راهنمای تولید ترکیبی افزایشی (پرینت سه بعدی ) و کاهشی (CNC)

ترکیب پرینت سه بعدی و ماشینکاری CNC با هم در یک دستگاه بهترین خروجی را ارائه می¬دهد – سرعت، دقت و هزینه¬ی کم. آیا تولید ترکیبی برای شما مناسب است؟

مقدمه

پرینت سه بعدی و ماشینکاری اغلب به عنوان رقیب در نظر گرفته می­شوند؛ اما می­توانند مکمل­ های موثری نیز باشند. در واقع، قطعات پرینت سه بعدی به طور معمول ماشینکاری می­شوند تا تلرانس­ های دقیق­تر و سطح بهتری داشته باشند. در همین حال، قطعاتی که زمانی از یک بلوک جامد فلزی فرزکاری شده بودند، اغلب به مراتب سریع‌تر و در اشکال پیچیده‌تری پرینت سه بعدی می‌شوند.

تعداد فزاینده‌ای از دستگاه ­های تولید هیبریدی، ماشین‌آلات پرینت سه بعدی و CNC را در یک بسته قرار می‌دهند تا در خودکارسازی و تسریع تولید قطعات بهتر عمل نمایند.

سازندگان دستگاه ­ها می‌گویند فناوری هیبریدی بر کاستی‌های هر دو فناوری مادر آن­ها غلبه نموده و تولیدکنندگان را قادر می‌سازد تا قطعات دقیق‌تر و با کیفیت‌تری را سریع‌تر و با هزینه­ ی کمتر تولید نمایند. این امر نسبت به ماشینکاری صرف، ضایعات کمتری داشته و از پرینت سه بعدی نیز به دلیل حذف کار دستی برای جابجایی قطعات و همنیطور حذف برنامه نویسی دو قطعه­ ی مجزا از تجهیزات، پربارتر و دقیق­ تر است.

دستگاه ­های پرینت سه بعدی و CNC هیبریدی چه هستند؟

تولید هیبریدی، روش نسبتا جدیدی است که ترکیبی از تولید افزایشی و فناوری تولید کاهشی در یک دستگاه می ­باشد. این دستگاه­ ها از پرینت سه بعدی برای تولید شکل اولیه و شکل تقریبا نهایی قطعه از جنس فلز یا پلاستیک استفاده می­ کنند. سپس، واحد یا ابزار دیگری قطعه را تا دستیابی به تلرانس ­های لازم فرزکاری می ­کند. در نتیجه، تولیدکنندگان (و مشتریان آن­ها) هندسه­ های پیچیده ­ی تولید افزایشی و کیفیت سطح دقیق اجزای فرزکاری شده را در اختیار دارند.

این دستگاه­ ها علاوه بر ساختن یک قطعه از ابتدا، برای افزودن اجزای جدید به قطعات موجود، انجام تعمیرات قطعات و اعمال پوشش روی قطعات قبل از فرآیندهای پس از ماشینکاری ایده‌آل هستند.

عملیات ­های دستگاه ­های تولید هیبریدی میان تولیدکنندگان متفاوت­ اند؛ اما به طور کلی به دو دسته تقسیم می­شوند:

1. ماشین‌های تولید هیبریدی متوالی، ابتدا توالی کامل AM را تکمیل نموده و قبل از حرکت به سوی فرآیند کاهشی، یک قطعه ­ی دارای شکل تقریبا نهایی پرینت سه بعدی تولید می‌کنند.
2. از سوی دیگر، دستگاه ­های تولید هیبریدی متناوب، در طول فرآیند تولید، بین واحدهای AM و فرز تعویض می‌شوند. برخی از دستگاه­ های متناوب حتی می‌توانند بخشی از قطعه را در حالی ماشینکاری نمایند که واحد AM بخش دیگری را چاپ می‌کند.

از نظر فنی، تقریبا هر فناوری پرینت سه بعدی را می­توان با یک دستگاه CNC ترکیب نمود و چند کیت ارتقاء برای تبدیل واحدهای ماشینکاری موجود شما وجود دارد. با این حال، این فناوری هنوز در حال توسعه بوده و گزینه ­های فعلی به چند ترکیب محدود می­ شوند. از جمله:

1. DED/CNC: توزیع مستقیم انرژی (DED) یک فناوری AM فلزی است که در آن مواد – سیم یا پودر – از طریق یک نازل باریک تغذیه شده و با قوس الکتریکی، لیزر یا پرتو الکترونی به شکلی ذوب می‌شود. مزیت DED توانایی تغذیه­ ی مواد از هر زاویه ­ای است که امکان توزیع 5 محوری را فراهم می­ نماید. این امر همچنین برای تعمیر قطعات فلزی استفاده می ­شود.
2. LPBF/CNC: در همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF)، دستگاه یک لایه­ ی نازک از پودر فلز را روی آن قرار داده، شکل لایه را با لیزر ذوب نموده و این فرآیند را تا زمانی که قطعه کامل شود، تکرار می‌کند. LPBF از نظر تئوری می­ تواند قطعاتی را بدون سازه ­های پشتیبان تولید نماید؛ زیرا پودر ذوب نشده­ ی اطراف، پشتیبانی لازم را فراهم می­ کند.
3. FDM/CNC: برخلاف دو روش قبلی، پرینترهای مدل‌سازی رسوب ذوب شده (FDM)، فیلامنت­ ها یا گندله­ های فلزی یا ترموپلاستیک را به صورت لایه­ ای ذوب و اکسترود می‌نمایند تا هندسه­ ی مورد نظر را بسازند. این فناوری می‌تواند بسیار ارزان‌تر باشد، در حالی که هنوز دارای خواص استحکامی خوبی است (مخصوصا با فیلامنت ­های پلیمری تقویت‌شده)؛ اما قطعات می‌توانند در طول چاپ به سازه ­های پشتیبانی نیاز داشته باشند.

نرم ­افزار هیبریدی تجمیعی

در حالت ایده‌آل، یک ماشین تولید هیبریدی باید با یک دور برنامه‌نویسی کار کند و بیشتر سازندگان نیز به دنبال عملکرد ساده هستند. برخی از شرکت‌ها راهکارهای CAD/CAM خاص خود را تولید می‌نمایند؛ هرچند بسیاری از آن­ها به نرم‌افزار عملیاتی توسعه‌یافته توسط اشخاص ثالث متکی هستند. به عنوان مثال، شرکت زیمنس NX یک گزینه­ ی محبوب در میان تولیدکنندگان ماشین ­آلات تولید هیبریدی است.

تولید هیبریدی یک راه حل عملیاتی برای تولید نمونه ­های اولیه و قطعات کاربردی نهایی، علاوه بر تعمیر اجزای موجود می ­باشد. تولید هیبریدی به ویژه برای شرکت‌های کوچک‌تری که به قابلیت AM و ماشینکاری نیاز دارند، جذاب است. این دستگاه‌ها می‌توانند به آن‌ها اجازه دهند هر دو نوع (یا هیبریدی) قطعات را بدون سرمایه‌گذاری روی دو دستگاه تولید نمایند. این امر همچنین می‌تواند مسائل مربوط به پیچیدگی و بهره‌وری قطعات را در صنایع بزرگ مانند خودروسازی و هوافضا حل کند (و حل کرده است).

مزایا و معایب دستگاه ­های تولید هیبریدی

تولید هیبریدی مزایای زیادی نسبت به روش‌های AM خالص یا کاهشی دارد. یکی از مهمترین مزایای آن، توانایی افزایش بهره­ وری است. از آنجایی که هر دو فرآیند AM و ماشینکاری را می ­توان در یک دستگاه اجرا نمود، نیازی به تعویض قطعات و کالیبراسیون مجدد تجهیزات نیست. واحد ماشینکاری همچنین می­تواند تا حدی یا به طور کامل جایگزین پس­پردازش دستی AM شود که باعث افزایش سرعت تولید نیز می­گردد.

تولید هیبریدی می­تواند به دقت بالاتر و تلرانس­های دقیق ­تری نسبت به اکثر پرینترهای سه بعدی دست یابد. AM هندسه ­ها و ساختارهای پیچیده ­تری را نسبت به ماشینکاری ایجاد می ­نماید؛ مانند یکپارچه­ سازی قطعات، کانال­ های داخلی و دیواره­ های مشبک. تولید کل قطعه در یک دستگاه احتمال نقص یا خطا در پردازش را نیز کاهش می­دهد. در نتیجه قطعات هیبریدی می­توانند عملکرد بهتر و کیفیت بالاتری داشته باشند.

دستگاه­ های هیبریدی شما را قادر می‌سازند از چندین ماده در یک قطعه استفاده نمایید و راهی را برای بهبود عملکرد مکانیکی قابل توجه و صرفه‌جویی در هزینه باز می‌کنند. شما می‌توانید قطعات ضعیف‌تر را با فلزات قوی‌تر بپوشانید، مواد با کارایی بالا را برای بهبود حرکت قطعه یا انتقال حرارت اضافه نمایید یا با استفاده از مواد گران قیمت، فقط در جایی که نیاز دارید، در هزینه‌های مربوط به مواد نیز صرفه‌جویی کنید.

یک مطالعه­­ ی اخیر نشان داد که تولید هیبریدی بسیاری از ضایعات ذاتی فناوری‌های کاهشی را حذف می‌کند و مصرف مواد را تا 97 درصد کاهش می‌دهد. پرینت سه بعدی قطعه به شکل تقریبا نهایی به این معنی است که مواد کمتری به عنوان براده­ های کف کارخانه جمع ­آوری می­ شوند. با دستگاه‌های DED/CNC، افزودن مواد فقط به محل­‌های انتخابی امکان‌پذیر است. این امر به کاربران اجازه می­دهد تا قطعات شکسته را تعمیر نموده و با افزودن فلز به قطعاتی مانند قطعات مورد استفاده در صنایع دریایی و نفت و گاز، سرعت تولید را افزایش دهند. برعکس، واحد CNC می‌تواند ساختارهای داخلی ظریف را بین مراحل توزیع مواد ماشینکاری نماید.

به عنوان آخرین مورد، اما نه کم اهمیت­ ترین آن­ها، تولید هیبریدی می­ تواند سرمایه­ گذاری اولیه و هزینه­ های جاری را کاهش دهد. به جای خرید یک دستگاه CNC و یک پرینتر سه بعدی صنعتی، ممکن است خرید یک دستگاه هیبریدی ارزان­تر باشد. یک دستگاه هیبریدی واحد نسبت به واحدهای AM و CNC جداگانه، انرژی کمتری نیز مصرف نموده و به فضای کمتری هم نیاز دارد.

با وجود مزایای فراوان، تولید هیبریدی راه حل مناسبی برای هر نیاز تولیدی نیست. اگرچه این دستگاه­ ها می­توانند سرمایه­ گذاری اولیه را کاهش دهند، اما ارزان نبوده و ممکن است خارج از بودجه­ ی شرکت ­های کوچک ­تر باشند. کارکردن با دستگاه‌های هیبریدی می‌تواند پیچیده بوده و اپراتور را ملزم نماید که درک کاملی از پرینت سه بعدی و ماشینکاری CNC داشته باشد تا بهترین راه برای ساخت یک قطعه ­ی مشخص را تعیین کند.

کاربردهای ماشین ­آلات تولید هیبریدی

تولید هیبریدی برای تعداد زیادی از صنایع و در راستای هر کاربردی که به قطعات دقیق ساخته شده از فلزات یا پایه ­های ترموپلاستیک متکی باشد تا از فناوری­ های تولید هیبریدی بهره­ مند شود، مناسب است. با این حال، برخی از بخش ­هایی که به طور خاص برای این نوع تولید مناسب هستند، عبارتند از:

1. هوافضا: صنعت هوافضا به قطعات مقاوم در برابر حرارت، مستحکم و سبک وزن با تلرانس­های دقیق نیاز دارد. تولید هیبریدی می­تواند این قطعات را از ترموپلاستیک­ های تقویت شده و فلزاتی مانند آلومینیوم تولید نماید.
2. خودرو: موتورهای خودرو و شاسی شامل تعداد زیادی از قطعات پیچیده می ­شود. تولید هیبریدی به تولیدکنندگان خودرو این امکان را می ­دهد تا این قطعات را در یک دستگاه تولید نموده و هزینه­ ی مواد و نیروی کار را کاهش دهند.
3. مهندسی عمومی: حداکثر زمان کار برای هر صنعت تولیدی عاملی حیاتی است. با راهکارهای تولید هیبریدی، تعمیر قطعات ماشین­ آلات آسیب­ دیده امکان­پذیر خواهد بود. این امر هزینه­ ها را کاهش داده و به موجودی ثابت کمتری نیاز دارد.
4. پزشکی: تولید هیبریدی می‌تواند به متخصصان ساخت وسایل پزشکی کمک کند تا ایمپلنت‌ها، پروتزها و ابزارهای جراحی کاملا متناسبی را بسازند. فناوری AM امکان سفارشی­ سازی قطعات را در حالی فراهم می ­کند که ماشینکاری CNC کیفیت قطعه ­ی ایده­ آل را تضمین می ­نماید.

بیایید نگاهی به چند گزارش دقیق از چگونگی کمک تولید هیبریدی به تولیدکنندگان بیندازیم.

هوافضا

هدف مهندسان مرکز تحقیقات تولید پیشرفته دانشگاه شفیلد (AMRC) تحقیق و توسعه­ ی روش‌های جدید برای پیشرفت فناوری تولید است. به عنوان بخشی از این هدف، آن­ها یک روش جدید برای تولید یک قطعه­ ی محرک حیاتی مورد استفاده در صنعت هوافضا طراحی نموده ­اند (تصویر بالا).

این قطعات محرک به طور سنتی با ماشینکاری یک میله ­ی فلزی جامد به این شکل ساخته می­ شوند. با استفاده از یک دستگاه DED/CNC، AMRC می‌تواند مواد اولیه­ ی قطعه را به یک لوله تغییر دهد. با توالی بهینه­ ی AM و فرآیندهای ماشینکاری، محققان می ­توانند فلز پرینت سه بعدی شده را به مواد اولیه اضافه نمایند. این رویکرد باعث افزایش پایداری عملیات ماشینکاری و کاهش قابل توجه مصرف مواد گردیده است.

«استفاده از تولید هیبریدی، استراتژی‌های ساده‌تری را در ماشینکاری قطعات فعال کرده است. نیکولاس تاپوگلو، یکی از همکاران فنی در فناوری‌های ماشینکاری نوظهور در AMRC، توضیح داد آزمایش‌های هیبریدی نشان داده‌اند که زمان‌های چرخه­ ی مشابه می‌تواند در حالی به دست آید که هزینه را تا 23 درصد کم کرده و همچنین کاهش زیادی در نسبت خرید به فروش از 31:1 به 2.5:1 ایجاد می‌کند.

مهندسی

Sulzer یک تولیدکننده­ی سوئیسی قطعات حساس عملیاتی از جمله پمپ برای بخش نفت، گاز و انرژی می ­باشد. پره ­ها از اجزای حیاتی پمپ ­ها به حساب می ­آیند؛ اما به دلیل مایعات خورنده ­ای که در آن­ها جریان دارد، دچار سایش شدید شده و نیاز به تعویض منظم دارند. Sulzer به‌طور سنتی پره ­ها را با استفاده از ماشینکاری معمولی تولید می‌کرد؛ اما هندسه‌های پیچیده ­ی آن‌ها منجر به زمان‌بندی بسیار طولانی در تولید می‌شد.

Sulzer با پیاده‌سازی دستگاه DMG Mori Lasertec 65 DED/CNC که با استفاده از نرم‌افزار هیبریدی CAD/CAM زیمنس NX کار می‌کند، اکنون می‌تواند سازه­ های کانال پیچیده ­ی پره­ ها را به وسیله ­ی جایگزینی روش‌های ماشینکاری با راهکارهای AM تولید نماید. این شرکت زمان تولید خود را 25 برابر کاهش داده و اکنون می­ تواند محدوده­ هایی را که قبلا غیرقابل دسترس بودند، فرزکاری نموده و قطعاتی با کیفیت سطح بالا تولید کند که کارایی آن­ها را نیز بهبود می­ بخشد. علاوه بر این، دستگاه هیبریدی این امکان را برای شرکت ایجاد می­ کند که قطعات بزرگتری نسبت به قبل بسازد.

رابین رتبرگ، رئیس فناوری‌های تولید در Sulzer می‌گوید: «ما می‌توانیم کل زمان تحویل را از 25 هفته به کمتر از یک هفته کاهش دهیم. همچنین مایلیم به افزایش ظرفیت در این زمینه ادامه دهیم؛ زیرا این فناوری به ما اجازه می‌دهد تا با انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به نیازهای مشتری واکنش نشان دهیم.»

پزشکی

یک تولید­کننده­ ی تجهیزات پزشکی جهانی از قالب­هایی از جنس فولاد ابزار برای تولید قطعات اولیه­ ی پلاستیکی با دمای بالا استفاده می ­کند. با توجه به زمان طولانی تولید قالب­های جدید، این شرکت برای معرفی محصولات جدید به بازار، به موقع تلاش نموده و قالب­ های پلاستیکی پرینت سه بعدی را امتحان کرده بود؛ اما خواص عایقی و محدودیت های پرداخت سطحی آن­ها، منجر به ایجاد محدودیت مواد و عدم دقت میان نمونه­ های اولیه و قطعات نهایی شد. به دنبال حل این مشکل، این شرکت به استفاده از دستگاه Mantle P-200 HM روی آورد.

با P-200، این شرکت اجزای قالب­ ها را در مواد فولادی ابزار P2X چاپ کرده و آن­ها را به شکل نهایی ماشینکاری نمود. این روش منجر به تولید اجزای قالب با تلرانس‌های بسیار دقیق (0.025 میلیمتر) و سطوح مات صافی شد که قبل از قالب‌گیری نیازی به پرداخت سطحی نداشتند. قالب­ ها نیز در دمای قالب­گیری تا 600 درجه­ ی سانتیگراد بدون عیب و نقص عمل کردند.

فرآیند هیبریدی زمان تولید قالب­های جدید را بیش از 80 درصد از 7 هفته به 8 روز کاهش داد. علاوه بر این، این شرکت پزشکی شاهد کاهش بیش از 50 درصدی هزینه‌های تولید بود.

ترجمه و جمع آوری : واحد خدمات و تحقیق و توسعه پرینتر های سه بعدی ثمین samin3d