فرایندهای نوین در مهندسی مواد: اکستروژن، فورج، نورد و سایر روش‌ها

علم مواد، مطالعه خواص مواد جامد و چگونگی تعیین این خواص توسط ترکیب و ساختار یک ماده به شمار می‌رود. با درک اولیه منشا خواص، مواد را می‌توان برای کاربردهای بسیار متنوعی از فولادهای ساختاری گرفته تا ریزتراشه‌های کامپیوتری انتخاب یا طراحی نمود. مهندسان مواد با بهبود فرایندهای تولید، کاهش هزینه‌ها و آثار زیست‌ محیطی و همچنین کاهش خرابی‌های مرتبط با مواد، نقش حیاتی در توسعه صنعت ایفا می‌نمایند. در این مقاله به بررسی مراحل تولید مواد، روش‌ها و انواع پردازش در مهندسی مواد می‌پردازیم.

اهمیت فرایندهای نوین در مهندسی مواد

امروزه با پیشرفت فناوری‌های مورد استفاده در مهندسی مواد که منجر به تولیدات محصولاتی مستحکم‌تر و با اتلاف کم‌تر شده است، مهندسان مواد نیز از این روش‌ها در فرایندهای مورد نظر خود به‌طور گسترده استفاده می‌کنند. از آنجایی که فرایند تبدیل مواد خام به محصولات نهایی با کیفیت بالا اساس کار مهندسان مواد است، لازم است تا آن‌ها به فرایندهایی از جمله اکستروژن، فورج و نورد تسلط کافی داشته باشند.

مراحل اصلی تولید محصولات در مهندسی مواد

4 مرحله اصلی برای تولید محصولات وجود دارد که عبارتند از: اختلاط پودر، تراکم، تف‌جوشی و تکمیل نهایی. پودر از فلز یا سرامیک تهیه می‌شود و سپس به شکل دلخواه فشرده می‌شود. بیشتر فرایندهای نوین در مهندسی مواد، پیوند بین دو قطعه ماده با استفاده از یک یا ترکیبی از سه نوع انرژی ایجاد می‌شود: حرارتی، شیمیایی یا مکانیکی. اگر به بررسی رفتار مکانیکی مواد مورد استفاده در صنایع مختلف علاقه‌مند هستید، دوره آموزش میکرومکانیک Micromechanic برای شما مناسب است.

پردازش مواد در زمینه مهندسی مواد موضوعی اصلی محسوب می‌شود و گامی مهم در تولید است. تبدیل ماده اولیه به محصول نهایی در سه مرحله انجام می‌شود:

• آماده‌سازی ماده اولیه
• عملیات فراوری
• عملیات پس از پردازش - دوره آموزش مش بندی و پیش پردازش با هایپرمش Hypermesh

خانواده‌های اصلی فلزات، سرامیک‌ها، شیشه‌ها، پلیمرها و الاستومرها را می‌توان در هندسه‌های مختلف برای ایجاد هیبرید ترکیب کرد. به طور سنتی سه دسته اصلی مواد شامل فلزات، پلیمرها و سرامیک‌ها هستند. نمونه‌هایی از این موارد عبارتند از فولاد، پارچه و سفال. این دسته‌های مواد معمولا منابع، ویژگی‌ها و کاربردهای کاملا متفاوتی دارند.

انواع مواد در مهندسی مواد و متالورژی

اگر بخواهیم انواع مواد را از منظر مهندسی مواد طبقه‌بندی کنیم، باید بر اساس معیار مناسب این کار را انجام دهیم. اما در حالت کلی، دسته‌بندی مواد می‌تواند شامل این موارد باشد:

• فلزات
• پلیمرها
• سرامیک‌ها
• کامپوزیت‌ها
• نیمه‌هادی‌ها
• مواد الکترونیکی
• آلیاژها
• الاستومرها
• مواد غیرفلزی و مواد آلی

3 دسته اصلی پردازش مواد

3 دسته عمده پردازش مواد عبارتند از ریخته‌گری، فراوری پودر، پردازش تغییر شکل فله. در جدول زیر توضیح مختصر و کاربرد هر کدام از این دسته‌ها را نوشته‌ایم:

6 نوع اصلی پردازش در مهندسی مواد

پردازش فرایندهای نوین در مهندسی مواد مزایای متعددی از جمله بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی مواد، کاهش هزینه‌های تولید، افزایش دقت و کیفیت محصولات نهایی، و امکان ساخت مواد با ساختارهای نانومقیاس یا کامپوزیتی پیچیده را فراهم می‌کند. همان‌طور که در دوره آموزش کارگاه ساخت کامپوزیت تدریس می‌شود، با توجه به اهمیت و کاربرد گسترده‌ای که مواد کامپوزیتی در صنایع مختلف دارند، استفاده از کامپوزیت‌ها به دلیل سبک بودن، استحکام بالا و همچنین هزینه‌ مناسب آن‌ها به صورت روزانه افزایش یافته و همچنین امروزه سعی می‌شود کامپوزیت‌ها جایگزین فلزات آسیب‌پذیر شوند.

فرایندهای پردازش مواد امکان طراحی مواد هوشمند و سفارشی‌سازی شده برای کاربردهای خاص (مانند پزشکی، هوافضا و ...) را نیز میسر می‌سازند. علاوه بر این، بسیاری از این فناوری‌های نوین با مصرف انرژی کمتر و ضایعات تولیدی کمتر، به توسعه پایدار و سازگار با محیط زیست کمک مهمی می‌کنند.

شش نوع اصلی پردازش در مهندسی مواد شامل این موارد هستند:

• تولید تکراری: فرایندی با خط تولید ثابت و پیوسته برای تولید حجم بالای محصولات یکسان (مانند قطعات خودرو یا لوازم الکترونیکی). ویژگی‌های این نوع از پردازش، زمان چرخه ثابت و بهینه‌سازی شده برای کارایی بالا و هزینه کم هستند.
• ساخت گسسته: تولید قطعات یا محصولات مشخص و جداگانه که می‌توانند سفارشی یا نیمه‌سفارشی باشند. این روش انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به تولید تکراری دارد و شامل مونتاژ قطعات مختلف است.
• کارگاه تولیدی: این روش برای تولید کم‌حجم و سفارشی مانند قطعات صنعتی خاص یا قالب‌سازی مناسب است. در این روش، ماشین‌آلات برای انجام عملیات مختلف روی قطعات متنوع به‌کار می‌روند و برنامه‌ریزی پیچیده‌تری نیاز است.
• تولید فرایندی (پیوسته): مناسب تولید بدون وقفه مواد در مقیاس بزرگ مانند تولید فولاد، شیشه یا پتروشیمی. فرایندهای این روش کاملا اتوماتیک و یکپارچه هستند و تغییر در محصول نهایی نیازمند توقف و بازطراحی خط تولید است.
• تولید فرایندی (دسته‌ای): در این روش مواد در دسته‌های محدود و کنترل‌شده تولید می‌شوند (مانند تولید دارو، رنگ یا سرامیک‌های خاص). این روش امکان تغییر فرمولاسیون یا مشخصات بین دسته‌ها را فراهم می‌کند و برای محصولات نیمه‌سفارشی مناسب است.
• پرینت سه بعدی: فرایند ساخت لایه‌به‌لایه مواد بر اساس مدل دیجیتال، بدون نیاز به قالب یا ماشین‌کاری سنتی. این روش امکان ساخت هندسه‌های پیچیده، سفارشی‌سازی کامل و کاهش ضایعات را فراهم می‌کند و در صنایع پزشکی، هوافضا و نمونه‌سازی سریع کاربرد گسترده‌ای دارد. اگر به این موضوع علاقه‌مند هستید می‌توانید از دوره آموزش طراحی و ساخت پرینتر سه‌ بعدی 3D Printer استفاده کنید.

فرایندهای نوین در مهندسی مواد – مثال‌های صنعتی

فراوری مواد به عنوان مجموعه‌ای از مراحل یا عملیات واحد مورد استفاده در تبدیل مواد خام به کالاهای نهایی تعریف می‌شود. این عملیات شامل فرایندهای صنعتی متوالی با روش‌های مختلف مکانیکی یا شیمیایی است که معمولا در مقادیر زیاد تولید می‌شوند. فراوری عبارت است از گرفتن یک محصول خام و تبدیل آن به یک ماده، به عنوان مثال، تبدیل دانه‌های وانیل به عصاره وانیل. ساخت زمانی اتفاق می‌افتد که مواد اولیه خریداری شده و با سایر مواد برای ساخت محصول نهایی استفاده می‌شود. فرایندهای نوین در مهندسی مواد شامل اکستروژن، فورج و نورد می‌شوند که در ادامه به‌صورت جزئی‌تر به آن‌ها می‌پردازیم.

اکستروژن

همان‌طور که در مقاله پردرآمدترین شاخه و رشته مهندسی مواد مطالعه کردید، شکل‌دهی فلزات یکی از گرایش‌های مهندسی موارد در تحصیلات تکمیلی است. اکستروژن به‌عنوان یکی از فرایندهای این گرایش، به معنای فرایند تشکیل چیزی با فشار دادن یا بیرون راندن آن است، به ویژه از طریق یک دهانه کوچک. برای مثال فعالیت آتشفشانی که منجر به بیرون راندن یک ورقه گدازه می‌شود.

یک مثال ساده دیگر از اکستروژن، اسباب‌بازی‌هایی هستند که هنگام بازی با خمیر بازی استفاده می‌شوند. اقلامی که خمیر بازی به منظور ایجاد یک شکل خاص از میان آن‌ها فشار داده می‌شود، قالب است و فرایند اکستروژن نامیده می‌شود. برای اینکه قالب شکل دلخواه را ایجاد کند، باید مواد را با قدرت از آن عبور داد.

همان‌طور که در دوره آموزش شبیه سازی فرایندهای شکل­‌دهی با دیفورم تری دی Deform 3D تدریس می‌شود، شکل‌دهی فلزات به علت دارا بودن پیچیدگی، نیازمند ساده‌سازی شرایط مسئله مانند شرایط مرزی، منطقه تغییر شکل و رفتار مواد است. از دیگر کاربردهای گسترده پردازش اکستروژن، صنایع غذایی است. در این سیستم پردازش از یک پیچ یا مجموعه‌ای از پیچ‌ها برای فشار دادن مواد غذایی به داخل یک دهانه کوچک استفاده می‌شود. اکستروژن، از فرایندهای نوین در مهندسی مواد است که در آن فلز یا مواد دیگر از طریق یک سری قالب‌ها برای ایجاد شکل‌های دلخواه مجبور می‌شوند. بسیاری از سرامیک‌ها با اکستروژن تولید می‌شوند زیرا این فرایند امکان تولید کارآمد و مداوم را فراهم می‌کند.

فورج

فورج یک فرایند تولیدی است که شامل شکل‌دادن به فلز از طریق چکش‌کاری، فشار دادن یا نورد است. این نیروهای فشاری با چکش یا قالب وارد می‌شوند. فورج اغلب بر اساس دمایی که در آن انجام می‌شود طبقه‌بندی می‌شود یعنی فورج سرد، گرم یا نیمه‌گرم. هدف از فورج ایجاد قطعات فلزی است. در مقایسه با سایر روش‌های ساخت، فورج فلز برخی از محکم‌ترین قطعات تولیدی موجود را تولید می‌کند. همان‌طور که فلز گرم و فشرده می‌شود، ترک‌های جزئی مهر و موم می‌شوند و هر فضای خالی در فلز بسته می‌شود.

همان‌طور که در دوره آموزش طراحی قالب‌های فورج Forge مقدماتی تدریس می‌شود، وش‌های مختلف فورج شامل فورج قالب باز، فورج قالب بسته، فورج حلقه‌ای، فورج غلتکی، فورج دقیق و فورج دورانی است. فورج به عنوان فرایندهای نوین در مهندسی مواد، گرم‌کردن، تغییر شکل و تکمیل یک قطعه فلز تعریف می‌شود.

فورج با فشار دادن مواد به شکل‌های سفارشی یا با نیروی قوچ در حال افتادن بر روی سندان یا توسط پرس قالب که یک قطعه فلز را در بر می‌گیرد و قطعه را تحت فشار قرار می‌دهد، ساخته می‌شود. شما در دوره آموزش طراحی قالب‌های فورج Forge پیشرفته نیز با انواع قالب‌ها و روش طراحی پریفرم آشنا می‌شوید و توانایی تعیین ابعاد برای بلیت‌ها را با تمرینات کاربردی و جامع خواهید آموخت.

نورد

عملیات نورد نیز جزو فرایندهای نوین در مهندسی مواد به شمار می‌رود. در فلزکاری، نورد فرایند شکل‌دهی فلز است که در آن استوک فلزی از یک یا چند جفت رول عبور داده می‌شود تا ضخامت کاهش یابد، ضخامت یکنواخت شود یا خاصیت مکانیکی مورد نظر ایجاد شود.

در فرایند نورد، تغییر شکل دائمی با قرار دادن مواد در معرض تنش فشاری بالا با اجازه دادن به مواد برای عبور از شکاف بین دو رول استوانه‌ای دوار به دست می‌آید. رول‌ها ممکن است مسطح یا شیاردار باشند و در فاصله ثابتی از یکدیگر قرار می‌گیرند. فولاد برای کاهش ضخامت فلز و همچنین یکنواخت‌شدن آن تحت فرایند نورد قرار می‌گیرد. در این فرایند، فولاد بین دو رول قرار می‌گیرد که ضخامت آن با دستکاری جهت طول فولاد به جای جهت عرض تغییر می‌کند.

نورد پرکاربردترین فرایند تغییر شکل است و متشکل از عبور فلز از بین دو غلتک است که تنش‌های فشاری اعمال می‌کند و ضخامت فلز را کاهش می‌دهد. در جایی که قرار است اشکال ساده به مقدار زیاد ساخته شود، نورد اقتصادی‌ترین فرایند است. نورد پرکاربردترین روش شکل‌دادن به فلزات است و به ویژه در ساخت فولاد برای استفاده در ساخت‌وساز و سایر صنایع اهمیت دارد. نورد ممکن است زمانی انجام شود که فولاد گرم (نورد گرم) یا سرد (نورد سرد) باشد. به همین دلیل جزو فرایندهای نوین در مهندسی مواد به شمار می‌رود.

فولاد، منیزیم، آلومینیوم، مس و آلیاژهای آن‌ها موادی هستند که معمولا نورد می‌شوند. در نتیجه اصطکاک بین رول‌ها و سطح فلز، فلز تحت تنش‌های فشاری بالایی قرار می‌گیرد. جهت دانه اصطلاحی است که برای توصیف جهت نورد فلز پس از تبدیل شدن به ورق، صفحه یا کلاف استفاده می‌شود. این روش تولید جایی است که فلز داغ از طریق غلتک‌ها فشرده می‌شود و به شکل اجباری در می‌آید و کریستال‌ها را در این فرایند طولانی می‌کند.

جمع‌بندی

در این مقاله به بررسی مراحل تولید مواد، روش‌ها و انواع پردازش در مهندسی مواد پرداختیم. از آنجایی که دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان به‌صورت کاربردی، پروژه‌محور و مطابق با نیازهای صنعت طراحی شده‌اند، گزینه‌ای مناسب برای افرادی هستند که به دنبال توسعه دانش فنی و مهارت‌های عملی خود می‌باشند. این دوره‌ها در دپارتمان‌های مختلف مهندسی از جمله مهندسی مواد، مهندسی مکانیک، مهندسی پزشکی و ... در موضوعات متنوع موجود می‌باشند.

نویسنده: مصطفی عینعلی ، کارشناس ارشد مهندس مواد - رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی