19.12.2022 by Dr. Chiara Baldini
60 عامًا من NETZSCH-Gerätebau: كيفية تحسين معالجة المركبات على النحو الأمثل
كجزء من احتفالنا بالذكرى السنوية الستين لتأسيس شركتنا الذي يستمر لمدة عام كامل، والذي يركز على حلول البرمجيات في شهر ديسمبر، نود أن نعيد اليوم استعراض دراسة حالة ناجحة. أصبح هذا المقال ممكنًا بفضل التعاون مع Blacks S.r.l. ، وهي شركة إيطالية متخصصة في تصميم مكونات المواد المركبة المتقدمة مثل الكربون والزجاج وألياف الأراميد والأقمشة الهجينة ووضع النماذج الأولية لها وتصنيعها من خلال التصنيع اليدوي والمعالجة بالأوتوكلاف.
حركية نيو - قصة نجاح:
في ما يلي، نلخص القصة بأكملها مع الدكتورة كيارا ليوناردي، مديرة البحث والتطوير في Blacks.
"منذ بضع سنوات، قررنا توسيع مختبرنا من خلال شراء كل من DSCوTGA من NETZSCH، من أجل التحكم في كل من المواد الخام المسبقة التجهيز والمنتجات المعالجة. وتتمثل احتياجاتنا اليومية في إجراء قياسات روتينية على المواد الخام الواردة، وتقادم المواد مسبقة التجهيز، والتحولات الزجاجية، ومحتوى الألياف، ودرجة معالجة منتجاتنا النهائية، على سبيل المثال لا الحصر".
في عام 2018، واجهت شركة Blacks تحديًا جديدًا: فقد طُلب منهم إنتاج حافة دراجة من الكربون. تم تحديد درجة المعالجة المستهدفة بنسبة 95% لضمان تحقيق مستويات الأداء الميكانيكي والحراري التي طلبها العميل. وقد تم تحديد هذه القيمة بعد التوصيف الأولي للتوصيف الأولي للمواد المسبقة التجهيز المختارة التي أجراها مختبر التحليل الحراري لشركة Blacks.
عندما بدأت مرحلة الإنتاج، كان من الواضح لـ Blacks أنهم بحاجة إلى إيجاد دورة حرارية مناسبة لتحقيق هدفين رئيسيين: الوصول إلى درجة المعالجة المستهدفة مسبقًا وتقصير أوقات المعالجة.
"يتمثل نهجنا في تطبيق دورة المعالجة المقترحة في ورقة البيانات الفنية الخاصة بالمادة مسبقة التجهيز أولاً وقبل كل شيء. وكان هذا هو الحال بالنسبة للتوحيد بالأوتوكلاف لأول نموذج أولي للحافة "SN1". ومع ذلك، فقد أظهر هذا الإنتاج الأول الحاجة إلى المعالجة اللاحقة لتحقيق مستوى التشابك المطلوب".
ولتحديد درجة المعالجة المحققة، تم إجراء قياسات DSC باستخدام DSC 214 Polyma على كل من الراتنج غير المعالج (ما قبل المعالجة) لتقييم درجة حرارة المعالجة الكلية لهذه المادة (Htot)، وفي ظل نفس الظروف على عينة SN1 لقياس المعالجة المتبقية (Hres).
يوضح الشكل 1 منحنيات DSC وإشارات المعالجة الخارجية الحرارية المقيّمة للقياسين.
تم حساب درجة المعالجة (α) باستخدام المعادلة التالية:
بالنسبة لـ SN1، بلغت قيمة α 94.5%، وبالتالي أقل من القيمة المستهدفة.
كيف يمكن الوصول إلى درجة المعالجة المستهدفة؟
في حالة عدم وجود أي معلومات مفيدة أخرى، تأخذ الطريقة الكلاسيكية في الاعتبار إما زيادة درجة الحرارة القصوى أو تمديد وقت الجزء المتساوي الحرارة.
ومع ذلك، فإن هذا النهج القائم على التجربة والخطأ يستغرق وقتًا طويلاً؛ كما أنه يتطلب أيضًا فترات تعطل طويلة للأوتوكلاف واستهلاكًا مرتفعًا للمواد الخام. علاوة على ذلك، لا يمكن استغلاله دائمًا: على سبيل المثال، يكون اختيار درجة الحرارة القصوى محدودًا بدرجة حرارة التحلل للراتنج نفسه.
وهنا يأتي دور خبرة NETZSCH.
"قررنا إنتاج نموذج أولي ثانٍ للحافة عن طريق تطبيق دورة معالجة مماثلة للدورة الأولى، ولكن مع ركود طويل. وعلى الرغم من أن هذه الدورة وصلت إلى درجة المعالجة المستهدفة، إلا أن إجمالي وقت الدورة الناتجة، 8 ساعات، كان طويلاً للغاية بالنسبة لقدراتنا الإنتاجية". "لذلك، طلبنا من شركة NETZSCH مساعدتنا في إيجاد شكل حراري جديد وأسرع. لقد أجرينا بعض قياسات DSC الجديدة على المادة المُعدّة مسبقًا وقمنا بتمرير البيانات إلى NETZSCH، التي قامت بعمل سحري باستخدام برنامجها Kinetics Neo."
لإجراء الدراسات الحركية، عادةً ما يكون من الضروري إجراء ثلاثة منحدرات تسخين مختلفة على الأقل أو ثلاث درجات حرارة متساوية مختلفة لقياس التحليل الحراري الكامل.
وفي هذه الحالة، قرر بلاكس تطبيق منحدرات ديناميكية بمعدلات 1 و2 و5 و10 كلفن/الدقيقة. وتظهر المخططات الحرارية المقيّمة الناتجة في الشكل 2.
إجراء الدراسات الحركية والتنبؤ بسلوك المواد
للتنبؤ بسلوك المعالجة لسيناريوهات المعالجة المختلفة، تم تحميل بيانات DSC التي تم قياسها عند منحدرات التسخين الأربعة المختلفة إلى برنامج NETZSCH Kinetics Neo - الذي كان قد تم تطويره حديثًا في ذلك الوقت.
ويوضح الشكل 3 ملاءمة التحويل نتيجة تطبيق النهج الخالي من النماذج، الذي تم اختياره من بين تلك المتاحة في البرنامج: هذه تقنية رياضية جديدة تسمى "التحسين العددي الأمثل"، صممتها NETZSCH لدعم المستخدمين الذين ليس لديهم خبرة في المحاكاة الحركية وفي الصناعة بشكل عام، حيث لا تتوافق التقييمات التي تستغرق وقتًا طويلاً في كثير من الأحيان مع احتياجات الإنتاج.
وعلاوة على ذلك، من أجل تجنب ارتفاع درجة الحرارة وبالتالي تلف المواد، تم تحديد الحد الأقصى لمعدل التفاعل في البرنامج، لضمان عدم تجاوز قيمته أبدًا القيمة التي تم قياسها لدورة المعالجة المستخدمة لإنتاج النموذج الأولي SN2.
اتضح أن الوقت الإجمالي لدورة المعالجة المصممة حديثًا كان 260 دقيقة؛ مقارنة بـ 480 دقيقة للدورة السابقة، وبدا ذلك واعدًا حقًا لتوفير الوقت في الإنتاج.
ولكن ماذا عن درجة المعالجة المستهدفة؟
وقت أقصر وكفاءة معالجة أفضل
اعتمدت Blacks على دورة المعالجة المحسّنة الجديدة وقررت تطبيقها لتصنيع نموذج أولي ثالث (SN3).
"عندما اختبرنا درجة المعالجة بواسطة DSC، بالطريقة نفسها التي اختبرنا بها جنوط الدراجتين السابقتين، أدركنا أن دورة المعالجة المحسّنة الحركية لم تسمح لنا بتقليل وقت الإنتاج إلى النصف تقريبًا فحسب، بل أيضًا بتحسين درجة المعالجة. إنها نهاية سعيدة حقيقية".
في الواقع، تم تقليل دورة تصنيع الأوتوكلاف لحافة الدراجة المصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الكربون من Blacks S.r.l. بنسبة 46% من الوقت مقارنة بالدورة السابقة التي حققت هدف المعالجة المطلوب؛ وعلاوة على ذلك، فقد تجاوزت درجة المعالجة المستهدفة (بنتيجة نهائية بلغت 96.1%) وتجنبت ارتفاع درجة الحرارة في الوقت نفسه.
يوضح الشكل 4 مقارنة جميع البيانات ذات الصلة بإنتاج كل حافة دراجة في لمحة سريعة.
أظهرت دراسة الحالة هذه بوضوح كيف يمكن تحسين دورات الإنتاج باستخدام نهج DSC-الحركية المدمج. بالمقارنة مع التصنيع القائم على التجربة والخطأ، فإن توصيف المواد والمحاكاة أكثر كفاءة بكثير ولا يتطلب سوى بضعة مليغرامات من الراتنج، وبالتالي تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف لصناعة المركبات من حيث المواد الخام ووقت الإنتاج.
شكر وتقدير
امتد التعاون بين شركة Blacks S.r.l. و NETZSCH إلى مجالات أخرى ولا يزال نشطًا. وكثيرًا ما كانت الدكتورة كيارا ليوناردي ضيفة متحدثة في المؤتمرات والندوات والندوات عبر الإنترنت.
كما تم تقديم دراسة حالة "تحسين المعالجة" في جميع أنحاء العالم ونشرها في مجلة Compositi (عدد ديسمبر، 2018: الصفحات 20-28). هنا، يمكنك قراءة المقال الكامل للحصول على رؤى أعمق حول هذا المشروع.
وعلاوة على ذلك، تشهد شركة Blacks نموًا مستمرًا: فقد اعترفت النسخة الخامسة من استطلاع "أبطال النمو" الذي أجراه معهد ITQF الألماني للجودة بشركة Blacks باعتبارها من بين 800 شركة قادت الانتعاش الاقتصادي هذا العام، بمتوسط معدل نمو سنوي يزيد عن 11.3% في فترة الثلاث سنوات من 2018 إلى 2021.
وقد أكد هذا التقدير التزامهم المستمر بالسعي لتحقيق التميز والابتكار. يبدو حقًا أن شركة بلاكس تشاركنا رؤية التميز المثبتة!
نهنئ عميلنا ونشكر مرة أخرى الدكتورة كيارا ليوناردي على الدعم، ونتطلع إلى مواجهة التحديات الجديدة معًا.
______________________________________________________________________________________
للمزيد من المعلومات حول كيفية استخدام برنامج Kinetics Neo الخاص بنا لنمذجة عملية المعالجة، يرجى زيارة قسم الموقع المخصص.
إذا كنت مهتمًا بمشاهدة الندوة المسجلة عبر الإنترنت التي قدمتها الدكتورة كيارا ليوناردي، يُرجى التواصل مع مكتبنا الفرعي الإيطالي مباشرةً عبر البريد الإلكتروني: info.niv@NETZSCH.com