فرآیند ساخت افزایشی

اغلب کسانی که به تازگی این حوزه آشنا می‌شوند، برای پیدا کردن عنوانی مناسب برای آن دچار سردرگمی می‌شوند. پیش از آن؛ اصلاْ منظور از «این حوزه» چیست؟!

در زبان انگلیسی دو عبارت «Addditive Manufacturing» و «۳D Printing» را در نظر بگیرید. در فارسی برای عبارت «Addditive Manufacturing» از معادل «ساخت افزایشی» یا «ساخت افزودنی» و برای عبارت «۳D Printing» از عبارت «پرینت سه بعدی» استفاده می‌شود. هرچند که در نوشتار پرینت سه بعدی هم اختلاف سلیقه وجود دارد و برخی آن را به صورت «پرینت۳بعدی» هم می‌نویسند. از آن‌جایی که ادبیات(literature) موضوعات تخصصی و استانداردسازی آن بسیار مهم است(خصوصاْ برای جست‌وجو و انتقال دانش)، ما در وبسایت «ایران مواد» از معادل‌های زیر استفاده می‌کنیم:

Additive Manufacturing == ساخت افزایشی

۳D Printing == پرینت سه بعدی

ناگفته نماند که من در بسیاری از مواقع ترجیح می‌دهم از همان عبارت‌های لاتین استفاده کنم و زحمت معادل‌سازی را به خودم ندهم. دلیل این کار هم تنبلی یا سهل‌انگاری نیست. بلکه این خاطر است که در بسیاری از مباحث مربوط به تکنولوژی با ترجمه یا معادل‌سازی، امکان انتقال مفهوم کلمه‌ی اصلی به طور کامل وجود ندارد.

فرآیند ساخت افزایشی

حال از این مقدمه‌ی مبسوط پیرامون ادبیات موضوع فاصله بگیریم و ببینیم که ساخت افزایشی چیست؟

در ساده‌ترین تعریف به «ساخت قطعات فیزیکی با قرار دادن لایه‌به‌لایه‌ی مواد بر روی یکدیگر»، ساخت افزایشی، ساخت افزودنی و یا همان Additive Manufacturing گفته می‌شود. اگر مقاله‌ی «پرینت سه بعدی بعدی چیست؟ از کاربردها، مواد و تکنولوژی‌های آن چه می‌دانید؟» را در وبسایت «ایران مواد» خوانده باشید متوجه این نکته شده‌اید که تعریف ساخت افزایشی بسیار مشابه پرینت سه بعدی است. کاملاْ درست است!

در حقیقت می توان برای Additive Manufacturing یا ساخت افزایشی سه تعریف را بیان کرد:

تعریف اول ساخت افزایشی

ساخت افزایشی و پرینت سه بعدی دو عبارت برای یک مفهومند. به عبارت دیگر ساخت افزایشی یا پرینت سه بعدی به روشی گفته می شود که یک مدل کامپیوتری سه بعدی به عنوان ورودی به دستگاهی با نام پرینتر سه بعدی داده‌ می‌شود و آن دستگاه با قرار دادن انتخابی و لایه‌به‌لایه‌ی مواد، یک قطعه‌ی فیزیکی را به عنوان خروجی ارائه می‌دهد.

تعریف اول ساخت افزایشی

در این تعریف از ساخت افزایشی، نگاه، کاملاْ مکانیکی است و تنها به یک دستگاه و روش ساخت اختصاصی آن اشاره دارد.

تعریف دوم ساخت افزایشی

تعریف دوم پرینت سه بعدی

هرکدام از ابزارهای ساخت توانایی‌ها و محدودیت‌های مختص به خود را دارند. اگر قصد داشته باشید یک شیر آب را بسازید، در کل فرآیند طراحی آن باید به فکر روش ساخت هم باشید. یعنی نمی‌شود که طراح فارغ از اینکه این شیر آب قرار است به چه صورت ساخته شود، یک طرح عجیب و غریب را ارائه دهد. حتی ممکن است که طراح شیر آبی بسیار زیبا و خلاقانه را طراحی کند، ولی امکان ساخت آن با روش مد نظر وی وجود نداشته باشد.

ساخت افزایشی/پرینت سه بعدی به دلیل محدودیت‌ها و توانایی‌های متفاوتی که با روش‌های سنتی دارند، امکانات متفاوتی را در دست طراح می‌گذارند. بسیاری از طرح‌هایی که در روش‌های سنتی امکان ساخت نداشتند، با ساخت افزایشی ممکن شدند. و بالعکس بسیاری از طرح‌ها اگر با پرینتر سه بعدی ساخته شوند صرفه‌ی اقتصادی لازم را ندارند (البته در آینده ممکن است این گزاره تغییر کند).

تعریف دوم ساخت افزایشی

به واسطه‌ی ماهیت متفاوت ساخت افزایشی/پرینت سه بعدی، امروزه روش‌ها و نرم‌افزارهایی جدیدی گسترش پیدا کرده‌اند که برای استفاده‌ در ساخت افزایشی تخصصی شده‌اند. از طرفی به واسطه‌ی گسترش پرینتر سه بعدی و امکان ساخت خانگی و کارگاهی قطعات پیچیده، استفاده از اسکنر سه بعدی هم گسترش یافته است.

نرم افزارهای پرینت سه بعدی

خلاصه و بدون مقدمه‌ی بیشتر به سراغ تعریف دوم برویم (قدیما تعریف‌ها اینقد مقدمه نمی‌خواست! انگار با پیچیده‌تر شدن تکنولوژی‌ها تعریفشونم سختتر شده!):

به مجموعه‌ی روش‌های پرینت سه بعدی، طراحی سه بعدی و اسکن سه بعدی که برای ساخت یک محصول همکاری می‌کنند ساخت افزایشی گفته می‌شود.

تعریف سوم ساخت افزایشی

نقش پرینت سه بعدی در زنجیره تامین

اما تعریف سوم که من هم آن را بیشتر ترجیح می‌دهم و در منابع علمی‌تر و صنایع بزرگ بیشتر استفاده می‌شود، نگاه، از فرآیند ساخت توسط یک دستگاه فراتر می‌رود و به یک زنجیره‌ی ارزش (Value Chain) اشاره می‌شود. ویژگی کلیدی این چرخه‌ی ارزش در این است که از روشی نوین و منحصربه‌فرد برای ساخت قطعات فیزیکی استفاده می‌کند که همان پرینت سه بعدی است. این تعریف در برابر روش‌های سنتی ساخت، ساخت کاهشی(Subtractive Manufacturing) و ساخت با تغییر شکل(Shapeforming Manufacturing) می‌آید.

مقاسه ساخت افزایشی و ساخت کاهشی

اجازه دهید که کمی بیشتر به تعریف سوم ساخت افزایشی بپردازیم و آن را روشن‌تر کنیم:

با یک مثال پیش می‌رویم. زنجیره‌ی تولید و مصرف یک آچار پیچ‌گوشتی را در نظر بگیرید. فارغ از روش ساخت، این زنجیره به این صورت است:

(سناریوی ۱)

ماده‌ی خام(مثلاْ فولاد) به کارخانه‌ی سازنده‌ای در چین آورده و در آنجا با تکنولوژی ریخته‌گری یا ماشینکاری(که اولی زیرمجموعه‌ی روش‌های ساخت با تغییر شکل و دومی زیرمجموعه‌ی روش‌های ساخت کاهشی است) ساخته می‌شود. سپس این محصولات بسته‌بندی می‌شوند و برای ارسال به نقاط مختلف دنیا آماده می‌شوند. پس از اینکه این محصولات با کشتی به کشوری مانند ایران رسیدند، در انبارهای کلان نگهداری می‌شوند تا به پخش‌کننده‌ها فروخته شوند. در نهایت بعد از چندبار دست به دست شدن این محصولات، مصرف‌کننده آچار پیچ‌گوشتی مورد نظر را از خرده‌فروشی‌ها خریداری می‌کند.

پاراگراف بالا بیانگر بخش‌های مهم زنجیره‌ی تامین یک آچار پیچ‌گوشتی فرضی است که با روش‌های سنتی ساخته می‌شود. حال اگر بخواهیم به جای استفاده از روش‌های سنتی مثل ریخته‌گری و ماشین‌کاری از پرینت سه بعدی استفاده کنیم، کل این فرآیند دگرگون می‌شود و به صورت زیر در می‌آید:

(سناریوی ۲)

ماده‌ی خام به دست مصرف‌کننده‌(خریدار نهایی آچار پیچ‌گوشتی) می‌رسد و وی با پرینتر سه بعدی آچار پیچ‌گوشتی مورد نظرش را می‌سازد! یا سناریوی بدبینانه به این صورت می‌شود:

(سناریوی +۲)

ماده‌ی خام به دست یک کارگاه محلی(در سطح شهر یا استان) که پرینترهای سه بعدی پیشرفته‌تر و صنعتی دارد می‌رسد و آن‌ها آچار پیچ‌گوشتی مورد نظر را برای مصرف‌کننده‌ی نهایی می‌سازند.

حال کافیست سناریوی ۱ را با سناریوی ۲ و حتی +۲ مقایسه کنید تا متوجه تغییر ایجاد شده توسط ساخت افزایشی در زنجیره‌ی تامین شوید. اثرات این تغییر تنها به استفاده از یک دستگاه متفاوت برای ساخت محدود نمی‌شود و کل مباحث مرتبط با اقتصاد، حقوق و مالکیت، بازاریابی، مدیریت و … یک محصول را دگرگون می‌کند. به همین دلیل هم است که در دانشگاه‌های بزرگ دنیا، ساخت افزایشی یا Additive Manufacturing تنها در دانشکده‌های مهندسی جدی گرفته نمی‌شود و دانشکده‌های دیگر هم به طور جدی به آن می‌پردازند.

در حقیقت این داستان‌ها مقدمه ای بودند برای اینکه بگوییم: تعریف سوم از ساخت افزایشی به زنجیره‌ی ارزشی اشاره دارد که محوریت آن استفاده از پرینتر سه بعدی است. تمام!

اینکه در کجا منظور از ساخت افزایشی تعریف اول، دوم یا تعریف سوم است، به بستر آن بحث وابسته است. ولی ما در «ایران مواد» از یک ادبیات ثابت استفاده می‌کنیم:

هرکجا قرار باشد در مورد تعریف اول ساخت افزایشی صحبت کنیم، از عبارت «پرینت سه بعدی» استفاده می‌کنیم. چون در این حالت کاملا معنای مشابهی دارد و سری که درد نمی‌کند …

هرکجا از عبارت‌ «ساخت افزایشی» یا «Additive Manufacturing» استفاده کردیم، منظور تعریف دوم یا سوم ساخت افزایشی است که با توجه به بستر بحث کاملاْ‌ قابل تشخیص است.

مراحل فرایند ساخت افزایشی چیست؟

  • CAD : تولید یک مدل دیجیتال ، اولین مرحله در فرآیند ساخت افزایشی است. رایج‌ترین روش برای تولید یک مدل دیجیتال، طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) است. طیف وسیعی از برنامه‌های رایگان و حرفه‌ای CAD وجود دارد که با ساخت افزایشی سازگار هستند همچنین می‌توان به کمک یک اسکنر سه بعدی، یک مدل دیجیتال را از فرآیند مهندسی معکوس استخراج کرد. ملاحظات طراحی بسیاری وجود دارند که باید در هنگام طراحی برای ساخت افزایشی مورد ارزیابی قرار گیرند. این‌ ملاحظات به طور کلی بر محدودیت‌های هندسی و ساپورت‌گذاری تمرکز کرده‌اند و با پیشرفت تکنولوژی تغییر می‌کنند.
  • تبدیل STL و دستکاری فایل : یک مرحله بحرانی در فرآیند ساخت افزایشی که از روش ساخت سنتی متفاوت می‌باشد، الزام تبدیل یک مدل CAD به یک فایل STL است. STL از مثلث‌ها (چندضلعی ها) برای توصیف سطوح یک شیء استفاده می‌کند. قیدهای متعددی برای مدل وجود دارد که باید قبل از تبدیل یک مدل به یک فایل STL مورد توجه قرار گیرند. می‌توان از اندازه فیزیکی، کیپ و تنگ بودن و نیز شمارش و محاسبه چندضلعی‌ها به عنوان برخی از این محدودیت‌ها اشاره کرد. هنگامیکه یک فایل STL ایجاد می‌شود، فایل به یک برنامه اسلایسر وارد می‌شود. این برنامه فایل STL را می‌گیرد و آن را به G-code تبدیل می‌کند. G-code یک زبان برنامه‌نویسی کنترل عددی (NC) است. برنامه اسلایسر همچنین به طراح اجازه می‌دهد تا پارامترهای ساخت شامل ساپورت‌گذاری ، ارتفاع لایه‌ها و جهت قرارگیری قطعه را بررسی کرده و به صورت سفارشی بسازد.
  • ساخت افزایشی : ماشین‌های پرینت سه بعدی اغلب شامل بسیاری از بخش‌های کوچک و پیچیده هستند، بنابراین کالیبره کردن و نگهداری صحیح برای تولید پرینت های دقیق ضروری است. در این مرحله ، مواد پرینت نیز به دستگاه پرینتر بارگیری می‌شوند. مواد خام استفاده شده در ساخت افزایشی اغلب عمر مفید محدودی دارند و نیاز به بررسی و کنترل دقیق دارند. درحالیکه برخی فرآیندها توانایی بازیابی کردن مواد مصرفی اضافی در فرآیند پرینت را ارائه می‌دهند، استفاده مجدد می‌تواند منجر به کاهش خواص مواد شود. اکثر دستگاه‌های ساخت افزایشی بعد از آغاز پرینت، لازم نیست که تحت نظارت قرار گیرند. دستگاه از یک فرآیند خودکار پیروی خواهد کرد و دردسرها عموما زمانی بوجود می آیند که مواد دستگاه تمام می‌شود یا خطایی در نرم افزار وجود داشته باشد.

فرآیند ساخت افزایشی

  • جدا کردن قطعه پرینت شده از صفحه ساخت : برای برخی از فناوری‌های ساخت افزایشی، جدا کردن قطعه‌ی پرینت شده از صفحه ساخت ساده است. در حالی که برای دیگر روش‌های پرینت سه بعدی صنعتی، جدا کردن پرینت از محل ساخت، یک فرآیند بسیار فنی است. این روش‌ها نیاز به شیوه‌های پیچیده و اپراتورهای ماهر همراه با تجهیزات ایمنی و محیط‌های کنترل شده دارند.
  • پس پردازش : روش‌های پس پردازش مورد نیاز ، متناسب با فرآیند پرینت سه بعدی که استفاده شده است می‌تواند بسیار متفاوت باشد. قطعات فلزی اغلب نیاز به آزادسازی تنش در یک خشک کن و کوره دارند، درحالیکه قطعات FDM را می‌توان فورا بررسی و کنترل کرد.

فرآیند ساخت افزایشی

حسین مهرآبادی

"آسان و سریع بیاموزید"

حضوری وآنلاین در سراسر کشور

با مدرک معتبر دوزبانه

دیدگاه کاربران ۰دیدگاه

دیدگاه خود را بنویسید