هل يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية تقليل نفايات المواد الخام؟

一 ، مشكلة إهدار المواد في التصنيع التقليدي
نموذج "التصنيع الطبق" هو ​​ما يستخدمه معالجة المعادن التقليدية. هذا يعني أن النفايات المادية تمر عبر سلسلة الإنتاج بأكملها. على سبيل المثال ، أثناء صنع كتل أسطوانة محرك السيارات ، يحتاج صب الرمل التقليدي إلى سائل معدني يزيد وزنه عن ثلاثة أضعاف وزن التصميم. سيتم إجراء الكثير من الرقائق المعدنية أثناء إجراء القطع التالي. تشير الإحصاءات إلى أن إجراءات القطع في الصناعة الصناعية في جميع أنحاء العالم تخلق أكثر من 200 مليون طن من النفايات المعدنية كل عام. في الصين وحدها ، تضيع حوالي 30 مليون طن من الموارد المعدنية كل عام أثناء المعالجة.
مشكلة النفايات المادية شائعة بشكل خاص في مجال تصنيع المكون الدقيق. عندما تستخدم شركة مكونات طيران معينة خمسة - تصنيع رابط المحور لصنع شفرات سبيكة التيتانيوم ، يتم استخدام أقل من 25 ٪ من المواد في كل منتج ، ويتم إهدار 75 ٪ الأخرى كرقائق. تستخدم هذه الطريقة في صنع الأشياء الكثير من الطاقة ويجعل الكثير من الانبعاثات ، والتي تختلف تمامًا عن هدف حياد الكربون في جميع أنحاء العالم.
2 ، الطريقة الدقيقة التي يعمل بها الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد
1. التكنولوجيا للترسبات ذات الطبقات الرقمية
يتم استخدام تقنية ذوبان الانصهار الانتقائي للليزر (SLM) أو ذوبان شعاع الإلكترون (EBM) في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد لقطع النموذج ثلاثي الأبعاد إلى طبقات رقيقة من 20-100 ميكرون وتذوب طبقة مسحوق المعادن حسب الطبقة. تتيح عملية بناء "من نقطة الصفر" هذه المواد فقط للاستقرار حيث يحتاجون إليها. جعلت تكنولوجيا البلاتين شريط حافة الجناح المركزية لسبائك التيتانيوم لطائرة C919. إنه أخف بنسبة 40 ٪ لأنه لتصميم تحسين الطوبولوجيا ، ويستخدم 92 ٪ من المواد ، وهو أفضل بكثير من عملية التزوير النموذجية 65 ٪.
2. نظام للمسحوق المتداول في حلقة مغلقة
تحتوي آلات الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد الحديثة على أجهزة إعادة تدوير مسحوق ذكي مدمجة ، ويمكن استخدام المسحوق الذي لا يذوب مرة أخرى بعد فحصه. من خلال نظام إدارة مسحوق الحلقة مغلق- ، رفعت GE Aviation معدل إعادة تدوير المواد إلى 95 ٪ لصنع فوهات الوقود لمحركات القفزات. هذا يقطع مسحوق الاستخدام بنسبة 80 ٪ مقارنة بالطرق القديمة. من خلال تحسين خصائص توزيع المسحوق ، يمكن لشركة الأجهزة الطبية خفض كمية المسحوق اللازمة لصنع زرع تقويم العظام من 1.2 كجم إلى 0.3 كجم.
3. هيكل مع الثقوب وتصميم شعرية
تتغلب الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد على مشاكل الإنشاءات الصلبة التقليدية ويمكن أن تصنع مباني خفيفة الوزن مع التصميمات الداخلية المجوفة. تستخدم طائرة Airbus A350XWB قوسًا من سبيكة التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، والذي يوفر الوزن بنسبة 30 ٪ مع الحفاظ على القوة من خلال تصميم مصفوفة النقطة الحيوية ، مما يوفر أكثر من 2 مليون دولار في نفقات الوقود لكل طائرة كل عام. يمكن أن تقترب مسامية كؤوس سبيكة التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد. هذا يعني أنه يتم استخدام مواد أقل ويمكن أن تتطور خلايا العظام بشكل أسرع.
3 ، التطورات التكنولوجية التي أدت إلى ثورة المواد
1. التكنولوجيا للطباعة بمواد متعددة
أحدث تقنية ترسب الليزر (LMD) يمكن أن تطبع سبائك التيتانيوم والألومنيوم في نمط التدرج. تستخدم شركة Aerospace واحدة هذه التكنولوجيا لصنع خزانات وقود الصواريخ. هذا يوفر 45 ٪ على أسعار المواد مع التأكد من أن الخزانات يمكنها التعامل مع درجات حرارة عالية. تتيح هذه القدرة على دمج أنواع مختلفة من المواد للمصممين تعيين الموارد على وجه التحديد بناءً على مقدار الضغط الذي سيتخذه كل جزء ، مما يوقف نفايات المواد الناجمة عن "التصميم المفرط" في التقنيات التقليدية.
2. تصميم بمساعدة من الذكاء الاصطناعي
يمكن لمجلة NX AM الخاصة بـ Siemens Industrial Software إنشاء أفضل بنية طوبولوجيا. استخدمت التكنولوجيا التصميم التوليدي لخفض استخدام المواد بنسبة 60 ٪ وتعزيز كفاءة تبديد الحرارة بنسبة 25 ٪ عند تصميم السكن الحركي لشركة مركبات للطاقة الجديدة. تقوم طريقة التصميم المستندة إلى الخوارزمية - بتغيير طريقة تفكير الشركات المصنعة في كيفية الحصول على أداء أفضل مع مواد أقل.
3. إعادة استخدام المعادن الخردة وإعادة التدوير
قامت الأعمال السويدية H ö Gan ä S بتقنية Atomise ، والتي يمكن أن تحول رقائق المعادن الخردة مباشرة إلى مساحيق كروية مع نطاق حجم الجسيمات يتراوح من 15 إلى 45 م. تقوم شركة مكونات السيارات معينة الآن بإعادة تدوير 2000 طن من رقائق النفايات كل عام بفضل هذه التكنولوجيا. هذا هو نفس قطع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 12000 طن. هذا النموذج "التعدين الحضري" يجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد مع المعدن جزءًا رئيسيًا من الاقتصاد الدائري.
4 ، دراسة تجريبية حول فوائد تطبيقات الصناعة
1. مجال الفضاء
باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، جمعت Rolls Royce أكثر من 2000 قطعة في 20 لمحرك Trent XWB. وقد زاد هذا من استخدام المواد من 15 ٪ إلى 85 ٪. من خلال خفض وزن محرك واحد بمقدار 300 كجم ، قد توفر شركات الطيران أكثر من 500000 دولار في السنة على الوقود.
2. صنع زراعة طبية
قام Johnson & Johnson DePuy Synthes بطباعة مفصل ورك من سبائك كروم الكوبالت الذي جعل الملاءمة بين الأطراف الاصطناعية وسرير عظم المريض أفضل بنسبة 90 ٪ من خلال التصميم الشخصي وتقليل المواد المستخدمة بنسبة 40 ٪. لا يقتصر هذا النوع من الطب الدقيق على جعل العلاجات أكثر فعالية ، ولكنه يستخدم أيضًا موارد أقل.
3. طرق جديدة لصنع القوالب
تستخدم شركة معينة تصنع الأجهزة المنزلية قوالب طباعة ثلاثية الأبعاد مع قنوات مياه التبريد المطابقة. هذا يقلل من دورة صب الحقن بنسبة 40 ٪ وتكلفة قالب واحد من 80،000 يوان إلى 30،000 يوان. هذه التكنولوجيا الجديدة تحدث ثورة في الطريقة التي تصنع بها صناعة القوالب التقليدية الأشياء التي كانت "كميات كبيرة ودورات طويلة".