در سال‌های اخیر، پرینت سه بعدی توانسته است صنعت خودرو را تا حد زیادی تحت تاثیر خود قرار دهد؛ همچنین، گفته می‌شود که بکارگیری این فناوری به پیشرفت عملکرد و در عین حال کاهش هزینه و زمان کمک زیادی می‌کند. حال می‌خواهیم در ادامه این گفتار به چرایی و چگونگی این موضوع بپردازیم.
مقدمه
پیشرفت‌های اخیر ساخت افزایشی در صنعت خودروسازی، مزایای بسیاری را در این بخش به ارمغان آورده است. یکی از مزایای بزرگ این فناوری، امکان طراحی محصولات نوینی است که از نظر استحکام، سبکی و ایمنی نسبت به همتایان پیشین خود برتری پیدا کرده‌اند. کاهش مدت زمان تولید و هزینه‌ها نیز مزیت دیگر آن است. سال 2015 میلادی، Wohlers در گزارش سالانه خود عنوان کرد که 16.1% هزینه‌هایی که در آن سال صرف فناری ساخت افزایشی شد، مربوط به صنعت خودروسازی بود. حوزه کاربرد این فناوری بخش‌های مختلفی را شامل می‌شود؛ بیشتر از همه، این تولیدکنندگان تجهیزات اصلی خودرو و عرضه‌کنندگان ملزومات هستند که از ساخت افزایشی برای نمونه‌سازی فوری استفاده می‌کنند. با این وجود، ماهیت فنی ساخت افزایشی می‌تواند کاری کند که در آینده نه چندان دور از این فناوری حتی برای نوآوری در محصولات و تولید مستقیم نیز استفاده شود.
موضوع بحث این مقاله، پیرامون ساخت افزایشی در صنعت خودروسازی خواهد بود. بایدها و نبایدهای طراحی یک قطعه خودرو و چند توصیه برای طراحی بخش‌های رایج خودرو، از جمله مواردی هستند که بررسی خواهند شد. در آخر نیز به برخی مواد معروف ساخت افزایشی خواهیم رسید که نیازهای صنعت خودرو را خوبی برآورده می‌کنند.
زوایای مختلف ساخت افزایشی در این صنعت
انتقال مفاهیم؛ طراحی یک خودرو اغلب با ساخت یک نمونه کوچک‌تر شروع می‌شود. بیشتر اوقات نیز از همین نمونه‌های کوچک برای انجام تست‌های آیرودینامیکی استفاده می‌کنند. اکنون طراحان با استفاده از روش‌های ساخت افزایشی SLA و متریال جتینگ می‌توانند ماکت یک خودرو را با همه جزئیات آن بسازند. یک مدل دقیق از طرح اصلی می‌تواند مقاصد نهفته در طراحی را به خوبی بیان کند و مفهوم کلی را در همان مقیاس کوچک به نمایش بگذارد.
اعتبارسنجی؛ اکنون نمونه‌سازی با استفاده از روش‌های ساخت افزایشی به یک امر رایج در صنعت خودرو تبدیل شده است. از یک آینه بغل گرفته که در اندازه اصلی و با روش ارزان FDM پرینت می‌شود، تا پرینت داشبوردهای تمام رنگی با جزئیات دقیق. برای تولید هر نمونه خاص با نیازهای متفاوت، یک فناوری ساخت افزایشی مناسب یافت می‌شود. برخی مواد مهندسی پرینت سه بعدی حتی می‌توانند برای انجام تست‌های کامل و اعتبارسنجی عملکرد نمونه به کار بروند.
پیش تولید؛ ساخت افزایشی توانسته است تحول بزرگی در نحوه ساخت ابزار تزریق پلاستیک و ترموفورمینگ، و همچنین تولید جیگ‌ها و فیکسچرها ایجاد کند. تولید ارزان و سریع ابزارآلات، اثر مستقیمی بر تولید انبوه متوسط تا زیاد قطعات خواهد داشت. این کار، احتمال ضرر اقتصادی را به هنگام سرمایه‌گذاری بر تجهیزات گران قیمت کاهش می‌دهد.
تولید؛ تناژ تولید در صنعت خودروسازی فوق‌العاده زیاد است و سالانه از صد هزار قطعه فراتر می‌رود. پس به جای تولید قطعه اصلی در وهله اول، از راه حل نمونه‌سازی فوری با استفاده از ساخت افزایشی استفاده می‌شود. پرینترهای صنعتی نیز به طور همزمان از نظر اندازه پرینت، سرعت پرینت و تنوع مواد پیشرفت زیادی داشته‌اند؛ این بدان معنا است که اکنون ساخت افزایشی به یک راه حل شدنی و موفقیت آمیز برای تولید به میزان متوسط تبدیل شده است. این روش به ویژه برای آن دسته از خودروسازان رده بالا مناسب است که میزان تولید محصولات پیشرفته خود را حتی به کمتر از مقدار متوسط محدود می‌کنند.
تولید سفارشی؛ ساخت افزایشی تاثیر چشمگیری بر صنعت رقابت جویانه خودروسازی داشته است. زمانی این امر به خوبی حس می‌شود که بهتر شدن عملکرد خودرو، بتواند هزینه بالای قطعات پیچیده و منحصر به فرد را توجیه کند. بنابراین امکان تولید سفارشی قطعات یک وسیله نقلیه خاص، مانند یک سیستم تعلیق سبک نیز فراهم می‌شود. این موضوع به خود وسیله نقلیه محدود نشده و راننده هم می‌تواند بخش‌های مختلف را به دلخواه خود شخصی سازی کند؛ برای مثال افراد می‌توانند کلاه ایمنی یا نشیمن مخصوص خود را سفارش بدهند. علاوه بر این، ساخت افزایشی از معدود روش‌هایی است که امکان تلفیق قطعات و بهینه‌سازی توپوگرافی بخش‌های سفارشی یک خودرو را به وجود می‌آورد.
نیازهای تولید خودرو
وزن (در قطعات نهایی)
یک دیدگاه مهم در صنعت خودروی امروزی، مربوط به کاهش وزن اجزای خودرو می‌شود. در راستای این هدف، تلاش می‌شود که با استفاده از مواد مهندسی پیشرفته و هندسه‌های پیچیده، همزمان که از وزن خودرو کاسته می‌شود، عملکرد آن نیز بهتر شود. هنگام تولید یک قطعه در روش ساخت افزایشی، می‌توان از بیشتر پلیمرها و فلزات سبک رایج در صنعت خودروسازی استفاده کرد.
هندسه‌های پیچیده (در نمونه‌های اولیه و قطعات نهایی)
هندسه یک قطعه بر وزن، آیرودینامیک و در نهایت عملکرد آن تاثیر می‌گذارد. قطعات خودرو نیز اغلب باید چند مشخصه مهم داشته باشند: کانال‌های داخلی برای خنک سازی یکپارچه، بخش‌های مخفی، دیواره‌های نازک، مش‌های دقیق و سطوح دارای انحنا. تولید ساختارهای فوق‌العاده پیچیده که در عین حال نیز سبک و مقاوم هستند، با روش‌های ساخت افزایشی امکان پذیر است. آزادی بسیاری که در طراحی وجود دارد، مزیت مهم دیگری است که در همه روش‌های تولید وجود ندارد. علاوه بر همه این‌ها، قابلیت بهینه‌سازی، یکپارچه‌سازی بخش‌های متحرک، تولید در حجم کم با قیمت مناسب و سفارشی سازی، از دیگر نکات مثبت ساخت افزایشی هستند.
دمای کاربرد (در تست‌ها و قطعات نهایی)
بسیاری از بخش‌هایی که در خودرو به کار می‌روند، باید کمترین میزان انحراف گرمایی را داشته باشند. در بسیاری از فرآیندهای ساخت افزایشی می‌توان از موادی استفاده کرد که قادرند دمایی بیشتر از دمای ثابت محفظه موتور تحمل کنند. نایلون SLS و پلیمرهایی که به صورت تابشی پخت شده‌اند، برای استفاده در دماهای بالا مناسب هستند.
رطوبت (در تست‌ها و قطعات نهایی)
بیشتر اجزای مورد استفاده در تولید خودرو باید در برابر رطوبت مقاوم باشند؛ چه بسا که حالت مطلوب، ضد آب بودن است! خوبی روش‌های ساخت افزایشی در این است که همه قطعات پرینتی می‌توانند تحت عملیات پسا پردازش قرار بگیرند؛ با انجام این عملیات می‌توان یک لایه محافظ روی قطعه به وجود آورد که آن را در برابر رطوبت و آب مقاوم می‌سازد. حال آنکه برخی از مواد به خودی خود و بدون هیچ لایه محافظی می‌توانند در محیط مرطوب پایدار بمانند که این امر به ماهیت آن‌ها برمی‌گردد.
تلفیق قطعات (در نمونه‌های اولیه و قطعات نهایی)
با طراحی دوباره یک قطعه می‌توان از تعداد اجزای مورد نیاز برای سرهم کردن آن کاست و قطعه را به صورت یک جزء پیچیده واحد تولید کرد. زمانی می‌شود به اهمیت تلفیق و یکی کردن قطعات سرهم بندی شده پی برد که بدانیم چقدر از میزان مواد مصرفی کم می‌شود. به دنبال آن نیز وزن سازه کمتر شده و در مدت طولانی هزینه‌ها پایین می‌آید. با این کار حتی فهرست کالاهای موجود در انبار هم کوتاه‌تر خواهد شد، زیرا برای تعمیر یا جایگزینی قطعه‌ای که قبلا با سرهم بندی اجزای مختلف ساخته شده بود، کافی است از یک عدد قطعه استفاده کنید. بنابراین، حتی از این نظر هم به سود صنعت خودرو خواهد بود.
مواد مناسب هریک از کاربردهای خاص مرتبط با خودرو
جدول زیر نشان می‌دهد چه موادی در صنعت خودروسازی استفاده می‌شود و هر یک در کجا به کار می‌روند.
| کاربرد | فرآیند | ماده | ویژگی‌های ظاهری قطعه | مثال قطعه |
|---|---|---|---|---|
| زیر کاپوت | SLS | نایلون | قطعات متحرک مقاوم به حرارت | سرپوش باتری |
| اجزای داخلی | SLA | رزین | اجزای زیبا با قابلیت شخصی سازی کردن | نمونه اولیه کنسول وسط خودرو |
| کانال هوا | SLS | نایلون | انواع گردگیر و کانال‌های منعطف | کانال‌های تهویه هوا |
| پنل‌های مقیاس اصلی | SLA صنعتی | رزین | قطعات بزرگی که پرداخت نهایی آن‌ها قابل مقایسه با قطعات تزریق پلاستیک است؛ قطعات قابلیت سنباده زنی و رنگ آمیزی دارند | سپر جلو |
| انوع براکت و دسته‌های کست متال | SLA و ریخته گری | موم | قطعات فلزی که قالب آن‌ها نخست با پرینت سه بعدی تولید می‌شود | براکت دینام |
| اجزای فلزی پیچیده | DMLS | بفلز | قطعات فلزی متحرک، سبک و یکدست | سیستم تعلیق ویشبون |
| گودی‌ها | متریال جتینگ | فوتوپلیمر | قاب صفحه نمایش سفارشی که مستقیم به کار می‌رود | کنار داشبورد |
| چراغ‌ها | SLA | رزین | مدل‌های کاملا شفاف با جزئیات دقیق | نمونه اولیه چراغ جلو |
کاربردهای رایج مرتبط با حوزه خودرو
انواع گردگیر
از ساخت افزایشی، به ویژه فناوری SLS می‌توان برای ساخت گردگیرهای نیمه متحرک کمک گرفت. چنین قطعاتی باید به حدی انعطاف پذیر باشند که در هنگام سرهم بندی یا جفت شدن به درستی قرار بگیرند. به طور کلی، زمانی که در کارکرد قطعه خبری از حرکت‌های خمشی تکراری نباشد، بهتر است از SLS و مواد متناسب با آن استفاده شود. اما در جایی که انعطاف پذیری بالا مد نظر باشد، دسته‌ای از مواد SLS مانند Duraform Flex که بر پایه پلی‌اتیلن هستند، مناسب‌تر خواهند بود.
کانال‌های پیچیده
با استفاده از SLS می‌توانید یک ساختار یکدست اما پیچیده را به صورت فوق‌العاده بهینه طراحی کنید. بنابراین، تولید تناژ پایین کانال‌های سیستم کنترل محیط در حوزه‌های هوافضا و مسابقات رقابتی، می‌تواند با این روش صورت بگیرد. در SLS می‌توانید حتی ضخامت دیواره‌ها را تنظیم کنید و علاوه بر آن، با بهینه سازی ساختار شبکه‌ای سطح، نسبت استحکام به وزن را افزایش دهید؛ انجام چنین کاری با استفاده از روش‌های سنتی، بسیار گران تمام می‌شود. اما در روش SLS، پیچیدگی هزینه ندارد. قطعات نیز با دقت زیاد پرینت می‌شوند و به تقویت کردن نیازی ندارند.
نمونه‌های اولیه بصری با هدف نمایش دقیق جزئیات
در برخی فرآیندهای ساخت افزایشی می‌توان نمونه‌هایی تولید کرد که چند رنگ در آن‌ها دیده می‌شود و پرداخت سطح آن‌ها با قطعات تزریق پلاستیک برابری کند، چیزی که در روش‌های سنتی بسیار دشوار است. کاربرد این مدل‌ها بیشتر برای طراحان است تا درک بهتری از طرح خود پیدا کنند و اگر قطعه باشد، بتوانند شکل و نوع قرارگیری آن را بررسی کنند. از آنجایی که این روش نمونه‌سازی بسیار دقیق است، می‌توان از آن برای انجام تست‌های آیرودینامیک و آنالیز استفاده کرد؛ چرا که حتی پرداخت سطح نمونه به قطعه اصلی بسیار نزدیک است. با این حال، بیشتر کاربرد ساخت افزایشی در حوزه خودرو به ساخت و تولید اجزایی مربوط می‌شود که جنبه زیبایی آن‌ها بر عملکرد اولویت دارد؛ مانند آینه‌های بغل، محفظه چراغ، غربیلک فرمان و طراحی کامل داشتبورد داخل. SLA و متریال جتینگ دو روشی هستند که بیش از سایر روش‌ها برای نمونه‌سازی بخش‌های بصری به کار می‌روند. برای ساخت نمونه‌ها با این دو فناوری از رزینی استفاده می‌شود که با تابش پرتو به عمل می‌آید.
دسته پایه‌های متحرک
توانایی تولید یک دسته پایه پیچیده و سبک در مدت تنها یک شب، خصلت بارز روش ساخت افزایشی است. با ساخت افزایشی، اشکال و طرح‌های مختلف دقیقا به همان صورت تولید می‌شوند و مهم‌تر آنکه، این کار با دخالت بسیار کمی از سوی اپراتور انجام می‌گیرد. این بدان معنی است که مهندسان می‌توانند تجسم فیزیکی طرحی را که در کامپیوتر رقم زده‌اند در چشم به همزدنی رو به روی خود ببینند. حال آنکه که در یک روش تولید معمول‌تر مانند ماشین‌کاری CNC، برای تولید قطعه باید یک اپراتور حرفه‌ای و کاربلد حضور داشته باشد تا قطعه به درستی تولید شود. در آخر نیز، باید بگوییم که برای تولید قطعات متحرک، بهتر است از فناوری‌هایی مانند SLS با نایلون و پرینت فلز استفاده کرد که مبتنی بر ذوب بستر پودری هستند؛ طیف وسیعی از مواد نیز در این دو روش قابل استفاده هستند که از نایلون PA12 تا تیتانیوم را شامل می‌شوند.
