مختبر أوك ريدج الوطني الأمريكي يطبع قالبًا مركّبًا لطائرة بوينغ بوزن يقارب طنين بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

أخبار ar.wedoany.com، في 21 سبتمبر، أعلن مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية عن إنجاز مشروع كبير للتصنيع الإضافي المعدني بالتعاون مع بوينغ، حيث قام الطرفان بطباعة قالب تشكيل حراري بلاستيكي مركّب من نوع Stamp Form Die (SFD) بوزن يقارب طنين باستخدام تقنية التصنيع الإضافي بالقوس الكهربائي. يبلغ ارتفاع القالب حوالي 6 أقدام وعرضه حوالي 4 أقدام، واستغرق الطباعة المتواصلة 8 أسابيع. وسيستخدمه لاحقًا فريق بوينغ في مشروع NASA HiCAM لتصنيع الطائرات المركّبة عالية الإنتاجية، بهدف التحقق من عملية التشكيل السريع لأجزاء الطائرات المركّبة الحرارية البلاستيكية الكبيرة.

ينتمي SFD إلى أدوات التشكيل بالضغط، حيث تُوضع ألواح المواد المركّبة الحرارية البلاستيكية بعد تسخينها بين قالبين معدنيين علوي وسفلي، ويتم تشكيل الأجزاء تحت الضغط. تتطلب أدوات SFD التقليدية عادةً عدة عمليات تصنيعية تشمل التشغيل الآلي والصب والتشكيل والثقب. ويركّز التعاون بين ORNL وبوينغ في هذه المرة على التحقق من إمكانية استخدام التصنيع الإضافي بالقوس السلكي (WAAM) لتقصير دورة تصنيع الأدوات الكبيرة، ودمج قنوات التحكم الحراري مباشرة داخل القالب.

استُخدم في المشروع نظام Arc-1 التابع لمنشأة التصنيع التوضيحي في ORNL، وهو نظام يتكوّن من روبوت صناعي وشعلة لحام، يعمل على تراكم المعدن طبقةً تلو الأخرى عبر الصهر المستمر لسلك معدني، ويمكنه تغذية عدة أنواع من المواد المعدنية في آنٍ واحد. استُخدم الفولاذ منخفض الكربون في المناطق الهيكلية الحاملة الرئيسية للقالب لتلبية متطلبات القوة والصلابة الهيكلية، بينما رُسّب الفولاذ المقاوم للصدأ على سطح العمل لتحسين مقاومة التآكل والاستقرار الأبعادي والمتانة على المدى الطويل. ويتيح أسلوب WAAM متعدد المواد تكييف مادة القالب الكبير الواحد وفقًا لمتطلبات الأداء في كل منطقة.

يُعدّ الهيكل الحراري محورًا آخر في تصميم هذا القالب. فبينما تُشكَّل قنوات التسخين والتبريد الخطية عادةً في القوالب المعدنية الكبيرة التقليدية عن طريق الثقب، يتيح التصنيع الإضافي للمهندسين تشكيل قنوات منحنية تتبع سطح القالب مباشرةً أثناء الطباعة، بحيث تصبح وسائط التسخين والتبريد أقرب إلى سطح التشكيل. ويمكن لهذا التصميم تحسين توزيع درجة حرارة القالب وكفاءة الدورات الحرارية، مما يؤثر تأثيرًا مباشرًا في عمليات التسخين والتشكيل والتبريد السريع للمواد المركّبة الحرارية البلاستيكية.

تواجه الأدوات الفولاذية الكبيرة أثناء عملية WAAM مشكلات واضحة تتعلق بالإجهادات المتبقية والتشوّه. فمع ترسّب المعدن المنصهر طبقةً تلو الأخرى وتبريده، يميل القالب إلى الالتواء والانحراف الأبعادي. ولذلك أضاف فريق ORNL أضلاع تقوية مؤقتة في الجزء الخلفي من القالب، واستخدم محاكاة الإجهادات المتبقية لتصحيح التصميم الهيكلي ومعاملات تعويض الطباعة باستمرار. وبعد إتمام 32 دورة محاكاة تراكمية، تمكّن الفريق من حصر الانحراف بين القطعة المطبوعة النهائية والشكل الهندسي المستهدف في نطاق بضعة ملليمترات.

بعد اكتمال الطباعة، نُقل القالب إلى شركة Baker Industries في ولاية ميشيغان لإجراء عملية التلدين بهدف تحرير الإجهادات المتبقية الداخلية، ثم أُزيلت أضلاع الدعم المؤقتة التي وُضعت في مرحلة الطباعة، واستُكملت عمليات التشطيب الدقيق وغيرها من العمليات التصنيعية الأخرى، ليصل قالب SFD النهائي إلى متطلبات الاستخدام لدى بوينغ. وشركة Baker Industries هي إحدى شركات Lincoln Electric، وقد طُوّرت تقنية WAAM هذه سابقًا من خلال اتفاقية تطوير تعاونية بين ORNL وLincoln Electric.

سيدخل هذا القالب ضمن منظومة التحقق من تصنيع الطائرات المركّبة في مشروع NASA HiCAM. ويركّز HiCAM على دراسة كيفية رفع معدل تصنيع هياكل الطائرات المدنية المركّبة، ويُعدّ التشكيل السريع للمواد المركّبة الحرارية البلاستيكية أحد المسارات التقنية المهمة في هذا المجال. ويتحقق هذا المشروع في مرحلة تصنيع أدوات التشكيل المعدنية الكبيرة، وليس في الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة لهياكل الطائرات؛ وتكمن العقدة الأساسية فيه في استخدام WAAM متعدد المواد لإنجاز قالب مركّب للطيران معقّد بحجم يقارب طنين، ودمج قنوات التحكم الحراري وتعويض الهيكل والتشطيب الدقيق اللاحق في عملية تصنيعية متكاملة.