جدول المحتويات
التصنيع الإضافي (AM)، والمعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، هو عملية لبناء الهياكل المعقدة طبقة تلو الأخرى. وهي تتيح البناء السريع والموفر للموارد للهياكل الهندسية التي لم يكن من الممكن تصورها في السابق إلا كنماذج ثلاثية الأبعاد، وبالتالي فهي تمثل بديلاً للعمليات الطرح التقليدية. على الرغم من أن التصنيع الذكي الصنعي سيؤدي دورًا محوريًا في الصناعة 5.0، إلا أنه يتعين عليه التعامل مع انحرافات التصنيع الكبيرة مثل خشونة السطح العالية والمسامية وتأثيرات الانكماش وعيوب التصاق الطبقات. وتتمثل إحدى طرق التغلب على هذه الانحرافات في التحكم في العملية، حيث يلعب التحليل الحراري دوراً رئيسياً. ونظرًا لعملية التصنيع المعقدة والديناميكية، فإن المعرفة الدقيقة للخصائص الحرارية مثل التوصيل الحراري والسعة الحرارية والاستقرار الحراري للمادة أمر بالغ الأهمية لنجاح المعالجة الخالية من الأخطاء.
أهم عمليات التصنيع المضافة
يبدأ سير عمل التصنيع الإضافي بنموذج رقمي ثلاثي الأبعاد قائم على التصميم بمساعدة الحاسوب، والذي عادةً ما تتم معالجته بشكل إضافي بتنسيق بيانات الطباعة المجسمة stl. يتم تقسيم هذا النموذج إلى طبقات، تقوم الطابعة ثلاثية الأبعاد ببنائها واحدة تلو الأخرى باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك
- الانصهار القاعي للمساحيق (PBF): تقنيات مثل الصهر الانتقائي بالليزر (SLM) والصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM) التي تذيب المواد المسحوقة إلى طبقات صلبة.
- بثق المواد (ME): على سبيل المثال، نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)، حيث يتم صهر خيوط اللدائن الحرارية وتطبيقها طبقة تلو الأخرى.
- نفث المواد الرابطة (BJ): مادة رابطة سائلة تربط طبقات المواد المسحوقة.
- نفث المواد: يتم معالجة قطرات المواد السائلة طبقة تلو الأخرى.
- البلمرة الضوئية (PP): الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) يتم معالجة راتنج البوليمر الضوئي بمصدر ضوء.
- التصفيح بالصفائح (SL): يتم قطع طبقات رقيقة من المواد (مثل المعدن أو الورق) ولصقها أو لحامها معًا
تختلف هذه الطرق من حيث السرعة وتوافق المواد والتطبيق، مما يجعلها مناسبة لمختلف الصناعات وحالات الاستخدام.
الخواص الحرارية وأهميتها بالنسبة لصناعة الصوديوم المغناطيسي
تُعد الخصائص الحرارية للمواد حاسمة لنجاح عمليات التصنيع الإضافي. على سبيل المثال، تؤثر الموصلية الحرارية والقدرة الحرارية لمادة المسحوق تأثيرًا مباشرًا على مدخلات الطاقة في العمليات القائمة على الليزر مثل SLM. تتيح معرفة اعتماد درجة حرارة الخواص الحرارية على درجة الحرارة الإدارة الحرارية المناسبة والتحكم بشكل أفضل في تجمع الذوبان وبالتالي إدارة أفضل للعيوب. تتيح تقنيات التحليل الحراري الحديثة توصيفًا دقيقًا للمواد في ظل ظروف المعالجة وتساعد الشركات المصنعة على اختيار المواد المناسبة وتحسين معلمات العملية.
المواد في التصنيع المضاف
AM مناسب لمجموعة واسعة من المواد بما في ذلك:
- البوليمرات: الممثلون النموذجيون هم PLA (ME)، PA12 (PBF)، راتنجات الإيبوكسي (PP)، PMMA (BJ)، البوليمرات الضوئية السائلة (MJ)، PVC (SL)
- المعادن: تُستخدم السبائك المعدنية المصنوعة من الألومنيوم وسبائك التيتانيوم المتوافقة طبيًا مثل Ti64 والفولاذ المقاوم للصدأ في الصناعة وفي صناعة الطيران.
- السيراميك: تُعد مواد مثل ثاني أكسيد الزركونيوم وأكسيد الألومنيوم مثالية للمكونات النشطة بيولوجيًا وذات درجة الحرارة العالية.
- المواد الحيوية: المواد الهلامية المائية والكولاجين تمهد الطريق لتطبيقات طبية رائدة.
- المركبات: أصبحت البوليمرات الحديثة المعززة بالألياف شائعة بشكل متزايد في التطبيقات الهيكلية.
وحتى الآن، كانت درجة الحرية العالية لعملية الإضافات مقيدة حتى الآن بسبب التوافر المحدود للمواد. ومن خلال دمج مواد الحشو والمواد المضافة، تُبذل محاولات لتوسيع نطاق المنتجات باستمرار وتطوير تطبيقات جديدة تتطلب المزيد من التحليلات الحرارية لمخاليط المواد الجديدة في بعض الأحيان.
التطبيقات المشتركة بين الصناعات
يمتد تعدد استخدامات AM في جميع الصناعات، من صناعة الطيران والسيارات إلى الرعاية الصحية والبناء. على سبيل المثال:
- الفضاء الجوي: تعمل الأشكال الهندسية المعقدة وخفيفة الوزن على تحسين كفاءة الوقود والأداء.
- الرعاية الصحية: تعمل الغرسات والأطراف الصناعية المخصصة على تحسين نتائج المرضى.
- البناء: تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة على نطاق واسع على إحداث ثورة في ممارسات البناء المستدام.
يضمن التحليل الحراري أن تفي هذه التطبيقات بالمتطلبات الصارمة، مثل التشغيل في درجات الحرارة القصوى أو تحت ضغط ميكانيكي.
المزايا والإمكانات المستقبلية
يوفر التصنيع الإضافي الصنعي العديد من المزايا مقارنة بالتصنيع التقليدي:
- الأشكال الهندسية المعقدة: تتيح تصميمات معقدة لا يمكن تحقيقها بالطرق التقليدية.
- النماذج الأولية السريعة: الإنشاء السريع للنماذج الأولية من النماذج ثلاثية الأبعاد
- كفاءة المواد: تقلل من النفايات باستخدام المواد المطلوبة فقط.
- التخصيص: يتيح حلولاً مصممة خصيصاً، خاصة في قطاع الرعاية الصحية.
- كفاءة التكلفة للسلاسل الصغيرة: فعالية التكلفة لإنتاج السلاسل الصغيرة.
ستعمل التطورات المستقبلية في علوم المواد وأتمتة العمليات، مثل التحسين المدعوم بالذكاء الاصطناعي، على استغلال إمكانات التصنيع الإضافي وجعل عملية التصنيع مناسبة للصناعة 5.0. سيظل التحليل الحراري كعملية سابقة ولاحقة للعملية حجر الزاوية الثابتة وسيساهم مساهمة مهمة في تطوير مواد وعمليات جديدة.
المنظورات العلمية
تسلط الأبحاث الحديثة الضوء على تكامل النمذجة الحاسوبية والتحليل الحراري [7] لمحاكاة توزيع الحرارة والتنبؤ به في الوقت الحقيقي باستخدام التوائم الرقمية لتحسين التحكم في العملية واستهلاك الطاقة. ويمثل الدمج الدائم للتحليل الحراري في عملية التصنيع كطريقة قياس في الموقع أو أثناء العملية خطوة مهمة في زيادة تطوير فهم العملية.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/