دامنه انعطاف پذیری مواد در تولید افزودنی ها

مطالعه پارامترهای فرایندی و دامنه انعطاف پذیری مواد در تولید افزودنی اصطکاکی اغتشاشی؛ یک فناوری پایدار

برای همگام شدن با انقلاب صنعتی چهارم، تولید افزودنی فلزی (MAM) از MAM مبتنی بر همجوشی تا MAM اصطکاکی اغتشاشی حالت جامد توسعه یافته است. MAM مبتنی بر همجوشی دارای معایب متعددی همچون انجماد و مقاومت برشی پایین است. تولید افزودنی اصطکاکی اغتشاشی (FSAM) از تکنیک‌های جدید و متفاوتی بهره می‌گیرد که بر مبنای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) در ساخت اجزای لایه به لایه عمل می‌کند. رسوب اصطکاکی اغتشاشی یک پیشرفت بسیار جدید است که در آن خوراک که به شکل پودر، میلگرد یا به تراشه‌های ماشینی (بازیافتی) است با گرمایش در محل (توسط مکانیسم هم زدن اصطکاکی) حفظ می‌شوند. با توجه به توسعه نرخ کرنش بالا، مواد اولیه با تغییر شکل پلاستیکی کلی که منجر به تبلور مجدد دینامیک شده و درنهایت، اتصالات کاملا متراکم بدون هیچ‌گونه تخلخل، ترک های گرم و اینکلوژن ایجاد می‌کند، به بستر متصل می‌شوند. گرم بودن فرایند مکانیکی حالت جامد بر معایب بایندر جتینگ، رسوب مستقیم انرژی، لمینیت ورق و سایر تکنیک‌های MAM نه تنها بدون نقص، بلکه با یک ریزساختار غلبه می‌کند که حتی بهتر از فرفورژه، خواص مکانیکی و ساختاری برتر، تحمل‌های سخت، اتصالات مناسب به صورت محلی و کلی عمل می‌کند اما ضعیف تر از قطعات بسیار پیچیده است. MAM باتوجه به یکنواخت بودن ریزساختار، راندمان انرژی بالا، مقیاس پذیری، استفاده از مواد مختلف (Al، Ti، Ni، Mg)، کاهش اعوجاج قطعه، سهولت استفاده، کیفیت برتر، تنوع در خوراک و حداقل نیاز به پس پردازش به یکی از بهترین تکنیک‌های مناسب در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی، نظامی، زیست پزشکی و دریایی تبدیل کرده است که نیازمند تولید فلزات فله خالص با استحکام بالا و وزن سبک، لمینت‌ها، کامپوزیت‌ها، بیوکامپوزیت‌ها، آلیاژها و عایق‌ها است. این مقاله مکانیسم تکنیک‌های مختلف MAM، پارامترهای فرایندی، دامنه انعطاف پذیری مواد، شناسایی نواقص موجود در افزایش ریزساختار را بیان می‌کند. عملکرد این مقاله با تحلیل روندهای آتی آن به پایان می‌رسد.

پیش از انقلاب‌های صنعتی، زندگی مردم دستخوش صنعتگری و کشاورزی شد. با گذشت زمان میل به توسعه مواد جدیدتر و فرایندهای تولید به وجود آمد و مردم می‌خواستند از محصولات با کیفیت بهتر برای بهبود سبک زندگی خود استفاده کنند. این تغییر نگرش زمینه را برای آغاز بررسی مواد جدیدتر و روش‌های ساخت فراهم کرد که می‌تواند موثرتر و سریعتر از نمونه‌های سنتی باشد. این روند اقتصاد کشور را به رشد صنعتی آن ازطریق تولید در مقیاس بزرگ و ابزار مکانیزه وابسته کرد. چهار مرحله در انقلاب صنعتی مشاهده شد:

الف) تغییر در تولید از دستی به بخار محور که تا سال 1835 ادامه یافت.

ب) تولید در مقیاس وسیع با توسعه منابع انرژی پیشرفته که تا سال 1945 ادامه داشت.

ج) تغییر از عصر مکانیکی به عصر فناوری رایانه محور، داده‌های دیجیتال و اینترنت که تا سال 2015 ادامه داشت.

د) فرایندهای تولید پیشرفته به‌ویژه افزودنی یکپارچه، به‌ویژه برای تولید افزودنی (AM) با شبیه سازی و بهینه سازی، کلان داده، اینترنت اشیاء، واقعیت افزوده، رباتیک و هوش مصنوعی برای ایجاد سیستم‌های تولید به کمک رایانه که نه تنها داده‌ها را تفسیر می‌کنند بلکه از آنها نیز در یادگیری ماشینی با هدف مدیریت حرکات هوشمند در دنیای واقعی به سمت تکامل اتوماسیون استفاده می‌کنند.

از این رو، صنعت از اصلاح محصول انعطاف پذیر، توسعه محصول، ورود به بازار، کاهش هزینه و یکپارچگی عملیات بهره می‌برد. شش مرحله اولیه AM عبارتند از: ساختن یک مدل سه بعدی ازطریق بسته‌های نرم‌افزار، کاشی کاری، پشته‌ سازی، پیکربندی و کالیبره کردن دستگاه، تولید نمونه‌های اولیه، و آنالیز استحکام و پس پردازش. با توسعه فناوری‌ها و تکنیک‌های جدید برای ساخت، تحقیقات طراحی و تولید متکی بر بازتعریف محدوده روشهای متداول است. این فرایند که قبلا نمونه سازی سریع (در دهه 1980) نامیده می‌شد، با پیشرفت‌هایی روبرو بود و اکنون به عنوان تولید افزودنی شناخته می‌شود. از مواد اولیه به شکل پودر یا سیم استفاده می‌شود. ممکن است با کمک سیستم تولید و طراحی فرایند کامپیوتری چند بعدی ذوب شده، گرم شده و یا پشته شود.

با حداقل تعامل هومو ساپینس، تمام الزامات برای حذف یا قالب گیری مواد بیشتر به شکل محصول نهایی فراهم می‌شود. تولید افزودنی (AM) یک نامگذاری صنعتی رسمی است اما چاپ سه بعدی به دلیل تلاش مشترک سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) با انجمن امریکایی آزمایش و مواد ASTM اغلب به‌عنوان یه راهکار جایگزین شناخته می‌شود. چاپ سه بعدی فلزی (MAM) باتوجه به پتانسیل ایجاد هندسه‌های پیچیده، کاهش ضایعات، افزایش انعطاف پذیری طراحی و کاهش هزینه سفارشی سازی یکی از مهم‌ترین تکنیک‌های مورد استفاده در صنعت تولیدی به شمار می‌رود. برای مثال، اخیرا برخی از ایمپلنت‌های جراحی تیتانیومی با استفاده از این روش چاپ شده‌اند. بوئینگ 777 با موتور GE9X از سیستم مبدل حرارتی متشکل از 300 قطعه جداگانه استفاده می‌کند. باتوجه به تکامل AM، تنها به موادی نیاز است که 25 درصد ارزان‌تر و 40 درصد سبک‌تر باشد. SpaceX از مولفه های MAM برای کاهش زمان تولید و وزن موتورهای راپتور و سوپر دراکو استفاده کرد و ناسا نیز قصد دارد در آینده نزدیک همین کار را برای موتور اصلی شاتل فضایی پیاده کند. فولاد ضد زنگ آستنیتی 308LSi (SS) اولین پل فلزی ساخته شده با مواد افزودنی در سراسر جهان در دو والن، آمستردام است که 10.50 متر بر روی کانال Oudezijds Achterburgwal کشیده شده است.

جمع بندی و کلام آخر

نمودار دایره ای ارائه شده در شکل زیر مشارکت ناشران مختلف در FSAM را نشان می دهد.

شکل 1:

دو نمودار دایره‌ای شکل‌های زیر نیز به‌ترتیب انعطاف‌پذیری مواد بستر در FSAM و انعطاف‌پذیری مواد اولیه در دو ابزار مختلف را نشان می‌دهند که یکی شبیه به ابزار FSP با یک پین است و دیگری، یک ابزار توخالی با یک میلگرد جامد یا خوراک پودر برای رسوب است.

شکل 2:

شکل 3:

اما در شکل زیر قابلیت فرایند FSAM ازطریق نمودار دایره‌ای نشان داده می‌شود.

شکل 4:

مشاهده می‌شود که FSAM پتانسیل بالایی در ساخت ورق‌های فلزی، فلزات خالص حجیم مانند Al و Cu با تقویت کننده‌های مورد نظر، کامپوزیت‌های مختلف مانند کامپوزیت‌های نانو مواد، کامپوزیت‌های Ti-Al-V، کامپوزیت‌های Al-WC، کامپوزیت‌های Al-Zn-Cu، بیوکامپوزیت‌های زیست سازگار، پوشش دهی و ترمیم بستر دارند. در یک محیط سخت، خوراک را می‌توان به شکل تراشه‌های فلزی بازیافتی به‌طور مستقیم ازطریق ابزار توخالی در منطقه اغتشاشی بدون تاثیر زیادی بر ویژگی‌های فلز ساخته شده به کار برد. FSAM به دلیل ماهیت حالت جامد و اجرای کامپیوتری برنامه ریزی فرایند قادر به ساخت قطعات با ترک‌های گرم ناچیز، تفکیک ذرات، حفره‌های داخلی، تخلخل، اینکلوژن و غیره است. برخی از خواص FSAM مانند انتشار گازهای گلخانه ای کم، ابزار غیر قابل مصرف، بدون محیط حفاظتی مورد نیاز، تکرارپذیری زیاد و مقبولیت بالا برای محصولات بزرگتر و به ویژه آلیاژهای منیزیم، آلومینیوم، نیکل، تیتانیوم و مس زیست سازگاری و اثربخشی آن را افزایش می‌دهد.