كيفية اختيار المواد المناسبة لتصنيع CNC？

المواد غير مناسبة، عبثاً! لإنتاج منتجات مرضية، يُعد اختيار المواد الخطوة الأساسية والأكثر أهمية. تتيح تقنية التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) استخدام العديد من المواد، بما في ذلك المعادن والمواد غير المعدنية والمواد المركبة.

تشمل المواد المعدنية الشائعة الفولاذ، وسبائك الألومنيوم، وسبائك النحاس، والفولاذ المقاوم للصدأ، وغيرها. أما المواد غير المعدنية فتشمل البلاستيك الهندسي، والنايلون، والباكليت، وراتنج الإيبوكسي، وغيرها. وتشمل المواد المركبة البلاستيك المقوى بالألياف، وراتنج الإيبوكسي المقوى بألياف الكربون، والألومنيوم المقوى بألياف الزجاج، وغيرها.

تختلف المواد في خصائصها الفيزيائية والميكانيكية، ويُعدّ اختيار المادة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لأداء القطعة ودقتها ومتانتها. انطلاقًا من خبرتي، سأشارككم في هذه المقالة كيفية اختيار مواد منخفضة التكلفة ومناسبة من بين العديد من مواد التصنيع.

أولاً، نحتاج إلى تحديد الاستخدام النهائي للمنتج وأجزائه. على سبيل المثال، يجب تعقيم المعدات الطبية، ويجب تسخين علب الطعام في فرن الميكروويف، ويجب استخدام المحامل والتروس وما إلى ذلك لتحمل الأحمال والاحتكاك الدوراني المتعدد.

بعد تحديد الاستخدام، انطلاقًا من احتياجات التطبيق الفعلية للمنتج، يتم دراسة استخدامه وتحليل متطلباته الفنية والبيئية، ثم تُحوّل هذه الاحتياجات إلى خصائص المادة. على سبيل المثال، قد يتعين على أجزاء من المعدات الطبية تحمّل الحرارة الشديدة لجهاز التعقيم بالبخار (الأوتوكلاف)؛ كما أن للمحامل والتروس وغيرها من المواد متطلبات خاصة بمقاومة التآكل وقوة الشد وقوة الضغط. ويمكن تحليل ذلك بشكل أساسي من النقاط التالية:

1- المتطلبات البيئية

قم بتحليل سيناريو الاستخدام الفعلي وبيئة المنتج؛ على سبيل المثال: ما هي درجة حرارة التشغيل طويلة الأمد للمنتج، وما هي أعلى/أدنى درجة حرارة تشغيل، وهل هي درجة حرارة عالية أم منخفضة؟ هل هناك متطلبات للحماية من الأشعة فوق البنفسجية في الأماكن المغلقة أو المفتوحة؟ هل هو في بيئة جافة أم بيئة رطبة أو أكالة؟ إلخ.

02 المتطلبات الفنية

وفقًا للمتطلبات الفنية للمنتج، يتم تحليل القدرات المطلوبة، والتي قد تشمل مجموعة من العوامل المتعلقة بالتطبيق. على سبيل المثال: هل يحتاج المنتج إلى أن يكون موصلًا أو عازلًا أو مضادًا للكهرباء الساكنة؟ هل هناك حاجة إلى تبديد الحرارة أو التوصيل الحراري أو مقاومة اللهب؟ هل يلزم تعريض المنتج للمذيبات الكيميائية؟ إلخ.

03 متطلبات الأداء البدني

حلل الخصائص الفيزيائية المطلوبة للجزء بناءً على الاستخدام المقصود للمنتج والبيئة التي سيُستخدم فيها. بالنسبة للأجزاء المعرضة لإجهاد أو تآكل شديد، تُعد عوامل مثل القوة والمتانة ومقاومة التآكل بالغة الأهمية؛ أما بالنسبة للأجزاء المعرضة لدرجات حرارة عالية لفترة طويلة، فيُشترط ثبات حراري جيد.

04 متطلبات المظهر ومعالجة السطح

يعتمد قبول المنتج في السوق بشكل كبير على مظهره، إذ تختلف ألوان وشفافية المواد المختلفة، كما تختلف التشطيبات والمعالجات السطحية المستخدمة. لذا، ينبغي اختيار مواد التصنيع وفقًا للمتطلبات الجمالية للمنتج.

5. اعتبارات أداء المعالجة

تؤثر خصائص تشكيل المادة على عملية التصنيع ودقة القطعة. فعلى سبيل المثال، على الرغم من أن الفولاذ المقاوم للصدأ مقاوم للصدأ والتآكل، إلا أن صلابته عالية، مما يجعله عرضة لتآكل أداة التشكيل أثناء المعالجة، وبالتالي ارتفاع تكاليف التصنيع، كما أنه ليس مادة مناسبة للتصنيع. أما البلاستيك، فرغم انخفاض صلابته، إلا أنه يلين ويتشوه بسهولة أثناء التسخين، كما أن استقراره ضعيف، لذا يجب اختياره وفقًا للاحتياجات الفعلية.

نظرًا لأن متطلبات التطبيق الفعلية للمنتج تتكون من عدة عناصر، فقد توجد مواد متعددة تلبي هذه المتطلبات؛ أو قد يكون الاختيار الأمثل لمتطلبات تطبيق مختلفة مرتبطًا بمواد مختلفة؛ فقد ينتهي بنا المطاف إلى عدة مواد تلبي متطلباتنا المحددة. لذا، بمجرد تحديد خصائص المادة المطلوبة بوضوح، فإن الخطوة المتبقية هي البحث عن المادة التي تتوافق مع تلك الخصائص على أفضل وجه.

تبدأ عملية اختيار المواد المرشحة بمراجعة بيانات خصائصها، وبالطبع، ليس من الممكن دراسة آلاف المواد المستخدمة، ولا حاجة لذلك. يمكننا البدء بتصنيف المواد، وتحديد ما إذا كنا نحتاج إلى مواد معدنية، أو غير معدنية، أو مركبة. ثم تُستخدم نتائج التحليل السابقة، بما يتوافق مع خصائص المواد، لتضييق نطاق اختيار المواد المرشحة. وأخيرًا، تُستخدم معلومات تكلفة المواد لاختيار أنسبها للمنتج من بين عدد من المواد المرشحة.

في الوقت الحالي، قامت شركة Honscn باختيار وإطلاق عدد من المواد المناسبة للمعالجة، والتي أصبحت خيارًا شائعًا لعملائنا.

تشير المواد المعدنية إلى المواد التي تتميز بخصائص مثل اللمعان، والليونة، وسهولة التوصيل الحراري. وينقسم أداؤها بشكل أساسي إلى أربعة جوانب، هي: الخصائص الميكانيكية، والخصائص الكيميائية، والخصائص الفيزيائية، وخصائص التصنيع. وتحدد هذه الخصائص نطاق استخدام المادة ومدى ملاءمة التطبيق، مما يُعد مرجعًا هامًا لاختيار المواد المعدنية. فيما يلي، سنستعرض نوعين من المواد المعدنية، وهما سبائك الألومنيوم وسبائك النحاس، واللذان يختلفان في خصائصهما الميكانيكية وخصائص التصنيع.

يوجد أكثر من 1000 درجة من سبائك الألومنيوم مسجلة في العالم، ولكل منها اسم تجاري ومعنى مختلف، وتختلف درجات سبائك الألومنيوم المختلفة في الصلابة والقوة وقابلية التشكيل والزخرفة ومقاومة التآكل وقابلية اللحام وغيرها من الخصائص الميكانيكية والكيميائية، ولكل منها نقاط قوتها وضعفها.

صلابة

تشير الصلابة إلى قدرة المعدن على مقاومة الخدوش أو الانبعاجات. وترتبط ارتباطًا مباشرًا بالتركيب الكيميائي للسبيكة، وتؤثر الحالات المختلفة على صلابة الألومنيوم بشكل متفاوت. كما تؤثر الصلابة بشكل مباشر على سرعة القطع ونوع مادة الأداة التي يمكن استخدامها في عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC).

من أعلى درجة صلابة يمكن تحقيقها، السلسلة 7 > السلسلة 2 > السلسلة 6 > السلسلة 5 > السلسلة 3 > السلسلة 1.

شدة

تشير القوة إلى قدرتها على مقاومة التشوه والكسر، وتشمل المؤشرات الشائعة الاستخدام قوة الخضوع وقوة الشد وما إلى ذلك.

يُعد هذا عاملاً مهماً يجب مراعاته في تصميم المنتج، وخاصة عند استخدام مكونات سبائك الألومنيوم كأجزاء هيكلية، حيث يجب اختيار السبيكة المناسبة وفقًا للضغط الواقع عليها.

هناك علاقة إيجابية بين الصلابة والقوة: قوة الألومنيوم النقي هي الأدنى، وقوة السبائك المعالجة حرارياً من السلسلتين 2 و7 هي الأعلى.

كثافة

تشير الكثافة إلى كتلة المادة لكل وحدة حجم، وغالبًا ما تستخدم لحساب وزن المادة.

تُعدّ الكثافة عاملاً مهماً في العديد من التطبيقات المختلفة. فبحسب التطبيق، تؤثر كثافة الألومنيوم بشكل كبير على كيفية استخدامه. على سبيل المثال، يُعدّ الألومنيوم خفيف الوزن وعالي القوة مثالياً لتطبيقات البناء والصناعة.

تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي 2700 كجم/م³، ولا تتغير قيمة الكثافة لأنواع سبائك الألومنيوم المختلفة كثيرًا.

مقاومة التآكل

تشير مقاومة التآكل إلى قدرة المادة على مقاومة التآكل عند ملامستها لمواد أخرى. وتشمل هذه المقاومة التآكل الكيميائي، والتآكل الكهروكيميائي، والتآكل الناتج عن الإجهاد، وغيرها من الخصائص.

ينبغي أن يستند مبدأ اختيار مقاومة التآكل إلى مناسبة الاستخدام، ويجب استخدام مجموعة متنوعة من المواد المركبة المضادة للتآكل عند استخدام سبيكة عالية القوة في بيئة قابلة للتآكل.

بشكل عام، تتمتع سلسلة الألومنيوم النقي رقم 1 بأفضل مقاومة للتآكل، وتؤدي السلسلة 5 أداءً جيدًا، تليها السلسلتان 3 و6، بينما تكون السلسلتان 2 و7 ضعيفة.

قابلية المعالجة

تشمل قابلية التشغيل قابلية التشكيل وقابلية التشغيل. ولأن قابلية التشكيل مرتبطة بحالة المادة، فبعد اختيار درجة سبيكة الألومنيوم، من الضروري أيضًا مراعاة نطاق قوة كل حالة، فعادةً ما يصعب تشكيل المواد عالية القوة.

إذا كان سيتم ثني الألومنيوم وسحبه وسحبه العميق وعمليات التشكيل الأخرى، فإن قابلية تشكيل المادة الملدنة بالكامل هي الأفضل، وعلى العكس من ذلك، فإن قابلية تشكيل المادة المعالجة حرارياً هي الأسوأ.

ترتبط قابلية تشغيل سبائك الألومنيوم ارتباطًا وثيقًا بتركيب السبيكة، فعادةً ما تكون قابلية تشغيل سبائك الألومنيوم ذات القوة العالية أفضل، وعلى العكس من ذلك، تكون قابلية التشغيل ذات القوة المنخفضة ضعيفة.

بالنسبة للقوالب والأجزاء الميكانيكية وغيرها من المنتجات التي تحتاج إلى قطع، فإن قابلية تشكيل سبائك الألومنيوم تعتبر اعتبارًا مهمًا.

خصائص اللحام والانحناء

تُلحم معظم سبائك الألومنيوم بسهولة. وقد صُممت بعض سبائك الألومنيوم من الفئة 5 خصيصًا لتسهيل عملية اللحام؛ بينما تُعد بعض سبائك الألومنيوم من الفئتين 2 و7 أكثر صعوبة في اللحام.

بالإضافة إلى ذلك، فإن سبيكة الألومنيوم من السلسلة 5 هي الأنسب لثني فئة من منتجات سبائك الألومنيوم.

خصائص تزيينية

عند استخدام الألومنيوم في الديكور أو في مناسبات محددة، يتطلب الأمر معالجة سطحه للحصول على اللون والتركيب السطحي المطلوبين. وهذا يستلزم التركيز على الخصائص الزخرفية للمواد.

تشمل خيارات معالجة سطح الألومنيوم الأنودة والرش. وبشكل عام، تتمتع المواد ذات المقاومة الجيدة للتآكل بخصائص ممتازة لمعالجة السطح.

خصائص أخرى

بالإضافة إلى الخصائص المذكورة أعلاه، هناك خصائص أخرى مثل التوصيل الكهربائي، ومقاومة التآكل، ومقاومة الحرارة، والتي نحتاج إلى أخذها في الاعتبار عند اختيار المواد.

أوريكالكوم

النحاس الأصفر هو سبيكة من النحاس والزنك. ويمكن الحصول على نحاس أصفر بخصائص ميكانيكية مختلفة بتغيير نسبة الزنك فيه. فكلما زادت نسبة الزنك، زادت صلابته وقلّت مرونته قليلاً.

لا تتجاوز نسبة الزنك في النحاس الأصفر المستخدم في الصناعة 45%، إذ أن زيادة نسبة الزنك تجعله هشًا وتؤثر سلبًا على خصائص السبيكة. إضافة 1% من القصدير إلى النحاس الأصفر تُحسّن بشكل ملحوظ مقاومته للتآكل الناتج عن مياه البحر والبيئة البحرية، ولذلك يُطلق عليه اسم "النحاس الأصفر البحري".

يُحسّن القصدير من قابلية تشكيل النحاس الأصفر. ويُعرف النحاس الأصفر المُحتوي على الرصاص بأنه نحاس سهل القطع وفقًا للمعايير الوطنية. والهدف الرئيسي من إضافة الرصاص هو تحسين قابلية التشكيل ومقاومة التآكل، بينما لا يؤثر الرصاص بشكل كبير على متانة النحاس الأصفر. ويُعدّ النحاس المستخدم في النحت نوعًا من أنواع النحاس الأصفر المُحتوي على الرصاص.

تتميز معظم أنواع النحاس الأصفر بلون جيد، وقابلية للتشكيل، وليونة، وسهولة الطلاء الكهربائي أو الدهان.

النحاس الأحمر

النحاس هو نحاس نقي، يُعرف أيضًا باسم النحاس الأحمر، يتميز بموصلية كهربائية وحرارية جيدة، وليونة ممتازة، وسهولة التشكيل بالضغط الساخن والبارد، ويمكن تصنيعه على شكل صفائح وقضبان وأنابيب وأسلاك وشرائط ورقائق وغيرها من منتجات النحاس.

عدد كبير من المنتجات التي تتطلب توصيلًا كهربائيًا جيدًا مثل النحاس المتآكل كهربائيًا والقضبان الموصلة لتصنيع EDM، والأدوات المغناطيسية والأدوات التي يجب أن تكون مقاومة للتداخل المغناطيسي، مثل البوصلة وأدوات الطيران.

بغض النظر عن نوع المادة، لا يمكن لنموذج واحد أن يلبي جميع متطلبات أداء المنتج في آن واحد، وليس ذلك ضرورياً. ينبغي تحديد أولويات الأداء المختلفة وفقاً لمتطلبات أداء المنتج، وبيئة الاستخدام، وعملية التصنيع، وعوامل أخرى، مع اختيار المواد المناسبة، والتحكم الأمثل في التكاليف، مع ضمان الأداء المطلوب.

تبدأ العملية بالمعدات، ولا تنتهي عندها. تلتزم شركة Honscn بتوفير خدمة شاملة لسلسلة صناعة أدوات التثبيت/التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC).