جدول المحتويات
مقدمة - لماذا يعد تحليل الفشل الحراري أمرًا بالغ الأهمية
التصنيع الإضافي أثبتت نفسها كتقنية تحويلية في الإنتاج الصناعي – لا سيما في تطوير النماذج الأولية الوظيفية. فهي تتيح تحقيق أشكال هندسية شديدة التعقيد يكاد يكون من المستحيل إنتاجها باستخدام طرق التصنيع التقليدية. ومع ذلك، فإن هذه الدرجة العالية من حرية التصميم تقدم أيضاً تحديات جديدة في ضمان الجودة: في التصنيع بالإضافة، يتم بناء المكونات طبقة تلو الأخرى، مما يعني أنه حتى أصغر عيوب المواد أو انحرافات العملية يمكن أن تتراكم وتؤثر على وظائف المنتج النهائي.
تتمثل إحدى ميزات الجودة الرئيسية في السلوك الحراري للمواد المستخدمة. الاختلافات
في ظل هذه الخلفية التحليل الحراري تزداد أهميته، خاصةً قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC). فهو يوفر إمكانية اختبار المواد بحثًا عن الاختلالات الحرارية قبل عملية الطباعة وبعدها. وهذا لا يسمح فقط بتقييم أفضل لجودة المواد، ولكنه أيضًا يحدد تأثير معلمات العملية مثل سرعة التبريد أو ظروف التخزين.
الهدف من هذه المقالة هو توضيح الفوائد العملية لقياس DSC لتصنيع النماذج الأولية الوظيفية المضافة. ينصب التركيز بشكل أقل على التفاصيل الفنية لمنهجية القياس وأكثر على مساهمتها في منع الأخطاء وتقييم المواد وتحسين العملية. وينصب التركيز على تطبيقات محددة، ونتائج الأبحاث الحالية ونقلها إلى الإجراءات الروتينية الصناعية.
التحليل الحراري باستخدام DSC - الأساسيات والإمكانيات
قياس المسح الحراري التفاضلي (DSC) هو تقنية تحليل حراري تستخدم لقياس كمية الحرارة الممتصة أو المنبعثة من عينة خلال دورة حرارة مبرمجة. وتعتمد هذه الطريقة على مقارنة تدفق الحرارة بين العينة قيد الفحص ومرجع خامل في ظروف متطابقة. وكلما حدث تحول فيزيائي أو كيميائي في العينة – مثل الذوبان أو التبلور أو التفاعل – يتغير التدفق الحراري بطريقة قابلة للقياس.
من خلال تقييم التفاعلات الحرارية في ظل ظروف درجة حرارة محددة، يمكن تسجيل التقلبات الخاصة بالمادة أو تأثيرات التقادم أو عدم التجانس بشكل موضوعي. ويتيح ذلك إجراء تقييم موثوق به لاتساق المواد ويسمح بتكييف كل من ظروف التخزين ومعايير التصنيع على وجه التحديد مع سلوك المواد المعنية.
ومن الناحية العملية، هذا يعني أن المادة الأولية البوليمرية مثل البولي أميد 12 يمكن أن تُظهر سلوك ذوبان مختلف اعتمادًا على التخزين أو المعالجة الحرارية المسبقة، مما يؤثر بشكل مباشر على جودة المكونات. يمكن استخدام DSC لتحديد ما إذا كان المسحوق لا يزال قابلاً للمعالجة بسبب التدهور الحراري أو التبلور أو تغيرات المواد المضافة. وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام هذه الطريقة أيضًا بعد عملية الطباعة، على سبيل المثال، لفحص تجانس الهياكل أو للكشف عن التحولات الطورية غير المرغوب فيها.
وتتمثل إحدى المزايا الخاصة للتحلل الحراري المكاني DSC في ملاءمته للتحليلات المقارنة: من خلال المقارنة المباشرة بين المساحيق الطازجة والمستعملة والمعاد تدويرها، يمكن استخلاص استنتاجات حول تقادم المواد وثباتها وقابليتها لإعادة التدوير. وهذا مهم بشكل خاص للشركات التي تعتمد على إعادة الاستخدام المتعدد لموادها لأسباب تتعلق بالتكلفة. تُظهر دراسات مثل تلك التي أجراها روبل وآخرون (2022) أن المعلمات الحرارية يمكن أن تتغير بشكل كبير مع الاستخدام المتكرر – مع تأثير مباشر على جودة الطباعة.
ومن مجالات التطبيق الأخرى التطوير المستهدف لتوليفات المواد الجديدة: يمكن أن يوفر DSC معلومات حول ما إذا كانت الخلائط أو البوليمرات المشتركة تُظهر سلوكًا حراريًا متجانسًا، أو ما إذا كانت المواد المضافة موزعة بالتساوي، أو ما إذا كانت تحدث تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها. وبالتالي تعمل هذه الطريقة أيضًا كحلقة وصل بين تطوير المواد وتصميم العملية – وهو عامل حاسم في بيئة صناعية حيث تصبح دورات الابتكار أقصر من أي وقت مضى. يقيس DSC الفرق في التدفق الحراري بين العينة والمرجع حيث يتم تسخين أو تبريد كليهما بطريقة محكومة. ويؤدي أي تغير فيزيائي أو كيميائي في العينة إلى تغير قابل للقياس في التدفق الحراري (Menczel & Prime، 2009).
هذه المعلمات حاسمة في التصنيع المضاف، حيث إنها لا تحدد مدخلات الطاقة ونوافذ العملية فحسب، بل تحدد أيضًا ما إذا كانت المادة مناسبة لتطبيقات معينة. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي درجة التبلور المنخفضة جدًا إلى التشوه، في حين أن درجة حرارة الانصهار العالية جدًا تمنع الاندماج الكامل. يتيح DSC إمكانية تحليل هذه الخصائص في المادة الخام أو التحقق منها بعد عملية الطباعة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام DSC لدراسة تأثيرات المواد المضافة أو عمليات التقادم. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة عند إعادة استخدام المساحيق المعاد تدويرها أو عند اختبار خلائط المواد الجديدة. وتعتمد قابلية إعادة استخدام مساحيق البوليمر مثل PA12، على سبيل المثال، بشدة على ما إذا كانت خواصها الحرارية تتغير بشكل كبير أثناء عملية الطباعة (روبل وآخرون، 2022).
ثلاثة أمثلة عملية لاستخدام DSC
المسحوق المعدني للإدارة الآلية لسحب المعادن: سبائك الحديد والصلب
توفر خلائط Fe-Si مثل Fe-6.5% Si نفاذية مغناطيسية عالية وخسائر مغناطيسية منخفضة، مما يجعلها مطلوبة بشكل خاص للتطبيقات الكهربائية. ومع ذلك، فإن هذه السبائك هشة للغاية وبالتالي فإن قابليتها للتشكيل محدودة. في عملية الصب التقليدية، تكون الأشكال الهندسية الممكنة محدودة – وهو مثال نموذجي لسيناريو تطبيق للتصنيع الإضافي. وفي الوقت نفسه، وبسبب خصائصها الفيزيائية، تفرض هذه المواد متطلبات خاصة على التحكم في العملية في عملية الصهر الانتقائي بالليزر (SLM).
في دراسة أجراها Gao وآخرون (2023)، تم إجراء التوصيف الحراري لهذه السبائك باستخدام DSC. ومن بين أمور أخرى، تمكّن المؤلفون من تحديد درجة حرارة كوري وإنثالبي الانصهار وانتقالات الطور الصلب. تم استخدام هذه المعلومات لاستخلاص استنتاجات حول الاستقرار الحراري للسبائك أثناء عملية الليزر. وقد أتاح التعديل المستهدف لمعلمات العملية استنادًا إلى هذه البيانات تقليل التشقق وعيوب النسيج في المكونات النهائية. يوضح هذا المثال كيف يمكن أن يعمل DSC ليس فقط كأداة تشخيصية، ولكن أيضًا كأداة لتحسين العملية (Gao وآخرون، 2023).
البولي أميد 12 في عملية PBF
البولي أميد 12 (PA12) هو البوليمر الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في عملية انصهار قاع المسحوق (PBF) ، خاصةً في التلبيد بالليزر. تعتمد جودة المكونات الناتجة إلى حد كبير على التحكم في العملية الحرارية – وبشكل أكثر تحديدًا، على ما يسمى “نافذة التلبيد”. ويصف ذلك نطاق درجة الحرارة بين بداية عملية التبلور والذوبان الكامل. فقط عندما يكون المسحوق داخل نافذة التلبيد المستقرة يمكن إنتاج مكونات كثيفة ومستقرة الأبعاد.
استخدم Rüppel وآخرون (2022) DSC لإظهار أن الخواص الحرارية ل PA12 حساسة للتأثيرات الخارجية. وتمكنوا من إثبات أن مدة التخزين وامتصاص الرطوبة والتحميل الحراري المسبق يؤدي إلى تحولات كبيرة في نافذة التلبيد. هذه التغييرات لها تأثير مباشر على موثوقية العملية ودقة أبعاد الهياكل المطبوعة. مكنت الدراسة من تحديد معايير إعادة استخدام المساحيق ووضع حدود للتقادم المسموح به – وهي مساهمة حاسمة في الاستخدام المستدام للمواد في السياق الصناعي.
سبائك الألومنيوم في إنتاج المسبوكات المضافة
يعتبر DSC وثيق الصلة أيضًا بالمواد المعدنية خارج نطاق الصهر بالليزر. أحد الأمثلة على ذلك هو دراسة سبائك الألومنيوم مثل EN AB-42000، والتي تستخدم في عمليات التصنيع الهجين. وهذه هي عمليات الصب التي يتم فيها استخدام نوى الرمل أو قوالب الصب المصنعة بشكل إضافي لإنشاء أشكال هندسية معقدة.
درس شوينهير وآخرون (2023) المعالجة الحرارية المستهدفة لهذه السبيكة لتحسين خواصها الميكانيكية. تم استخدام DSC لتحديد درجات حرارة التحول المميزة والتغيرات الطورية، والتي استخدمت بعد ذلك كأساس لدورات المعالجة الحرارية المخصصة. وكانت النتيجة زيادة كبيرة في الليونة مع الحفاظ على القوة – وهي مفاضلة نموذجية في هندسة المسابك تم حلها على وجه التحديد بفضل بيانات قياس DSC. ويوضح هذا التطبيق أن التحليل الحراري يمكن أن يكون حاسمًا ليس فقط للتصنيع الإضافي نفسه، ولكن أيضًا لخطوات العملية النهائية مثل المعالجة الحرارية والاختبار النهائي.
ضمان الجودة والتنفيذ في الصناعة
تزداد أهمية الاستخدام الصناعي لقياس المسح الضوئي التفاضلي (DSC) لضمان الجودة في التصنيع المضاف. وفي حين أن العملية كانت تستخدم في الأصل في المقام الأول في مجال البحث والتطوير، إلا أنها الآن تثبت نفسها أيضًا في العمليات المتعلقة بالإنتاج. لا تكمن القيمة المضافة في التوصيف الدقيق للمواد فحسب، بل تكمن قبل كل شيء في القدرة على اكتشاف الانحرافات الحرارية في عملية التصنيع في مرحلة مبكرة واتخاذ تدابير مضادة مستهدفة.
أحد مجالات التطبيق الرئيسية هو فحص البضائع الواردة. فحتى قبل بدء عملية الطباعة، يمكن استخدام تحليل DSC الموحد لتحديد ما إذا كانت دفعة من المواد تفي بالمواصفات الحرارية المطلوبة. وهذا أمر مهم بشكل خاص للبوليمرات المسترطبة مثل PA12، حيث يمكن أن تؤثر حتى الانحرافات الطفيفة في الرطوبة المتبقية أو التبلور على سلوك الطباعة. ومن خلال تحليل سلوك الذوبان والتبلور، يمكن تحديد مثل هذه الانحرافات المادية بوضوح – قبل وقت طويل من ظهورها في المكون.
ومن مجالات التطبيق الأخرى التحقق من صحة العملية. وهنا، يُستخدم DSC لفحص عينات الاختبار أو العينات المرجعية المأخوذة من عملية الإنتاج للتحقق من الاتساق الحراري. وهذا يسمح للمصنعين بتحديد ما إذا كانت ظروف الطباعة الفعلية (على سبيل المثال، طاقة الليزر أو وقت التعرض أو معدلات التبريد) تتطابق مع المعلمات المخطط لها. ويُعد هذا التحكم الإضافي مساهمة قيمة في تقليل المخاطر، خاصة في الصناعات ذات الأهمية الحرجة للسلامة مثل صناعة الطيران والتكنولوجيا الطبية.
يوفر DSC أيضًا رؤى قيمة في إعادة تدوير مواد المسحوق. تسمح عمليات التصنيع المضافة مثل التلبيد بالليزر عمومًا بالاستخدام المتعدد للمسحوق غير الملبد. ومع ذلك، فإن كل عملية إعادة استخدام تغير الخصائص الحرارية للمادة – على سبيل المثال، من خلال التقادم أو التلف الحراري أو فقدان المواد المضافة. يمكن أن يسجل DSC هذه التغييرات بشكل موضوعي ويشير إلى متى تفقد المادة قابليتها للاستخدام. وثق روبل وآخرون (2022)، على سبيل المثال، تحولًا في نطاق تبلور PA12 بعد عدة دورات إعادة تدوير، مما كان له تأثير مباشر على ثبات الأبعاد وكثافة المكونات.
بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم DSC في تأهيل المواد أو خلائط المواد الجديدة. في مشاريع الابتكار الصناعي حيث يتم اختبار أنواع جديدة من المساحيق أو المواد المضافة أو خلائط البوليمرات، يعد التحليل الحراري أداة لا غنى عنها لتقييم قابلية المعالجة. وتستخدمه الشركات، على سبيل المثال، للتحقق مما إذا كانت مكونات الخليط متوافقة حراريًا أو ما إذا كان التوزيع المتجانس في العملية يمكن تحقيقه واقعيًا. كما يمكن أيضًا تحديد التفاعلات المستحثة حراريًا مثل التشابك المسبق غير المرغوب فيه وقياسها بسرعة باستخدام DSC.
أحد الجوانب التي لا ينبغي الاستهانة بها هو إمكانية التتبع والتوثيق: في العديد من الصناعات الخاضعة للتنظيم، هناك طلب متزايد على ضمان الجودة ليس فقط لضمان الجودة، ولكن أيضًا لتوثيقها والتحقق من صحتها بشكل منهجي. يمكن دمج تقييم بيانات DSC في تقارير الاختبار الرقمية وأنظمة ضمان الجودة. وهذا يسهل عمليات التدقيق وإمكانية التتبع والتحسين المستمر للعمليات.
وعمومًا، من الواضح أن تطبيق تقنية DSC في الممارسة الصناعية ليس نهجًا أكاديميًا بحتًا، بل هو استثمار مفيد اقتصاديًا ونوعيًا. فهو يوفر للشركات مستوى إضافي من التحكم يساعد على الحد من مصادر الخطأ، وزيادة موثوقية العملية، وضمان جودة المنتج على المدى الطويل. وعادةً ما يأخذ التنفيذ الصناعي لقياسات DSC عادةً شكل بروتوكولات اختبار موحدة. ويعتبر DSC مفيدًا بشكل خاص في عمليات فحص البضائع الواردة، وتأهيل دفعات المواد الجديدة، والتحقق من صحة معلمات العملية. ومن الناحية العملية، هذا يعني أن قياس DSC لا يوفر فقط معلومات حول مدى ملاءمة المسحوق، ولكن أيضًا حول ما إذا كان يمكن معالجته بشكل موثوق في إستراتيجية الطباعة المخطط لها.
يلعب DSC أيضًا دورًا مهمًا في البحث في إعادة تدوير المواد. على سبيل المثال، تُجرى أبحاث على PA12 لتحديد كيفية تغير درجة التبلور مع إعادة الاستخدام المتكرر وما إذا كان ذلك يؤدي إلى تغيير في الخواص الميكانيكية للمكونات (روبل وآخرون، 2022). وتساعد هذه المعلومات الشركات على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن استخدام المواد وتجنب فقدان الجودة في المواد المعاد استخدامها.
خاتمة ونظرة عامة
تُظهر الأمثلة المعروضة هنا بشكل مثير للإعجاب أن قياس المسح الضوئي التفاضلي (DSC) هو أداة متعددة الاستخدامات لضمان الجودة ومراقبة العمليات في التصنيع الإضافي. وفي تطوير النماذج الأولية الوظيفية واختبارها على وجه الخصوص، فإنه يتيح التحديد المبكر لمصادر الخطأ المحتملة – سواء في اختيار المواد أو عملية الطباعة نفسها أو ما بعد المعالجة.
إن قدرة DSC على توفير معلومات دقيقة حول سلوك الذوبان والبلورة والاستقرار الحراري تفتح مجموعة واسعة من التطبيقات: من فحص البضائع الواردة وتحسين العمليات إلى تطوير المواد. تستفيد الشركات التي تستخدم التحليل الحراري بشكل منهجي من تحسين قابلية الاستنساخ وزيادة كفاءة المواد وتقليل معدلات الخردة. في الصناعات المنظمة ذات متطلبات التتبع العالية – مثل التكنولوجيا الطبية أو الطيران – يوفر التحليل الحراري الحراري التتبعي أيضًا دليلًا موثقًا على الجودة الحرارية للمواد المستخدمة.
وفي الوقت نفسه، توفر هذه الطريقة أيضًا إمكانات كبيرة في مجال البحوث: تستفيد المشاريع متعددة التخصصات، مثل تطوير خلطات البوليمر الجديدة أو التحقيق في استراتيجيات إعادة التدوير البديلة، من التوصيف الحراري الدقيق. ويكتسب DSC أيضًا أهمية في سياق الاقتصاد الدائري، حيث يساعد على التقييم الموضوعي لقابلية إعادة استخدام المساحيق بشكل موضوعي.
تكمن النظرة المستقبلية الواعدة في أتمتة ورقمنة تقييم البيانات. حيث يمكن لخوارزميات التقييم الحديثة القائمة على التعلم الآلي، على سبيل المثال، التعرف على الأنماط في بيانات القياس الحراري، أو التنبؤ بالحالات الشاذة، أو ضبط معلمات العملية تلقائيًا. وهذا يمكن أن يمكّن من دمج DSC بشكل أوثق في سلسلة العمليات الصناعية في المستقبل – ربما حتى كجزء من التوائم الرقمية أو أنظمة ضمان الجودة التنبؤية.
بشكل عام، فإن أي شخص يريد استخدام التصنيع الإضافي ليس فقط لتحسين الهندسة ولكن أيضًا للتكامل الوظيفي وموثوقية العملية سيجد أنه من المستحيل تقريبًا الاستغناء عن التحليل الحراري الدقيق. يُعد DSC عملية رئيسية في هذا الصدد – صغيرة من حيث المعدات، ولكنها كبيرة من حيث تأثيرها على الجودة والابتكار وفعالية التكلفة.
مؤلفات مختارة للمزيد من القراءة
- Gao, J., Zhang, H., Liu, S., et al. (2023).
السلوك الحراري والبنية المجهرية لسبائك Fe-Si المصنعة عن طريق الصهر الانتقائي بالليزر. توصيف المواد، 194، 112520.
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112520 - Menczel, J. D., & Prime, R. B. (Eds.). (2009).
التحليل الحراري للبوليمرات: الأساسيات والتطبيقات. جون وايلي وأولاده.
https://doi.org/10.1002/9780470423837 - Rüppel, A., Dobner, K., Schild, A., et al. (2022).
تأثير إعادة الاستخدام المتكرر على الخواص الحرارية والفيزيائية لمسحوق PA12 للتلبيد بالليزر. البوليمرات، 14(15)، 3120.
https://doi.org/10.3390/polym14153120. - Schwienheer, C., Bente, K., Buhl, J., et al. (2023).
استراتيجيات المعالجة الحرارية لمكونات الألومنيوم الهجين المصبوب المضاف: التأثير على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية. Materials & Design, 230, 111946.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111946.
