نمونه سازی چیست؟ کاربرد نمونه سازی یا پروتوتایپینگ در طراحی محصول

استفاده از نمونه اولیه محصول، یک عنصر حیاتی در فرآیند طراحی هر محصول است. نمونه‌‌های اولیه بازخورد اولیه بازار را در مورد‌ اینکه‌ آیا یک محصول پتانسیل رهبری بخشی از بازار را دارد ارائه ‌می‌دهد، به شما بینشی اولیه از تغییرات طراحی ضروری ‌می‌دهد و به تیم‌‌ها کمک ‌می‌کند تا ریسک را در هر مرحله از چرخه عمر توسعه محصول به حداقل برسانند.

استفاده از نمونه سازی سریع برای تولید قطعات برای تست تناسب و عملکرد اجزا ‌می‌تواند به شما کمک کند تا محصول شما سریعتر از رقیب شما به بازار عرضه شود. تنظیمات در طراحی، مواد، اندازه، شکل، مونتاژ، رنگ، قابلیت ساخت، و استحکام را ‌می‌توان به دنبال نتایج آزمایش و تجزیه و تحلیل شما انجام داد.

نمونه اولیه (Prototype) چیست؟

پروتوتایپ، یک نمونه اولیه یا ماکت محصولی است که می‌خواهیم بسازیم. این نمونه یک مدل سریع است که فرم عملکرد محصول نهایی را توضیح می دهد. همچنین می تواند فرمی به سادگی طرح های طراحی شده با دست، تا یک محصول کاملاً کاربردی نشان دهد که سهامداران و کاربران می توانند آن را احساس کنند و از آن استفاده کنند. به طور خلاصه، یک پروتوتایپ یک مدل اولیه از محصول است که عملکرد اصلی آن را نشان می‌دهد.

نمونه سازی (Prototyping) چیست؟

نمونه سازی به معنای ساختن و ایجاد مصنوعات قابل لمس، در مراحل مختلف روند طراحی و ساخت محصول است و با هدف توسعه و آزمایش ایده‌ها توسط تیم طراحی و با همکاری کارفرما و کاربران انجام می‌گیرد. به عبارت دیگر، نمونه سازی، بخشی از فرآیند توسعه محصول است که در آن نمونه‌ی اولیه محصول ساخته و آزموده می‌شود و سپس در صورت نیاز، مجددا اصلاح و بازسازی می‌شود تا به یک نمونه‌ی اولیه از محصول و یا نمونه‌ای قابل ارتقاء از محصول نهایی منجر شود.

همان‌طور که یک تصویر می‌تواند ارزش معنایی بیش‌تری از هزاران کلمه داشته باشد، یک نمونه‌ی اولیه نیز می‌تواند نکات نادیدنی بسیار بیش‌تری را نسبت به یک طرح ساده آشکار نماید. تحقق فیزیکی یک مدل مفهومی، یکی از مسائل مهم در فرآیند طراحی محصول است. برای نشان دادن ترجمانی صحیح از آنچه در مرحله تحقیق و ایده پردازی انجام گرفته است، نیاز به یک فرم ملموس و قابل بررسی و آزمون برای تیم طراحان؛ کارفرمایان و کاربران محسوس‌تر می‌شود. نمونه سازی یک فرآیند پیاپی و پر از آزمون و خطاست و در موقعیت‌هایی که ملزومات طراحی چندان مشخص نیست، می‌تواند در رسیدن به جزییات محصول بسیار مفید باشد.

اهمیت نمونه اولیه در فرآیند طراحی محصول

چرا نمونه اولیه و نمونه سازی لازم است؟ چند دلیل وجود دارد که چرا طراحان به نمونه اولیه محصول خود در طول فرآیند طراحی نیاز دارند. در ادامه برخی از مهم‌ترین این دلایل را بیان می‌کنیم:

• نمونه اولیه درک کلی از طراحی را بهبود می‌بخشد.

اکثر مردم هنگامی که نوبت به درک یک مفهوم یا ایده می‌رسد، از طریق مشاهده بصری آن بهتر می‌توانند آن  ایده را درک کنند. نمونه سازی اولیه سریع به تصویرسازی محصول نهایی کمک می‌کنند و به تیم طراحی اجازه می‌دهند تا عملکرد محصول و مخاطبان هدف را درک کنند. یک تغییر جزئی در نسبت‌ها می تواند تفاوت زیادی ایجاد کند و ظاهر و عملکرد یک محصول را کاملاً تغییر دهد.

به عنوان مثال، در صنعت خودرو، تغییر اندازه صندوق عقب به اندازه یک اینچ، وسیله نقلیه‌ای کاملا متفاوت را در اختیار شما قرار می‌دهد. نمونه‌های اولیه در مقیاس کامل به تیم طراحی حس واقعی خودرویی را که می‌آفرینند، می‌دهد.

• خطاهای طراحی را به حداقل می‌رساند.

اگر طراحی یک محصول نزدیک به اتمام باشد، ایجاد هرگونه تغییر اساسی باعث ایجاد کار بیشتر و افزایش هزینه می‌شود. تصور کنید محصول نهایی یک کامیون را بسازید و متوجه شوید که صندلی‌های عقب خیلی کوتاه هستند. اکنون باید ساختار وسیله نقلیه را تغییر دهید و زمان صرف شده برای پروژه را طولانی کنید. با استفاده از نمونه‌های اولیه، تیم‌های طراحی می‌توانند تغییرات را زودتر انجام دهند و کار و هزینه‌های اضافی را کاهش دهند. به عنوان مثال، قبل ساخت قالب تزریق پلاستیک، چند مرحله نمونه سازی برای جلوگیری از ایجاد خطا در قالب و هزینه‌های بسیار زیاد اصلاح و قالبسازی مجدد انجام می‌شود.

• امکان تست کاربر را فراهم می‌کند.

هر محصولی یک مخاطب هدف دارد و در پایان روز، مخاطب حرف آخر را می‌زند. نمونه‌های اولیه امکان تست کاربر را فراهم می‌کنند که بازخورد ارزشمندی را در مورد محصول خود به طراحان ارائه می‌دهد و تیم طراحی می‌تواند تغییرات اولیه را ایجاد کند.

• ارتباطات تیمی را بهبود می‌بخشد.

ایجاد هر محصولی به تیمی از طراحان نیاز دارد که بتوانند به طور موثر ایده ها و مفاهیم خود را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. هنگامی که آن‌ها یک محصول فیزیکی دارند، ارائه بازخورد و دیدن اینکه آیا محصول دارای محدودیت خاصی است یا خیر، آسان‌تر است. نمونه های اولیه تضمین می‌کنند که محصولی که ایجاد می‌کنند به هدف خود عمل می‌کند.

• نمونه‌های اولیه سرمایه گذاران را جذب می‌کنند.

هدف یک محصول، طراحی و سپس تولید انبوه برای مصرف‌کنندگان است. طبیعی است که یک محصول نیاز به بودجه گسترده‌ای داشته باشد. اگر محصولی نیاز به سرمایه‌گذاری بیشتری دارد، داشتن نمونه اولیه یک ویژگی جذاب است. سرمایه گذاران علاقه ای به خرج کردن پول برای طرحی که شاید پس از تولید آن کارساز باشد، ندارند. آنها می‌خواهند محصول را به شکل فیزیکی ببینند و از عملکرد آن مطمئن باشند.

یک دسته‌بندی کلی از انواع نمونه‌های اولیه

نمونه‌های ساخته شده، می‌توانند بر اساس میزان شباهت به محصول نهایی دسته‌بندی شوند:

الف: نمونه‌های کم کیفیت (Low-Fidelity Prototype)

ساخت و بکارگیری نمونه‌های اولیه با میزان شباهت و کیفیت کمتر نسبت به محصول نهایی (Low-Fidelity Prototyping)، به عنوان فرآیندی سریع در طراحی رایج است که معمولا به صورت اسکچ، استوری برد و مدل‌های دستی ساخته می‌شود. این نمونه‌ها با هدف دستیابی به اهداف مقطعی و کوتاه برای طراح و یا تیم طراحی بکار می‌روند. ایجاد نمونه‌های اولیه کم کیفیت، ابزاری بسیار خوب برای پالایش سریع ایده‌ها در تحقیقات مولد (Generative Research) هستند و صرفا برای بازبینی و گرفتن بازخورد از محصول، به عنوان ایده‌ای مفهومی و نیازمند تغییرات، بکار می‌روند.

در طراحی صنعتی، نمونه‌های کم کیفیت معمولا در مراحل اولیه و به عنوان بخشی از فرآیند طراحی برای بررسی پیاپی و بازبینی و یا به عنوان نمونه‌ای از مدل مفهومی برای سنجش جنبه هایی از فرم و نسبت اندازه‌های محصول مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ب: نمونه‌های با کیفیت (High-Fidelity Prototype)

از سوی دیگر، نمونه‌های با میزان شباهت زیاد (High-Fidelity Prototypes) نمونه‌های بیشتر پالایش شده‌ای می‌باشند که اغلب نشان دهنده ظاهر محصول نهایی از لحاظ بصری و احساسی، و حتی در برخی مواقع نمایانگر جنبه‌های عملکردی محصول می‌باشند. این نمونه ها در مراحل نهایی ارزیابی و تست محصول به منظور دریافت بازخورد از کاربران و کارفرمایان، که اکنون می‌توان از لحاظ زیبایی شناسی، فرم، تعاملی بودن و یا کابردی بودن آن را بررسی کرد. به طور مثال، نمونه‌های با کیفیت در طراحی صنعتی، شامل مدل‌های پیچیده‌ی ارائه شده در طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) یا فرم‌های فیزیکی و یا مدل‌های عملکردی با درجات مختلفی از قابلیت‌های تعامل با کاربر است.

در طراحی نرم افزار، نمونه‌های با کیفیت معمولا به عنوان یک نمونه‌ی تعاملی با قابلیت فراهم آوردن تجربه‌ی کاربر، به منظور دریافت بازخورد از وی است.
به طور کل گونه‌های مختلفی از نمونه سازی های اولیه می‌تواند وجود داشته باشد. به طور مثال سکوهای سنجش (Test Rigs) مکررا برای نمایش و سنجش قابلیت ماشین‌ها پیش از توسعه‌ی فرمی و زیبایی شناسانه آن‌ها بکار می‌رود. نمونه سازی در طراحی واسط کاربری، در حقیقت همان رندر صفحه نمایش (Screen Rendering) است که به منظور مستند سازی و نمایش دادن محصول، فارغ از هر گونه عملکرد تعاملی انجام می‌شود.

مطالعه بیشتر: اسکچینگ (sketching) چیست و چه کاربردی در طراحی صنعتی دارد؟

جایگاه نمونه سازی در فرآیند طراحی محصول

1- تعریف صورت مسئله: در این مرحله الزامات محصول جدید تعریف می‌گردد و تا حد ممکن مشخص می‌شود که محصول چه نیازهایی را باید برآورده کند. این الزامات از طریق مصاحبه با تعدادی از کاربران در سطوح مختلف کاربری، بررسی نمونه‌های موجود و سایر متدولوژی‌های دیزاین به دست می‌آید و به تیم طراحی در مورد محصول مورد هدف خط مشی می‌دهد.

2- طراحی و ایده پردازی: طراحی‌های اولیه برای محصول انجام شده و طرح‌های برتر از بین تعداد زیادی از ایده‌ها از لحاظ نزدیکی آنها به محصول مورد هدف برگزیده می‌شوند. در این مرحله معمولا نیاز به ساخت نوعی از پروتوتایپ است که در اصطلاح، پروتوتایپ کم کیفیت یا ارزان نامیده می‌شود. این نوع از نمونه سازی با استفاده از متریال‌های ساده با قابلیت فرم پردازی سریع انجام می‌شود که صرفا جهت تحلیل ایده‌های خام استفاده می‌شود. پس از رسیدن به ایده‌های اولیه با ارزیابی‌های گوناگون و بهره گیری از اطلاعات بدست آمده از کاربران و کارفرمایان، ایده‌ی برتر انتخاب می‌شود. این ارزیابی از یک سو بر اساس پارامترهای دیزاین بریف تیم طراحی و با همکاری کارفرما و از سوی دیگر با نظرسنجی از کاربران نهایی انجام می‌گردد.

3- ساخت اولین نمونه پروتوتایپ:  در این مرحله نخستین پیش نمونه از ایده‌ی انتخاب شده ساخته می‌شود. این پیش نمونه‌ها یا به صورت مدل حجمی در ابعاد واقعی با استفاده متریال‌هایی مانند فوم یا چوب، یا در یک نسبت اندازه‌ی کوچکتر به صورت پرینت سه بعدی یا به صورت دستی از محصول ساخته می‌شود که نشان دهنده‌ی تقریبی از ویژگی‌های محصول نهایی است.

4- ارزیابی اولین نمونه پروتوتایپ: کاربران پیش نمونه‌ی نخستین را به طور کامل ارزیابی و نقاط قوت و ضعفش را مشخص می‌نمایند. نیازمندی‌ها و ملزومات و هر آنچه که می‌بایست حذف شود را یادآوری می‌کنند. هدف از این مرحله از نمونه سازی می‌تواند تحلیل اولیه فرم و ابعاد، عملکرد و یا مکانیزم محصول باشد. در نهایت، طراحان ملاحظات کاربران را از جوانب مختلف ارزیابی و جمع بندی می‌کنند.

5- اصلاح اولین پیش نمونه محصول: نخستین پیش نمونه بر اساس نظرات کاربران اصلاح می‌شود و پیش نمونه دوم از محصول جدید ساخته می‌شود.

6- دومین نمونه اولیه: از محصول پس از ساخته شدن، به همان روش قبلی ارزیابی و دوباره اصلاح می‌گردد. این گام‌ها به میزانی که لازم باشد تکرار می‌شود تا جایی که کاربران و کارفرمایان رضایت کامل را از نمونه‌ای که قرار است محصول نهاییشان باشد، احساس کنند.

7- محصول نهایی: محصول نهایی بر اساس آخرین پیش نمونه (پروتوتایپ) ساخته می‌شود. محصول نهایی کاملا ارزیابی و سنجیده می‌شود تا از بروز مشکلات در مقیاس‌های بزرگتر در فرآیند تولید کاسته شود.

انواع نمونه‌های اولیه برای طراحی محصول فیزیکی

1. نمونه‌سازی کثیف (Dirty Prototyping)

برای اطمینان از اینکه همه اعضای تیم در مورد موارد یکسانی در رابطه با کانسپت مورد نظر صحبت می‌کنند، از مواد و اشیاء موجود برای شبیه سازی وضعیت واقعی استفاده می‌شود. در اینجا، حتی ابتدایی‌ترین اشیاء را می‌توان با هم ترکیب کرد، خواه از نوار چسب، خودکار، سایر وسایل اداری یا چیزهایی که فقط با خود حمل می‌کنید. نکته مهم این است که از موادی استفاده شود، که در دسترس هستند و حداقل هزینه و زمان کمی را لازم دارند.

هدف؛ دریافت پاسخ در اسرع وقت قبل از اجرای طرح است.

2. نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping):

این نوع نمونه اولیه جایی است که راه‌حل نهایی تولید شروع به شکل گیری ‌می‌کند. تمام ویژگی‌های طراحی پیشنهادی از جمله اجزای ساختاری، یکپارچه‌سازی الکترونیکی و رابط کاربری اولیه نمونه‌سازی شده‌اند. نتیجه یک مدل فیزیکی است که با اندازه، عملکرد و تعامل محصول نهایی مطابقت دارد.

هدف؛ آزمایش و تأیید محصول فیزیکی، که کارآمد باشد، است.

روش‌های نمونه‌سازی سریع مختلفی برای‌ایجاد مدل‌های کاربردی وجود دارند.‌این روش‌ها شامل چاپ سه بعدی، ماشینکاری SLA و CNC برای مدل‌های فیزیکی می‌باشند که در بخش روش‌های نمونه‌سازی به آن‌ها می‌پردازیم.

3. نمونه اولیه مدل بصری (Visual Model Prototype):

ساختن یک نمونه اولیه مدل بصری به شما امکان می‌دهد گزینه‌های محصول با هدف تولید را در رابطه با رنگ، مواد و فرم نمایش دهید.‌این نمونه اولیه ‌می‌تواند برای اهداف بازاریابی اولیه از جمله بسته بندی محصول و فیلمبرداری مفید باشد.

هدف؛ نمایش ظاهر، جنس و فرم محصول نهایی است.

اغلب نمونه اولیه مدل بصری غیر کاربردی است،‌ این امر به کاهش هزینه و زمان کمک ‌می‌کند و در عین حال به نتایج مطلوب مطابق با ظاهر محصول نهایی ‌می‌رسد.

4. نمونه اولیه کامل پیش تولید «آلفا» (Pre-Production ‘Alpha’ Full Prototype):

بسته به محصول، فرآیندهای تولید ممکن است برای تولید قطعاتی که به دلیل پیچیدگی‌های مواد، ساخت یا تامین‌کننده، نمی‌توانند به سرعت نمونه سازی شوند، مورد نیاز باشند.

برای بخش‌های ‌‌الکترونیکی، PCB (بردهای مدار چاپی) در حجم کم با استفاده از فرآیندهای تولید برای ارزیابی و مونتاژ اجزای سطح، شماتیک و چیدمان تولید ‌می‌شوند. سیستم عامل سفارشی، برای بارگذاری اولیه و مراحل آزمایش آماده است. ‌این بخش شامل ویژگی‌های عملکردی حیاتی نرم‌افزار است، ویژگی‌های ثانویه ممکن است بعداً بدون مشکل پیاده‌سازی شوند.

هدف؛ اعتبارسنجی و تأیید عملکرد، ظاهر و فرآیند تولید محصول است.

5. فاز ساخت – نمونه اولیه تولید:

نمونه اولیه نهایی است که قبل از شروع تولید انبوه ساخته شده است. تمام اجزای یک محصول خاص توسط  قطعاتی که، با استفاده از روش‌‌های تولید انبوه، تولید ‌می‌شوند، مونتاژ ‌می‌شوند. محصولات نهایی مونتاژ شده در خط، آزمایش ‌می‌شوند تا از عملکرد مناسب ویژگی‌‌های حیاتی اطمینان حاصل شود.

هدف؛ بررسی اعتبار نهایی قبل از تولید انبوه محصول است.

اغلب، اولین محصولات در خط تولید، توسط کاربر، تحت برنامه‌‌های کاربردی دنیای واقعی آزمایش ‌می‌شوند. مشتریان منتخب برای ارائه بازخورد در مورد اثربخشی عملکرد و قابلیت اطمینان محصول انتخاب ‌می‌شوند. در حالی که فرآیند مونتاژ محصول در‌این مرحله با استفاده از روش دستورالعمل کنترل کیفیت (QC) ارزیابی و بهینه ‌می‌شود.

پس از تکمیل و آزمایش ‌این نمونه اولیه، محصول جدیدی آماده تولید انبوه و عرضه به بازار است.

مواردی که باید قبل از نمونه‌سازی به آن توجه شود

الف. بودجه را در نظر بگیرید

شما باید مطمئن شوید که بودجه و زمان کافی در اختیار دارید تا  در ساخت و آزمایش هیچ نمونه‌ی اولیه‌ایی دچار عجله نشوید. بسته به هدف شما از ساخت نمونه‌ی اولیه، بودجه‌ای که باید در نظر بگیرید، متفاوت است. ممکن است نمونه اولیه شما تنها یک نمونه سازی کثیف برای بررسی کانسپت یا یک نمونه سازی آلفا برای  اعتبارسنجی و تأیید عملکرد، ظاهر و فرآیند تولید محصول باشد.

ب. هدف از ساخت نمونه اولیه را مشخص کنید

نمونه اولیه را برای چه می‌خواهید؟ برای بررسی کانسپت و طرح یا آزمایش و تایید کارآمدی محصول؟ از آنچه که به دنبال آن هستید آگاه باشید. مشخص بودن هدف ساخت نمونه اولیه به شما در تعیین روش ساخت کمک می‌کند.

ج. نمونه‌های اولیه برای بررسی، اثبات و یافتن عیوب هستند

افراد اغلب در مرحله‌ی نمونه سازی عجله می‌کنند، زیرا مشتاق به شروع تولید محصولات برای کاربران و کارفرمایان هستند. اگر نمونه‌ی اولیه دارای مشکلاتی باشد ممکن است باعث ناامیدی کاربران و کارفرمایان شود. درنظر داشته باشید که اگر نمونه‌ی اولیه اشتباهات، مشکلات طراحی یا سایر خرابی‌ها را تشخیص دهد، این بدان معنا نیست که نمونه‌ی اولیه شکست خورده است. در واقع، کاملا برعکس است و نمونه‌ی اولیه موفقیت آمیز بوده و کار خود را انجام داده است و مشکلاتی را قبل از ساخت و صرف هزینه‌های کلان برای تولید پیدا کرده است.

روش‌های نمونه سازی اولیه

نمونه اولیه، که بیشتر یک شکل سه بعدی است، معمولاً با استفاده از موادی مانند پلی استایرن منبسط شده (EPS)، پلی استایرن اکسترود شده (XPS)، پلی پروپیلن منبسط شده (EPP)، پلی اتیلن (PE)، فوم پلی‌اورتان (PU) و همچنین EVA، MDF، پلاستیک، اکریلیک، چوب و فلزات سبک آلومینیوم و … ساخته می‌شوند که به روش‌های مختلف مانند ماشیکاری، ریخته‌گری، پرینت و … انجام می‌شود.

1. پرینت سه بعدی (3D Printing)

اصطلاح چاپ سه بعدی مجموعه‌ای از فرآیندها و فناوری‌‌ها را پوشش ‌می‌دهد که طیف کاملی از قابلیت‌‌ها را برای تولید قطعات و محصولات در مواد مختلف ارائه ‌می‌دهد. اساساً، وجه اشتراک همه فرآیندها و فناوری‌ها، شیوه‌ای است که در آن تولید، لایه به لایه در یک فرآیند افزایشی انجام می‌شود. کاربردهای پرینت سه بعدی تقریباً روز به روز در حال افزایش هستند.

پرینت سه بعدی فرآیندی‌ست برای ساخت یک شی فیزیکی از یک مدل دیجیتال سه بعدی، که معمولاً با قرار دادن چندین لایه نازک متوالی از یک ماده انجام ‌می‌شود. درواقع با افزودن لایه به لایه مواد، یک شی دیجیتال را به شکل فیزیکی خود در ‌می‌آورد. چندین تکنیک مختلف برای چاپ سه بعدی یک شی وجود دارد. اساسی‌‌‌ترین و متمایزکننده‌‌‌ترین اصل پرینت سه بعدی‌ این است که یک فرآیند افزودنی است.

پرینت سه بعدی یک فناوری توانمند است که آزادی عمل بینظیری به طراح می‌دهد، و در عین حال فرآیندی بدون نیاز به ابزار است که هزینه‌های گزاف و زمان انجام کار را کاهش می‌دهد. همچنین برای سهولت مونتاژ، قطعات را ‌می‌توان با هندسه پیچیده طراحی کرد.

در سال‌های اخیر، پرینت سه بعدی به عنوان یک فناوری کارآمد در مصرف انرژی که ‌می‌تواند از نظر طراحی محصولات سبک‌‌‌تر و قوی‌‌‌تر را ارائه دهد، از نمونه‌سازی صنعتی فراتر رفته است، زیرا ‌این فناوری برای شرکت‌های کوچک و حتی افراد قابل دسترس‌تر شده است.

نقطه شروع هر فرآیند پرینت سه بعدی یک مدل دیجیتالی سه بعدی است که ‌می‌تواند با استفاده از انواع نرم‌افزارهای سه بعدی ‌ایجاد شده یا اسکن شوند. سپس مواد پردازش شده توسط چاپگر سه بعدی طبق طرح و فرآیند، لایه بندی ‌می‌شود. همانطور که گفته شد، انواع مختلفی از فناوری‌‌های چاپ سه بعدی وجود دارد که مواد مختلف را به روش‌‌های مختلف پردازش ‌می‌کنند تا شی نهایی را‌ ایجاد کنند. پلاستیک‌‌های کاربردی، فلزات، سرامیک‌‌ها و شن و ماسه در حال حاضر به طور معمول برای نمونه سازی صنعتی و کاربردهای تولید استفاده ‌می‌شوند.

انواع مختلف پرینترهای سه بعدی هر کدام از فناوری متفاوتی استفاده ‌می‌کنند که مواد مختلف را به روش‌‌های مختلف پردازش ‌می‌کند. به عنوان مثال، برخی از چاپگرهای سه‌بعدی، مواد پودری (نایلون، پلاستیک، سرامیک، فلز) را پردازش می‌کنند که از منبع نور/حرارت برای تف جوشی/ذوب کردن/جوش دادن لایه‌های پودر به شکل مشخص شده استفاده می‌کنند. برخی دیگر مواد رزین پلیمری را پردازش می‌کنند و دوباره از نور/لیزر برای جامد کردن رزین در لایه‌های بسیار نازک استفاده می‌کنند. پرتاب قطرات ریز یکی دیگر از فرآیندهای چاپ سه بعدی است که شبیه به چاپ جوهرافشان دو بعدی است. شاید رایج‌ترین و قابل تشخیص‌ترین روش، لایه‌گذاری باشد و ‌این فرآیندی است که توسط اکثر چاپگرهای سه بعدی سطح ابتدایی استفاده می‌شود. در‌این فرآیند معمولاً PLA یا ABS به شکل رشته‌ای از طریق یک اکسترودر گرم شده بیرون کشیده می‌شود تا لایه‌هایی را تشکیل دهد و شکل مورد نظر را‌ ایجاد کند.

انواع پرینت سه بعدی

– استریولیتوگرافی (SLA): به طور گسترده به عنوان اولین فرآیند چاپ سه بعدی شناخته شده است. SLA یک فرآیند مبتنی بر لیزر است که با رزین‌های فوتوپلیمر کار می‌کند. ‌این رزین‌ها با لیزر واکنش داده و به روشی بسیار دقیق قطعه را تشکیل می‌دهند. به زبان ساده، رزین فوتوپلیمر در یک محفظه نگهداری ‌می‌شود. با توجه به داده‌‌های سه بعدی ارائه شده به دستگاه (فایل stl) یک پرتو لیزر در محورهای X-Y در سراسر سطح رزین هدایت ‌می‌شود، به‌این‌‌‌ترتیب رزین دقیقاً در جایی که لیزر به سطح برخورد ‌می‌کند سخت ‌می‌شود. هنگا‌می‌که لایه تکمیل شد، لایه بعدی توسط لیزر ردیابی می‌شود.‌این کار تا زمانی ادامه می‌یابد که کل شیء کامل شود و قطعه برای خارج شدن از دستگاه آماده باشد. سپس به منظور پخت قطعه در معرض نور شدید در دستگاهی مانند کوره برای سخت شدن کامل رزین قرار می‌گیرد.

چاپ استریولیتوگرافی به شما این امکان را می‌دهد تا اجزای شفاف بسازید. چاپ SLA اغلب برای مدل‌های نمایشی یا ظاهری که نیاز به پوشش سطحی با کیفیت بالا دارند، اما لازم نیست که کاربردی باشند، استفاده می‌شود. SLA برای مدلسازی اجزایی که دارای لوگو یا متن برجسته یا فرورفته هستند نیز بسیار کارایی دارند.

این نوع از چاپ نیازمند ساپورت گذاری است. محدوده‌ی ضخامتت لایه‌های آن 0.05 الی 0.15 میلی متر است. استریولیتوگرافی دارای کیفیت سطح خوبی است ولی برای کیفیت ظاهری بهتر ممکن است به پردازش پس از چاپ مانند سند بلاست، افیلینگ، سنباده یا رنگ آمیزی نیاز داشته باشد

با روش استریولیتوگرافی امکان چاپ‌های شفاف و انعطاف پذیر یا سخت وجود دارد. اغلب از رزین‌های ABS برای اجزای جامد استفاده می‌شود. رزین‌های شفاف پس از چاپ باید با لاک براق مقاوم دربرابر اشعه UV پوشیده شود تا از تغییر رنگ جلوگیری شود.

استریولیتوگرافی به طور کلی به عنوان یکی از دقیق‌‌‌ترین فرآیندهای چاپ سه بعدی با سطح عالی مورد قبول واقع شده با ‌این حال عوامل محدودکننده‌ای مانند نیاز به عملیات ثانویه پس از ساخت و عدم پایداری مواد در طول زمان وجود دارد. به طور کلی ساخت مدل محصول در کمتر از 3 الی 5 روز کاری قابل دستیابی است. اما این بازه بسته به اندازه و پیچیدگی طراحی قطعه متفاوت خواهد بود.

– پردازش نور دیجیتالی (DLP): فرآیندی مشابه استریولیتوگرافی است و با فوتوپلیمرها کار ‌می‌کند. تفاوت اصلی منبع نور است. DLP از یک منبع نور معمولی‌‌‌تر، مانند یک لامپ قوس الکتریکی استفاده ‌می‌کند که در یک گذر به تمام سطح مخزن رزین فوتوپلیمر اعمال ‌می‌شود. ‌این فرآیند سریعتر از SLA است.

یکی از مزیت‌های DLP نسبت به SLA ‌این است که برای تسهیل فرآیند تنها به یک مخزن کم عمق از رزین نیاز است که منجر به ضایعات و هزینه‌های کمتر می‌شود.

– تف جوشی انتخابی لیزری (SLS): تف جوشی لیزری و ذوب لیزری اصطلاحاتی هستند که به فرآیند چاپ سه بعدی لیزری اشاره دارد.‌این فرآیند با مواد پودری کار ‌می‌کند. بر اساس داده‌های سه بعدی که به دستگاه داده می‌شود، در محورهای X-Y، لیزر، در یک بستر پودری از مواد پودری فشرده حرکت میکند. همانطور که مواد پودری در برخورد با لیزر به یکدیگر جوش خورده و یک قطعه جامد را تشکیل می‌دهد، با تکمیل هر لایه، بستر پودر به تدریج افت ‌می‌کند و یک غلتک، پودر را قبل از عبور بعدی لیزر روی سطح بستر صاف ‌می‌کند تا لایه بعدی تشکیل شود و به لایه قبلی جوش بخورد.

محفظه ساخت باید کاملاً بسته باشد زیرا لازم است در طول فرآیند دمای مشخص مخصوص به نقطه ذوب ماده پودری انتخابی، حفظ شود. پس از اتمام کار، کل بستر پودر از دستگاه خارج ‌می‌شود و پودر اضافی را ‌می‌توان جدا کرد تا قطعات چاپ شده باقی بماند. یکی از مزیت‌‌های کلیدی ‌این فرآیند ‌این است که بستر پودری به عنوان یک ساختار پشتیبان در حین فرآیند برای برآمدگی‌‌ها و برش‌‌ها عمل ‌می‌کند (یعنی نیازی به تعبیه ساپورت نیست) و بنابراین اشکال پیچیده‌ای که به هیچ طریق دیگری قابل ساخت نیستند با‌این فرآیند امکان پذیر است.

با‌این حال، از جنبه منفی، به دلیل دماهای بالای مورد نیاز برای‌ایجاد ذوب لیزری، زمان خنک شدن ‌می‌تواند به میزان قابل توجهی بالا باشد. علاوه بر‌این، تخلخل یک مسئله مهم در‌این فرآیند بوده، و در حالی که پیشرفت‌های قابل توجهی نسبت به قطعات کاملاً متراکم صورت گرفته است،  در برخی از کاربردها هنوز نیاز به بهبود ویژگی‌های مکانیکی از طریق نفوذ ماده دیگر وجود دارند.

SLS برای نمونه سازی قطعات کوچک ایده آل است. به  غیر از نمونه سازی سریع، SLS دو کاربرد دیگر نیز دارد: تولید محدود و چاپ فرم‌های پیچیده و حتی غیرممکن. صنایع تولید محدودی که نیاز به قطعات تخصصی و کم حجم دارند، مانند هواپیماسازی، گاهی اوقات از چاپ SLS برای تولیدات محصولاتی برای کاربردهای روزمره استفاده می‌کنند. آن‌ها به این دلیل از این روش استفاده می‌کنند که اگر فقط به چند قطعه تخصصی به سرعت نیاز باشد، این احتمال وجود دارد که امکان تولید ابزار یا قالب‌گیری تزریقی وجود نداشته باشد.

چاپ SLS امکان نمونه سازی طرح هایی را فراهم می‌کند که ممکن است برای فرآیند ساخت نهایی مناسب نباشند. هندسه‌های پیچیده را می‌توان با SLS چاپ کرد، اما نمی‌توان آن را قالبگیری تزریقی کرد.

تف جوشی لیزری ‌می‌تواند مواد پلاستیکی و فلزی را پردازش کند، اگرچه تف جوشی فلزی، به لیزر با توان بسیار بالاتر و دماهای بالاتر در حین فرآیند نیاز دارد. از آنجایی که در این فرآیند نیازی به ساپورت نیست، موادی هدر نمی رود و در هزینه صرفه جویی می‌شود. مواد مورد استفاده در تف جوشی پلاستیکی، باید پلیمر‌های پودر شونده باشند. چاپ‌های SLS را می‌توان با رنگ پلاستیک رنگ کرد. قطعات تولید شده با‌این فرآیند بسیار قوی‌‌‌تر از SL یا DLP هستند، اما به طور کلی سطح و دقت آن خوب نیست.

ضخامت لایه‌ها بین 0.06 الی 0.15 میلی متر است که از گرانول‌های مواد ساخته شده است. پوشش سطح قطعات SLS متخلخل است. برای بدست آوردن یک سطح کاملا صاف، سنباده و رنگ پس از چاپ نیاز است. در مقایسه با سایر تکنیک‌های چاپ سه بعدی، سطح و خواص SLSکیفیت بهتریدارد. از آنجایی که از ساپورت استفاده نمی‌شود، روکش سطح اشیاء چاپ شده با این تکنیک، آسیب نمی‌بینند. چاپگر‌های SLS، توانایی کار با سرعت 50 میلی‌متر در ساعت را دارند و 1 الی 4 روز زمان می‌برند.

– مدلسازی رسوبی ذوب شده (FDM): پرینت سه بعدی با استفاده از اکستروژن مواد‌‌‌ترموپلاستیک به راحتی رایج‌‌‌ترین و قابل تشخیص‌‌‌ترین فرآیند است. نام ‌این فرآیند، مدلسازی رسوبی ذوب شده است. با‌این حال، پرینترهای سه بعدی سطح پایه که از سال 2009 پدیدار شده‌اند، عمدتاً از فرآیند مشابهی استفاده می‌کنند که عموماً به عنوان Freeform Fabrication (FFF) نامیده می‌شود.

این فرآیند با ذوب رشته پلاستیکی کار ‌می‌کند که از طریق یک اکسترودر گرم شده، یک لایه در یک زمان، بر روی یک پلت فرم ساخته و طبق داده‌‌های سه بعدی ارائه شده، به چاپگر رسوب ‌می‌کند. هر لایه با رسوب سخت ‌می‌شود و به لایه قبلی ‌می‌چسبد. رایج‌‌‌ترین مواد برای چاپگرهای سه بعدی سطح پایه ABS و PLA هستند.

فرآیندهای FDM/FFF به ساپورت گذاری برای هر قطعه‌ای با هندسه‌های مازاد نیاز دارند. برای FDM،‌ این مستلزم یک ماده دوم محلول در آب است که به ساختارهای نگهدارنده اجازه ‌می‌دهد تا پس از تکمیل چاپ به راحتی شسته شوند. از طرف دیگر، ساپورت‌ها را ‌می‌توان با جدا کردن دستی آنها از قطعه جدا کرد.

چاپگر FDM به علت روش چاپ رشته‌ای و لایه‌ای، قادر به تولید اجزای بیش از حد دقیق نیست و بیشتر برای ساخت مدل‌های غیردقیق مفید است چرا که روشی آسان برای آزمایش فرم طرح‌ها و کانسپت‌ها قبل از نمونه سازی‌های نهایی است. این فرآیند برای برخی از هندسه‌های پیچیده در قطعات کند است و لایه لایه بودن آن می‌تواند مشکل ساز باشد و برای قطعاتی که ضد آب نیستند، مناسب نیست. البته پس از پردازش با استفاده از استون ‌می‌توان‌ این مشکلات را حل کرد.  این نوع از چاپ نیازمند ساپورت‌گذاری است و اتصال بین لایه‌ها گاهی به قدری ضعیف است که ممکن است هنگام برداشتن ساپورت، جدا شوند. ضخامت لایه‌ها بین 0.10 الی 0.33 میلی متر است.

– جت بایندر (Binder Jet): ماده شیمیایی در بستر پودری از ماده قطعه، اسپری ‌می‌شود و یک لایه در یک زمان تشکیل می‌شود. ‌این روند تا زمانی که قطعه مورد نیاز‌ ایجاد شود ادامه می‌یابد. همان‌طور که در مورد سایر سیستم‌‌های بستر پودری وجود دارد، هنگا‌می‌که یک لایه تکمیل ‌می‌شود، بستر پودر به تدریج افت ‌می‌کند و یک غلتک یا تیغه سطح بستر  را صاف ‌می‌کند. لایه بعدی تشکیل شده و با لایه قبلی ذوب ‌می‌شود (جوش می‌خورد).

از مزایای ‌این فرآیند،‌ این است که نیاز به تکیه‌گاه‌‌ها ندارد، زیرا بستر پودری خود ‌این قابلیت را فراهم ‌می‌کند. علاوه بر‌این، طیف وسیعی از مواد مختلف از جمله سرامیک را ‌می‌توان استفاده کرد. مزیت متمایز دیگر ‌این فرآیند، توانایی اضافه کردن آسان یک پالت رنگ کامل است که ‌می‌تواند به ماده شیمیایی اضافه شود.

– جت کردن مواد (Material Jetting): یک فرآیند چاپ سه بعدی که در آن مواد سازنده قطعه (در حالت مایع یا مذاب) به طور انتخابی برروی بستر چاپ پرتاب ‌می‌شوند.‌ این روش با استفاده از فتوپلیمر یا قطرات موم که در معرض نور قرار ‌می‌گیرند، جسم به صورت لایه به لایه ساخته ‌می‌شود.

ماهیت ‌این فرآیند امکان رسوب طیف وسیعی از مواد را به صورت همزمان فراهم ‌می‌کند، به ‌این معنی که ‌می‌توان یک قطعه واحد را از چندین ماده با ویژگی‌‌ها و خواص متفاوت تولید کرد. پرتاب مواد یک روش پرینت سه بعدی بسیار دقیق است که قطعات دقیقی با سطح بسیار صاف تولید ‌می‌کند.

– تف جوشی مستقیم با لیزر فلزات (DMLS): این مورد یک فناوری ساخت افزودنی است که نمونه‌های اولیه فلزی و قطعات کاربردی و نهایی را تولید می‌کند. DMLS از یک سیستم لیزری استفاده می‌کند که روی سطحی از “پودر فلز اتمیزه شده” کشیده می‌شود. در جایی که می‌کشد، پودر را به یک جامد جوش می‌دهد. بعد از هر لایه، یک تیغه یک لایه پودر تازه، اضافه می‌کند و روند را تکرار می‌کند. DMLS می‌تواند از اکثر آلیاژها استفاده کند و به نمونه‌های اولیه اجازه می‌دهد سخت‌افزاری با استحکام کامل و کاربردی از همان موادی که برای تولید آن محصول استفاده می‌شوند، ساخته شده باشند. همچنین در صورت طراحی با در نظر گرفتن قابلیت ساخت، این پتانسیل را دارد که در صورت افزایش تولید، به قالب‌گیری تزریقی فلز تبدیل شود.

– فرآیند چاپ SDL: یک فرآیند چاپ سه بعدی اختصاصی است که توسط Mcor تکنولوژی، تولید شده و توسعه یافته است. فرآیند چاپ سه بعدی SDL با استفاده از کاغذ، قطعات را لایه به لایه ‌می‌سازد. هر لایه جدید با استفاده از یک چسب به لایه قبلی ثابت ‌می‌شود که به طور انتخابی با توجه به داده‌‌های فایل سه بعدی ارائه شده به دستگاه اعمال ‌می‌شود.

پس از‌اینکه یک ورق کاغذ جدید به چاپگر سه بعدی وارد شد و روی لایه قبلی قرار گرفت، صفحه ساخت به صفحه حرارتی منتقل ‌می‌شود و فشار اعمال ‌می‌شود.‌ این فشار یک پیوند محکم بین دو ورق کاغذ را‌ایجاد ‌می‌کند. سپس صفحه ساخت به جایی که یک تیغه کاربید تنگستن قابل تنظیم هر بار یک ورق کاغذ را برش ‌می‌دهد و طرح کلی جسم را برای‌ایجاد لبه‌‌های قطعه دنبال ‌می‌کند، باز‌می‌گردد. هنگا‌می‌که‌این‌‌‌ترتیب برش کامل شد، چاپگر سه بعدی لایه بعدی چسب را ‌می‌گذارد و به همین‌‌‌ترتیب تا زمانی که قطعه کامل شود.

SDL یکی از معدود فرآیندهای چاپ سه بعدی است که ‌می‌تواند قطعات پرینت سه بعدی تمام رنگی را با استفاده از پالت رنگی CYMK تولید کند و از آنجایی که مواد مصرفی کاغذ استاندارد هستند و نیازی به پردازش ندارند، کاملاً‌ ایمن و سازگار با محیط زیست هستند. تولید هندسه‌‌های پیچیده و اندازه ساخت محدود به اندازه مواد اولیه است.

– روش ذوب پرتو الکترونی (EBM): تکنیک چاپ سه بعدی ذوب پرتو الکترونی یک فرآیند اختصاصی است که توسط شرکت سوئدی Arcam توسعه یافته است.‌این روش چاپ فلز از نظر تشکیل قطعات از پودر فلز بسیار شبیه به فرآیند تف جوشی لیزری مستقیم فلزات است. تفاوت اصلی منبع گرما است، که همانطور که از نام آن پیداست یک پرتو الکترونی است نه لیزر. لازم است ‌این روش در شرایط خلاء انجام شود.

این فرآیند توانایی‌ ایجاد قطعات کاملاً متراکم در انواع آلیاژهای فلزی، حتی تا درجه پزشکی را دارد، و در نتیجه‌ این تکنیک به ویژه برای طیف وسیعی از کاربردهای تولیدی در صنعت پزشکی، به‌ویژه برای‌ ایمپلنت‌ها، موفق بوده است. با‌این حال، سایر بخش‌‌های فناوری پیشرفته مانند هوافضا و خودرو نیز به فناوری EBM برای تحقق تولید نگاه کرده‌اند.

2. نمونه سازی فوم

مدل فوم، یک شکل سه بعدی است که از تخته فوم پلی‌یورتان ساخته شده است. مدل‌های فوم می‌توانند‌ ایرادات ارگونومیکی را در طراحی نشان دهند که در CAD قابل تشخیص نیستند، و همچنین پیش‌نمایش واقعی از مقیاس طرح‌هایتان را به شما ارائه می‌دهند. گاهی اوقات فقط در چند ساعت می‌توان چندین مفهوم را خیلی سریع ساخت و ارزیابی کرد. در طول فرآیند ارزیابی، ‌می‌توان تغییراتی در مدل‌ایجاد کرد و در طراحی گنجانید. فرآیند سریع و تکراری مدل‌‌های فوم ‌می‌تواند هزاران دلار در توسعه صرفه جویی کند و زمان عرضه به بازار را کاهش دهد.

فوم برد پلی‌یورتان در ‌‌‌تراکم‌‌های مختلف از سخت تا نرم موجود است، اما معمولاً فوم با چگالی کم برای ساخت سریع و آسان مدل مطلوب است. یک مدل فوم را ‌می‌توان با دست  یا CNC ماشینکاری شده از داده‌‌های CAD ساخت.

پس از‌ ماشینکاری، فوم را ‌می‌توان به همان حالت طبیعی یا رنگ آمیزی شده ارائه کرد. برای دستیابی به ظاهر نهایی واقعی‌‌‌تر، ‌می‌توان خطوط قطعه و گرافیک را نیز اضافه کرد. یک مدل حجم فوم بزرگتر را ‌می‌توان شکست، ماشینکاری کرد و دوباره به عنوان یک واحد کنار هم قرار داد. در صورت نیاز به ظاهر واقعی‌تر، می‌توان آن را به صورت دستی‌‌‌ تراش داد و گرافیک محصول، برچسب‌ها و… را نیز اضافه کرد.

هر پروژه دارای الزامات منحصر به فردی است و  طیف گسترده‌ای از فوم‌‌های پلی‌یورتان برای انتخاب جهت ریخته گری فوم وجود دارد. نمونه سازی و مدل‌سازی فوم را می‌توان برای یک محصول کوچک یا معمولی، اما همچنین برای محصولات در مقیاس بزرگ، از جمله وسایل نقلیه، هواپیما، قایق، مدل‌های معماری و مناظر، تئاترها و وسایل بزرگ سینمایی، اعمال کرد. همچنین ‌این روش نمونه سازی برای تمام صنایع تولیدی، به ویژه برای خودروسازی، هوانوردی و هوافضا، دریایی، تجهیزات صنعتی و پزشکی ضروری است.

روش‌های ساخت نمونه اولیه با استفاده از فوم

– طراحی قطعه برای مدل فومی:

• از داده‌‌های سه بعدی مشتری به عنوان مدل پایه استفاده می‌کنند.
• ویژگی‌‌های فرآیند  توپر (Lost Foam) را به مدل اضافه می‌کنند.
• زاویه (Draft) ، شعاع و فیلت (Fillet) را اضافه می‌کنند.
• ضریب انقباض را اضافه می‌کنند.
• خطوط جداسازی و چسب را تعیین می‌کنند.

یک روتر CNC هر شکل سه بعدی را ماشینکاری ‌می‌کند.‌ این دستگاه یک ماشین چند محوری است، به‌این معنی که در یک فضای سه بعدی به صورت مورب و منحنی، در حرکاتی که شبیه فرز یا کنده‌کاری است، حرکت ‌می‌کند.‌ این روتر ‌می‌تواند طرح‌‌های سه بعدی را از انواع مختلفی از مواد، از جمله: فوم EPS، فوم یورتان، آلومینیوم، چوب سبک، اکریلیک، پلاستیک و پلی کربنات و ABS‌ ایجاد کند. فرآیند ماشینکاری شامل‌ ایجاد مدل سه بعدی با استفاده از نرم افزار سه بعدی CAD، سپس آوردن‌ این مدل به یک مسیر ابزار سه بعدی است که اندازه شکل، وضوح، جهت برش، عمق برش و غیره را به روتر ‌می‌گوید. اشکالی که ‌می‌توان با روتر‌ ایجاد کرد تقریبا نامحدود است.

– مراحل فرآیند ماشینکاری مدل فومی:

• مدل CAD  به ‌ایستگاه  CNC ‌‌‌ترجمه می‌شود.
• فیکسچرها را ‌ایجاد می‌کنند.
• درجه ریخته گری بر اساس مواد فوم انتخاب می‌شود.
• به طور مستقیم مواد فوم را با استفاده از مسیرهای ابزار و‌ایستگاه CNC ماشین می‌کند.

پس از تکمیل طراحی اولیه سه بعدی قطعه، الگوهای نمونه اولیه Lost Foam تولید می‌شود. مراحل اصلی برای تولید‌ این الگوهای فوم ساخته شده عبارتند از:

• مدل‌‌های تقسیم شده برای برش خارجی و داخلی.
• فیکسچر نگه‌دارنده برای نگه داشتن قطعات مدل در طول عملیات برش.
• برش قطعات مدل از بخش عیار ریخته‌گری.
• چسب و مونتاژ قطعات مختلف مدل فوم.

اگر نیاز به‌ایجاد یک طرح فوم بزرگ یا حتی در مقیاس کامل دارید، ‌می‌توانید ابتدا از یک مدل کوچک استفاده کنید، آن را با استفاده از یک اسکنر سه بعدی اسکن کنید و سپس با استفاده از یک نرم افزار برش تخصصی که فایل قطعه را تولید ‌می‌کند، آن را به روتر CNC برای ماشینکاری منتقل کنید. استفاده از اسکنر شما را قادر ‌می‌سازد تا هر مدل معمولی را به طرحی با اندازه واقعی تبدیل کنید. هر مدلی را ‌می‌توان اسکن کرد – یک صورت، یک مجسمه، یک اسباب بازی ماشین، قطار، قایق و هر چیزی که در اندازه‌ی بزرگتر نیاز دارید. لازم نیست مدل سه بعدی را تجسم و تصور کنید، اسکنر‌ این کار را برای شما انجام ‌می‌دهد.

3. نمونه سازی توسط ورقکاری (Sheet Metal Prototyping):

ساخت ورق فلزی مجموعه‌ای از فرآیندهای تولیدی است که برای تبدیل ورق فلزی به قطعات کاربردی استفاده ‌می‌شود. ضخامت ورق فلز معمولاً بین 0.006 تا  0.25 ‌اینچ (0.015 و 0.635 سانتی متر) است. چندین فرآیند وجود دارد که زیر مجموعه “ساخت ورق فلز” قرار ‌می‌گیرند.‌ این فرآیندها شامل برش، خمکاری و … هستند و ‌می‌توانند به صورت پشت سر هم یا به صورت جداگانه استفاده شوند.

ساخت ورق فلزی را ‌می‌توان برای‌ایجاد نمونه‌‌های اولیه کاربردی یا قطعات نهایی استفاده کرد، اما قطعات ورق فلزی با مصرف نهایی معمولاً قبل از آماده شدن برای بازار نیاز به فرآیند تکمیل دارند. در ساخت ورق فلز، فرد اپراتور معمولاً با قطعات مسطح فلزات شروع ‌می‌کند و با استفاده از فرآیندهای مختلف ساخت، آنها را به سازه‌‌ها (یا محصولات) تبدیل ‌می‌کند، مانند:

• برش دادن
• تغییر شکل
• مونتاژ

فرآیند برش: همانطور که از نام آن پیداست، فرآیند برش شامل دستکاری ورق فلز با‌ایجاد برش با استفاده از قطعات ویژه ماشین آلات، از جمله برش لیزری CNC، برش جت آب و برش پلاسما است.

فرآیند تغییر شکل: تغییر شکل ورق فلزی، فرآیند تغییر شکل ورق فلز را با خمش، کشش و … توصیف ‌می‌کند.‌ این فرآیند شامل استفاده از ابزارهای تخصصی مانند پرس بریک و پرس‌‌های مهرزنی فلزی است. پرس بریک به شما‌ این امکان را ‌می‌دهد که ورق‌‌های فلزی را به زوایای مختلف و اشکال مختلف خم کنید. در مقابل، پرس مهرزنی فلز (شامل پانچ و قالب) به شما امکان ‌می‌دهد کارهای خاصی مانند برجسته کاری، سجاف کاری و کشش را انجام دهید.

مونتاژ: مونتاژ فرآیند اتصال قطعات مختلف ورق فلزی به یکدیگر با استفاده از اتصال دهنده‌‌ها یا از طریق جوشکاری می‌باشد. فرآیند جوشکاری رایج‌تر است، و شما طیف وسیعی از تکنیک‌های جوشکاری را دارید که انتخاب کنید، از جمله جوشکاری قوس الکتریکی، جوشکاری با پرتو الکترونی و … . بنابراین فرض کنید شما به دنبال ساخت و مونتاژ دو قطعه فلزی هستید. ابتدا باید برش‌‌ها و ویژگی‌‌های حیاتی (مانند سوراخ‌‌ها) را با استفاده از برش لیزری، کاتر جت آب یا کاتر پلاسما بر روی قطعات تخت فلزی‌ایجاد کنید. سپس،‌این ورق‌‌های فلزی را بین پانچ و قالب پرس بریک قرار دهید و خم کنید تا به زاویه مورد نظر برسید. در نهایت،‌این قطعات را به هم جوش دهید (یا ببندید) تا نمونه اولیه ساخت فلز را تشکیل دهید.

تقریباً تمام مواد مهندسی رایج به شکل ورق استفاده ‌می‌شوند. انتخاب مناسب معمولاً به ویژگی‌های مصرف نهایی و نیازهای محصول شما بستگی دارد. اگر محصول شما به فلز سبک با استحکام، حرارت و مقاومت در برابر خوردگی بالا نیاز دارد، باید آلومینیوم را انتخاب کنید. اگر به دنبال‌‌‌ترکیبی از استحکام، ماشین‌کاری و پرداخت سطحی خوب هستید، فولاد ضد زنگ و مس‌ایده‌آل هستند.

ورق‌‌های فلزی منیزیم نیز استحکام و دوام بالایی دارند و سبک وزن (تقریباً دو سوم چگالی آلومینیوم) هستند. با ‌این حال، بسیار قابل اشتعال هستند و در طول (و بعد از) ساخت، خطر قابل توجهی برای شما‌ایجاد ‌می‌کنند. باید از ورق‌‌های فلزی منیزیم دوری کنید مگر‌اینکه کاملاً ضروری باشد.

یکی از بزرگ‌ترین دلایلی که نمونه سازی ورق فلزی به کسب‌وکارها کمک می‌کند، حدس‌ و گمان‌ها را در هنگام تولید حذف می‌کند.‌این نمونه‌های اولیه به‌عنوان نمونه‌های فیزیکی مفاهیم طراحی شما عمل می‌کنند و به شما ‌این امکان را می‌دهند که عملکرد طراحی خود را آزمایش کرده و‌ایرادات را مدت‌ها قبل از شروع ساخت شناسایی کنید.

نتیجه‌گیری

مدل‌های اولیه به تیم‌های طراحی کمک می‌کنند تا با به‌دست آوردن داده‌های ارزشمند از عملکرد و واکنش به آن نمونه‌های اولیه، تصمیمات آگاهانه‌تری بگیرند. هر چه داده‌های بیشتری در این مرحله از چرخه توسعه محصول جمع‌آوری شود، شانس بیشتری برای جلوگیری از مشکلات احتمالی محصول یا تولید در آینده وجود دارد. اگر یک استراتژی نمونه سازی خوب دنبال شود، شانس بسیار بیشتری وجود دارد که محصول به موقع به بازار معرفی شود، پذیرفته شود، عملکرد قابل اعتمادی داشته باشد و سودآور باشد.

بهترین راه برای ساخت نمونه اولیه چیست؟ پاسخ سوال به این بستگی دارد که در کجای فرآیند خود هستید و در تلاشید تا به چه چیزی برسید. در اوایل فرآیند طراحی، زمانی که ایده ها آزادانه در جریان هستند، مدل های مفهومی مفید هستند. همانطور که طراحی پیشرفت می کند، یک نمونه اولیه که دارای اندازه، پرداخت، رنگ، شکل، استحکام، دوام و ویژگی های مواد محصول نهایی مورد نظر باشد، اهمیت فزاینده ای پیدا می کند. بنابراین، استفاده از فرآیند نمونه سازی صحیح بسیار مهم است. برای اینکه طراحی خود را به بهترین نحو تأیید کنید، به این سه عنصر کلیدی طراحی خود توجه کافی داشته باشید: عملکرد، قابلیت ساخت و دوام.

در نهایت، حتی اگر طرح اولیه شما کاربردی و قابل ساخت باشد، به این معنی نیست که کسی مایل به استفاده از آن است. نمونه‌های اولیه تنها راه برای تأیید واقعی بودن طرح از این نظر هستند. اگر طرح شما بتواند چالش‌های مرتبط با آزمایش‌های بازار (مانند نمایشگرهای نمایشگاهی، آزمایش قابلیت استفاده) و آزمایش‌های نظارتی (مانند آزمایش دستگاه‌های پزشکی FDA) را نیز پشت سر بگذارد، شما در فرآیند طراحی محصول موفق هستید.

منابع

1. https://3dprintingindustry.com/3d-printing-basics-free-beginners-guide/#02-history
2. https://www.protolabs.com/resources/guides-and-trend-reports/rapid-prototyping-processes
3. https://www.honkia.com/the-difference-of-sla-and-sls-rapid-prototyping
4. https://www.china-machining.com/blog/sheet-metal-prototype/
5. https://docplayer.net/16026054-Lost-foam-prototyping-methods.html
6. https://www.designmethodsfinder.com/methods/quick-and-dirty-prototyping