كيف تحقق عمليات التصنيع خفة الوزن في السيارات

إن تحقيق خفة وزن السيارات أمر حيوي لتعزيز الاقتصاد في استهلاك الوقود في السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي وتوسيع نطاق السيارات الكهربائية (EVs). يمكن أن يؤدي تقليل وزن السيارة بمقدار 10% إلى تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود بمقدار 6-8%، فضلاً عن خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ^[1]. ويعني انخفاض استخدام الوقود أيضاً انخفاض الانبعاثات، وهو أمر رائع للاستدامة البيئية.

بالإضافة إلى تحسينات الاقتصاد في استهلاك الوقود والمدى، يمكن أن يؤدي جعل السيارات خفيفة الوزن إلى تحسين الأداء بشكل كبير، بما في ذلك الكبح والتحكم والتسارع. كما أن التصنيع خفيف الوزن يقلل من الضغط على نظام التعليق والمكابح والإطارات، مما يقلل من التآكل والتلف. والنتيجة على المدى الطويل هي أن هذه الأجزاء ستدوم لفترة أطول وتحتاج إلى صيانة أقل.

إذاً، كيف يمكن للمصنعين جعل قطع غيار السيارات أخف وزناً؟ هل يمكن تحقيق ذلك ببساطة عن طريق استبدال المواد التقليدية ببدائل خفيفة الوزن، أم أن هذا الهدف يتطلب إعادة التفكير في كيفية تصميم قطع غيار السيارات؟

دحض “أسطورة المبتدئين” في التصنيع خفيف الوزن

هناك الكثير من المفاهيم الخاطئة المرتبطة بصناعة قطع غيار السيارات خفيفة الوزن. تقول إحدى المدارس الفكرية إنه يمكن تحقيق الوزن الخفيف من خلال اختيار المواد. بمعنى آخر، يمكن جعل السيارة أخف وزناً ببساطة عن طريق التحول إلى مواد أخف وزناً.

وبناءً على هذا المفهوم الخاطئ، فإنهم ينظرون إلى عمليات التصنيع مثل قولبة حقن السيارات بالحقن, الأدواتو التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي على أنها مجرد لعب دور “العمال” الذين يتبعون مخططًا محددًا. أما المدرسة الفكرية الثانية فهي أن استخدام مواد أخف وزناً يضر بالسلامة. ولا صحة لأي من هاتين المدرستين الفكريتين بشأن تصنيع المركبات الخفيفة الوزن.

في الواقع، لقد ثبت أن المركبات الحديثة توفر قدرة أفضل على الصمود أمام التصادم ^[2]. فهي أكثر فعالية في امتصاص طاقة الصدمات مقارنةً بالمعادن المستخدمة في السيارات التقليدية.

تصنيع السيارات خفيفة الوزن باستخدام قولبة الحقن في قوالب حقن السيارات

لا شك أن اختيار المواد يلعب دورًا مهمًا في تخفيف الوزن. ومع ذلك، يمكن تحقيق القوة والشكل الأمثل تقريبًا دون زيادة الوزن من خلال تحسين التصميم وممارسات التصنيع المبتكرة على النحو التالي:

1. تفريغ المقاطع لقطع استخدام المواد

يمكن إنشاء الأجزاء الضخمة بحيث تحتوي على أجزاء داخلية مجوفة. يتحقق هذا الفراغ عادةً من خلال القولبة بالحقن بمساعدة الغاز أو الرغوة. على سبيل المثال، في الرغوة الفيزيائية، يتم حقن غاز النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون في البلاستيك المنصهر. يتسبب الغاز في تمدد البلاستيك المنصهر في القالب. يحبس البلاستيك المنصهر فقاعات الغاز، مما يخلق بنية داخلية مسامية تشبه الرغوة.

وغالبًا ما تستخدم الرغوة الكيميائية أيضًا، وتنطوي على إضافة عامل نفخ كيميائي (CBA) مثل الأزوديكاربوناميد (ADC) وبيكربونات الصوديوم أو حمض الستريك، إلى الراتنج. عند التسخين، تتحلل مادة CBA وتطلق غازًا لإحداث نفس التأثير الذي يحدث في الرغوة الفيزيائية. ينتج عن الرغوة قشرة خارجية صلبة وقلب يشبه الرغوة. وهذا يقلل من استخدام المواد ويساعد على إبقاء المنتج خفيف الوزن، دون الإضرار بثبات الأبعاد.

2. استخدام الأضلاع لاستكمال الهياكل رقيقة الجدران

من الممارسات المهمة الأخرى في مجال تصنيع السيارات خفيفة الوزن استخدام تقنيات التصنيع المتقدمة (مثل القولبة بالحقن رقيقة الجدران والتشكيل بالتفريغ) لإنشاء أجزاء ذات جدران أرق (سمك أقل من 1 مم)، مع الحفاظ على السلامة الهيكلية للجزء.

تستخدم تقنية القولبة بالحقن هذه ضغطًا عاليًا وسرعات عالية (>1000 مم/ثانية) وماكينات متطورة لضمان ملء التجاويف الرقيقة بشكل صحيح. عادةً ما يتم دعم الجدران الرقيقة باستخدام الأضلاع والمجمعات لتوفير الصلابة والقوة حيثما كانت هذه الخصائص مطلوبة. يمكن للأضلاع أيضًا أن تمنع العيوب مثل علامات الحوض.

3. توحيد الأجزاء المتعددة

عندما يتكون جزء السيارات من مكونات متعددة، يجب لحام أو تثبيت كل مكون من المكونات المختلفة معًا. يضيف عامل اللحام أو التثبيت في النهاية إلى وزن الجزء النهائي. في التصنيع خفيف الوزن، يتم إعادة تصميم الأجزاء المعقدة للغاية لتسهيل إنتاجها باستخدام عملية قولبة حقن واحدة.

إن دمج أجزاء متعددة في وحدة واحدة مصبوبة يلغي الحاجة إلى مثبتات ثانوية، مثل المسامير والبراغي، مما يقلل من وزن الجزء. ومع ذلك، فإن القوالب لصنع تصاميم ملائمة سريعة التركيب التي لا تتطلب مثبتات إضافية أثناء التجميع قد تحتاج إلى إضافة الرافعات أو المتزلجون, والتي من المحتمل أن تزيد من تكلفتها. وتشمل الفوائد الأخرى لتوحيد قطع الغيار بالنسبة للسيارات الخفيفة الوزن ما يلي:

• إن إنشاء هياكل بجزء واحد متصل عادةً ما يكون له سلامة هيكلية أعلى مقارنةً بالقطع المتعددة المتصلة ببعضها البعض، مما قد يؤدي إلى ظهور نقاط ضعف عند الوصلات.
• يسمح الدمج للمصنعين بتصنيع المزيد من القطع باستخدام عمالة أقل وبتكلفة أقل.

قد تكون مهتمًا أيضًا بـ “الفرق بين تصنيع قطع غيار السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية“.

صناعة السيارات خفيفة الوزن باستخدام التصنيع باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي

يُعد التصنيع الآلي بالتحكم العددي بالكمبيوتر، أو التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، أحد أساليب التصنيع الطرحي الشائعة. في عملية التصنيع هذه، يتحكم برنامج مبرمج مسبقًا في أداة ماكينة لقطع كتلة من المواد (الخشب أو البلاستيك أو المعدن) بدقة إلى الجزء أو المنتج المطلوب.

إن المستوى العالي من الدقة لأداة التصنيع الآلي يجعل هذه التقنية مفيدة لإنشاء تصميمات معقدة. كما أن المستوى العالي من الأتمتة يزيل الأخطاء والتدخلات البشرية، مما يساعد المصنعين على توفير تكاليف العمالة. تشمل مكونات السيارات خفيفة الوزن الشائعة التي يتم إنشاؤها باستخدام هذه التقنية ما يلي:

• مكونات محرك السيارة الكهربائية وأنظمة التبريد
• الهيكل ونظام التعليق، بما في ذلك أذرع التحكم والأقواس
• أجزاء من المحرك، بما في ذلك كتلة المحرك، والمكبس، ورؤوس الأسطوانات، وأعمدة الكرنك

أحد أسباب أهمية التصنيع الآلي باستخدام ماكينة بنظام التحكم الرقمي في التصنيع خفيف الوزن هو تعدد استخدامات المواد. حيث يمكن استخدامها لصنع أجزاء من مواد مختلفة، بما في ذلك الألومنيوم وألياف الكربون وسبائك التيتانيوم والمغنيسيوم واللدائن المتخصصة الأخرى. وغالبًا ما يتم اختيار هذه المواد لنسبة قوتها إلى وزنها.

من الضروري الحفاظ على دقة عالية الأبعاد عند إنشاء مكونات خفيفة الوزن محسّنة. يمكن أن يؤدي عدم الدقة في الأبعاد إلى الإضرار بالأداء أو الوظيفة أو السلامة الهيكلية للمنتج أو الجزء. يمكن للتصنيع الآلي الحديث متعدد المحاور باستخدام الحاسب الآلي، مثل الماكينات خماسية المحاور، إنشاء أجزاء معقدة متعددة الأبعاد. تشمل التعديلات المتقدمة في تصميم التصنيع خفيف الوزن التي يمكن تحقيقها باستخدام الماكينات بنظام التحكم الرقمي ما يلي:

• قنوات معقدة مجوفة أو داخلية: في تصميم الأجزاء المجوّفة من أجزاء السيارات مثل مكونات المحرك وألواح التبريد، يتم استخدام التصنيع باستخدام الحاسب الآلي لإزالة المواد من المكونات الداخلية بدقة بطريقة يستحيل عملياً تحقيقها يدوياً. ولإنشاء أجزاء خفيفة الوزن للسيارات، يمكن استخدام هذه التقنية لتفريغ الأجزاء التي لا تحتاج إلى قوة، وبالتالي تقليل وزن الجزء.
• إنشاء أجزاء ذات تفاوتات ضيقة: يمكن استخدام التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي لتحقيق مستوى عالٍ من الدقة (حوالي ± 0.01 مم) والدقة والاتساق. ويضمن هذا المستوى المتزايد من الدقة أن يكون كل جزء مناسبًا تمامًا، مما يمكن أن يزيد من السلامة باستخدام أقل سماكة ممكنة للمواد.

تعمل الدقة العالية للتشغيل الآلي باستخدام الحاسب الآلي على تحسين الإنتاج بطريقة تقلل من هدر المواد مقارنة بالطرق التقليدية الأخرى. وهذا مفيد بشكل خاص لتصنيع السيارات خفيفة الوزن باستخدام مواد عالية الأداء وباهظة الثمن.

السيارات خفيفة الوزن باستخدام التصنيع الهجين

التصنيع الهجين هو مصطلح يصف الجمع بين تقنيات التصنيع المختلفة لإنشاء أجزاء خفيفة الوزن. على سبيل المثال، يقترن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي (عملية تصنيع طَرْح) مع الطباعة ثلاثية الأبعاد (وهي عملية تصنيع مضافة) لإنشاء أجزاء معقدة وخفيفة الوزن ذات تفاوتات ضيقة يصعب تحقيقها باستخدام أي من الطريقتين.

التصنيع الهجين باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي

يستفيد التصنيع الهجين من نقاط القوة التكميلية للتقنيات الفردية في كفاءة المواد والتصميم والتشطيب. يجمع التصنيع الهجين الشائع خفيف الوزن بين قوى الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي.

تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء أشكال هندسية داخلية معقدة للغاية مثل القنوات المجوفة أو المشابك. ويطلق التصنيع الهجين العنان لمستوى من حرية التصميم لا مثيل له بالطرق الأخرى. تكمن أعظم نقاط قوة عملية التصنيع المضافة هذه في إنشاء هذه الأنواع من الأشكال الهندسية الداخلية المعقدة دون المساس بالسلامة الهيكلية. ومع ذلك، فإن أداءها ضعيف في التحمل والتشطيب.

ولذلك، بعد طباعة الجزء المجوف ثلاثي الأبعاد باستخدام مادة خفيفة الوزن، يتم استخدام التصنيع باستخدام الحاسب الآلي في مرحلة ما بعد المعالجة لتحقيق التفاوت المطلوب والدقة المتناهية (± 0.002 مم) في الهيكل الداخلي وتشطيب سطح أملس من الخارج (Ra0.4 ميكرومتر). تشمل المزايا الأخرى لاستخدام عملية التصنيع الهجين خفيف الوزن التي تتضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي ما يلي:

• تقليل أكبر في النفايات المادية: تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد أولاً لإنشاء الشكل المجوّف، ولا يتعيّن على التصنيع باستخدام الحاسب الآلي سوى إزالة الحد الأدنى من المواد، مما يقلل من النفايات والتكاليف.
• دورات إنتاج أسرع: نظرًا لإمكانية أتمتة الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي، فإن الجمع بين الاثنين يقضي على الحركة اليدوية للأجزاء، مما قد يؤدي إلى إبطاء عملية التصنيع.
• تبسيط عملية الإنتاج: يقوم برنامج متكامل بإدارة كلتا العمليتين، مما يساعد على التخلص من أوجه القصور والأخطاء.

التصنيع الهجين خفيف الوزن باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والقولبة بالحقن

غالبًا ما يتم الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والقولبة بالحقن، خاصة في عملية Voxelfill ^[3]. تم تطوير العملية وتسجيل براءة اختراعها بواسطة AIM3D. وتستخدم عملية Voxelfill عملية تصنيع من خطوتين للتغلب على الضعف المرتبط بالمحور Z للأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد طبقة تلو الأخرى على النحو التالي:

• الخطوة الأولى هي إنشاء الهيكل الشبكي باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد: الهيكل الذي يشبه قرص العسل مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام نظام نمذجة البثق المركب.
• الخطوة الثانية هي ملء الشبكة أو ملء فوكسل: يستخدم جهاز بثق لحقن مادة لدائن حرارية في التجاويف الداخلية للشبكة. يمكن أن تكون مادة الحشو من الرغاوي وتهدف إلى زيادة الصلابة والقوة دون زيادة الوزن.

يتمحور مستقبل التصنيع خفيف الوزن حول التصميم متعدد المواد (MMD). فبدلاً من الاستبدال الشامل للمواد، يضع التصميم متعدد المواد بشكل استراتيجي أفضل المواد لمتطلبات محددة في المكان المناسب. على سبيل المثال، يمكن استخدام الفولاذ عالي الصلابة في المناطق التي تتطلب صلابة عالية في التصادم، بينما يتم استخدام الألومنيوم في الألواح الخارجية حيث تكون الأولوية لتخفيض الوزن.

المراجع

[1] وزارة الطاقة الأمريكية. (n.d.). مواد خفيفة الوزن للسيارات والشاحنات. مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] جامعة تينيسي نوكسفيل. (2023، 27 فبراير). طالب دكتوراه يختبر مدى صلاحية المركبات للتصادم بعمق غير مسبوق. قسم الهندسة المدنية والبيئية. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] موقع Engineering.com. (2022، 24 أكتوبر/تشرين الأول). ما هي عملية Voxelfill؟ كوم الهندسية. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/