گاه استفاده می شود.
    ۱- به منظور حصول اطمینان از اینکه پرده تسطیح کننده رزین مایع به پایه ای که در حال ساخته شدن روی آن است به خصوص در مراحل اولیه شروع ساخت قطعه, برخورد ننماید.
    ۲- به منظور حصول اطمینان از اینکه هر لرزش کوچکی در سکو و دستگاه ,مشکلاتی را ضمن ساختن قطعه به وجود نخواهد آورد.
    ۳- به منظور مهیا ساختن روش ساده ای جهت برداشتن قطعه کاری از روی سکو بعد از اتمام کار. قبل از اتمام این مرحله قطعه و تکیه گاه ها نسبت به یکدیگر تنظیم می شوند به طوری که قطعه کاملا در یک چهارم مثبت سیستم مختصاتیz,y,xاز فضای CAD قرار گیرد.
    ۴- به منظور حفظ تعادل قطعات پیچیده ای که در حین ساخت, احتمال افتادن آنها از سکو وجود دارد.
  • قاچ بندی قطعه کار
    در این مرحله, قطعه و تکیه گاه باید در مقطع متعدد برش داده شوند.قطعه توسط کامپیوتر به یک سری لایه های موازی افقی مانند طبقات یک ساختمان بلند مقطع زده می شود. به طوری خلاصه اینکه قطعه از پایین به بالا به چندین مقطع قاچ می شود. همچنین در این مرحله ضخامت لایه ها,روش ساخت مورد نظر, فواصل بین هاشور ها , عمیق پخته شدن, مقدار جبران پهنای خط و فاکتور جبران انقیاض(shrinkage) و جبران قطر اشعه لیزر توسط طراح انتخاب می گردند.
  • ادغام مدلCAD  قطعه و تکیه گاه ها
    در این مرحله چندین قطعه و تکیه گاه هایشان نیز که یک فایل جداگانه دارند، در صورتی که بخواهند به طور همزمان ساخته شوند ترکیب شده و تشکیل یک فایل واحد را می دهند. بدین ترتیب بعد از مدل نمودن چند قطعه, با توجه به حجم آنها و ظرفیت جایگاه ساخت دستگاه استریولیتوگرافی و استفاده از توان کامل دستگاه می توان چند قطعه را به طور همزمان و در روی یک سکو ساخت.
  • تنظیم پارامترهای سیستم SLA
    در مرحله آماده سازی و تنظیم دستگاه , پارامترهای عملیاتی متعددی مانند دفعاتی که پرده تسطیح کننده سطح پلیمر باید در هرلایه سطح مورد نظر را جاروب کند,پریود جاروب کردن سطح مایع پلیمر , مدت توقف محور Z و … انتخاب می شوند.بعد از این مورد , فایل SLI. از روی فایل STL ایجاد می گردد و ترکیب آنها فایل های چهار تایی داده ها را تشکیل می دهد. این فایل ها دارای پسوندهای(Rpm,V.,R.L) هستند. این چهار فایل, اصلی ترین فایل ها برای عملیات نمونه سازی سریع قطعه مورد نظر می باشند.
  • ساخت
    مرحله ساخت هنگامی است که در داخل محفظه دستگاه SLA عمل پلیمریزاسیون رزین آغاز شده و یک قطعه سه (۳D-Prototype) ساخته می شود. در این مرحله با کنترل همزمان ارتفاع سطح رزین و آینه های انعکاس دهنده لیزر مطابق سطح مقطع قاچ مورد نظر,لایه مر بوطه سخت خواهد شد.
  • جدا سازی، تمیز کردن، شستشوی قطعه
    سکو، با قطعه ای که هنوز به آن چسبیده است, اکنون می تواند از روی دستگاه  برداشته شود برایSLA جلوگیری از تماس رزین با دست,معمولا از دستکش های لاستیکی استفاده می شود. بعد از بیرون آوردن قطعه ازدرون پاتیل پلیمر مایع,پایه از قطعه جدا می شود و قطعه درون دستگاه حلال رزین قرارمی گیرد. در نتیجه قطعه از رزین اضافی تمیز گردیده و همچنین جهت زدوده شدن حلال تمیز کننده قطعه از داخل پاتیل با توجه به مشخصات رزین فرق می کند. در این مرحله ار ابزارهای پزشکی(چاقو های لب تیز,قیچی و…)استفاده می شود.
  • پخت نهایی قطعه
    تا اینجا قطعه به صورت جزئی پلیمریزه شده و هنوز خام است و حالت خیس دارد. بیشتر استحکام یک قطعه SLA به زمان نور دهی خوب به وسیله لیزر بستگی دارد. اما جهت کامل شدن فرآیند پلیمریزاسیون و بهبود استحکام مکانیکی نمونه, قطعات باید پخته شوند. عمل پخت توسط تشعشه  پیوسته ماوراء بنفش در یک دستگاه خاص(PCA) انجام می شود.
  • پرداخت قطعه
    بسته به کاربرد مورد نظر, سطوح مختلفی از پرداخت نهائی قطعه ممکن است نیاز باشد. برای تجسم فکری و ارزیابی و مدل سازی,تنها جدا کردن تکیه گاه ها کافی است. برای بهینه کردن و تکرار پذیری و مونتاﮋ، روی مدل باید پرداخت سطح بهتری صورت گیرد و برای این کار روش هایی مانند سمباده زنی دستی و پرداخت با پاشش سریع خورده شیشه و یا ترکیبی از این دو مناسب هستند. در قطعاتی که به عنوان نمونه های تست اصلی استفاده می شوند عملیاتی مانند پولیش کردن, نقاشی کردن,روکش کردن با پاشش فلزبه کار گرفته می شوند. به علاوه برخی رزین هایی که اخیرابه بازار آمده است تحمل چندین عملیات ماشین کاری و پرداخت از قبیل سوراخ کاری,برقوزنی,فرزکاری,…رادارا بوده ولی کلا بسته به کاربرد نمونه تولید شده انتخاب می گردند.
    در شکل ۱ نمونه ای از سیستم دستگاه و در شکل های ۲و ۳نمونه ای از قطعات تولیدی باSLA  نشان داده شده است.

شکل۱

روش های نمونه سازی سریع - SLA

روش های نمونه سازی سریع – SLA

شکل ۲و۳

روش های نمونه سازی سریع - SLA

روش های نمونه سازی سریع – SLA

روش های نمونه سازی سریع - SLA

روش های نمونه سازی سریع – SLA

منبع:

قالبسازی و نمونه سازی سریع
تالیف و ترجمه : سامان خلیل پور آذری وعلی خانجانی
ناشر : ناقوس