مواد التصنيع باستخدام الحاسوب: الدليل الأمثل للاختيار

المواد البلاستيكية المستخدمة في التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)

بفضل خفة وزنها وخصائصها العازلة، فضلاً عن قدرتها على مقاومة البيئات الكيميائية المسببة للتآكل، يُعد البلاستيك خيارًا مناسبًا في كثير من الأحيان. وهو شائع الاستخدام، على سبيل المثال، في الأجهزة الطبية والإلكترونية، سواءً في مرحلة تصميم النماذج الأولية أو في الإنتاج النهائي للأجهزة.

• ABS (أكريلونيتريل بوتادين ستايرين): يُعدّ ABS أحد أكثر أنواع البلاستيك الهندسي شيوعًا. فهو رخيص الثمن، وسهل التشكيل، ومقاوم للصدمات؛ وهذا أحد الأسباب العديدة التي تجعل النماذج الأولية السريعة شائعة في عالم الهندسة.
• نايلون (بولي أميد): يُعرف النايلون بقوته ومتانته ومقاومته العالية للتآكل، مما يجعله مرغوبًا بشدة في صناعة مكونات ذات احتكاك منخفض. مع ذلك، ونظرًا لقدرته العالية على امتصاص الرطوبة، فإن الرطوبة الموجودة في الهواء قد تؤثر عليه وتتسبب في تشوهه.
• ديلرين (بوم): يُعدّ الديلرين خيارًا مثاليًا لتطبيقات الهندسة الدقيقة البلاستيكية نظرًا لثبات أبعاده العالي وانخفاض احتكاكه. كما أنه بديل شائع للمعادن في صناعة الأجزاء الهندسية مثل المثبتات والبطانات.
• نظرة خاطفة (بولي إيثيركيتون): بالنسبة للتطبيقات عالية الأداء للغاية التي تحتاج إلى مقاومة درجات الحرارة القصوى والبيئات المسببة للتآكل الكيميائي والظروف الصعبة للغاية (على سبيل المثال، الصناعات الطبية والفضاء) يتم استخدام بلاستيك عالي السعر يُعرف باسم PEEK.
• البولي (الكمبيوتر): البولي كربونات هو أيضاً نوع من البلاستيك الهندسي المرغوب فيه للغاية. فهو شفاف، ومعروف بمقاومته العالية للصدمات، ويُستخدم غالباً في مجموعة واسعة من التطبيقات البصرية، كما يُستخدم أيضاً في نظارات السلامة والأنظمة التي تتعامل مع مختلف السوائل.

خصائص المواد وتأثيرها على التصنيع باستخدام الحاسب الآلي

عند استخدام آلات CNC، فإن معرفة الخصائص الأساسية للمواد ستساعد في التنبؤ بكيفية أداء المواد تحت أداة القطع.

عسر الماء

تشير الصلابة إلى مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة دون أن تتشوه.

• التأثير: إذا كانت المادة صلبة للغاية (مثل الفولاذ المقوى والتيتانيوم)، فسيتعين خفض سرعات القطع بشكل كبير لتجنب كسر الأداة، مما يؤدي بدوره إلى زيادة وقت التشغيل وتكاليفه.
• نصيحة للاختيار: حدد مستوى صلابة أعلى فقط إذا كانت المادة ستتعرض للكثير من التآكل أو الاحتكاك.

التشغيل في الماكينات

قابلية التشغيل هي سهولة قطع مادة معينة. في أغلب الأحيان، يكون هذا تصنيفًا مقارنًا، حيث تُمنح الفولاذات سهلة التشغيل (1212) تصنيفًا بنسبة 100%.

• التأثير: المواد ذات تصنيف قابلية التشغيل العالية (مثل الألومنيوم 6061، والنحاس الأصفر) تنجز المهمة بشكل أسرع بكثير، مع تآكل أقل للأدوات، وستكون أرخص في الإنتاج.
• نصيحة للاختيار: إذا كان تصميمك يسمح بذلك، فاستخدم دائمًا مواد ذات تصنيفات أعلى لتقليل التكاليف.

الاستقرار الحراري

الاستقرار الحراري للمادة هو رد فعلها للحرارة.

• التأثير: تولد عمليات التشغيل الآلي حرارة احتكاكية. إذا كان البلاستيك ذو استقرار حراري منخفض، فقد ينصهر أو يتشوه إذا تم تشغيله بقوة مفرطة. المعادن ذات الموصلية الحرارية الضعيفة، مثل التيتانيوم، ستركز الكثير من الحرارة على أداة القطع، مما يقلل من عمرها الافتراضي.
• نصيحة للاختيار: إذا كان سيتم إجراء عمليات التشغيل الآلي بشكل مكثف، أو إذا كان التطبيق يتطلب درجة حرارة عالية، فيجب اختيار المواد ذات الثبات الحراري العالي.

قوة الشد

تشير قوة الشد إلى مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة أثناء تعرضها للشد قبل أن تنكسر.

• التأثير: إذا تم اختيار مادة ذات قوة شد عالية للتصنيع، فمن المرجح أن يجعل ذلك عملية التصنيع أكثر صعوبة.
• نصيحة للاختيار: تأكد من أن قوة الشد كافية للهيكل، ولكن تجنب تحديد قوة أكثر من كافية إذا لم يكن المكون حاملاً للأحمال.

الآثار المترتبة على تكلفة مواد التصنيع المختلفة

نادراً ما تقتصر تكلفة القطعة المصنعة باستخدام آلات CNC على تكلفة كتلة المعدن الخام فقط، بل هي مزيج من تكاليف المواد الخام، ووقت التصنيع، وتآكل الأدوات.

تكلفة المواد الخام

هذا هو الاعتبار الأكثر وضوحاً.

• تكلفة منخفضة: ABS، ألومنيوم 6061، فولاذ طري.
• متوسط ​​التكلفة: الفولاذ المقاوم للصدأ 304، النايلون، البولي كربونات.
• التكلفة العالية: التيتانيوم، وPEEK، والفولاذ المقاوم للصدأ 316.

التكلفة الخفية: قابلية التشغيل الآلي

هنا غالبًا ما تتجاوز الميزانيات حدودها. قد يكلف قالب التيتانيوم خمسة أضعاف قالب الألومنيوم، لكن التكلفة الحقيقية تكمن في وقت تشغيل الآلة. ولأن قطع التيتانيوم يتطلب قطعًا بطيئًا لتجنب إتلاف المعدات، فقد تعمل الآلة لمدة عشر ساعات لإنتاج قطعة لا تستغرق سوى ساعة واحدة من الألومنيوم.

إذا كنت تدفع أجرًا بالساعة مقابل أعمال التشغيل الآلي، فإن هذه الزيادة بمقدار 10 أضعاف في الوقت تفوق تكلفة المواد الخام بكثير.

تآكل الأداة واستبدالها

تتسبب المواد الكاشطة، مثل النايلون المقوى بالألياف الزجاجية أو المعادن الصلبة، في تآكل رؤوس الطحن وريش الحفر بسرعة. إذا اضطر فني التشغيل إلى إيقاف الماكينة لاستبدال أداة تالفة في منتصف العمل، فإنك تتحمل تكلفة هذا التوقف وتكلفة الأدوات الجديدة.

نصائح لتحسين اختيار المواد لتصنيع CNC

يمكنك تقليل التكاليف والأوقات الزمنية باتباع استراتيجيات التحسين هذه خلال مرحلة التصميم.

1.لا تبالغ في التحديد

لا يعني كون التيتانيوم من الدرجة الخامسة هو "أفضل" مادة للاستخدام في التصميم أنه يجب استخدامه بالضرورة. يجب على المهندسين استخدام المواد الأكثر فعالية من حيث التكلفة. إذا كان الجزء سيُوضع على مكتب، ووظيفته الأساسية هي تثبيت مستشعر، فلا حاجة إلى نسخة باهظة الثمن من الفولاذ عالي الجودة.

2.قم بتوحيد أحجام قطعك المعدنية

عند تصنيع مكونات CNC، يحصل الفنيون على المواد الخام بأحجام مختلفة، كالقضبان والصفائح. فإذا كان التصميم ينص على أن عرض القطعة 51 مم، يحتاج الفني إلى قضيب بطول 60 مم ويزيل منه 9 مم. أما إذا كان عرض القطعة 49 مم، فيمكنه استخدام قضيب بطول 50 مم دون هدر أي مادة، مما يقلل وقت التصنيع.

3.فكّر في مرحلة ما بعد المعالجة

إذا كانت هناك حاجة إلى صلابة سطحية محددة، وكان من الضروري أن يكون الجزء سهل التشغيل، فيجب تطبيق عمليات ثانوية. يمكن استخدام أنواع الفولاذ الأقل صلابة في عملية التصليد السطحي، وينطبق الأمر نفسه على الألومنيوم الذي يمكن استخدامه وتأكسيده للحصول على طبقة سطحية أكثر مقاومة للتآكل والصدأ.

4.ضع في اعتبارك سمك جدرانك

مع أن هذا ينطبق على جميع المواد الأخرى، إلا أنه أكثر أهمية عند التعامل مع البلاستيك. قد تُنتج عمليات التصنيع أسطحًا غير متساوية، وقد تُسبب، بشكل أخطر، تشققات في قطعة العمل إذا كان سمك الجدار رقيقًا. لذا، يُنصح بزيادة سمك الجدار والتأكد من كفايته لتحمّل تأثير أداة القطع.

الخاتمة

نادراً ما يكون اختيار المادة المناسبة للتصنيع باستخدام الحاسوب قراراً بسيطاً. بل هو عملية موازنة بين المتطلبات الفيزيائية للمنتج النهائي والواقع الاقتصادي للتصنيع. من خلال فهم المفاضلات بين قابلية التصنيع والتكلفة والخصائص الميكانيكية، يمكنك تصميم أجزاء ليست وظيفية فحسب، بل فعالة أيضاً في الإنتاج.

سواءً كنت تميل إلى تعدد استخدامات الألومنيوم، أو متانة الفولاذ، أو دقة مادة الديلرين، فإن المفتاح هو إشراك شريكك في التصنيع مبكراً في عملية التصميم. فخبرته العملية في موقع الإنتاج تُتيح رؤى قيّمة تُوفّر الوقت والمال قبل البدء في تصنيع أي قطعة.