مقاله بررسی چالش های پیش روی چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا

بخشی از مقاله

بررسی چالش های پیش روی چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا

چکیده

صنعت هوافضا صنعتی است که سایر افقهای فکری آن را دنبال میکنند. این صنعت سابقهای طولانی در جذب و بکارگیری ابتکارات نوظهور دارد. یکی از این فرآیندهای نوظهور، فرآیند ساخت افزایشی است که پیش بینی میشود انقلابی در صنعت هوافضا ایجاد کند. هوافضا ملزوماتی برای ساخت قطعات دارد که این پروسه را به چالشی جدی میکشاند و باعث پیچیدهتر شدن فرآیند طراحی و ساخت قطعات میشود. قابلیتهای فراوان فرآیند ساخت افزایشی نوید رفع این مشکلات را به ما می-دهد. بطوریکه با استفاده از این فرآیند مشکلات طراحی و ساخت حل شده وقابلیت اطمینان قطعات بالا میرود. با استفاده از این فرآیند قطعات به صورت لایه به لایه تولید میشوند و نیازی به روشهای اتصال دهی که باعث کاهش قابلیت اطمینان قطعات ساخته شده میشوند، وجود نخواهد داشت. همچنین به دلیل عدم وجود اتصالات وزن قطعات نیز کاهش پیدا میکند. البته این فرآیند در صنعت هوافضا با چالشها و دغدغههایی از قبیل استاندارد سازی، ویژگیهای مواد مورد استفاده، کیفیت، ثبات، نحوهی کنترل فرآیند، پرداخت سطح و ابزارهای نرم افزاری مواجه است که در دست تحقیق و بررسی میباشد و پیش بینی میشود با توجه به رشد سریع این فرآیند، با گذشت زمان اندکی این مشکلات نیز برطرف شوند. در این مقاله سعی شده است با استفاده از کلمات کلیدی مناسب یک جستجوی جامع در پایگاههای علمی صورت پذیرد تا با استفاده از یک مرور کلی از مفاهیم و ملزومات طراحی و ساخت در هوافضا و همچنین مبانی فرآیند ساخت افزایشی به بحث در مورد کاربردها و چشم-انداز آیندهی این فرآیند در هوافضا پرداخته شود.

کلمات کلیدی: فرآیند ساخت افزایشی، فرآیند چاپ سه بعدی، فرآیند نمونهسازی سریع، استریولیتوگرافی

مقدمه

فرآیندهای ساخت افزایشی1 که با نامهای چاپ سه بعدی2 و نمونه سازی سریع3 نیز شناخته میشوند، پنجرهی جدیدی به روی طراحی و ساخت نوین باز کردهاند. با این فرآیندها دیگر مهندسین طراح محدودیتی از نظر شکل و نحوهی تولید قطعات نخواهند داشت و مهندسین ساخت نیز میتوانند هرآنچه که طراحی شده است بدون هیچ محدودیتی تولید کنند. قابلیتهای فراوان ساخت افزایشی باعث توجه هر چه بیشتر صنایع حساس از جمله هوافضا4 به این فرآیند شده است. هرچند نقاط ضعفی وجود دارد که مانع از ورود همه جانبهی این فرآیند به صنایع هوایی و فضایی میشود ولی با توجه به پیشرفت سریع و چشمگیر فرآیندهای افزایشی با گذشت زمان اندکی رفع خواهند شد. بیشتر مسائل پژوهشی مطرح در این زمینه به نوع مواد مورد استفاده برمیگردد که بتوانند نیازهای عملی و کاربردی هوافضا را برطرف کنند. لذا مسائل کیفیتی، ثبات در دماهای مختلف، آثار شوک و ارتعاش، وزن و حجم قطعات تولید شده، مورد تحقیق و بررسی هستند. با این وجود بیشتر این مشکلات حل شده و یا با گذشت زمان اندکی رفع خواهند شد.[1]

ساخت افزایشی

اصل اساسی در فرآیند ساخت افزایشی ایجاد یک مدل با استفاده از سیستمهای سه بعدی طراحی 5(3D CAD) است که میتواند بدون برنامه ریزی و طراحی فرآیند بطور مستقیم ساخته شود. فرآیند ساخت افزایشی پروسهی تولید مسقیم اشیا پیچیدهی سه بعدی را با استفاده از دادههای سیستم CAD آسانتر میکند. سایر فرآیندهای تولید نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق و همچنین برنامه ریزی مدون تولید مانند پارامترهای مختلف ساخت، ریز ساختار مواد ساخته شده پس از تولید، استفاده از ابزارآلات مختلف و سایر فرآیندهای تکمیل کاری، دارند. در مقابل فرآیند ساخت افزایشی نیازی به تحلیل و محاسبهی موارد فوق ندارد و فقط با استفاده از دادههای یک برنامهی CAD که جزئیاتی از ابعاد و مقادیر و همچنین مواد و ماشین آلات می-باشد، میتواند عمل تولید را بطور سریع انجام دهد.[2]

فرآیند ساخت افزایشی به روش ایجاد لایههایی با ضخامت کم بر روی یکدیگر که از دادههای نرم افزاری بدست میآیند، ایجاد میشود. به همین دلیل فرآیندهای مختلف ساخت افزایشی بر اساس ضخامت لایهها، نحوهی چینش و اتصال آنها بر روی یکدیگر طبقه بندی میشوند. نمونهای از قطعات طراحی شده در سیستمهای CAD در شکل 1 قابل مشاهده است.[2]

شکل:1 مدل ایجاد شده در سیستم [2] CAD

فرآیند عمومی ساخت افزایشی

فرآیند ساخت افزایشی شامل مراحلی که از طراحی با سیستم CAD آغاز شده و تا محصول فیزیکی ادامه دارد، میشود. برای محصولات مختلف فرآیند ساخت افزایشی به روشهای متعددی مورد استفاده قرار میگیرد اما در حالت کلی این فرآیند دارای 8 مرحله میباشد که در زیر به معرفی و بررسی آنها خواهیم پرداخت.(شکل2](2و[3

مرحلهی :CAD :1 تمامی قطعات تولیدی به روش ساخت افزایشی باید با استفاده از یک مدل سه بعدی که بطور کامل هندسهی قطعه را توصیف میکند، آغاز شوند. این کار را میتوان با اکثر نرم افزارهای حرفهای CAD که میتوانند مدل سازی جامدات را انجام دهند، انجام داد. همچنین میتوان از تجهیزات مهندسی معکوس1 مانند لیزر و اسکن نوری برای ایجاد یک مدل سه بعدی استفاده کرد.[2]

مرحلهی :2 تبدیل فرمت فایل به :STL2 تقریبا تمامی ماشینهای ساخت افزایشی فرمت STL را میپذیرند که عملا به یک استاندارد برای ماشینهای ساخت افزایشی تبدیل شده است و امروزه تقریبا با هر سیستم CAD میتوان به خروجی STL دست یافت. این فایل به توصیف سطوح خارجی مدل اصلی پرداخته و پایهای برای محاسبهی تکهها و لایههای مدل میباشد.[2]

مرحلهی :3 انتقال فایل به ماشین ساخت افزایشی و ایجاد تغییراتی در فایل :STL در این مرحله ممکن است یک دستکاری کلی بر روی فایل STL مانند تغییر موقعیت و جهت گیری برای ساخت قطعه، انجام گیرد.[2]

مرحلهی :4 راه اندازی ماشین: ماشین ساخت افزایشی باید قبل از فرآیند ساخت به درستی راه اندازی شود. راه اندازی شامل تنظیم پارامترهای ساخت مانند فشار مواد، منبع انرژی، ضخامت لایهها، زمان بندی و .... میباشد.[2]

مرحلهی :5 ساخت: مرحلهی ساخت عمدتا یک فرآیند اتوماتیک بوده و ماشین میتواند بدون اپراتور کار خود را انجام دهد. فقط یک پایش و نظارت ظاهری از ملزومات ماشین برای اطمینان از عدم وقوع خطا مانند اتمام مواد، قطعی منبع انرژی و همچنین ایرادات نرم افزاری مورد نیاز میباشد.[2]

مرحلهی :6 پاکسازی و حذفیات: بعد از اتمام فرآیند ساخت افزایشی باید قسمتهایی که اضافه هستند حذف و پاکسازی شوند.[2]

مرحلهی :7 پس پردازش: 1 هنگامی که قطعه از ماشین برداشته میشود ممکن است قبل از استفاده نیاز به یک تمیزکاری و حتی در بعضی مواقع پرداخت سطح داشته باشد. اغلب این کار نیاز به زمان، دقت و تجربهی بالایی دارد.[2]

مرحلهی :8 استفاده: در این مرحله ممکن است قطعات بتوانند استفاده شوند. با این حال ممکن است نیاز به عملیات دیگری داشته باشند تا قابل استفاده گردند. به عنوان مثال ممکن است قطعات برای داشتن سطح قابل قبول جهت استفاده نیاز به بتونهکاری و نقاشی داشته باشند. همچنین ممکن است لازم باشد قطعه به همراه دیگر اجزای مکانیکی و یا الکترونیکی مونتاژ شود تا به صورت یک مدل نهایی و محصول قابل استفاده درآید.2]و[3

شکل:2 مراحل فرآیند عمومی ساخت افزایشی[2]

اصطلاحات رایج در فرآیند ساخت افزایشی

میدانیم فرآیندی که در مورد آن بحث میشود، با استفاده از افزودن و ترکیب لایه به لایهی مواد انجام میشود که عموما ساخت افزایشی نامیده میشود. در این بین چند اصطلاح دیگر برای این فرآیند استفاده میشود که به بررسی چندی از آنها میپردازیم.

(1 ساخت اتوماتیک:1 این اصطلاح توسط مارشال برنز2 در کتاب خود به همین نام دراوایل سال 1990 استفاده شد.[4] در این نوع ساخت استفادهی بیشتر از اتوماسیون و همچنین کاهش عملیات دستی توسط اپراتور مورد توجه قرار گرفته است. در این سیستم از کامپیوتر و میکروکنترلرها در جهت کنترل فرآیند و متغیرهای سیستم استفاده میشود. لازم به ذکر است که از این اصطلاح در جهت توصیف سیستم کنترل عددی کامپیوتری3 نیز استفاده میشود.[2]

(2 ساخت فرم آزاد:4 در این فرآیند ساخت اشکال پیچیدهی هندسی مد نظر قرار گرفته است. از مزایای این نوع ساخت نبود هیچگونه محدودیتی در شکل هندسی قطعه میباشد.[2]

(3 ساخت افزایشی یا ساخت بر پایهی لایه:5 این روش بر پایهی و اضافه کردن لایه به لایهی مواد بر روی هم پایه پذاری شده است که در مقابل فرآیندهای ماشینکاری که بر پایهی ساخت کاهشی با استفاده از براده برداری هستند، قرار گرفته است. لازم به ذکر است برخی از فرآیندها کاملا افزودنی نیستند بلکه تلفیقی از دو روش افزایشی و کاهشی هستند.2]و[5

(4 چاپ سه بعدی یا استریولیتوگرافی: این دو اصطلاح در ابتدا برای توصیف ماشین آلات خاص مورد استفاده قرار می-گرفت. استریولیتوگرافی برای اولین بار توسط شرکت امریکایی 3D Systems استفاده شد6]و[7 و بعدها چاپ سه بعدی توسط محققان دانشگاه MIT6 برای این روش بکار گرفته شد.[8] هر دو واژه (لیتوگرافی و چاپ) اشاره به استفاده از فرآیندهای دوبعدی (2D) و گسترش آنها به بعد سوم جسم دارند. ازآنجائیکه اکثر مردم با فرآیند چاپ آشنا هستند، لذا درک چاپ یک شی سه بعدی برای آنها آسان است. به همین دلیل این اصطلاح نسبت به سایرین برای معرفی فرآیندهای ساخت افزایشی مورد استفاده قرار میگیرد.[2]

(5 نمونه سازی سریع: فرآیند نمونه سازی سریع به علت خواص منحصر به فرد آن مورد توجه بسیاری از محققان و تولیدکنندگان قرار گرفته است.اغلب نمونه سازی یک فرآیند پیچیده، خسته کننده و هزینه بر میباشد که مانع از رشد و توسعهی محصولات جدید میشود. با استفاده از فرآیند نمونه سازی سریع این مشکلات مرتفع گردیده و زمینهی رشد محصولات نوین فراهم میشود. البته کاربرد فرآیندهای افزایشی فقط برای نمونه سازی نیست، بلکه بسیاری از محققان معتقدند که میتوان در آیندهای نه چندان دور از این فرآیند برای تولید انبوه بهره گرفت.[2]

مزایای فرآیند ساخت افزایشی

مهمترین شاخصهی فرآیند ساخت افزایشی سرعت بالای فرآیند میباشد. این فرآیند بیشتر به صورت تک مرحلهای انجام شده و قطعات ساخته شده با آن بدون درز هستند. همچنین قطعاتی که با این روش تولید میشوند نیاز به قید و بست1 ندارند. بعلاوه در فرآیندهای کاهشی مانند CNC باید ترتیب توالی برای تولید یک قطعه طراحی شود که خود باعث بروز مشکلات فراوانی در طراحی قطعات میشود. در نرم افزارهای CAD آنچه را که میخواهیم تجسم کرده و با استفاده از روشهای ساخت افزایشی آنها را به یک جسم فیزیکی تبدیل میکنیم. از دیگر مزایای فرآیند ساخت افزایشی میتوان به نبود دورریز در مواد اولیه اشاره کرد که باعث کاهش چشمگیر هزینهی ساخت قطعات میشود. در فرآیندهای کاهشی برای رسیدن به شکل مورد نظر مجبور به براده برداری از مادهی خام هستیم اما در روشهای افزودنی، ساخت قطعات از پایین به بالا انجام میشود بنابراین نیازی به براده برداری نداریم.2]و[9

به جرات میتوان گفت در فرآیندهای افزایشی محدودیتی از نظر پیچیدگی قطعات وجود ندارد. چرا که جسم تصور شده در نرم افزار CAD مستقیما به جسم فیزیکی تبدیل میشود. از نظر طراحی هندسهی قطعات هم فرآیندهای افزایشی نسبت به فرآیندهای کاهشی دارای برتری هستند، چون نیازی به محاسبات دقیق برای ترکیب توالی و انجام فرآیند وجود ندارد.

در شکل 3 تعدادی از محدودیتهای مرتفع شدهی CNC توسط فرآیند ساخت افزایشی نشان داده شده است.