ما الفوائد التي يوفّرها التصنيع الإضافي في تطوير المواد؟

أدى التقدُّم الحديث في التكنولوجيا وعلوم المواد إلى ظهور فرصٍ جديدة، حيث يزداد انتشار التصنيع الإضافي يوماً بعد يوم. ومثالٌ على ذلك شركة إنغما-دي إي دي (Enigma-DED)، https://www.enigma-ded.com/)الرائدة في مجال تكنولوجيا التصنيع الإضافي المتقدِّمة. وتستخدم هذه الشركة تقنيات الترسيب بالطاقة الموجَّهة (Directed Energy Deposition Method) وتوسِّع نطاق استخدامها في قطاع التصنيع الإضافي. وتساهم الثورة التي أحدثها استخدام طابعات ثلاثية الأبعاد في قطاع علوم المواد في تعديل خواص المواد سطحياً، ما يمكِّن العلماء من تغيير الخصائص والتركيب والاستخدامات المختلفة للمواد العديدة. كما يشهد قطاع التصنيع الإضافي نمواً سريعاً في التكنولوجيا المستخدمة لتعديل وتطوير مواد جديدة. وللمواد الجديدة إمكاناتٌ هائلة لا حدود لها في مختلف الصناعات.

فرصٌ غير مسبوقة لتعديل المواد.

يتمتّع التصنيع الإضافي بسمعةٍ جديرةٍ به كواحدٍ من أكثر التقنيات ابتكاراً وتقدّماً، ويرجع ذلك أساساً إلى قدرته الاستثنائية وإمكاناته الهائلة في إحداث ثورةٍ في مجال إنشاء المواد الجديدة. وقد عانى مجال علوم المواد لسنواتٍ عديدةٍ من قيودٍ في إنشاء المواد الجديدة وبحثها وتعديلها، ناجمةً عن غياب وسيلةٍ فعّالةٍ لاستخدامها. فعلى مدى سنواتٍ عديدةٍ، اعتمدت طرق التصنيع التقليدية نهجاً متجانساً في التعامل مع المواد، ما جعل دمج المواد المستخدمة في التصنيع التقليدي أمراً بالغ الصعوبة. أما الاستراتيجيات المُعتمدة في النهج الجديد في علوم المواد التقليدية فقد أحدثت ثورةً في هذا المجال ووفّرت فرصاً جديدةً فيه.

اليوم، تستمر التحسينات والتعديلات على التصنيع الإضافي. ومن الفوائد المهمة لهذا النوع من التصنيع قدرته على التعامل مع الترتيبات المعقدة والكثيفة لمختلف المعادن، وتبسيط سير العمل التصنيعي. علاوةً على ذلك، فإن دمج المعادن يفتح الباب أمام تصميم مواد هندسية مبتكرة.

خُذْ مثالَ إنِغْما-دِيد كنموذجٍ على التصنيع الإضافي؛ فهو قادرٌ على إنتاج أنظمة مواد هندسية جديدة تُسمَّى «المواد ذات التدرج الوظيفي»، والتي تُقدَّم كقطعة واحدة. ويمكن تحقيق درجاتٍ متفاوتةٍ — بطريقة تدرُّجيةٍ — من الخصائص البنائية والوظيفية المهمة، مثل الصلادة ومقاومة الحرارة والتوصيل الحراري و/أو الكهربائي. فعلى سبيل المثال، قد تتضمَّن القطعة الوسطى قلبًا سيراميكيًّا مقاومًا للحرارة مع غطاء معدني مرن من الخارج. ويحقِّق هذا النهج التصميمي الشخصي أهدافًا هندسيةً قصوى ومُتخصِّصة، مثل تلك الموجودة في قطاع الطيران والفضاء والأجهزة الطبية، وبخاصة في المعادن خفيفة الوزن والقوية والبيولوجية المتوافقة. ويتيح لنا التصنيع الإضافي الخروجَ من قيود عمليات التصنيع والمواد التقليدية.

تَكُونُ عمليَّات التَّصميم والتكرار التي ترافق تطوير مادة هندسية جديدة في الغالب معقَّدةٌ وشاقَّة. وعادةً ما تكون هذه العمليَّات مليئةً بدوراتٍ طويلةٍ من هندسة المنتج، تتخلَّلها فتراتٌ ضائعةٌ من الوقت ودوراتٌ مرهقةٌ من العمل اليدوي. وتلغي التصنيع الإضافي هذه الفترات الضائعة والدورات المرهقة عبر عمليَّات النماذج الأولية السريعة واختبارات حسب الطلب، مما يجعل سير العمل فائق الإنتاجية.

في شركة إنغمَا-دي إي دي، نستخدم التصنيع الإضافي لاختبار أداء المعادن أو المواد السيراميكية الجديدة خلال أيامٍ بدل أسابيع، ونقوم بذلك في دفعات تصنيع صغيرة. ونختبر أداء هذه المواد من حيث المتانة ومقاومة التآكل والاستقرار الحراري. علاوةً على ذلك، يمكننا إعداد تركيباتٍ معدلةٍ من هذه المواد وتصنيعها بسرعة.

هذه القدرة على التكرار السريع تساعد في اكتشاف عيوب التصميم مبكرًا وإدخال تعديلات فعّالة. وبمساعدة تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة مثل تقنية DED الخاصة بشركة Enigma-DED، ينخفض الوقت المطلوب لإكمال دورة تطوير مادة ما بشكل كبير. وتؤدي النماذج الأولية المرفوضة إلى هدر المواد الأولية، لكن هذا الهدر يقلّ بشكل كبير بفضل الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تقلّل أيضًا التكلفة الإجمالية لدورة تطوير المادة.

تصنع الإضافية تحسّن أداء المواد من خلال التحكم في تركيبها الداخلي

أداء المادة هو نتيجة لمجموعة من العوامل: خصائصها، وبنيتها، وتصميم هذه البنية على المقياس المجهرّي وعلى مقياس الشبكة البلورية. وبما أننا ندرك ذلك، فإن شركة إنغما-دي إي دي تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصميم وتصنيع أنظمة طباعة معدنية ثلاثية الأبعاد يمكن للمستعمل النهائي التحكم بها لإنتاج مواد. وبفضل هذا التحكم، يصبح بإمكاننا إنشاء هياكل مجهرية معقَّدة ومتطوِّرة ذات حبيبات مترابطة تزيد من مقاومة المواد بنسبة ٣٠٪ مقارنةً بالمعادن المُصنَّعة باستخدام الطرق التقليدية الأكثر انتشارًا.

واحدٌ من أبرز المزايا التي تُقدِّمها التصنيع الإضافي هو القدرة على التحكم في مسامية الهياكل المعدنية. فعلى سبيل المثال، يسمح التصنيع الإضافي بإنتاج معادن قوية وخفيفة الوزن تحتوي على مسام دقيقة وموزَّعة بشكل متجانس، وهي خاصية مرغوبة في قطاعي السيارات والفضاء. ومع ذلك، يمكن أيضًا تصميم الهياكل المعدنية لتكون صلبة تمامًا، وهو ما يُعدُّ مفيدًا في الزرعات الطبية ومكونات الفضاء التي تتطلب إحكامًا تامًّا. ويؤدي هذا التحكم في المسامية إلى تحسين أداء المادة ووظائفها. وتُظهر الهياكل الخفيفة والقوية والمرنة التي تُصنع لزبائن «إنجما-ديد» هذه المزايا.

يتم تجنُّب كمية أكبر من النفايات البلاستيكية باستخدام «إنجما-ديد»

تستخدم «إنجما-ديد» التصنيع الإضافي الذي يقلل من النفايات. ففي التصنيع التقليدي، تُهدر المواد في كل خطوة من خطوات العملية. أما هدر المواد في «إنجما-ديد» فيؤدي إلى ارتفاع التكاليف.

على عكس أنواع الاختبارات الأخرى للمواد، فإن نسبة الهدر في اختبارات إنغمَّا-دي إي دي تقل عن ٥٪. أما الطرق الأخرى للاختبار فتتراوح نسب هدرها بين ٥٠٪ فأكثر. وتؤدي الطرق التقليدية إلى هدر كبير في المواد، لا سيما العناصر باهظة الثمن مثل سبائك التيتانيوم والخزفيات المتقدمة. وتوفر طريقة إنغمَّا-دي إي دي المال والموارد الأخرى عبر التخلص من قطع الاختبار بعد الانتهاء منها.

وبالإضافة إلى ذلك، يصبح الانتقال من إعداد النماذج الأولية للمعادن أو الخزفيات الجديدة إلى الإنتاج الضخم باستخدام التصنيع الإضافي أكثر سلاسةً. ويتم استخدام المواد بشكل متسق ومتجانس، دون الحاجة إلى المبالغة في تقدير الكميات المطلوبة لتعويض أوجه عدم الكفاءة. فعلى سبيل المثال، عند إنتاج سبائك تيتانيوم جديدة لمكونات الطيران، لا يتطلب أي عملية تصنيع إضافي قصّ أو تشكيل المواد. وهذا يساعد في الحفاظ على تطوير مواد جديدة ويقلل التكلفة الإجمالية على الباحثين.

مع مرور السنين، اتسع نطاق التطبيقات المتخصصة للمواد

السبائك الفائقة والمعادن والخزفيات الهشة هي مواد متقدمة. ولوقتٍ طويل، كانت التطبيقات المتخصصة التي تعتمد على هذه المواد المتقدمة تتطلب معالجتها بالطرق التقليدية. أما الآن، فإن التصنيع الإضافي يُغيّر طريقة معالجة هذه المواد المتقدمة.

يستخدم نظام إنغمَّا-دي إي دي التصنيع الإضافي للتعامل مع الخزفيات الهشة — وهي مواد تميل عادةً إلى التشقق أثناء العمليات التشغيلية الاعتيادية. وبفضل التحكم الأمثل في درجة الحرارة، وطباعة الطبقات، وآليات منع التشقق، يحل التصنيع الإضافي هذه المشكلة، ما يجعل من الممكن استخدام الخزفيات الهشة الآن.

وعلاوةً على ذلك، تتيح التصنيع الإضافي أيضًا تصميم وإنتاج معادن مقاومة للإشعاع لقطاع الطاقة النووية وسبائك فائقة المقاومة للحرارة لقطاع الفضاء والطيران. وفي قطاع الطاقة النووية، يُتوقع أن تتحمل المعادن المستخدمة مستويات عالية جدًّا من الإشعاع لفترات طويلة، أما السبائك الفائقة المستخدمة في قطاع الفضاء والطيران فيجب أن تحافظ على سلامتها البنيوية أثناء العمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة وأن تتحمّل الظروف الجوية القاسية. ويُسهم التصنيع الإضافي في حلِّ طائفة واسعة من المشكلات المتعلقة بإنتاج المواد المتخصصة، كما يعالج تحدياتٍ كانت قائمة منذ زمنٍ طويل في مجالات متنوعة مثل قطاع الفضاء والطيران وأجهزة الرعاية الصحية.