توسعه نمونه اولیه همیشه مرحله مهمی در نوآوری محصول بوده است. مهندسان چه در طراحی اجزای هوافضا، دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های رباتیک، قطعات خودرو یا تجهیزات صنعتی، به نمونه‌های اولیه برای تأیید یکپارچگی ساختاری، دقت مونتاژ، عملکرد عملکردی و قابلیت ساخت قبل از حرکت به سمت تولید انبوه تکیه می‌کنند. هرچه بتوان یک نمونه اولیه سریعتر و دقیقتر تولید کرد، چرخه توسعه محصول کوتاهتر می شود.

پرینترهای سه بعدی رومیزی معمولی در دهه گذشته به طور قابل توجهی سرعت بخشیدن به نمونه سازی اولیه را داشته اند. با این حال، همانطور که هندسه محصول پیچیده تر می شود، تولید سنتی افزودنی سه محوره با چندین محدودیت فنی مواجه است. سازه‌های پشتیبانی بزرگ، پرداخت ضعیف سطح روی پیش‌فرض‌ها، جهت‌گیری محدود چاپ و استحکام ضعیف بین لایه‌ها اغلب به ماشینکاری اضافی یا تکمیل دستی نیاز دارند.

ظهورچاپگر سه بعدی 5 محور رومیزیدر حال تغییر این وضعیت است. با معرفی دو محور چرخشی اضافی در کنار حرکات خطی سنتی X، Y و Z، این سیستم‌ها رسوب مواد را از جهات مختلف امکان‌پذیر می‌سازد و به مهندسان اجازه می‌دهد تا قطعات بسیار پیچیده را با کارایی و دقت بیشتر بسازند.

اگر چه سیستم‌های تولید افزودنی پنج محوری سال‌هاست که وجود دارند، پیشرفت‌های اخیر در کنترل حرکت، طراحی مکانیکی فشرده و نرم‌افزار برش هوشمند، چاپگرهای پنج محور رومیزی را به طور فزاینده‌ای برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، دانشگاه‌ها، مراکز مهندسی و تولیدکنندگان کوچک{{2}تا{3} در دسترس قرار داده است.

این مقاله به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه پرینت سه‌بعدی پنج محور رومیزی{0}}نمونه‌سازی دقیق را تغییر شکل می‌دهد، چرا سازمان‌های مهندسی بیشتری از این فناوری استفاده می‌کنند و چه مزایایی در مقایسه با تولید افزودنی‌های معمولی ارائه می‌دهد.

 

تکامل نمونه سازی دقیق

توسعه محصول طی چند دهه گذشته به طور چشمگیری تکامل یافته است.

تولید نمونه اولیه سنتی به ماشینکاری CNC، ریخته گری، قالب گیری تزریقی یا ساخت دستی متکی بود. در حالی که این روش ها اجزای بسیار دقیقی را تولید می کردند، اغلب به ابزارهای گران قیمت، زمان های طولانی و اپراتورهای ماهر نیاز داشتند.

معرفی پرینت سه بعدی رومیزی، نمونه سازی سریع را تغییر داد و به مهندسان اجازه داد تا مدل های فیزیکی را مستقیماً از فایل های CAD بدون ابزار تولید کنند.

با این حال، چاپ سه -محور چالش‌های خاص خود را ایجاد کرد:

سازه های پشتیبانی بزرگ برای هندسه های آویزان

زمان‌های{0}}پردازش پست طولانی

محدودیت های جهت گیری لایه

کاهش مقاومت مکانیکی در امتداد محور Z-

مشکل در تولید سطوح منحنی یا ارگانیک

همانطور که محصولات سبک تر، فشرده تر و از نظر هندسی پیچیده تر می شوند، این محدودیت ها به طور فزاینده ای قابل توجه هستند.

تولید افزودنی پنج محور با اجازه دادن به چرخش پویا سر چاپ یا قطعه کار در حین ساخت، بسیاری از این مشکلات را برطرف می کند.

به جای اینکه هر لایه مجبور شود افقی بماند، چاپگر به طور مداوم جهت خود را تغییر می دهد و امکان رسوب مواد را فراهم می کند که از هندسه طبیعی قطعه پیروی می کند.

 

چه چیزی یک پرینتر سه بعدی 5 محور رومیزی را متفاوت می کند؟

یک چاپگر پنج محور رومیزی -ترکیب می‌کند:

سه محور خطی (X، Y، Z)

دو محور چرخشی (A و B یا تنظیمات معادل)

برخلاف پرینترهای رومیزی معمولی، دستگاه می تواند در طول فرآیند چاپ، هد چاپ یا پلت فرم ساخت را تغییر مکان دهد.

این آزادی اضافی چندین مزیت تولید ایجاد می کند.

به عنوان مثال، به جای ساخت یک لوله منحنی به صورت عمودی و تکیه بر ساختارهای پشتیبانی گسترده، یک چاپگر پنج محور می‌تواند قطعه کار را بچرخاند تا هر بخش در جهت بهینه چاپ شود.

این رویکرد مناطق پشتیبانی نشده را کاهش می دهد و در عین حال سازگاری ابعادی کلی را بهبود می بخشد.

این فناوری به سادگی حرکت بیشتری را اضافه نمی کند. اساساً نحوه رسوب مواد را تغییر می دهد.

به جای چاپ فقط در لایه‌های مسطح، سیستم‌های پنج{0}}محوری، استراتژی‌های چاپ غیرمسطح را فعال می‌کنند که بهتر با شکل جزء نهایی مطابقت داشته باشند.

 

کاهش ساختارهای پشتیبانی کیفیت نمونه اولیه را بهبود می بخشد

یکی از بزرگترین ناکارآمدی‌ها در تولید افزودنی سنتی، تولید پشتیبانی است.

نمونه های اولیه پیچیده اغلب به پشتیبانی زیر نیاز دارند:

برآمدگی

کانال های داخلی

سطوح زاویه دار

سازه های توخالی

هندسه های ارگانیک

مواد پشتیبانی چندین معایب ایجاد می کند.

اول اینکه مصرف مواد را افزایش می دهد.

دوم، زمان چاپ طولانی تر می شود.

سوم، برداشتن تکیه گاه ها اغلب به سطوح ظریف آسیب می رساند.

در نهایت، عملیات تکمیل اضافی هزینه های نیروی کار را افزایش می دهد.

چاپگرهای پنج محور رومیزی-به طور قابل توجهی این مشکلات را کاهش می‌دهند.

با چرخاندن قطعه کار در طول فرآیند ساخت، چاپگر می تواند بسیاری از ویژگی های آویزان را بدون نیاز به پشتیبانی اضافی تولید کند.

برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی که قطعات آزمایشی پیچیده را تولید می‌کنند، این کاهش در مواد پشتیبانی به معنای چرخه‌های آزمایش سریع‌تر است.

برای تولید کنندگان، هزینه های عملیاتی کمتر و راندمان تولید بهبود یافته است.

 

پرداخت سطحی بهتر برای نمونه های اولیه کاربردی

کیفیت سطح برای بسیاری از کاربردهای مهندسی ضروری است.

یک سطح ناهموار ممکن است برای یک مدل مفهومی قابل قبول باشد، اما هنگام ارزیابی مشکل ساز می شود:

جریان سیال

عملکرد آیرودینامیکی

مونتاژ مکانیکی

ارگونومی

رابط های دستگاه های پزشکی

چاپگرهای سه محوره سنتی اغلب اثرات پله‌ای{1}}روی سطوح منحنی نمایان می‌کنند زیرا هر لایه به صورت افقی قرار می‌گیرد.

سیستم‌های پنج -محوری با تنظیم مداوم جهت چاپ سطح را بهبود می‌بخشند.

به جای تقریب منحنی ها از طریق لایه های افقی روی هم، مواد می توانند هندسه واقعی را با دقت بیشتری دنبال کنند.

این تولید می کند:

منحنی های صاف تر

سازگاری ابعادی بهتر

کاهش نیاز پولیش

ظاهر بهبود یافته

دقت عملکردی بالاتر

برای تولیدکنندگان نمونه اولیه خودرو، این بدان معناست که اجزای بدنه قبل از ارزیابی نیاز به سنباده کمتری دارند.

برای مهندسان هوافضا، کانال‌های هوای صاف‌تر، آزمایش جریان هوای نماینده‌تری را ارائه می‌کنند.

 

بهبود عملکرد مکانیکی از طریق جهت گیری لایه بهینه

بسیاری از مهندسان تشخیص می دهند که استحکام مکانیکی قطعات چاپ شده FDM-به شدت به جهت لایه بستگی دارد.

چاپگرهای سنتی پیوند نسبتاً ضعیفی بین لایه‌ها در جهت عمودی ایجاد می‌کنند.

در نتیجه، اجزای تحت بارهای کششی یا خمشی ممکن است در امتداد مرزهای لایه شکست بخورند.

چاپ روی میز پنج محور-راه حلی ارائه می دهد.

از آنجایی که دستگاه می‌تواند در طول ساخت بچرخد، لایه‌ها را می‌توان با جهت‌های بار پیش‌بینی‌شده به‌جای ثابت ماندن به صورت افقی تراز کرد.

این بهبود می بخشد:

استحکام کششی

مقاومت در برابر خستگی

مقاومت در برابر انتشار ترک

تداوم ساختاری

برای بازوهای رباتیک، براکت های سبک وزن، یا وسایل صنعتی، جهت گیری لایه بهینه می تواند عملکرد عملکردی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

این به مهندسان اجازه می‌دهد تا قبل از حرکت به سمت تولید، آزمایش‌های مکانیکی معنی‌داری را انجام دهند.

 

ساخت هندسه های پیچیده که قبلاً مشکل تلقی می شد

مهندسی مدرن به طور فزاینده‌ای بر هندسه‌هایی تکیه می‌کند که ساخت آنها با استفاده از روش‌های مرسوم تقریباً غیرممکن بود.

مثالها عبارتند از:

سازه های مشبک

کانال های خنک کننده منحنی

مولفه های بهینه شده{0}توپولوژی

براکت های هوافضا سبک

ایمپلنت های زیست پزشکی ارگانیک

مدل های معماری آزاد

چاپگرهای رومیزی سنتی به دلیل محدودیت های پشتیبانی اغلب با این هندسه ها دست و پنجه نرم می کنند.

حرکت پنج محوری رسوب مداوم مواد را در اطراف سطوح منحنی امکان پذیر می کند و در عین حال مناطق پشتیبانی نشده را به حداقل می رساند.

مؤسسات تحقیقاتی که بهینه سازی توپولوژی یا طراحی سازه های سبک وزن را بررسی می کنند، از این قابلیت بسیار سود می برند.

به جای ساده سازی مدل های CAD برای قابلیت ساخت، مهندسان می توانند نمونه های اولیه ای تولید کنند که بسیار نزدیک به طرح های اصلی خود باقی می مانند.

 

تسریع تحقیق و توسعه محصول

زمان{0}}بازار-به یکی از مهمترین عوامل رقابتی در بین صنایع تبدیل شده است.

هر تکرار طراحی اضافی کیفیت محصول را بهبود می بخشد، اما تنها در صورتی که نمونه های اولیه بتوانند به سرعت تولید شوند.

چاپگرهای پنج محور رومیزی- زمان توسعه را با حذف چندین مرحله تولید کاهش می‌دهند.

به جای دنبال کردن یک گردش کاری مانند:

طراحی ← چاپ ← حذف ساپورت ها ← شن و ماسه ← ماشین → جمع آوری

مهندسان اغلب می توانند این فرآیند را به موارد زیر ساده کنند:

طراحی → چاپ → بازرسی → تست

این کاهش در کار دستی به تیم های تحقیقاتی اجازه می دهد تا تغییرات طراحی بیشتری را در یک زمان بندی پروژه ارزیابی کنند.

دانشگاه‌هایی که تحقیقات مهندسی را انجام می‌دهند، می‌توانند اعتبارسنجی آزمایشی را به طور مؤثرتری تکمیل کنند.

بخش‌های تحقیق و توسعه صنعتی می‌توانند چرخه‌های توسعه محصول را کوتاه کرده و به نیازهای مشتری در حال تغییر با سرعت بیشتری پاسخ دهند.

 

پشتیبانی از تحقیقات چند{0}}مهندسی رشته‌ای

چاپگرهای پنج محور رومیزی-دیگر فقط در آزمایشگاه‌های مهندسی مکانیک استفاده نمی‌شوند.

امروزه آنها از تحقیقات در چندین رشته پشتیبانی می کنند.

مهندسی هوافضا

محققان توسعه می دهند:

سازه های بدنه هوای سبک

نمونه های اولیه پره های توربین

مجاری جریان هوا

اجزای ماهواره

سطوح پیچیده آیرودینامیکی از استراتژی‌های چاپ غیرمستقیم- بهره می‌برند.

رباتیک

محققان رباتیک تولید می کنند:

افکت های نهایی سفارشی

دستکاری های سبک وزن

محفظه های سنسور

قاب های سازه ای

چاپ پنج محوری اجزای قوی‌تر را با وزن کاهش می‌دهد.

مهندسی پزشکی

آزمایشگاه های زیست پزشکی تولید می کنند:

مدل های تشریحی

ابزارهای برنامه ریزی جراحی

نمونه های اولیه پروتز

دستگاه های ارتوپدی سفارشی

کیفیت سطح بهبود یافته دقت آناتومیکی را افزایش می دهد.

طراحی محصول صنعتی

تیم های طراحی به سرعت ارزیابی می کنند:

محصولات مصرفی

دسته های ارگونومیک

مجموعه های مکانیکی

مسکن های کاربردی

پرداخت بهتر سطح، پردازش دستی پست{0}} قبل از نمایش مشتری را کاهش می‌دهد.

 

گسترش امکانات مواد

چاپگرهای پنج محور رومیزی مدرن به طور فزاینده‌ای از مواد درجه‌بندی مهندسی فراتر از PLA استاندارد پشتیبانی می‌کنند.

مثالها عبارتند از:

ABS

PETG

نایلون

پلی کربنات

پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن

کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه

مواد TPU انعطاف پذیر

سیستم های اکستروژن پیشرفته:

تغذیه فیلامنت پایدار

نازل‌های{0}}درجه حرارت بالا

سکوهای ساخت گرم

کنترل حرارتی بهبود یافته

این قابلیت‌ها به نمونه‌های اولیه اجازه می‌دهد تا با دقت بیشتری مواد تولیدی را تکرار کنند.

برای تولید کنندگان، این باعث افزایش اعتماد به نفس در طول تست عملکردی می شود.

برای محققان، فرصت‌هایی را برای تحقیقات علم مواد افزایش می‌دهد.

 

یکپارچه سازی تولید دیجیتال و تولید هوشمند

آینده تولید فراتر از ماشین های مستقل است.

چاپگرهای پنج محور رومیزی-به طور فزاینده ای در جریان کار تولید دیجیتال ادغام می شوند.

گردش کار معمولی:

طراحی CAD → شبیه سازی → پنج-تولید مسیر ابزار محور → ساخت افزودنی → بازرسی → اعتبار سنجی محصول

نرم افزار مدرن پشتیبانی می کند:

شبیه سازی برخورد

بهینه سازی مسیر ابزار

برش چند محوری

نظارت از راه دور

مدیریت فایل مبتنی بر ابر{0}}

این ادغام با ابتکارات Industry 4.0 از طریق اتصال طراحی، تولید و کنترل کیفیت در یک محیط دیجیتالی یکپارچه همسو می‌شود.

 

کاهش موانع آموزش تولید پیشرفته

مراکز ماشین‌کاری پنج محور صنعتی به طور سنتی گران، بزرگ و کار کردن با مشکل بوده است.

چاپگرهای رومیزی پنج محور-یک جایگزین عملی برای مؤسسات آموزشی ارائه می‌دهند.

دانش آموزان تجربه کسب می کنند:

کنترل حرکت چند محوره-

مدل سازی پیشرفته CAD

برنامه ریزی فرآیند تولید

بهینه سازی تولید افزودنی

طراحی برای قابلیت ساخت

به‌جای یادگیری مفاهیم نظری، دانشجویان مهندسی می‌توانند مستقیماً مشاهده کنند که چگونه مسیرهای ابزار چند محوری- بر کیفیت مؤلفه تأثیر می‌گذارند.

این تجربه عملی فارغ التحصیلان را برای مشاغل در تولید پیشرفته بهتر آماده می کند.

 

مزایای اقتصادی برای تولیدکنندگان کوچک و متوسط

بسیاری از تولیدکنندگان کوچک قبلاً تولید نمونه اولیه پیچیده را برون سپاری کردند زیرا تجهیزات صنعتی پنج-محور به سرمایه گذاری قابل توجهی نیاز داشت.

چاپگرهای پنج محور رومیزی -نقطه ورودی قابل دسترسی تری را ارائه می دهند.

مزایای اقتصادی بالقوه عبارتند از:

کاهش هزینه های برون سپاری

تحویل سریعتر نمونه اولیه

ضایعات مواد کمتر

چرخه های طراحی کوتاه تر

انعطاف پذیری بیشتر در طراحی

بهبود پاسخگویی مشتری

اگرچه سیستم‌های رومیزی نمی‌توانند جایگزین پلتفرم‌های بزرگ تولید افزودنی‌های صنعتی برای هر برنامه کاربردی شوند، اما تعادل عالی بین قابلیت و مقرون به صرفه بودن برای توسعه نمونه اولیه ارائه می‌دهند.

 

روندهای آینده در رومیزی پنج-چاپ محور

انتظار می‌رود چندین پیشرفت تکنولوژیکی پذیرش را در سال‌های آینده تسریع کند.

برنامه ریزی حرکت هوشمندتر

هوش مصنوعی به طور فزاینده ای جهت چاپ را بطور خودکار بهینه می کند و مداخله اپراتور را کاهش می دهد.

چاپ چند{0}متریال بهتر

سیستم های آینده ممکن است مواد سفت، انعطاف پذیر و تقویت شده را در یک فرآیند تولید ترکیب کنند.

اتوماسیون بهبود یافته

کالیبراسیون خودکار، خود{0}}تشخیص و نظارت بر فرآیند تطبیقی ​​عملکرد دستگاه را ساده می‌کند.

دقت بالاتر

رمزگذارها، کنترل‌کننده‌های حرکتی و ساختارهای مکانیکی بهبود یافته، دقت ابعاد را بیشتر می‌کنند.

پذیرش صنعتی گسترده تر

همانطور که نرم افزار کاربرپسندتر می شود

 

نتیجه گیری

پرینترهای سه بعدی دسکتاپ 5 محور در حال بازتعریف آنچه در نمونه سازی دقیق امکان پذیر است. با ترکیب حرکت چند جهته با تولید افزودنی پیشرفته، این سیستم ها بر بسیاری از محدودیت های مربوط به چاپ سه محوره سنتی غلبه می کنند. آنها ساختارهای پشتیبانی را کاهش می دهند، کیفیت سطح را بهبود می بخشند، جهت گیری لایه را بهینه می کنند، و تولید هندسه های بسیار پیچیده را امکان پذیر می کنند که طرح های محصول نهایی را با دقت بیشتری نشان می دهند.

برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، آنها یک پلت فرم انعطاف‌پذیر برای کاوش در تکنیک‌های تولید پیشرفته، تأیید طرح‌های نوآورانه و تسریع در کشف علمی فراهم می‌کنند. برای تولیدکنندگان، چرخه‌های توسعه محصول را کوتاه می‌کنند، پردازش پست{1}}را کاهش می‌دهند و عملکرد نمونه اولیه را بهبود می‌بخشند و در عین حال هزینه‌های کلی توسعه را کاهش می‌دهند.

همانطور که سیستم‌های کنترل حرکت، نرم‌افزارهای برش، و فناوری‌های مواد به تکامل خود ادامه می‌دهند، چاپگرهای پنج محور رومیزی-نقش بسیار مهمی را در تولید دیجیتال ایفا خواهند کرد. این ابزارها به جای اینکه به‌عنوان ابزارهای{2}}ساخت مدل ساده استفاده شوند، به پلتفرم‌های مهندسی ضروری تبدیل می‌شوند که شکاف بین طراحی مفهومی و اجزای آماده تولید- را پر می‌کنند و به سازمان‌ها کمک می‌کنند تا سریع‌تر نوآوری کنند و محصولات با کیفیت بالاتر{4} را به بازار عرضه کنند.