۸ درس ارزشمند از آزمایش ساخت افزایشی فلزات

قطعاتی که به صورت افزودنی در آزمایش Delcam ساخته شد، یک منیفولد مخروطی شکل از جنس استنلس استیل ۳۱۶L به ابعاد ۹۵ میلی متر طول و ۹۰ میلی متر قطر که دارای دو فلنج بود. این قطعه معمولاً از طریق ریخته‌گری ساخته می‌شود، اما Delcam می‌خواست آن را از طریق فرآیند تولید افزایشی‌های فلزی بستر پودری بسازد تا هم مزایا و هم چالش‌های استفاده از ساخت افزایشی را برای تولید تجربه کند. این فرآیند شامل یک صفحه ساخت است. چهار منیفولد ساخته شد، این قطعات نه تنها به صورت افزودنی ساخته شدند، بلکه عملیات پس از ساخت هم برروی اجزای نهایی انجام شد.

این کار شامل حداقل ۱۰ درس ارزشمند بود. به طور قابل توجهی، این درس ها به همان اندازه که مستقیماً به تولید مواد افزودنی توجه دارد، به ماشینکاری نیز می پردازند. در اینجا، به طور خلاصه، چیزی که Delcam مشاهده کرد را آورده ایم:

۱٫طراحی و نقشه کشی قطعات با توجه به عملیات پس از ساخت در نظر گرفته می­شود.

در فرآیند ساخت هر قطعه AM، سؤالات مربوط به مراحل بعد از افزودنی باید بلافاصله مطرح شود. به عنوان مثال، پس از انجام چرخه پرینت سه بعدی، قطعه چگونه از صفحه ساخت خارج می شود؟ و چه قسمت­هایی باید با روش ماشینکاری انجام بشود؛ به جای تکمیل شدن به صورت سه بعدی؟ این سوالات بسیار مهم هستند، زیرا چرخه افزایشی را شکل می دهند. آنها شکل قطعه ارسال شده به دستگاه پرینتر سه بعدی را تعیین می کنند. در مورد Delcam، مهندسان شرکت‌کننده در این تحقیق انتظار داشتند که قطعات را از طریق سیم EDM از صفحه خارج کنند، بنابراین ۲ میلی‌متر ذخیره اضافی بین قطعه و صفحه اضافه کردند تا فضایی برای این برش فراهم شود. علاوه بر این، آنها انتظار داشتند که سوراخ‌های قطعه را با دریل سوراخکاری کنند (زیرا فرآیند AM در ایجاد سوراخ‌های دقیقاً گرد ضعیف است). در نتیجه، مهندسان سوراخ‌ها را از مدل حذف کردند تا بعد از فرآیند ساخت افزایشی آن ها را با ماشینکاری سوراخ کنند.

سوراخی که با قطر بیشتر در قطعه بود جز استثنا قرار گرفت که دو محفظه داخل منیفولد را به هم متصل می کرد. این سوراخ همچنین می‌توانست ماشینکاری شود اما سوراخ در جای خود رها شد تا به صورت ساخت افزایشی تولید شود.

۲٫ساپورت گذاری یک امر مهم در پرینت سه بعدی

تمام نبوغ طراحی در ساخت افزودنی به سمت ویژگی های قطعه نهایی نمی­رود. برخی از آن ها به سمتی می­روند که قرار است بریده یا کنده شوند و سپس دور ریخته شوند. علاوه بر این، هر قسمتی که به صورت افقی از قطعه بیرون می زند، در خطر خرابی در حین پرینت قراردارد. زیرا این شکل در یک لایه بر روی لایه دیگر در طول ساخت شکل می گیرد. راه حل اضافه کردن تکیه گاه (در ساخت افزایشی ساپورت) به این بخش­ها است. مهندسان Delcam، ستون‌های بلند و باریکی بعنوان ساپورت برای افزایش استحکام لایه ها ایجاد کردند. این لایه ها باید بشکلی می بود که مانع خروج پودر نشود.

۳٫ جا برای درس ها بگذارید.

طراح نمی‌خواست هر چهار قسمت را با یک ساختار تولید کند، حتی اگر آن قطعات همه روی صفحه قرار بگیرند. دلیلش اینست که: ساخت افزودنی شامل عدم قطعیت قابل توجهی مربوط به تنش پسماند و سایر اثرات در هنگام شکل گیری قطعه است. بهتر است ابتدا فقط یک قسمت را بسازید. سپس شکل گیری لایه­ها را بررسی کنید. ببینید آیا نکته­هایی برای جلب توجه وجود دارد یا خیر، و سپس سه قسمت دیگر را بسازید.

در واقع یک اثر غیرمنتظره در ساخت اول مشاهده شد. تنش باقیمانده که بر شکل‌گیری این قطعه تأثیر گذاشت ظاهراً باعث می‌شد یکی از این قطعات به اندازه‌ای بالا بیفتد که تیغه پوشش پودر را خراب کند. این نقص تیغه پس از آن بر هر لایه تأثیر می گذارد و همچنان می تواند به عنوان یک نقص متناظر در سطح نهایی قطعه ای که دستگاه تولید می کند دیده شود. این نقص نگران کننده بود، زیرا به این معنی بود که مواد تیغه از محل بالا زدگی آن قسمت از قطعه؛ ممکن است در قطعه جاسازی شود. برای مثال، در قطعه‌ای به اندازه پره‌های توربین، این احتمال باید بررسی شود.

۴٫ اره نواری را برای بریدن قطعه در نظر بگیرید.

Wire EDM فرآیند انتخابی برای برش قطعات فلزی ساخت افزایشی از صفحات ساخت آن ها است. این عملیات برش دقیق یک سطح تمیز و مربعی را به جا می گذارد. با این حال، مهندسان Delcam 2 میلیمتر به قطعه اضافه کرده بودند تا اجازه بریدن توسط EDM را بدهد، اما آن­ها متوجه شدند که باید در عوض ۵ میلی‌متر استوک اضافه می‌کردند تا امکان اره‌ نوار کاری فراهم شود. برش قطعات با اره بسیار سریعتر خواهد بود و عدم دقت در این مورد ضررتی نداشت زیرا به هر حال سطح قرار بود ماشینکاریCNC شود. متأسفانه، دومین ساخت افزودنی تا زمان تحقق این امر در حال انجام بود، بنابراین برای اضافه کردن قسمت اضافی خیلی دیر شده بود.

۵٫ ساخت افزایشی یک رقیب قوی برای ریخته گری است.

این درس انتظارات Delcam را از پروژه تأیید کرد و دقیقاً به این دلیل است که شرکت انتظار دارد در تولید مواد افزودنی پیشرفت کند. مهندسان قطعات افزودنی را اندازه‌گیری کردند تا بفهمند که تولید مواد افزودنی چقدر در ساخت همین قطعات از طریق ریخته‌گری مؤثر است.

پاسخ: فرآیند افزودنی در این مورد بسیار دقیق تر بود. این یک نتیجه گیری قطعی نیست – مواردی وجود دارد که انتخاب ریخته گری دقیق‌تر است. با این حال، ساخت قطعات نزدیک به ابعاد نهایی با استفاده از فرایند ساخت افزایشی قابل دسترس تر از تولید به روش سنتی است. به عنوان مثال، در قطعه تولید شده، دور اسمی بدست آمده به صورت افزودنی در حدود ۲/۰ میلی متر در سراسر قطعه بود. در همین حال، زمان تولید قطعات ساخته شده به صورت افزودنی نیز یک ویژگی قابل رقابت است. در حالی که تولید مواد افزودنی به طور کلی نمی تواند با ریخته گری برای قطعات با حجم بالا رقابت کند، افزودنی یک جایگزین عالی برای ریخته گری در مواردی است که مقدار آن به اندازه کافی کم است، زمان تولید به اندازه کافی کم است، یا هندسه به اندازه کافی عجیب است که ابزار مورد نیاز ریخته گری را رد کند.

۶٫ ماشین کاری را از پیش در نظر بگیرید.

از آنجایی که قطعه AM بسیار نزدیک به شکل نهایی است، ممکن است به نظر برسد که ماشینکاری آن به شکل نهایی  یک نگرانی جزئی یا زودگذر است. گونینک می‌گوید تیم ما چالش های ماشینکاری داشت.

به عنوان مثال، قرار دادن سه قسمت روی صفحه ساخت، یک پیکربندی مبهم ایجاد می‌کند که باعث می‌شود سیم EDM شروع به بریدن یک قسمت کند؛ در حالی که برش را برای قسمت دیگر تمام می‌کند. سپس، از آنجایی که چرخه EDM برای آن قطعه واقعی با اولین برش مطابقت نداشت، در نتیجه شکافی در OD قطعه بود که باعث ایجاد مشکلاتی در هنگام تبدیل این صفحه به تلرانس نهایی شد. این توقف در برشکاری به ابزار آسیب رساند. (غیر از این، اما چرخش خیلی خوب پیش رفت.)

بعلاوه، آسیاب کردن تکیه گاه ها دشوار بود. به جای شکستن، خم شدند. در همین حال، ابزارها به دلیل لبه ساخت شکستند. گانینک اذعان می کند که بخشی از مشکل این است که عملیات حرارتی نادیده گرفته شد. دلکام قطعات را از تامین کننده مواد افزودنی دریافت کرد بدون اینکه متوجه شود آن ها این مرحله را طی نکرده اند. با عملیات حرارتی، ساپورت ها انعطاف پذیری کمتری داشتند و به احتمال زیاد جداکردن آن ها آسان تر بود. به گفته او، آنچه این موضوع به آن اشاره می کند، نیاز به برنامه ریزی در ابتدای فرآیند افزایشی و ارتباط شفاف در سراسر مراحل آن است.

۷٫ ماشینکاری برخی قطعات پیچیده مناسب است.

در ابتدا، تیم Delcam انتظار داشت که قطعات منیفولد را در یک مرکز ماشینکاری پنج محوره ماشینکاری کند. این انتخاب بعداً به یک ماشین تراش-فرز چندوظیفه ای تبدیل شد. در هر صورت، ماشین ابزاری که قادر به حرکت پیچیده باشد درست بود به ویژه ماشینی که قادر به ماشینکاری وجوه مختلف قطعه در یک بار بستن قطعه بود. از آنجایی که این قطعه پس از ساخت افزودنی بسیار نزدیک به اتمام است، وسوسه انگیز است که فکر کنیم یک ماشین ابزار ساده می تواند ماشینکاری مورد نیاز را انجام دهد  و شاید هم بتواند. با این حال، تولید افزودنی طبیعتاً برای تولید قطعات پیچیده به کار می رود. (توانایی انجام این کار، نقطه قوت آن است.) این بدان معناست که قطعه کار تولید شده در یک فرآیند افزودنی احتمالاً نیاز به نصب دقیق دارد تا آن را روی یک ماشین ساده نگه دارد، یا ماشینی که ابزار آن بتواند در موقعیت های مختلف مانور دهد.

۸٫ساخت افزایشی یک فرآیند ساخت و تولید واقعی است

 ساخت افزایشی فقط شامل رها کردن قطعه برای ساخت تدریجی در طول شب نیست تا قطعه تکمیل شده در صبح آماده شود. وقتی صحبت از ساخت قطعات فلزی می شود، ساخت افزایشی به ندرت به این سادگی در نظر گرفته می شود. افزودنی در عوض مرحله‌ای از یک فرآیند است. مرحله‌ای مهم در فرآیندی که مراحل مهم دیگری نیز دارد. بنابراین تولید افزودنی‌ها مانند هر رویکرد بخش‌سازی دیگری به برنامه‌ریزی فرآیند، هماهنگی و لجستیک نیاز دارد. این ابتدایی ترین نکته از آزمایش Delcam در تولید افزودنی است. یعنی: آسان نیست. درست مانند همه روش‌های دیگر برای تولید یک جزء دقیق و کاربردی، نیاز به آموزش، تجربه و پژوهش دارد. به طور خلاصه، پیشرفت تولید مواد افزودنی نیاز به تخصص در تولید مواد افزودنی را ایجاد خواهد کرد.

منبع: additivemanufacturing