انطباق در پرینت سه بعدی یکی از اصول کلیدی برای دستیابی به مونتاژهای دقیق، عملکرد مطلوب قطعات مکانیکی و کاهش خطاهای تولید است. در فرآیند طراحی و چاپ سهبعدی، مفاهیمی مانند تلرانس و انطباق نقش مهمی در تضمین کیفیت و کارایی محصول نهایی ایفا میکنند.
شرکت Formlabs با بررسی دقیق مواد و فرآیندهای چاپ، تلاش میکند تا بیشترین میزان تکرارپذیری را بین چاپهای مختلف و در دستگاههای گوناگون ایجاد کند. این مقاله، مجموعهای از بهترین تجربیات و توصیههای کاربردی را در اختیار کاربران پرینترهای سهبعدی قرار میدهد تا بتوانند مونتاژهایی با دقت بالا طراحی کرده و نیاز به اصلاحات پس از چاپ را به حداقل برسانند. جهت دریافت خدمات پرینت سه بعدی از اینجا شروع کنید.
انواع انطباق در پرینت سه بعدی
در فرآیند ماشینکاری سنتی، دستیابی به تلرانسهای دقیقتر معمولاً با افزایش چشمگیر هزینه همراه است. هرچه تلرانسها تنگتر باشند، نیاز به مراحل ماشینکاری بیشتر و دقیقتری وجود دارد. بنابراین، قطعات معمولاً با بیشترین تلرانس مجاز طراحی میشوند تا از هزینههای اضافی جلوگیری شود.
اما در تکنولوژیهای مدرن مانند استریولیتوگرافی (پرینت سه بعدی SLA)، که تنها شامل یک مرحله تولید خودکار است، وضعیت متفاوت است. در اینجا، انتخاب تلرانس ابعادی مناسب نهتنها به بهبود فرآیند مونتاژ کمک میکند، بلکه زمان پسازپردازش را کاهش داده و از تکرار چاپ قطعات جلوگیری مینماید. بهکارگیری تلرانس نامناسب میتواند باعث شکستگی قطعات، بهویژه در اتصالات فشاری و هنگام استفاده از مواد شکننده، شود.
در پروژههایی با مونتاژهای بزرگ یا در تولید چندباره یک محصول، داشتن تلرانس دقیق بسیار ارزشمند خواهد بود. در حقیقت، انطباق در پرینت سه بعدی زمانی اهمیت مییابد که به عملکرد قابل پیشبینی و کاهش دوبارهکاری نیاز داریم.
تلرانس چیست؟
تلرانس، بازهای از ابعاد قابل قبول برای یک قطعه در هنگام تولید است. این بازه تعیین میکند که قطعه ساختهشده تا چه میزان میتواند با ابعاد طراحیشده متفاوت باشد و همچنان عملکرد مورد نظر را حفظ کند. همچنین پیشنهاد میکنیم آموزش gd&t را نیز ببینید.
مراحل پس از پردازش برای مونتاژ قطعات پرینتشده
فرآیندهای پس از چاپ سهبعدی، بهویژه در پروژههایی که چند قطعه باید در کنار هم مونتاژ شوند، اهمیت زیادی دارند. این مراحل معمولاً شامل موارد زیر هستند:
آزادسازی قطعه از پلتفرم
حذف ساپورت سه بعدی و پرداخت با سمباده
روغنکاری سطح تماس
اگر قطعه موردنظر یکبار مصرف باشد، پرداخت (سمبادهکاری) سطح فعال آن میتواند راهکاری ساده برای رسیدن به انطباق مناسب باشد. این رویکرد نیاز به دقت بالا در طراحی اولیه را کاهش میدهد. اما در مونتاژهای پیچیده یا در تولید انبوه، تعیین دقیق انطباق در پرینت سه بعدی از ابتدا، ارزش زیادی خواهد داشت.
سطح فعال چیست؟
سطح فعال، بخشی از مدل سهبعدی است که با سطح قطعه دیگر در تماس مستقیم قرار دارد، در کنار آن حرکت میکند یا درگیر اتصال استاتیکی است.
انتخاب نوع انطباق در پرینت سه بعدی بر اساس کاربرد
نیازهای عملیاتی مونتاژ مشخص میکنند که کدام نوع انطباق برای طراحی مدل سه بعدی مناسبتر است. برای حرکت آزادانه بین قطعات، باید فضای کافی (بازی) بین سطوح فعال در نظر گرفته شود. این کار با جلوگیری از همپوشانی نواحی تلرانسی انجام میشود.
اگر به عدم حرکت نیاز باشد، انطباق انتقالی میتواند راهکار مناسبی باشد که در عین حال اجازه مونتاژ و جداسازی نسبی را هم بدهد. در مقابل، انطباق فشاری اتصال محکمتری فراهم میکند اما نیازمند نیروی بیشتری برای مونتاژ است.
نکته: انطباق فشاری شامل همپوشانی کامل زونهای تلرانسی بوده و برای عملکرد بهتر به رزینهایی با خاصیت کشسانی بالا مانند رزینهای بادوام، سخت 2000، سخت 1500، انعطافپذیر یا استاندارد نیاز دارد.
انطباق مهندسی، یک طیف پیوسته
در عمل، به دلیل وجود انحرافهای جزئی در تولید، انطباق مهندسی بهجای آنکه سه دسته کاملاً جدا باشد، بهصورت یک طیف پیوسته دیده میشود:
انطباقهای آزاد: بیشترین آزادی حرکت را دارند، مناسب برای کاربردهای با دقت پایینتر.
انطباقهای انتقالی: تنگتر هستند، اتصالات محکمتری ایجاد میکنند اما ممکن است باعث خوردگی در محل تماس شوند.
انطباقهای فشاری: محکمترین نوع اتصال را ایجاد میکنند ولی جداسازی آنها سختتر است.
دستهبندی انواع انطباق در پرینت سهبعدی
انطباق در پرینت سه بعدی معمولاً به سه دسته کلی تقسیم میشود که هرکدام شامل دو نوع خاص هستند:
انطباق آزاد
لغزشی: دارای کمی فضای اضافی (بازی) برای حرکت راحتتر
رونده: بدون بازی محسوس، دارای اصطکاک کم و حرکت دقیقتر
انطباق انتقالی
قفلی: نصب آسان با فشار اندک، قابل حذف با دست
لغزان: نیازمند نیروی بیشتر برای نصب/جداسازی، اما همچنان قابل انجام با دست
انطباق فشاری
اجباری: نیازمند فشار زیاد و ابزارهای ساده مانند چکش
جفت شدن با فشار: نیاز به ماشین ابزار برای نصب، جداسازی تقریباً غیرممکن
تعریف “بازی” در مکانیزمها
در طراحی مکانیکی، “بازی” به میزان فضای آزاد غیرمطلوب برای حرکت در یک جهت خاص گفته میشود. کاهش بازی به معنای انطباق دقیقتر است، اما به طراحی و چاپ دقیقتری نیز نیاز دارد.
سنجش و به کارگیری تلرانس در پرینت سه بعدی
فرملبز تنوعی از هندسه های معمول را برای یافتن تلرانس حقیقی مورد نیاز در هر نوع از انطباق در پرینت سه بعدی آزمایش نموده است. دو ماده SLA آزموده شده رزین سخت و بادوام (Tough and Durable Resin) بودند، که برای استفاده در پرینت نمونه های اولیه محصول عملیاتی که تحت فشار مکانیکی و تریبولوژیکی (اصطکاک) قرار می گیرند طراحی شده اند. همانند آزمون های اولیه، در گزینش رزین فرملبز، رزین سخت توسط رزین سخت ۲۰۰۰ جایگزین شد، که یک بازسازی با خواص مکانیکی تقویت شده می باشد. مثال های پیش رو نشان میدهند که چرا به کار بردن مواد صحیح برای هر کاربری سودمند می باشد. شرایط انطباق در هر گراف با رنگ کدگذاری شده اند: آبی انطباق آزاد، سبز انطباق انتقالی و نارنجی انطباق فشاری می باشد.
حفره و محور (سوراخ و شافت)
یک حفره و محور معمولا به شرایط آزاد نیاز دارد و می تواند متناسب با دقت مورد نیاز در گستره بین انطباق لغزشی تا انطباق رونده قرار گیرد. یک انطباق رونده برای حرکت آزاد به روغن کاری مناسبی نیاز خواهد داشت. پرینت حفره و محور آزمون عمومی مفیدی برای شرایط انطباق در مورد رزین های بادوام و سخت می باشد.
↵ نتایج سخت: امکان ۰.۰۵ میلی متری یا بیشتر به انطباق آزادی بین حفره و محور منجر گردید. بین ۰.۰ و ۰.۰۳۷۵ میلی متر به انطباق انتقالی منجر شد – می توانستیم محور را با مقدار نرمالی از فشار دستی وارد نماییم. زیر ۰.۰ میلی متر (انطباق فشاری)، وارد کردن محور سخت تر می شود و نیرو سنج به سرعت از N 55 فراتر می رود. محور قادر بود با نیروی یک ماشین منگنه فشاری در ۰.۰۳۷۵- وارد شود اما نمی توانست خارج گردد.
↵ نتایج بادوام: در این آزمایش، بخش بادوام بین انطباق انتقالی و انطباق آزاد که به راحتی وارد می شود در محدوده ۰.۰۶۲۵ میلی متری منتقل می گردد. در محدوده ۰.۰۱۲۵ میلی متر و زیر آن قسمت ها انطباقی فشاری داشته و حذف آن ها مشکل بود. با این حال، هنوز می توانستیم قسمت ها را حتی در آزادسازی منفی ۰.۰۳۷۵- میلی متری متصل نماییم. این حالت به علت کشیدگی زیاد رزین بادوام می باشد.
گوی و کاسه
برای امکان اینکه گوی به طور آزادانه در کاسه حرکت کند شرایط آزاد باید حاکم باشد. با این حال، تقاطعی بزرگ بین شعاع گوی و دهانه کاسه وجود دارد. دهانه کاسه لازم است که به میزان کافی تغییر شکل یابد به صورتی که گوی در آن وارد شده ولی در کارکرد نرمال از آن خارج نشود.
↵ نتایج بادوام: در این آزمایش نقطه عطفی بین محدوده ۰.۲ تا ۰.۳ میلی متر وجود داشت که در آن جداسازی گوی و کاسه آسان بود. بین ۰.۰ و ۰.۲ میلی متر، گوی به نرمی درون کاسه حرکت می کند اما در موقعیت قرار می گیرد. در این مرحله برای پیکرهای بند بندی که لازم است جهت گیری آن ها حفظ گردد، انطباق فشاری ایده آل خواهد بود. بالای ۰.۳ میلی متر، گوی کمی سست است و به طور آزاد در کاسه حرکت می کند. زیر ۰.۰ میلی متر، هرگز نمیتوان گوی را وارد نمود.
↵ نتایج سخت: مدل گوی و کاسه در رزین سخت نیز پرینت شد، اما به علت اصطکاک بالا و قدرت زیاد مواد قادر به وارد کردن گوی با دست نبودیم. به علت مقاومت خوردگی، رزین بادوام برای هندسه گوی و کاسه مناسب تر است.
میله و بوشینگ
بوشینگ نوعی بلبرینگ ساده است که برای حرکت آزاد و آسان در امتداد میله طراحی شده است. بایستی بین میله و بوشینگ انطباق آزاد وجود داشته باشد. براساس کاربری، انطباق آزاد می تواند بزرگتر یا کوچک تر باشد.
↵ نتایج بادوام: بوشینگ پرینت شده در رزین بادوام حرکتی نرم و با اصطکاک کم در طول میله هدایت استیل رنگ شده داشت. با محدوده طراحی ۰.۰۲۵ میلی متری، بوشینگ انطباق آزاد رونده و بدون بازی نشان داد. در ۰.۰۲۵ میلی متر و بالای آن، بوشینگ اصلا میله را نگرفت و امکان لغزش آزادانه را فراهم کرد. بین ۰.۰ و ۰.۰۲۵ میلی متر، بوشینگ به نیرویی سبک برای فشار روی میله نیاز داشت. زیر ۰.۰ میلی متر آزادی، علیرغم اینکه به علت سازگاری مواد میله قابلیت وارد شدن داشت، یک انطباق فشاری مشاهده شد که برای لغزش بوشینگ روی میله به نیروی قابل توجهی نیازمند بود. در این بازه، بخش مذکور به عنوان یک بلبرینگ عملگر نیست.
رزین بادوامی که به درستی روغن کاری شده باشد برای نمونه سازی سفارشی بوشینگ ها، سیستم های ترمز و محصولات شبه پلی پروپیلن نرم با قسمت های متحرک انتخاب خوبی می باشد. برای مونتاژهای جنبشی که لازم است در طول دوره های حرکتی زیادی بدون سایش باقی بمانند، استفاده از بوش های خارج از قفسه دلرین که در قطعات Tough Resin (رزین سخت) تعبیه شده اند بهترین حالت می باشد.
توجه: رزین سخت ۲۰۰۰ برای ساخت اجزای ساختاری قوی که لازم نیست اصطکاک بلند مدتی را تجربه کنند مناسب ترین می باشند.
اصطکاک
مقدار نیروی اصطکاک بین دو جزء، محصول نیروی روی سطح جفت شونده (به طور مستقیم به انطباق مرتبط می شود) و مقداری ثابت (ضریب اصطکاک) می باشد و برای هر ماده ویژه است. ضریب اصطکاک برای پیش بینی اینکه قسمت های مورد نظر شما چه در برابر سایش و چه حرکت چقدر مقاومت خواهند داشت و اینکه رزین های فرملبز نسبت به مواد رایج دیگر چگونه عمل می کنند، مفید است.
در زیر ضرایب غیر روغن کاری شده اصطکاک بین جفت های مواد پرینت شده با تنظیمات ۱۰۰ میکرون آورده شده اند:
| ضریب اصطکاک استاتیک (μs) | ضریب اصطکاک متحرک (μk) | |
| بادوام | بادوام | 0.32 | 0.14 |
| سخت | سخت | 0.77 | 0.2 |
| بادوام | سخت | 0.57 | 0.16 |
قسمت ها بدون هیچ گونه هموارسازی یا سمباده کشی پس از پردازش اندازه گیری شده اند. رزین بادوام در بین رزین های فرملبز به علت چربی ذاتی بالا کمترین اصطکاک لغزشی را دارد. در عوض، رزین سخت اصطکاک لغزشی بالاتری داشته و به طور واضحی اصطکاک استاتیک بالاتری دارد که باعث رفتار لغزشی – ارتعاشی در آزمون های ما می شد. ضریب اصطکاک کمتر رزین های بادوام، آن ها را برای اجزای متحرکی که در مونتاژهای سینماتیک تعامل می کنند مناسب ترین می سازد.
اجزای لغزشی مانند ریل ها، پیستون ها و میله ها اگر ناحیه سطح تماس دو سطح جفت شونده کاهش یابد اصطکاک کمتری دارند. این مورد با جهت گیری وسایل در PreForm (پیش فرم) حاصل می شود و در نتیجه الگوی لایه “دانه ای” بین قسمت ها عمودی قرار می گیرد. اگر دانه موازی باشد شیارهای لایه مشبک شده و ناحیه سطحی بیشتر و نیز اصطکاک استاتیک و جنبشی بالاتری را شکل می دهد.
فرملبز ضریب اصطکاک استاتیک و جنبشی را بین اجزای بادوام با الگوهای دانه ای موازی و عمودی و جهت گیری پتک در ۹۰ درجه در Preform (پیش فرم) آزموده است.
دیاگرامی با مقیاس کوچک از اصطکاک بین جهت گیری های سطحی
(از چپ به راست): بیشترین اصطکاک استاتیک و جنبشی / اصطکاک استاتیک بیشتر و جنبشی متعادل / کمترین اصطکاک استاتیک و جنبشی
در آزمون های استاتیک و جنبشی، جهت گیری عمودی ضرایب اصطکاک کمتری داشت. ضریب اصطکاک استاتیک با جهت گیری دانه به طور چشم گیرتری متاثر می شود: در آزمون های ما، اصطکاک بین سطوح دانه ای عمودی ۴۳ درصد کمتر از سطوح دانه ای موازی بود. بین سطوح دانه ای عمودی اصطکاک جنبشی ۱۱ درصد کمتر بود.
اصطکاک بین بخش ها در زمانیکه سطوح تحت سایش بودند کاهش یافت. این مساله غالبا برای مونتاژهای جنبشی سودمند است و سمباده کشی و رنگ مثال هایی از سایش عمدی می باشند. با این حال، خوردگی بیشتر تمایل به افزودن آزادی بین بخش ها دارد. روغن کاری بهترین روش برای کاهش خوردگی بلند مدت می باشد.
توجه: رزین بادوام به این منظور طراحی شده است که ماده فرملبزی با بیشترین مقاومت خوردگی باشد و برای ترمزها، بوشینگ ها و مونتاژهای جنبشی مناسب ترین رزین می باشد.
در برخی موارد – مانند غلطک ها، چرخ ها و گیرنده های رباتیک – اصطکاک بیشتر سودمندتر است. برای اینگونه کاربری ها، رزین انعطاف پذیر ضریب اصطکاک بالاتر و چربی کمتری دارد.
مدل مقیاس عملیاتی با انرژی هوا از یک موتور احتراق دو سیلندر تخت داخلی پرینت شده در رزین بادوام و سخت و نیز روغن کاری شده توسط روغن معدنی
روغن کاری
روغن کاری ها برای نگه داشتن اجزا در حالت اجرای روان در مونتاژهای جنبشی حیاتی می باشند. روغن معدنی روان کننده ای گران و رایج می باشد که به طور معمول همراه پرینت های سه بعدی SLA به کار می رود. روان کنندگان مبتنی بر روغن سیلیکونی، مانند Super Lube® نیز به خوبی کار می کنند و برای مدتی طولانی بدون اینکه چسبناک شوند باقی می مانند.
اجزای متصل
برای پیوند زدن اجزای پرینت شده با چسب، یک انطباق آزاد باریک مطلوب است. سیانو اکریلات (چسب فوق العاده) به علت ویسکوزیته کم حفره های باریک را پر خواهد نمود. یک سرنگ از رزین بهبود داده شده با دست به همراه خودکار لیزری فرابنفش یا آبی – بنفش (۴۰۵ nm) (یا عینک ایمنی UV) را برای به هم جوش دادن قطعات در اتصالات هدف می توان به کار برد.
ماشین کاری قسمت های پرینت شده در چاپ سه بعدی
رایج ترین مراحل پس از پردازش برای مونتاژهای پرینت شده شامل سمباده کشی، رنگ و روغن کاری می باشند. گاهی اوقات، برای مثال، اگر تلرانس های یک ترکیب لازم باشد از ۰.۰۲۵ میلی متر تنگ تر شوند یا لازم باشد ترکیبی را پس از پرینت کردن تغییر دهیم، می توان پس از چاپ قطعات پلاستیکی را ماشین کاری کرد. اگر ابزارها مهیا باشند و طرح در میانه پرینت تغییر کرده باشد، افزودن حفراتی با مته فشاری یا شیارهایی با استفاده از ضربه نسبت به پرینت مجدد سودمندتر و سریع تر خواهد بود.
رزین سخت ۲۰۰۰، سخت ۱۵۰۰ و بادوام به علت قدرت و کشیدگی زیاد، ماشین کاری را در گستره مواد فرملبز به بهترین حالت تحمل می کنند. رزین های فرملبز دیگر را نیز می توان ماشین کاری نمود، گرچه به تکنیک های محافظه کارانه تر و سرعت ابزاری بیشتری نیازمند هستند.
کدام عملیات ماشین کاری برای رزین های SLA بهترین کارایی را دارند؟
| دمای بالا (High Temp) | سمباده کاری، نیمرخ تراشی با سرعت بالا حفاری و برقوزنی با سرعت بالا و قطر کوچک |
سخت 2000 (Tough 2000) ، سخت 1500 (Tough 1500) ، بادوام (Durable)، استاندارد (Standard) | سمباده زنی آسیاب وجهی و خارجی مته کاری حفاری برقوزنی ضربه زنی |
| انعطاف پذیر (Flexible) | سمباده زنی مته کاری برش |
نتیجه گیری
تعیین انطباق در پرینت سه بعدی براساس خواص ماده و عملیات مکانیکی تمرینی لازم برای مهندسی تولید می باشد. گستره های انطباق نشان داده شده برای هندسه های رایج به طور گسترده ای می توانند در بسیاری از طراحی ها در دستیابی به نمونه های عملیاتی با تکرارهای کمتر به کار روند. برای دقت بیشتر و درکی بصری از اینکه قسمت ها چگونه با یکدیگر منطبق می شوند، مدل های آزمایش را در تنوعی گسترده از مواد پرینت کنید و ببینید چگونه عمل می کنند.
پس از تعیین انطباق در پرینت سه بعدی، انتخاب مواد صحیح برای تولید پرینت های کاربردی حیاتی می باشد. مواد فرملبز در مقاومت کششی، کشیدگی و مقاومت خوردگی تنوع چشم گیری دارند. برخی از هندسه های پایه مانند میله و بوشینگ، به علت مقاومت خوردگی بالاتر و اصطکاک کم مواد، در رزین بادوام به طور قابل ملاحظه ای بهتر کار می کنند.
اجزای ساختاری تحت بار در رزین سخت ۲۰۰۰، که مقاومت کششی بالا و مدول خمشی شبیه پلاستیک ABS دارد بیشترین موفقیت را حاصل خواهند نمود. در نهایت پیشنهاد میکنیم پروژه پرینت سه بعدی برای ایرانسل که در ماداتکنولوژی اجرا شده است را ببینید.