فرایندهای تولید افزایشی (Additive Manufacturing)

بروز‌رسانی‌شده در آبان 17, 1401

فرایند های تولید افزایشی

فرایند های تولید افزایشی(Additive manufacturing) که به پرینت سه بعدی شهرت یافته اند در واقع روش تولیدی هستند که در آن هر لایه از قطعه تحت کنترل کامپیوتر شکل می گیرد. این قطعات میتواند از هر مدل دیجیتالی (Additive manufacturing Files,STL,…)  و به هر هندسه ای که مورد مطلوب است تولید شوند . البته پسوند STL  مرسوم ترین فرمتی است که برای ماشین های تولید افزایشی قابل خواندن است. برخلاف فرایندهای کاهشی(ماشینکاری سنتی) فرایندهای تولید افزایشی یا پرینت سه بعدی قادر به ایجاد یک قطعه از مدل سه بعدی (CAD) به صورت لایه به لایه هستند یعنی لایه ها دارای سطح مقطع و ضخامت است که هر ماشین در چگونگی ایجاد لایه ها ، نحوه اتصال انها متفاوت عمل می کند که در محل مناسب خود مفصل بدان خواهیم پرداخت.

فرایندهای افزایشی بر اساس ساختار ماشین و فناوری مورد استفاده طبق استاندار‌های ASTM F42 و ISO TC 261 طبقه بندی شده است.

طبقه بندی روشهای تولید افزایشی

پلیمریزاسیون توسط نور (Vat Photo-polymerization)

• (Stereolithography (SLA
• (Digital light processing (DLP
• (Continuous light processing (CDLP

اکستروژن مواد Material Extrusion

• (Fused Deposition Modelling (FDM

پاشش ماده Material Jetting

• (Material jetting (MJ
• (Nanoparticle jetting (NPJ
• (Drop on demand (DOD

پاشش چسب Binder Jetting

•  Binder Jetting

زینتر شدن پودر مواد مختلف تحت تابش یک منبع انرژی قوی   Powder Bed Fusion

• (Multi Jet Fusion (MJF
• (Selective laser Sintering (SLS
• (Direct Metal Laser Sintering or Selective laser Melting (DMLS/SLM
• (Electron Beam Melting (EBM

لایه نشانی مواد با استفاده از یک منبع انرژی مستقیم Directed Energy Deposition

• (Laser Engineering Net Shape (LENS
• (Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM

لایه‌نشانی Sheet Lamination

• (Laminated Object manufacturing (LOM

تولید افزایشی یکی از اتفاقاتی ست که از آن به عنوان انقلاب صنعتی چهارم یاد می کنند گرچه این روش مزایای فراوانی نسبت به تولید سنتی دارد ولی هنوز در ابتدای راه خود قرار دارد.

مزایای تولید افزایشی

سرعت

یکی از اصلی ترین مزایای تولید افزایشی سرعت بالای تولید در مقایسه با روشهای سنتی در تولید قطعات تک با پیچیدگی بالا می باشد، به طوریکه در فرایند های تولید افزایشی برای تولید یک طرح پیچیده حتی با زوایای منفی فقط کافیست مدل سه بعدی آن را آپلود و در کسری از ساعت قطعه را اصطلاحا پرینت کنیم.

تولید تک مرحله ای (Single step manufacture)

تولید نزدیک به طراحی( ایجاد اندازه اسمی یا محدوده تلرانس) یکی از بزرگترین نگرانی های طراحی و تولید بوده بنابراین برای هر قطعه با هندسه جدید این نگرانی وجود دارد که اندازه های طراحی شده حاصل نشوند همچنین اکثر قطعات نیازمند مراحل مختلف تولید هستند و هر قسمت از قطعه باید در موقعیتی خاص گیره بندی شود تا فقط یک مرحله خاص از فرایند(به  عنوان مثال ماشینکاری روی سه صفحه X,Y,Z) انجام شود، که در این صورت دقت قطعه در هر مرحله متاثر از مراحل قبل از خود خواهد بود.

در شکل زیر مراحل تولید یک براکت فلزی ساده به دو روش تولید افزایشی و سنتی نشان داده شده است.

مراحل تولید یک براکت به دو روش سنتی و پرینت سه بعدی

هزینه

به طور کلی هزینه های تولید به سه قسمت هزینه های ماشین آلات، مواد و نیروی کار قابل تقسیم است.

هزینه های ماشین آلات:  صفحه دسکتاپ اکثر پرینت های سه بعدی مصرفی به اندازه یک لپ تاپ دارند. مصرف انرژی اکثر پرینترهای صنعتی برای تولید یک قطعه بسیار بالاست ولی با این وجود تولید یک قطعه پیچیده در یک مرحله میزان بازدهی آن را افزایش می دهد و نسبت به روش سنتی توفق دارد. البته هزینه ماشین در تولید در مقابل دیگر هزینه ها به دلیل ثابت بودن معمولا کمتر است.

هزینه مواد : هزینه مواد در فرایند های افزایشی کاملا به نوع تکنولوژی مورد استفاده بستگی دارد به عنوان مثال کویل نواری مورد استفاده در پرینترهای FDM  25دلار در هر کیلو می باشد در حالیکه رزین مورد نیاز فرایند SLA  حدود 150دلار در هر لیتر می باشد. بازه گسترده مواد مورد استفاده در فرایندهای افزایشی انجام مقایسه با فرایند های سنتی را دچار مشکل می کند. پودر نایلون استفاده شده در SLS تقریبا 70دلار در هر کیلو می باشد این در حالیست که قرص نایلون استفاده شده در قالب تزریق 2 تا 5 دلار می باشد. هزینه مواد مهمترین قسمت از هزینه های تولید به روش افزایشی می باشد.

هزینه نیروی کار: یکی از بزرگترین مزیت های فرایندهای تولید افزایشی کم بودن هزینه نیروی کار در قیاس با روشهای سنتی است.

جدا از پس پردازش نهایت نیروی مورد نیاز یک نفر برای فشار دادن یک دکمه است. در مقام مقایسه با تولید سنتی تقریبا هزینه نیرو در تولید افزایشی صفر می باشد در حالیکه در فرایند های سنتی همیشه به یک ماشینکار حرفه ای نیاز است. البته این اتفاق زمانی می افتد که تولید تکی مد نظر باشد مثلا نمونه سازی.

کاهش ریسک

برای تولید یک نمونه هزینه و پول صرف می شود و حتی یک تغییر کوچک در قالب یا تولید می تواند تاثیر بسیار بزرگی روی هزینه ها داشته باشد. راستی آزمایی یک نمونه قبل از تولید بسیار حیاتی و مهم است تا مشکلات تولید و کارکرد مربوط به قطعه مرتفع گردد. این راستی آزمایی در فرایندهای سنتی قابل اجرا نیست و فقط باید در طراحی لحاظ شوند. این اتفاق موجب می شود که قبل از سرمایه گذاری روی تجهیزات گرانقیمت تولید(ابزار،قالب،جیگ…) ریسک را از فرایند نمونه سازی حذف کرد. نمونه سازی با روشهای تولید افزایشی اطمینان قبل از سرمایه گذاری و تولید انبوه را رقم می زند.

آزاد از پیچیدگی طراحی

محدودیت های تحمیلی از هندسه قطعه در فرایندهای سنتی، که چگونه و به چه روشی ساخته می شود در فرایندهای افزایشی وجود ندارد، چراکه تمام لایه ها و شرایط طراحی نظیر زاویه منفی، برشهای زیرین و … بدون در نظر گرفتن اعمال می شوند این در حالیست که تمام مباحث مربوط به توانایی تولید در فرایندهای کاهشی باید در نظر گرفته شوند.

پرینت قطعات با پیچیدگی بالا

 سفارشی سازی

نه تنها اعمال پرینت سه بعدی آزادی عمل در طراحی را به دنبال دارد بلکه اجازه طراحی و ساخت قطعات کاملا سفارشی را نیز مهیا می کند، چراکه فرایندهای تولید افزایشی به طور اخص برای تولید یک قطعه با زمان ثابت تکامل یافته اند و کاملا مناسب برای تولیدات تکی محسوب می شوند. این تعریف مشمول محصولاتی ست که، فقط به صورت سفارشی و مختص هر فرد به طور جداگانه استفاده می شوند بکار می رود مانند پروتزهای پزشکی و دندانپزشکی، ایمپلنتها وحتی برخی تجهیزات ورزشی که باید با فیزیک بدنی ورزشکار مناسب باشد. فرایندهای تولید افزایشی بسیار مناسب و مقرون به صرفه برای تولیدات تکی محسوب می شوند.

هدفون های متنوع ساخته شده بوسیله پرینت سه بعدی

دسترسی آسان

از آغاز بکار فرایندهای تولید افزایشی در حدود سی سال می گذرد اما بیشترین رشد مربوط به این حوزه در پنج سال گذشته اتفاق افتاده است که منجر به ورود تعداد بسیار زیادی از پرینترهای سه بعدی به صنعت ساخت و تولید شده است و به طور فزاینده ای دسترسی طراحان و صنعتگران به این تکنولوژی را آسان کرده است. در شکل زیر تعداد پرینترهای فروخته شده ی کمتر از 5000دلار تا سال 2015 نشان داده شده است.

پرینترهای سه بعدی زیر 5000$ فروخته شده تا سال 2015

پایداری

فرایندهای کاهشی نظیر تراش و فرز بسته به هندسه قطعه حجم قابل توجهی از قطعه خام جدا میکنند که این موجب هدر رفتن منابع می شود. فرایندهای افزایشی عموما فقط به اندازه ای مورد نیاز همان قطعه از مواد اولیه استفاده می کنند. اکثر فرایندهای افزایشی از مواد بازیافت شده استفاده می کنند که کمترین هدر رفت منابع را به دنبال دارد.

پایه موبایل ساخته شده از مواد بازیافتی فیبر چوب

منبع : مهندس حرفه ای