اصول روش نمونه سازی سریع به کمک تخلیه الکتریکی
چکیده
نمونه سازی سریع یک فرایند تولید لایه به لایه از مواد اولیه آن است. رزین ها، ذرات پودر و نیز ورق های نازک به عنوان مواد اولیه این فرایند. در تولید سریع قطعه و یا قالب مورد استفاده قرار می گیرند. تکنیک نمونه سازی سریع با ایجاد یک مدل سه بعدی در محیط نرم افزاری cad آغاز شده و پس از ایجاد لایه های متوالی آن مدل در cad ، تمام نقاط سطح مقطع هر لایه با ویژگی پر و یا خالی شناسایی و معرفی می گردند. در این تکنیک، در نقاط منتخب هر لایه فیزیکی و مطابق نقشه آن لایه در ، cad ، مواد اولیه که در ابتدا به صورت مجزا می باشند. به یکدیگر ملحق شده و نواحی صلب قطعه نمونه را تشکیل می دهند. اتصال مواد اولیه در نقاط منتخب به واسطه اعمال انرژی حاصل از منابع انرژی متمرکز صورت می گیرد. نمونه سازی سریع امکان ساخت قطعات نمونه ای که دارای هندسه پیچیده بویژه در قسمت داخلی قطعه باشند را فراهم نموده و ضمن کاهش هزینه ساخت قطعات نمونه، زمان تولید آن ها را نیز به طور قابل توجهی کاهش می دهد. نمونه سازی سریع علاوه بر تولید قطعات نمونه، توان تولید سریع ابزار و قالب را نیز دارا می باشد. قطعات نمونه تولید شده در تکنیک نمونه سازی سریع در طیف وسیعی از صنایع مانند هوافضا، صنعت خودرو، مهندسی پزشکی، هنر، معماری و توپوگرافی کاربد یافته اند. اختلاف موجود بین روش های مختلف نمونه سازی سریع، ناشی از تفاوت موجود در نحوه ساختن قطعات از لایه های متوالی، مواد اولیه مصرف و نوع منبع انرژی متمرکز مورد استفاده می باشد. علاوه بر مزایای بسیاری که در تکنیک نمونه سازی سریع وجود دارند. محدودیت در مواد اولیه مصرفی، عدم دستیابی به دقت ابعادی و صافی سطوح، هزینه زیاد دستگاه ها و سرعت کم در تولید انبوه از جمله تنگناهایی سریع را محدود می سازد. روش های نمونه سازی سریع موجود که پودر فلزات را به عنوان ماده اولیه مورد استفاده قرار می دهند، عموما از پرتو لیزر به عنوان انرژی حرارتی متمرکز استفاده می کنند. در این پژوهش قصد بر این است که قابلیت استفاده از انرژی متمرکز قوس پلاسما برای تف جوشی موضعی پودر فلزی پوشش داده شده با مواد پلیمری در نقاط منتخب اثبات شود. لذا در این رساله ابتدا امکان پذیری روش نمونه سازی سریع با تخلیه الکتریکی (seds) اثبات گردیده و سپس فرآیند انتقال حرارت در مرحله تف جوشی اولیه در این روش نمونه سازی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. در راستای تحقق اهداف رساله، ابتدا پودر فلزی بعنوان ماده اولیه پایه و مواد پلیمری بعنوان مواد پوششی انتخاب می گردد. سپس از طریق تجربی روش پوشش دهی پودر فلزی با مواد پلیمری تدوین گردیده و این پدر پوشش داده شده بعنوان ماده اولیه روش نمونه سازی سریع با تخلیه الکتریکی معرفی می شود. ابداع روش پوشش دهی پودر فلزات با مواد پلیمری یکی از دستاوردهای این رساله می باشد. سپس با استفاده از تخلیه الکتریکی بین الکترود و بستر پودر فلزی پوشش داده شده، انرژی حرارتی قوس پلاسمای تولیدی در نقاط منتخب به سطح بستر پودر اعمال کی گردد. در نقاطی از بستر پودر که تحت اعمال انرژی حرارتی قرار می گیرند. تف جوشی اولیه بین ذرات پودر انجام می شود. با تکمیل فرآیند اسکن تمام سطح یک لایه از بستر پودر، لایه دیگری از پودر بر روی لایه قبلی گسترده شده و فرآیند اسکن و تف جوشی اولیه در نقاط منتخب آن لایه صورت می گیرد. با تکرار فرآیند تف جوشی اولیه برای تمام لایه های متوالی، قطعه تف جوشی شده بنام green part حاصل می شود. موفقیت در تولید قطعات با هندسه مختلف از این روش نشان می دهد که نمونه سازی سریع به کمک تخلیه الکتریکی (seds) عملا امکان پذیر می باشد. کنترل مسیر اسکن قوس پلاسما در در روش seds آسانتر از پرتوهای متمرکز دیگر مانند لیزر بوده و استفاده از تجهیزات ارزان قیمت در این روش موجب شده است نا روش seds به عنوان یک روش ارزان در مقایسه با دیگر روش های نمونه سریع معرفی گردد. بعلاوه در این مرحله از تحقیق ملاحظه شده است که استفاده از تخلیه الکتریکی با فرکانس پایین دارای محدودیت هایی است. لذا سیستم تخلیه الکتریکی با فرکانس بالا مطرح شده و به صورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج تجربی این پژوهش نشان می دهد که با افزایش فرکانس تخلیه الکتریکی، اولا عمق نفوذ تف جوشی در بستر پودر افزایش می یابد. ثانیاً دقت هدف گیری نقطه ای در مرحله تف جوشی اولیه بهبود می یابد. ثالثاً در فرکانس های بالاتر امکان ایجاد کانال قوس پلاسما در سطح کمتری از توان الکتریکی فراهم می شود که این امر باعث طریف شدن قوس پلاسما می گردد. همچنین به منظور افزایش سرعت تف جوشی یک لایه، استفاده از سیستم مرکب از چند الکترود مطرح گردیده و ملاحظه شده است که با استفاده از تف جوشی چند نقطه علاوه بر افزایش سرعت تف جوشی، فرسایش الکترود نیز کاهش می یابد، با افزایش تعداد الکترودها در روش seds پتانسیل لازم برای تولید قطعات نمونه با ابعاد بزرگ وجود خواهد داشت که به عنوان یک مزیت برجسته روش seds به شمار می آید. بعلاوه در این رساله فرآیند انتقال حرارت در حین تف جوشی در دو دیدگاه میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک تجزیه و تحلیل شده است. در دیدگاه میکروسکوپیک، یک دانه پودر کروی شکل مورد ملاحظه قرار گرفته است که در معرض انرژی حرارتی قوس پلاسما واقع می شود. معادله دیفرانسیل انتقال حرارت هدایت گذرا در مختصات کروی به همراه شرایط مرزی حاکم در فرایند تف جوشی اولیه مدلسازی گردیده و بر اساس روش حجم های محدود گسسته سازی شده اند. سپس با انجام حل عددی، توزیع دما در نقاط مختلف میدان حرارتی محاسبه شده است. نتایج حل عددی نشان می دهند که در قسمت های خارجی ذرات پودر کروی پوشش داده شده با مواد پلیمری، شرایط دمای لازم برای ایجاد تف جوشی اولیه بین ذرات پودر مجاور فراهم می گردد. همچنین نتایج حل عددی نشان می دهند که توزیع دمای حاصل در پودرهای پوشش داده شده با مواد پلیمری، به نوع ماده پودر فلزی پایه وابستگی کمکی دارد. در حالیکه با برسی همین نتایج، وابستگی توزیع دما به انتخاب نوع ماده پوشش پلیمری کاملاً مشهود می باشد. بررسی رفتار حرارتی یک دانه پودر پوشش داده شده در مرحله تف جوشی اولیه موضعی در نمونه سازی سریع و یافتن رفتار دمایی نقاط مختلف آن از طریق حل عددی و بر اساس روش حجم های محدود، برای اولین بار در این رساله انجام شده است. در دیدگاه میگروسکوپیک، فرآیند انتقال حرارت در بستر پودری که در معرض انرژی حرارتی قوس پلاسما قرار میگیرد، بررسی شده است. بدین منظور معادله دیفرانسیل انتقال حرارت هدایت گذرا در مختصات استوانه ای به همراه شرایط مرزی در فرآیند تف جوشی مدلسازی شده و بر اساس روش حجم های محدود گسسته سازی گردیده اند. سپس با انجام عددی، توزیع دما در بستر پودر محاسبه شده است. از نتایج حل عددی ملاحظه می شود که در ناحیه ای از بستر پودر که در معرض انرژی حرارتی قوس پلاسما قرار می گیرد. شرایط دمایی لازم برای ایجاد تف جوشی اولیه فراهم می گردد. همچنین با نصب ترموکوپل های نوع k در نقاط مختلف بستر پودر، دمای بستر پودر در شرایط تف جوشی به صورت تجربی اندازه گیری شده است. دمای اندازه گیری شده توسط این ترموکوپل ها انطباق نزدیک با دمای محاسبه شده از حل عددی دارد. بنابر این نتایج حل عددی توسط نتایج تجربی تایید می شود. دستیابی به توزیع دما در میدان حرارتی در مرحله تف جوشی در هر دو دیدگاه میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک این مطلب است که راه حل عددی بر اساس روش حجم های محدود یک روش مناسب برای تحلیل رفتار دمایی محیط پودری شکل می باشد.