يتم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك بواسطة COMSOL.
يعلمنا التاريخ أن الثورة الصناعية بدأت في إنجلترا في منتصف القرن الثامن عشر. في حين أن عصر المسابك والمطاحن السخامية قد مضى وقتًا طويلاً ، إلا أن التصنيع لا يزال ضروريًا وصعبًا. تتمثل إحدى الطرق الواعدة لمواجهة التحديات الصناعية الحديثة في استخدام عمليات التصنيع المضافة (AM) ، مثل دمج طبقة المسحوق وغيرها من التقنيات الناشئة. للوفاء بوعدها بالإنتاج السريع والدقيق والقابل للتخصيص ، تتطلب AM أكثر من مجرد إعادة تجهيز معدات المصنع ؛ كما يدعو إلى اتباع مناهج جديدة لتشغيل المصنع وإدارته.
الشكل 1. رسم توضيحي عام 1873 لمناجم الفحم وأعمال الحديد في ويست ميدلاندز بإنجلترا. باعتبارها واحدة من أولى المناطق الصناعية في العالم ، أصبح جزء من هذه المنطقة يُعرف باسم “البلد الأسود” بسبب مناظرها الطبيعية ذات الغطاء الناعم.
الصورة في المجال العام عبر ويكيميديا كومنز
هذا هو السبب في أن مركز تكنولوجيا التصنيع في بريطانيا (MTC) عزز منشأة AM الخاصة به الخاصة بدمج طبقة المسحوق المعدني الداخلية من خلال نموذج محاكاة وتطبيق لمساعدة موظفي المصنع على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن تشغيله. يُظهر التطبيق ، الذي تم إنشاؤه باستخدام Application Builder في برنامج COMSOL Multiphysics ، إمكانية إقران مصنع AM واسع النطاق بما يسمى “التوأم الرقمي” نفسه.
يقول آدم هولواي ، مدير التكنولوجيا ضمن فريق النمذجة في MTC: “يساعد النموذج في التنبؤ بكيفية تأثير الحرارة والرطوبة داخل مصنع دمج طبقة المسحوق على جودة المنتج وسلامة العمال”. “عند دمجها مع خلاصات البيانات من منشأتنا ، يساعدنا التطبيق على دمج النمذجة التنبؤية في عملية صنع القرار اليومية.” يوضح مشروع MTC فوائد وضع المحاكاة مباشرة في أيدي القوى العاملة الصناعية الحالية ويوضح كيف يمكن أن تساعد المحاكاة في تشكيل مستقبل التصنيع.
نحن نحاول تقديم نتائج بعض الحسابات المعقدة للغاية بطريقة سهلة الفهم. من خلال إنشاء تطبيق من نموذجنا ، يمكننا تمكين الموظفين لتشغيل عمليات محاكاة تنبؤية على أجهزة الكمبيوتر المحمولة أثناء نوبات عملهم اليومية. “
—آدم هولواي ، مدير تكنولوجيا MTC
التصنيع الإضافي للفضاء بالدراما
لمساعدة المصانع البريطانية الحديثة على مواكبة العالم ، تشجع MTC التصنيع عالي القيمة في جميع أنحاء المملكة المتحدة. يقع مقر MTC في مدينة كوفنتري الصناعية الإنجليزية التاريخية (الشكل 2) ، لكن تركيزها ينصب فقط على المستقبل. لهذا السبب خصص الفريق موارد بشرية وتقنية كبيرة للمركز الوطني لتصنيع المواد المضافة (NCAM).
الشكل 2. المقر الرئيسي لمركز تكنولوجيا التصنيع في كوفنتري ، إنجلترا.
“اعتماد AM لا يقتصر فقط على تركيب معدات جديدة. يسعى عملاؤنا أيضًا إلى الحصول على المساعدة في تنفيذ البنية التحتية الرقمية التي تدعم عمليات مصنع AM “، كما يقول هولواي. “جنبًا إلى جنب مع برامج المؤسسات واتصال البيانات ، نحن نستكشف كيفية تضمين المحاكاة في أنظمتهم أيضًا.”
يوفر مشروع التصنيع الرقمي الإضافي القابل لإعادة التكوين للفضاء (DRAMA) التابع لـ NCAM مكانًا قيمًا لهذا الاستكشاف. تم تطويرها بالتنسيق مع العديد من الشركات المصنعة ، وتتضمن مبادرة DRAMA منشأة AM الجديدة التي تم دمج طبقة المسحوق عليها سابقًا. مع هذا المصنع الصغير كمرحلة الدراما ، يلعب هولواي وزملاؤه المتخصصون في المحاكاة أدوارًا مهمة في إنجاح إنتاجه لمكونات الفضاء الجوي.
جعل المواد اللينة تضيف أشياء صلبة
ما الذي يجعل عملية التصنيع “مادة مضافة” ، ولماذا تستكشف العديد من الصناعات طرق التصنيع AM؟ بالمعنى الواسع ، فإن العملية المضافة هي العملية التي يتم فيها إنشاء الكائنات عن طريق إضافة طبقة مادة بطبقة ، بدلاً من إزالتها أو تشكيلها. قد تبدأ عملية الاختزال أو الطرح لإنتاج جزء ما ، على سبيل المثال ، بكتلة صلبة من المعدن يتم بعد ذلك قطعها وحفرها وطحنها في شكل. على النقيض من ذلك ، تبدأ طريقة مضافة لصنع نفس الجزء بمساحة فارغة! ثم يتم إضافة مادة فضفاضة أو ناعمة إلى تلك المساحة (تحت ظروف يتم التحكم فيها بعناية) حتى تشكل الشكل المطلوب. يجب بعد ذلك ترسيخ هذه المادة المرنة في جزء نهائي متين.
الشكل 3. مثال على جزء تم إنتاجه من خلال عملية دمج طبقة المسحوق المعدنية.
تتطلب المواد المختلفة طرقًا مختلفة لتوليد الأشكال المضافة وترسيخها. على سبيل المثال ، تنتج الطابعات ثلاثية الأبعاد الشائعة التي يتم بيعها للمستهلكين أشياءً عن طريق فك خيوط بلاستيكية دافئة ، والتي تلتصق بنفسها وتصبح أكثر صعوبة عندما تبرد. على النقيض من ذلك ، تبدأ عملية اندماج طبقة المسحوق المعدني (المرجع 1) ، كما يوحي اسمها ، بمعدن مسحوق يتم صهره بعد ذلك عن طريق الحرارة المطبقة وإعادة التصلب عندما يبرد. يمكن رؤية الجزء الذي تم إنتاجه عبر عملية دمج طبقة المسحوق المعدني في الشكل 3.
كيف تؤثر الحرارة والرطوبة على انصهار طبقة المسحوق المعدني
يقول هولواي: “لقد تم فهم الفرص المتاحة في السوق لأساليب AM منذ فترة طويلة ، ولكن كانت هناك العديد من العقبات التي تحول دون تبنيها على نطاق واسع”. “يمكن التغلب على بعض هذه العقبات أثناء مرحلة تصميم المنتجات ومرافق التصنيع باستخدام الحاسب الآلي. يجب معالجة القضايا الأخرى ، مثل تأثير الظروف البيئية على إنتاج المواد الصغرى ، أثناء تشغيل المرفق “.
الشكل 4. لقطة مقرّبة مجهرية لحبيبات المعادن المسحوقة ، كما تُستخدم لدمج طبقة المسحوق.
على سبيل المثال ، يعد الحفاظ على التحكم الدقيق في الحرارة والرطوبة مهمة أساسية لفريق الدراما. يقول هولواي: “المسحوق المعدني المستخدم في عملية صهر طبقة المسحوق (الشكل 4) شديد الحساسية للظروف الخارجية”. هذا يعني أنه يمكن أن يبدأ في التأكسد والتقاط الرطوبة المحيطة حتى أثناء وجوده في التخزين ، وستستمر هذه العمليات أثناء تحركها عبر المنشأة. سيغير التعرض للحرارة والرطوبة كيفية تدفقها ، وكيف تذوب ، وكيف تلتقط شحنة كهربائية ، وكيف تتصلب ، “كما يقول. “كل هذه العوامل يمكن أن تؤثر على الجودة الناتجة للأجزاء التي تنتجها.”
إن التعامل بإهمال مع مسحوق المعدن ليس مجرد تهديد لجودة المنتج. يمكن أن يهدد صحة وسلامة العمال أيضًا. يقول هولواي: “مسحوق المعدن المستخدم في عمليات AM قابل للاشتعال وسام ، وعندما يجف ، يصبح أكثر قابلية للاشتعال”. “نحن بحاجة إلى قياس وإدارة مستويات الرطوبة بشكل مستمر ، وكذلك كيفية انتشار المسحوق السائب في جميع أنحاء المنشأة.”
للحفاظ على الظروف الجوية المناسبة ، يمكن للشركة المصنعة زيادة تهوية مصنعها بنظام كامل للتحكم في المناخ ، ولكن هذا قد يكون باهظ التكلفة. وقدرت الهيئة الوطنية للآثار والمتاحف أنها ستكلف ما يقرب من نصف مليون جنيه إسترليني لإضافة التحكم في المناخ إلى منشأتها المتواضعة نسبيًا. ولكن ماذا لو تمكنوا من إدارة الحرارة والرطوبة بشكل مناسب بدون مضيفا مثل هذا النظام المعقد؟
إدارة العمليات المتجاوبة مع نمذجة Multiphysics
ربما يمكن أن يوفر استخدام محاكاة الفيزياء المتعددة لإدارة عملية دقيقة بديلاً فعالاً من حيث التكلفة. “كجزء من برنامج DRAMA ، أنشأنا نموذجًا لمنشأتنا باستخدام قدرات ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) لبرنامج COMSOL. يستخدم نموذجنا (الشكل 5) طريقة العناصر المحدودة لحل المعادلات التفاضلية الجزئية التي تصف انتقال الحرارة وتدفق السوائل عبر المجال الجوي في منشأتنا “، كما يقول هولواي. مكننا ذلك من دراسة كيفية تأثر الظروف البيئية بمتغيرات متعددة ، من الطقس في الخارج ، إلى عدد الآلات العاملة ، إلى طريقة وضع الآلات داخل المحل. ويوضح أن النموذج الذي يراعي هذه المتغيرات يساعد موظفي المصنع على ضبط جداول التهوية والإنتاج لتحسين الظروف “.
تطبيق محاكاة يمكّن موظفي المصنع
جعل فريق DRAMA نموذجهم أكثر سهولة من خلال إنشاء تطبيق محاكاة له باستخدام Application Builder في COMSOL Multiphysics (الشكل 6). يوضح هولواي: “نحاول تقديم نتائج بعض الحسابات المعقدة جدًا بطريقة سهلة الفهم”. “من خلال إنشاء تطبيق من نموذجنا ، يمكننا تمكين الموظفين لتشغيل عمليات محاكاة تنبؤية على أجهزة الكمبيوتر المحمولة أثناء نوبات عملهم اليومية.”
يمكن لمستخدم التطبيق تحديد شروط الحدود ذات الصلة لبداية تغيير المصنع ثم إجراء تعديلات مستمرة. على مدار التحول ، ستتقلب مستويات الحرارة والرطوبة حتمًا. ربما يتعين على موظفي المصنع تغيير جدول الإنتاج للحفاظ على جودة الأجزاء ، أو ربما يحتاجون فقط إلى فتح الأبواب والنوافذ لتحسين التهوية. يمكن للمستخدمين تغيير الإعدادات في التطبيق لاختبار التأثيرات المحتملة لإجراءات مثل هذه. على سبيل المثال ، يعرض الشكل 8 مخططات سطح متساوية الحرارة توضح تأثير فتح غرف بناء آلات AM على درجة حرارة الهواء ، بينما يوضح الشكل 9 كيفية تأثر تدفق الهواء بفتح أبواب المنشأة.
خطوة نحو “توأم رقمي على مستوى المصنع”
على الرغم من أن التطبيق الحالي يعد خطوة مهمة إلى الأمام ، إلا أنه لا يزال يتطلب من العاملين إدخال البيانات ذات الصلة يدويًا. بالنظر إلى المستقبل ، يتصور فريق DRAMA شيئًا أكثر تكاملاً ، وبالتالي أكثر قوة: “توأم رقمي” لمنشأة AM الخاصة به. التوأم الرقمي ، كما وصفه Ed Fontes في منشور عام 2019 على مدونة COMSOL (المرجع 2) ، هو “تمثيل ديناميكي يتم تحديثه باستمرار لمنتج مادي حقيقي أو جهاز أو عملية.” من المهم ملاحظة أنه حتى النموذج الأكثر تفصيلاً لأي نظام ليس بالضرورة التوأم الرقمي الخاص به.
يوضح هولواي: “لجعل نموذج بيئة المصنع لدينا توأمًا رقميًا ، سنوفر له أولاً بيانات حية مستمرة من المصنع الفعلي”. “بمجرد تشغيل نموذج المصنع في الخلفية ، يمكنه تعديل توقعاته استجابةً لموجز البيانات واقتراح إجراءات محددة بناءً على تلك التوقعات.”
“نريد دمج نموذجنا التنبئي في حلقة تغذية مرتدة تتضمن المصنع الفعلي وموظفيه. الهدف هو الحصول على نظام شامل يستجيب لظروف المصنع الحالية ، ويستخدم المحاكاة لعمل تنبؤات حول الظروف المستقبلية ، ويقوم بسلاسة بإجراء تعديلات ذاتية التحسين بناءً على تلك التنبؤات “، كما يقول هولواي. “ثم يمكننا القول حقًا أننا بنينا توأمًا رقميًا لمصنعنا.”
المحاكاة في العمل في أرض المصنع
كخطوة وسيطة نحو بناء توأم رقمي كامل على مستوى المصنع ، أثبت تطبيق محاكاة DRAMA بالفعل قيمته. يقول هولواي: “قد يرى شركاؤنا في التصنيع بالفعل كيف يمكن أن تساعد النمذجة في التخطيط لمنشأة AM ، لكنهم لا يفهمون حقًا كيف يمكن أن تساعد في التشغيل”. “نحن نظهر قيمة تمكين عامل الخط من فتح التطبيق ، وإدخال بضع قراءات أو استيراد بيانات المستشعر ، ثم الحصول بسرعة على تنبؤ ذي مغزى عن كيفية تصرف مجموعة من المسحوق في ذلك اليوم.”
بالإضافة إلى الرؤى العملية للمصنعين ، قد يقدم المشروع ككل درسًا أوسع أيضًا: من خلال إقران خط إنتاجه بنموذج محاكاة ديناميكي ، جعل مشروع DRAMA العملية بأكملها أكثر أمانًا وإنتاجية وفعالية. حقق فريق DRAMA هذا من خلال نشر النموذج حيث يمكنه تحقيق أفضل النتائج – في أيدي الأشخاص الذين يعملون في أرض المصنع.
