مقدمه

در این پروژه یک گوشی بیسیم خانگی با تمام جزئیات مکانیکی و ساختی، مهندسی معکوس شده است. برای این منظور ابتدا مدل هدف ،از یک برند معروف تولید کننده لوازم تلفن خانگی انتخاب شده و با استفاده از اسکنر سه بعدی تمامی قطعات آن اسکن شده است. با استفاده از ابعاد برداری از فایل اسکن( ابرنقاط ) و قطعه اصلی، قطعات مدل سه بعدی با نرم‌افزارهای Geomagic و Solidworks طراحی شده است. بعد از طراحی تمامی قطعات مکانیکی، مدل به همراه بردهای الکترونیکی اسمبل شده و انطباقات چک شده‌اند. در این مرحله با توجه به تغییر شکل بردهای الکتریکی، قطعات مرتبط اصلاح شده و تغییرات لازم بر روی آن‌ها انجام شده است. پس از اتمام فاز طراحی و تایید آن ،گام بعدی، ساخت نمونه اولیه و بررسی انطباقات ساختی است. برای این منظور،  پرینت سه بعدی به عنوان روش ساخت نمونه اولیه انتخاب شده است که روشی سریع و مقرون به صرفه است. پس از اتمام مراحل طراحی، پرینت قطعات مختلف، اسمبل کردن قطعات پرینت شده و بررسی جایگذاری‌های ساختی انجام شده، تا یک نمونه اولیه‌ی کامل از دستگاه ساخته شود.

روش انجام کار:

• اسکن

اسکنرهای سه بعدی، ابزار مهمی در فرآیند مهندسی معکوس تجهیزات محسوب می‌شوند. اسکنرها انواع مختلفی دارند که دقت دستگاه و همچنین قابلیت‌های حرکتی آنها بر روی نتیجه تاثیرگذار است. دستگاه انتخاب شده در این پروژه قابلیت دوران داشته و دقتی در حدود ۴۰ میکرون دارد. در اسکنرهای سه بعدی، امکان تصویربرداری از نقاط داخلی نمونه در یک بار اسکن کردن وجود ندارد. برای اسکن قطعات داخلی، تصویربرداری باید به صورت گسسته انجام شود و در نهایت تصاویر با هم ادغام ‎شوند. این کار هزینه و زمان اسکن را افزایش خواهد داد.

فایل خروجی از دستگاه اسکنر شامل تعداد زیادی نقطه است که به آن ابرنقاط گفته می‌شود. از این نقاط برای ابعاد برداری هندسی و طراحی کل قطعه استفاده می‌شود. تصاویر اسکن فاقد حجم هستند و صرفاً به عنوان ابزاری برای اندازگیری دقیق فیچرهای قطعه در قسمت طراحی استفاده می‌شوند.

این ابر نقاط را به کمک نرم‌افزارهای اسکن سه بعدی مانند Geomagic خوانده می‌شوند و با استفاده از ابزارهای این نرم‌افزار، طراحی نمونه دقیق‌تر انجام می‌شود. این نقاط را می‌توان به وسیله مش‌بندی به هم اتصال داد و یک شکل کلی از نمونه اسکن شده بدست آورد تا نواحی دارای نقص در اسکن مشخص شود. با این کار علاوه بر نواحی که اسکن خوبی انجام نگرفته است، می‎توان نویز دستگاه و دقت آن را نیز مشاهده نمود.

• مهندسی معکوس و طراحی

تصاویر بدست آمده از اسکن سه بعدی دارای نویزهای بالا و همچنین در برخی نقاط دارای سوراخ‌های اضافه بودند. به کمک نرم‌افزار Geomagic این تصاویر نویزگیری و هموار شده و سوراخ‌های آن پر شده است، تا سطح یکنواخت و مناسبی برای طراحی فراهم شود. نرم‌افزار Geomagic، سرعت طراحی نمونه اسکن شده را افزایش می‌دهد. قابلیت‌هایی در این نرم‌افزار وجود دارد که کار با تصاویر اسکن شده را ساده‌تر می‌کند. با استفاده از ابزارهای این نرم‌افزار می‌توان به راحتی از قسمت‌های مختلف تصاویر اسکن شده، صفحات را ایجاد نمود و بعد از آن با عبور صفحات مختلف از تصاویر، اسکچ (Sketch) قطعه را در محل صفحه بدست آورد.

مرحله طراحی با استفاده از این اسکچ‌ها ( به علت نویز اعوجاج زیادی دارند) آغاز می‌شود. به کمک این خطوط و اندازگیری دستی و نرم‌افزاری، فیچرها در نرم‌افزار Solidworks طراحی شده تا هندسه مورد نظر بدست آید. هندسه قطعات بدست آمده به کمک تحلیل‌های موجود در نرم‌افزار Geomagic با نمونه اسکن شده قابل مقایسه هستند. برای صحت‌سنجی طراحی با نمونه اصلی، نمونه اسکن شده با نمونه طراحی شده، مقایسه می‌شود و میزان انحراف این دو نمونه نسبت به هم، به صورت کانتورهای رنگی نمایش داده می‌شود.

پس از طراحی تمامی قطعات و مقایسه آن‌ها با نمونه اسکن شده، تغییرات هندسی انجام می‌شود تا دستگاه نسبت به مدل اولیه اسکن شده عملکرد بهتری داشته و نقاط ضعف آن پوشش داده شود. مرحله بعدی، بررسی و اعمال ملاحظات و تلرانس‌های ساخت و زاویه خروج قالب است، البته زاویه خروج قالب برای نمونه‌های پلاستیکی را می‌توان در حین طراحی اعمال نمود. در گام بعد، تمامی قطعات با هم و به همراه برد الکترونیکی اسمبل می‌شوند. در این مرحله اگر تداخل یا فاصله‌ای مشاهده شود با تغییرات هندسی در هر دو قطعه این اختلاف حل خواهد شد، این نکته بسیار حائز اهمیت است که اگر تغییر هندسی در طراحی نسبت به نمونه اسکن شده انجام گرفت، این تغییر برای سایر قطعات در تماس با آن تاثیر نگذارد یا در صورت تاثیر آن‌ها نیز تغییر کنند. تغییر شکل قطعات در حین جداسازی، آسیب قطعات و یا عدم توانایی اسکنر در نقاط داخلی، ممکن است سبب تداخل قطعات و یا ایجاد فاصله بین آن‌ها شود. در این مرحله اگر قطعات قابلیت اصلاح را نداشته باشند، در صورت اصلاح، تمامی مدل دچار خطا شده و زمان اصلاح بسیار افزایش پیدا می‌یابد. در این پروژه سعی شده که قطعات قابلیت اصلاح را داشته باشند. این قابلیت با طراحی مبتنی بر صفحات اصلی قابل دستیابی است و این سبک طراحی برای دستگاه با تعداد اجزای زیاد بسیار مناسب است. پس از اصلاح قطعات و تکمیل اسمبل تمامی قطعات، این دستگاه آماده ساخت نمونه اولیه می‌شود.

تصاویر بدنه خارجی نمونه طراحی شده به صورت کامل:

• پرینت سه بعدی

معمولا پس از اتمام مرحله طراحی، یک نمونه اولیه برای بررسی قابلیت‌های ساختی قطعات و بحث انطباقات، ساخته می‌شود. از پرینترهای سه بعدی یکی از بهترین روش‌های ساخت نمونه اولیه هستند که علاوه بر سرعت، هزینه ساخت پایینی نیز دارند. انتخاب تکنولوژی، روش ساخت و جنس از پارامترهای مهم در انتخاب پرینت سه هستند. در این گوشی بیسیم، سه جنس ماده مختلف شامل فلز، پلاستیک سخت و پلاستیک انعطاف‌پذیر وجود دارد که برای هر کدام روش ساخت متفاوتی در نظر گرفته شده است. برای قطعات سخت پلاستیکی می‌توان از روش‌های SLA، FDM وSLS  استفاده کرد که هرکدام مزایا و معایب خود را دارند. روش FDM از روش‌های دیگر بسیار ارزان‌تر و سریع‌تر است، اما کیفیت سطح پایینی داشته و فیچرهای کوچک را به خوبی پوشش نمی‌دهد. روش SLA دارای دقت بالاتری است و شامل جنس‌های مختلف با خصوصیات متفاوت است. مزیت اصلی روش SLA، زبری سطح پایین و دقت بالا برای پرینت فیچرهای ریز است اما قیمت تمام شده بسیار بالایی نسبت به روش FDM دارد. پس از انتخاب روش و مواد مورد نیاز پرینت، نمونه‌سازی اولیه قطعات انجام شده است. در نهایت تمامی قطعات پرینت شده با هم اسمبل شده و انطباقات محل پیچ و سوراخ‌ها چک می‌شود.

• تست افتادن یاDrop test

تست افتادن یکی از تست‌های متدوال برای ساخت تجهیزاتی مانند گوشی بیسیم است که باید قبل از تولید نهایی، انجام گیرد. انجام این تست به صورت تجربی، علاوه بر صرف هزینه و زمان، دید دقیقی نسبت به اتفاقات و آسیب‌های وارده به جسم، به ویژه در قسمت‌های داخلی نمی‌دهد. با استفاده از تحلیل‌های اجزا محدود در نرم‌افزارهای تجاری مانند ANSYS امکان انجام این تست قبل از ساخت نمونه وجود دارد. تحلیل اجزا محدود، مزایایی را ارائه می‌دهد که با انجام تست‌های تجربی به سادگی امکان‌پذیر نیست.

هنگامی که یک تست افتادن انجام می‌شود، با استفاده از تعدادی شتاب‌سنج، داده‌برداری می‌شود و می‌توان این داده‌ها را تحلیل و بررسی نمود، اما چند نکته در این بحث قابل اهمیت است:

• کالیبراسیون ابزارها روی داده‌ها تاثیرگذار است.
• شتاب فقط در مکانی که شتاب‌سنج نصب شده است، قابل اندازه‌گیری است. این نکته برای اجسام انعطاف‌پذیر که بدنه دچار تغییر شکل می‌شود، مطرح است.
• خود شتاب‌سنج نیز می‌تواند روی اندازه‌گیری‌ها تأثیرگذار باشد. این مسئله برای تست وسایل کوچک حائز اهمیت است. جرم شتاب‌سنج، جرم بدنه را افزایش داده و سبب تغییر مرکز ثقل می‌شود. در نتیجه، داده‌های اندازه‌گیری شده قابل اطمینان نخواهند بود.

علاوه بر این نکات، در تحلیل اجزا محدود، پارامترهای چون سرعت برخورد، ارتفاع تست، خواص مواد، سفتی سطح و میزان جرم نمونه قابل تغییر هستند و می‌توان تحلیل را چندین مرتبه با شرایط مختلف تکرار نمود. در این صورت هزینه و زمان تست تجربی کاهش چشمگیری خواهد داشت.

در این پروژه، تست ضربه گوشی بیسیم در محیط برنامه ANSYS شبیه‌سازی شده است. گوشی بیسیم از فاصله ۲ متری سطح زمین به سمت پایین پرتاب شده است و نتیجه برخورد آن با زمین بررسی و تحلیل شده است.

تست افتادن به سه روش مختلف در برنامه‌ ANSYS شبیه‌سازی می‌شود:

1. Implicit Transient Dynamics
2. Explicit Dynamics
3. Response Spectrum (Linear Dynamics)

انتخاب روش مناسب در کاهش زمان تحلیل بسیار تاثیرگذار است. روش‌های Implicit و Explicit در حالت Full Transient، روش مناسبی برای بررسی رفتار دینامیکی سیستم هستند. این روش‌ها مکمل یکدیگر هستند و مستقل از نوع حلگر و روش انتگرال‌گیری برای حل مسائل دینامیکی گذرا استفاده می‌شوند. تحلیل Implicit در حالت mode super position، یک تقریب خطی برای بررسی رفتار دینامیکی سیستم است و مواد غیرخطی و تماس غیرخطی را پوشش نمی‌دهد. در حالت Full Transient، رفتارهای غیرخطی را نیز شامل می‌شود اما هزینه محاسبات آن زیاد است و همگرایی مسائل غیرخطی به راحتی انجام نمی‌گیرد. روش Explicit، معمولا روش مناسب‌تری برای شبیه‌سازی این تست است. زمان تحلیل آن کمتر است و رفتار غیرخطی در نظر گرفته می‌شود. گام‌های زمانی حل مسئله وابسته به اندازه المان‌ها است و باید به اندازه کافی کوچک در نظر گرفته شود.

کلمات کلیدی: انسیس ورکبنچ، مهندسی معکوس، گوشی بیسیم، تست ضربه، اسکنر سه بعدی، پرینت سه بعدی

Keywords: ANSYS Workbench, Drop Test, Explicit Analysis, Implicit Analysis, Geomagic, Solidworks