تلرانس و انطباق مفاهیم مهمی هستند که مهندسان برای بهینه سازی عملکرد مونتاژهای مکانیکی و هزینه محصول به کار می برند. فرملبز (Formlabs) به طور گسترده ای مواد و کارهای ما را با دقت مطالعه می نماید تا تکرار پذیری را بین پرینت ها و در بین پرینترها به حداکثر میزان ممکن برساند. اطلاعات و بهترین تمارین موجود در این مقاله سفید می توانند به کاربران پرینترهای سه بعدی فرملبز کمک کنند که مونتاژهای عملگر را برای کارکرد مطلوب طراحی نمایند و خطای پس از پردازش و کاربری نهایی را به حداقل برسانند.
مقدار تلرانس ها در پرینت سه بعدی
در ماشین کاری سنتی، تلورانس های تنگ تر با افزایش هزینه رابطه نمایی دارند. تلرانس های تنگ تر نسبت به تلرانس های گسترده تر به مراحل ماشین کاری آهسته تر و مضاعفی نیازمند هستند. قسمت های ماشین شده با گسترده ترین تلرانس مجاز برای یک کاربری خاص طراحی شده اند.
برخلاف ماشین کاری، که قسمت ها به طور متناوب به تلرانس های تنگ تر تصحیح می شوند، استریولیتوگرافی (SLA) یک فاز تولید خودکار منفرد دارد. تلرانس ابعادی مناسب، زمان پس از پردازش را کاهش داده و مونتاژ را آسان می سازد و هزینه تکرار ماده را کاهش می دهد. تلرانس های نامناسب ماده ای خاص نیز می توانند به قسمت های شکسته، خصوصا در بخش های جفت شده با فشار در مواد شکننده، منجر گردند.
در راستای مونتاژهای بزرگتر، یا در زمان تولید چندگانه از یک محصول، تلرانس ابعادی مناسب به سرعت ارزشمند می شود.
تلرانس بازه پیش بینی شده ابعاد ممکن برای قسمت ها در زمان ساخت می باشد
مراحل پس از پردازش برای مونتاژهای پرینت شده شامل مراحل زیر میباشد:
۱.آزادسازی
۲.پشتیبانی سمباده کاری و
۳.روغن کاری
سمباده کاری یک سطح فعال اگر قسمت مورد نظر یکبار مصرف باشد برای دستیابی به انطباق مناسب روشی منطقی می باشد، زیرا که در فاز طراحی به عملیاتی با تلرانس کمتر نیاز است. برای مونتاژهای بزرگتر، یا در زمان تولید چندگانه از محصولی، تلرانس ابعادی مناسب به سرعت ارزشمند می شود.
سطح فعال: ناحیه ای از مدل که دو سطح یکدیگر را لمس کرده یا در کنار یکدیگر حرکت می کنند یا تناسب استاتیک دارند.
-
گزینش انطباق
نیازهای عملیاتی مونتاژ تعیین خواهد کرد که قسمت ها چگونه بر یکدیگر منطبق شوند. حرکت آزاد یک بخش به آزادی، یا فضای بین سطوح فعال، نیازمند است. این مسئله با اطمینان از اینکه زون های تلرانس سطوح فعال همپوشانی ندارند حاصل می گردد.
- اگر به عدم تحرک بین بخش ها نیاز باشد، انطباق انتقالی امکان مونتاژ و جداسازی آسان را فراهم می کند. انطباق انتقالی زون های تلرانسی دارد که تا حدودی همپوشانی دارند.
- انطباق فشاری یک اتصال سخت و قوی ایجاد می کند اما در زمان مونتاژ به وارد کردن نیروی بسیار بیشتری نیازمند است.
توجه: انطباق فشاری زون های به طور کامل همپوشانی کننده دارد و به استفاده از رزین با کشیدگی بیشتر مانند رزین بادوام، سخت ۲۰۰۰، سخت ۱۵۰۰، انعطاف پذیر و استاندارد نیازمند است.
مقادیر کمی انحراف در تولید به این معناست که انطباق مهندسی به جای اینکه سه مرحله کاملا مجزا باشد یک مرحله پیوسته می باشد.
- انطباق های آزاد بزرگتر برای آزادی حرکت دقت تجاری دارند.
- انطباق های انتقالی تنگ تر قوی تر هستند اما روی اتصال خوردگی بیشتری ایجاد می کنند.
- انطباق فشاری که به فشار بیشتری برای اتصال نیاز دارد برای جداسازی چالش برانگیزتر خواهد بود.
انطباق یک طیف است که به سه دسته می تواند تقسیم گردد و براساس ملزومات مونتاژ به انتخاب انطباق کمک می کنند. کدگذاری رنگی در این طیف در گراف های زیر وارد شده اند.
انطباق را می توان به سه دسته تقسیم نمود:
- آزاد،
- انتقالی و
- فشاری
و هر دسته توسط دو نوع انطباق تعریف می‌شود.
- انطباق آزاد: انطباق لغزشی مقداری بازی جانبی خواهد داشت در حالیکه انطباق رونده تقریبا هیچ بازی نخواهد داشت. انطباق رونده کمی اصطکاک داشته اما حرکت دقیق تری دارد.
- انطباق انتقالی: با انطباق قفلی، یک جزء با فقط کمی نیرو برای نصب یا حذف به طور دقیق به درون یا اطراف بخش دیگر وارد می شود. جفت سازی لغزان برای اتصال و حذف قسمت ها به نیروی بیشتری نیاز دارد اما باز هم انجام آن با دست امکان پذیر است.
- انطباق فشاری: انطباق اجباری برای نصب به نیروی قابل توجهی، احتمالا با ابزارهای دستی افزوده مانند یک چکش، نیاز دارد و جداسازی در آن مورد نیاز نیست. جفت کردن با فشار برای نصب به وارد کردن نیروی بسیار بیشتری با ابزاری مانند ماشین منگنه فشاری نیازمند است.
بازی: مقدار فضا برای حرکت در یک جهت نامطلوب درون یک مکانیسم.
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 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.
ضریب اصطکاک آزموده شده فرملبز با استفاده از پتک وزن شده، شیار و یک نیرو سنج
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 | ۰.۳۲ | ۰.۱۴ |
| سخت | سخت | ۰.۷۷ | ۰.۲ |
| بادوام | سخت | ۰.۵۷ | ۰.۱۶ |
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 ۲۰۰۰ (Tough 2000) ،
سخت ۱۵۰۰ (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 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 انطباق، 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.
بدون دیدگاه