المراقبة الصوتية – هل هي المفتاح لتسويق التصنيع الإضافي القائم على الليزر؟

سوق التصنيع الإضافي في تزايد. كما تشير تقديرات أبحاث الصناعة، من المتوقع أن يتوسع السوق العالمي للتصنيع الإضافي للمعادن والبوليمرات، الذي بلغت قيمته 7.17 مليار يورو في عام 2020، إلى 19.23 مليار يورو بحلول عام 2026. تشير هذه المسار النمو إلى زيادة تقريبًا ثلاثة أضعاف خلال ست سنوات.

تستفيد مجموعة متنوعة من الصناعات من التصنيع الإضافي لتحقيق أهدافها الإنتاجية. وعلى وجه الخصوص، تشير التقارير إلى أن قطاعات الطيران، والتوربينات، والطائرات المروحية تتصدر المشهد، حيث تشغل الحصة الأكبر. يتبعها عن كثب تبني كبير داخل الصناعة الطبية.

مع تزايد حجم السوق وتوسّع نطاق التطبيقات باستمرار، تنوع التصنيع الإضافي بشكل كبير، سواء من حيث الشكل أو القابلية للتطبيق. أحد التطورات الملحوظة في هذا المجال هو التصنيع الإضافي القائم على الليزر. في الأقسام التالية، سنستعرض إمكاناته التجارية والدور المهم الذي قد تلعبه المراقبة الصوتية في تطبيقه الناجح.

ومع ذلك، قبل الغوص في هذه الجوانب بعمق أكبر، من المهم أولاً فهم ما يتضمنه التصنيع الإضافي القائم على الليزر فعليًا.

ما هو التصنيع الإضافي القائم على الليزر؟

يعرّف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لإدارة الأعمال التصنيع الإضافي بأنه “عملية إنشاء جسم عن طريق بنائه طبقة بطبقة. وهو عكس التصنيع الطردي، حيث يُنشأ الجسم عن طريق قطع كتلة صلبة من المادة حتى يكتمل المنتج النهائي.”

وفقًا للتعريف، قد يعني التصنيع الإضافي أي عملية لإنشاء منتج عن طريق بناء شيء ما. لكن عمليًا، يشير إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد.

إذا نظرنا إلى تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد، فقد بدأ في عام 1977 عندما حصل وين كيلي سوينسون على براءة اختراع لاستخدام الليزر المستهدف على صينية مغمورة في بلاستيك سائل، مما أدى إلى دمج طبقة من البلاستيك الصلب في الأعلى. في عام 1999، قام باحثو معهد وايك فورست للطب التجديدي بطباعة مثانة ثلاثية الأبعاد. وكانت أول عضو مطبوع ثلاثيًا في تاريخ البشرية. ظهرت أول أثاث وظيفي مطبوع ثلاثيًا في عام 2005. واستخدام صناعي أوسع نطاقًا للطباعة ثلاثية الأبعاد كان عندما أطلقت شركة بوينغ أجزاءً من التيتانيوم مطبوعة ثلاثيًا ومُعتمدة من إدارة الطيران الفيدرالية للطائرة 787 دريملاينر.

منذ بداية التصنيع الإضافي، كان الليزر عنصرًا حيويًا. نظام الليزر أوروبا، وهي منشورة مقرها كامبريدجشير مخصصة للمُدمجين ومستخدمي أنظمة الليزر الصناعية لمعالجة المواد، تُعرّف التصنيع الإضافي بالليزر بأنه عملية يتم فيها “استخدام شعاع الليزر لدمج أو صهر طبقات متتالية من السلك أو مسحوق المادة معًا لإنشاء جسم ثلاثي الأبعاد.”

تُطبق التقنية على مجموعة من المواد، بما في ذلك سبائك المعادن عالية القوة، والمواد الحرارية البلاستيكية، والراتنجات. وهي قادرة على إنشاء أشكال معقدة بدقة عالية.

مع تقدم التكنولوجيا، من المتوقع أن يلعب الليزر دورًا حيويًا في تشكيل مستقبلنا. يمكن العثور على تطبيقاته على نطاق واسع في مجالات الاتصالات، والدفاع، والصحة، والطاقة النظيفة/الاندماج النووي، وغيرها. نفس الأمر ينطبق على التصنيع الإضافي القائم على الليزر، حيث يتمتع أيضًا بتطبيقات متنوعة والعديد من المزايا.

انقر هنا لتعرف كيف سيلعب الليزر دورًا محوريًا في العقود القادمة مع تقدم التكنولوجيا.

أنواع ومزايا التصنيع الإضافي القائم على الليزر

يمكن أن يكون التصنيع الإضافي القائم على الليزر من أنواع مختلفة، بما في ذلك دمج سرير المسحوق، الإيداع المباشر للطاقة، رش المادة، صق الورق، وتكنولوجيا الاستريوليثوغرافيا.

إحدى أبرز مزاياه تكمن في قدرته على المساعدة في إنشاء هياكل معقدة ذات هندسة محسّنة. تفشل التقنيات التقليدية للتصنيع الإضافي في تحقيق هذا المستوى من الدقة.

الدقة التي يقدمها التصنيع الإضافي القائم على الليزر تساعد في تقليل الحاجة إلى المعالجة اللاحقة. كما يقلل من هدر المواد إلى الحد الأدنى ويخفض استهلاك الطاقة بشكل كبير مقارنةً بما تتطلبه عمليات التصنيع التقليدية.

عمليات التصنيع الإضافي القائم على الليزر سهلة الأتمتة والتخصيص وفقًا للحاجة الدقيقة. تتحد خصائص الدقة والقابلية للأتمتة لتصبح حلاً فعالًا للنمذجة السريعة بتكلفة أقل بكثير.

نظرًا لأن التصنيع الإضافي القائم على الليزر لا يتطلب التجميع، يمكن إنشاؤه وفقًا للطلب بدقة، حيث يستخدم العملية فقط المواد الضرورية دون أي فائض أو هدر. كما يفيد بيئتنا من خلال تقليل البصمة الكربونية الناتجة عن اللوجستيات والنقل وجهود إدارة النفايات.

مجالات تطبيق التصنيع الإضافي القائم على الليزر

تتمتع تطبيقات التصنيع الإضافي بالليزر بنطاق واسع. على سبيل المثال، في صناعة الطيران، يلعب دورًا أساسيًا في إنشاء أجزاء ذات أداء عالي وخفة وزن. تمتد فوائد هذه التقنية إلى صناعة السيارات أيضًا، حيث تُستخدم لإنتاج مكونات أساسية للمحركات، وناقلات الحركة، وأنظمة العادم، والفرامل.

بالإضافة إلى ذلك، يلعب التصنيع الإضافي بالليزر دورًا مهمًا في الرعاية الصحية، خصوصًا في تصميم حلول مخصصة للمرضى. يشمل ذلك مجموعة من حلول الأطراف الصناعية مثل زرعات الفخذ والركبة وزرعات الأسنان.

في مجال الإلكترونيات، تُستغل دقة التصنيع الإضافي بالليزر لإنشاء لوحات دوائر مطبوعة عالية الدقة. تتيح هذه الدقة إنتاج منتجات إلكترونية بميزات أدق، بما في ذلك الهوائيات، وأجهزة الاستشعار، والترانزستورات.

كما يتضح إمكانات التقنية في تطبيقها في تصنيع الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS). حيث تُسهل إنشاء مكونات معقدة مثل مقياس التسارع ومقاييس الجيروسكوب.

في قطاع الطاقة، يُثبت التصنيع الإضافي بالليزر فائدته في إصلاح أجزاء توربينات الغاز والرياح. كما يلعب دورًا حيويًا في تصنيع مكونات مثل الدوار، والصمامات، ومبادلات الحرارة. ولكن على الرغم من الإمكانات المتعددة الاستخدامات للتصنيع الإضافي بالليزر، لم يتم تجارته بشكل كافٍ بعد.

التصنيع الإضافي بالليزر: نقص في التسويق

تناولت دراسة عام 2016 التحليل التجريبي لمستويات تسويق التصنيع الإضافي بالليزر. وقدّرت هذه الدراسة حجم السوق العالمي لليزر الصناعي، بما يشمل جميع مصادر الليزر، بحوالي US$3.3 مليار. وفي داخل هذا السوق الواسع، مثلت مصادر الليزر الإضافية جزءًا لا يتجاوز US$100 مليون. من حيث النسبة المئوية، شكلت مصادر الليزر مجرد 3٪ من القيمة الإجمالية للسوق.

يمكن أيضًا corroborate الأرقام بمعلومات نوعية تم الحصول عليها من مصادر الصناعة. على سبيل المثال، في صناعة الطيران، حافظت البيئة التنظيمية على حصر استخدام التصنيع الإضافي بالليزر إلى حد كبير في النماذج الأولية ولم يُسمح بنشره في الطائرات التجارية. وبالمثل، في صناعة السيارات، بدأ الاستخدام المعتمد لأجزاء التصنيع الإضافي بالليزر مؤخرًا فقط.

لذلك، سيعتمد النمو المرتقب للتصنيع الإضافي بالليزر على إيجاد تطبيقاته في الصناعات الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك، سيتطلب ذلك دفعًا بالابتكارات، لتوضيح إمكاناته بشكل أوضح من ذي قبل.

المراقبة الصوتية: عامل تغيير قواعد اللعبة للتصنيع الإضافي بالليزر

أحد الأسباب الرئيسية لعدم اكتساب التصنيع الإضافي القائم على الليزر الزخم الذي يمكن أن يحصل عليه مرتبط بتحدي العيوب غير المتوقعة. غالبًا ما لا يمكن اكتشاف هذه العيوب بالطرق التقليدية، مثل التصوير الحراري وخوارزميات التعلم الآلي.

لذلك، فإن القدرة على اكتشاف العيوب بفعالية وفي الوقت الحقيقي أمر حاسم. يمكن لهذه القدرة أن تساعد بشكل كبير التصنيع الإضافي بالليزر في تحقيق إمكاناته التجارية الحقيقية.

لتوضيح ذلك بإيجاز، تعتمد طريقة المراقبة الصوتية لاكتشاف العيوب في التصنيع الإضافي بالليزر على حل في الوقت الحقيقي يعمل على الفرق في الصوت الذي يصدره الطابعة أثناء طباعة مثالية وطباعة تحتوي على عيوب وشذوذ.

“تؤكد أبحاثنا ليس فقط صلتها بل وتبرز أيضًا تفوقها على الطرق التقليدية.”

العملية فعّالة من حيث التكلفة، خاصةً عندما يتعلق الأمر بتحسين جودة المنتجات المصنوعة عبر دمج سرير مسحوق الليزر (LPBF). في عملية دمج سرير مسحوق الليزر، يتم توزيع طبقة من المسحوق على منصة البناء. ثم يُستخدم شعاع الليزر لصهر المسحوق انتقائيًا في مناطق محددة. بعد اكتمال الدمج وتكوين جسم صلب، تُوزع طبقة جديدة من المسحوق فوقه لتكرار العملية. يستمر هذا التكرار الطبقة بطبقة حتى يتم الحصول على المنتج النهائي.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.

تقنية اكتشاف العيوب عبر المراقبة الصوتية

صمم فريق EPFL التقنية بالتعاون مع معهد بول شيرر (PSI) ومختبرات سويسرا الفدرالية للعلوم والتكنولوجيا (Empa).

لتحقيق هدفهم، وضع الفريق ميكروفونات فائقة الحساسية داخل حجرة الطباعة. ساعدت هذه الميكروفونات في تحديد التحولات المميزة في الإشارة الصوتية أثناء تغيّر الأنظمة، وفي النهاية، ساهمت في تحديد عيوب التصنيع.

أضفت الأبحاث قيمة إلى مجال التصنيع الإضافي بالليزر، حيث يعتقد الباحثون أن نتائجهم ستؤثر بشكل كبير على تطبيقات التصنيع الإضافي بالليزر الصناعية، بما في ذلك مجالات الطيران والتصنيع الدقيق.

مع التفكير في الأبعاد الأوسع، تقدم العديد من الشركات العاملة في التصنيع الإضافي بالليزر مجموعة متنوعة من المنتجات والحلول. الآن، تستعد هذه الشركات لاستكشاف الدراسة بشكل أعمق لتكامل الفوائد في عملياتها. وفي الأقسام التالية، سنستعرض بعض اللاعبين المبتكرين والرائدين في مجال التصنيع الإضافي بالليزر.

أهم الشركات التي تسوق التصنيع الإضافي القائم على الليزر

#1. IPG Photonics Corporation

يستخدم عمليتا التصنيع الإضافي بالليزر من IPG الليزرين التاليين: LMD أو إيداع المعدن بالليزر وSLM أو الصهر الانتقائي بالليزر. بينما يُعد SLM أداة أساسية لإنتاج أجزاء معدنية ذات كثافة كاملة مع تحسين الخصائص الميكانيكية، يستخدم عملية LMD فوهة لتغذية المسحوق بشكل محوري إلى نقطة تركيز الليزر، مما يُسهل إنتاج مكونات معدنية وظيفية ذات كثافة كاملة.

في تحسين هذه العمليات، تلعب ألياف الليزر من IPG دورًا حيويًا. فهي أساسية في تطوير الأنظمة والعمليات التي تحقق تراكم مسحوق أسرع أو معدلات إيداع مسحوق أعلى، خاصةً عند مستويات طاقة متعددة الكيلوواط.

نطاق المواد المتوافقة مع عملية التصنيع الإضافي بالليزر من IPG متنوع بشكل ملحوظ، بما في ذلك، ولكن لا يقتصر على:

• البوليمرات
• CoCr
• الألمنيوم
• سبائك التيتانيوم
• الفولاذ المقاوم للصدأ
• فولاذ الأدوات

مظهرًا نجاح هذه التطورات التقنية، أبلغت شركة IPG Photonics Corporation (IPGP ) عن نتائج مالية قوية للسنة المنتهية في 31 ديسمبر 2022. سجلت الشركة إيرادات تجاوزت US$1.4 مليار، مع صافي دخل يُعزى إلى IPG Photonics Corporation لكل سهم عادي (أساسي) قدره US$2.17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI) 

مُزود حلول التصنيع الإضافي بالليزر المبتكر، LMI، يعمل برؤية جعل التقنية متاحة للشركات من جميع الأنواع والأحجام.

منتجه الرائد، Alpha 140، يستخدم ليزر ألياف مبرد بالهواء بقدرة 200 واط، وهو متوافق مع معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك النيكل، وسبائك فولاذ الأدوات، وسبائك الألمنيوم. يساعد قطر تركيزه البالغ 140 µم في إنتاج مخرجات دقيقة بتفاصيل دقيقة وجدران رقيقة. يساعد نظام المحور المدفوع بالمغزل في الحصول على تموضع عالي ودقة تكرار.

أبعاد النظام 1.75م × 0.95م تسمح بكفاءة استغلال المساحة في البيئات وكذلك المختبرات البحثية. المكونات المنتجة بواسطة Alpha 140 قابلة للمقارنة مع تلك المنتجة بواسطة آلات LPBF التقليدية من حيث القوة والكثافة.

تأسست LMI في عام 1996، وفي عام 2020، أبرمت تعاونًا مع Kurtz Ersa، شركة تصنيع آلات تقدم أيضًا حلول التصنيع الإضافي للصناعات مثل السيارات، والطب، والطيران، لتسويق Alpha 140 عبر شبكة توزيع Kurtz Ersa العالمية مع خدمة على مدار 24 ساعة.

#3. Prima Additive 

Prima Additive، فرع من Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa، يقدم حلول دمج سرير مسحوق الليزر (LPBF) أو الصهر الانتقائي بالليزر التي تستفيد من الطاقة الحرارية للليزر لدمج جزء من الجسم بطبقة من مسحوق معدني.

تثبت حلول الليزر من Prima Additive فعاليتها عند العمل على هندسات معقدة، وأنظمة إنتاج دفعات صغيرة، والنماذج الأولية. لديها خمس حلول في المجموع.

يُعد Print Sharp 150 فعالًا في تطبيقات البحث والتطوير لمعالجة مجموعة متنوعة من المواد، مثل الفولاذ، والألمنيوم، والنيكل، والتيتانيوم، وسبائك الكوبالت والكروم.

بالانتقال إلى نموذج آخر، يتميز Print Genius 150 بتعددية تقنيته متعددة الليزر. بالمقابل، يستخدم نموذج Print Green 150 ليزرًا أخضر، وهو مفيد بشكل خاص لمعالجة النحاس النقي، وسبائك النحاس، والمواد ذات الانعكاس العالي.

وبالنسبة للعمليات ذات النطاق الأكبر، يتناسب حل عائلة 300 بشكل مثالي. تم تصميمه لسيناريوهات الإنتاجية العالية وهو مثالي لتصنيع مكونات متوسطة وكبيرة الحجم.

أخيرًا، يقدم Print Genius 400 خيارًا مؤتمتًا للغاية لإنتاج مكونات كبيرة يصل ارتفاعها إلى 1 متر.

من حيث الإيرادات، سجلت شركة Prima Industries Spa، الشركة الأم لـ Prima Additive، إيراد صافي يزيد عن 327 مليون يورو للفترة التسعة أشهر المنتهية في 30 سبتمبر 2022. كان هذا زيادة ملحوظة مقارنةً بالإيراد الذي تجاوز 281 مليون يورو للفترة التسعة أشهر المنتهية في 30 سبتمبر 2021.

مستقبل التصنيع الإضافي بالليزر مع المراقبة الصوتية وأكثر

مع استمرار الابتكارات، لا يُعد سوى مسألة وقت قبل أن يصل التصنيع الإضافي بالليزر إلى إمكاناته التجارية الحقيقية. في هذه الأثناء، تتدخل المراقبة الصوتية كأداة حاسمة. ستساهم هذه التقنية في جعل تقنيات التصنيع أكثر اتساقًا. من خلال اكتشاف العيوب مبكرًا وتسهيل تصحيحها، فإنها تستعد لتعزيز جودة المنتج بشكل كبير في المستقبل القريب.