فرآیند طراحی و مهندسی پروفیل آلومینیوم اختصاصی

طراحی پروفیل آلومینیومی اختصاصی در ایراک، یک فرآیند چندمرحله‌ای است که نیازمند درنظرگرفتن همزمان نیازهای عملکردی قطعه و محدودیت‌های فرآیند تولید (اکستروژن) می‌باشد. مهندسان در این مسیر باید ابتدا مشخصات عملکردی پروفیل را تعریف کرده و سپس شکل مقطع، آلیاژ مناسب و جزئیات ابعادی را بهینه‌سازی کنند. در ادامه مراحل کلیدی و ملاحظات مهندسی در طراحی پروفیل سفارشی را بررسی می‌کنیم.

در مجموع، فرآیند طراحی پروفیل سفارشی ترکیبی از خلاقیت در پاسخ‌گویی به نیاز عملکردی و واقع‌بینی در قابلیت ساخت است. بهترین نتایج هنگامی به‌دست می‌آید که طراحان و مهندسان در همکاری نزدیک با تولیدکنندگان اکستروژن، یک طرح بهینه و عملی را رقم بزنند​.

این تعامل از مراحل ابتدایی تضمین می‌کند که پروفیل نهایی نه تنها وظایف مورد نظر را به خوبی انجام دهد، بلکه به شکل اقتصادی و با کیفیت قابل تکرار تولید شود.

‌‎‏

‌‎ 

مراحل اصلی در طراحی پروفیل سفارشی

1- تعریف نیازمندی‌ها و عملکرد:

گام نخست، شناسایی کاربرد پروفیل و بارها یا شرایط کاری آن است. برای مثال، پروفیلی که به عنوان شاسی دستگاه عمل می‌کند باید استحکام و صلبیت کافی داشته باشد؛ یا پروفیل یک هیت‌سینک باید سطح تبادل حرارتی بالا و امکان جریان هوا داشته باشد. مهندس طراح باید معیارهایی چون مقاومت مکانیکی مورد نیاز، حد وزن مجاز، الزامات حرارتی یا الکتریکی، شرایط محیطی (رطوبت، خوردگی)، و الزامات زیبایی‌شناسی را فهرست کند.

‌‎ ‌‎

2- انتخاب آلیاژ آلومینیوم مناسب:

انتخاب آلیاژ به نیازهای پروژه وابسته است و بر قابلیت اکستروژن و خواص نهایی اثر دارد​

• آلیاژهای آلومینیوم طیفی از سری 1XXX تا 7XXX دارند که هر یک ترکیبی از استحکام، شکل‌پذیری، مقاومت خوردگی، قابلیت عملیات حرارتی و جوش‌پذیری متفاوت ارائه می‌کنند. برای مثال، سری 6XXX (مثل 6063 و 6061) بسیار پرکاربرد است چون تعادل خوبی بین استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت خوردگی دارد و قابل عملیات حرارتی و جوشکاری است​
  
• آلیاژهای سری 7XXX و 2XXX استحکام بالاتری دارند ولی اکستروژن آن‌ها دشوارتر و مقاومت خوردگی‌شان کمتر است و معمولاً در کاربردهای هوافضا یا خودرویی خاص به کار می‌روند​
  
• در مقابل، سری 5XXX برای مقاومت عالی در برابر خوردگی (مثلاً محیط‌های دریایی) مناسب است اما قابل عملیات حرارتی نیست​

انتخاب صحیح آلیاژ از همان ابتدا، بسیاری از مشکلات تولید و کیفیت را کاهش می‌دهد​

‌‎ ‌‎

 ‌‎

3- طراحی مقطع پروفیل (طراحی هندسی):

مهندس بر اساس نیازمندی‌ها، شکل مقطع را در نرم‌افزار CAD ترسیم می‌کند. در این مرحله باید ملاحظات ساخت‌پذیری اکستروژن لحاظ شود. قوانین طراحی برای اکستروژن آلومینیوم عبارت‌اند از:

• ضخامت دیواره‌ها حتی‌الامکان یکنواخت باشد. دیواره‌های بسیار نازک در کنار ضخامت‌های زیاد مشکلات جریان ماده ایجاد می‌کند.
  
• از ایجاد زبانه‌های بلند و باریک (Tongue) پرهیز شود. نسبت‌های طول به عرض بزرگ در بخش‌های نازک مقطع (مثل پره‌های خیلی عمیق) ممکن است عملی نباشد​
  
• تقارن و تعادل در مقطع رعایت شود. مقاطع متقارن یا دارای توزیع جرم یکنواخت، بهتر و با تاب کمتر اکسترود می‌شوند​
  
• وجود گوشه‌ها و لبه‌های تیز را به حداقل رسانده و ترجیحاً فیلت یا پخ در نظر گرفته شود. گوشه‌های گرد جریان ماده را روان‌تر می‌کند و استحکام موضعی را بهبود می‌بخشد.
  
• استفاده از تقویت‌کننده‌ها (Rib) و وب‌ها در صورت نیاز. اگر بخشی از پروفیل سطح بزرگ و نازک دارد، افزودن ریب داخلی می‌تواند استحکام را بالا ببرد و تغییرشکل را کم کند​
  
• ابعاد کلی مقطع در حد توان پرس باشد. هر پروفیل را می‌توان در کوچک‌ترین دایره محیطی (CCD) محصور کرد. معمولاً پروفیل‌های با قطر محیطی تا حدود ۲۰۰ میلی‌متر (۸ اینچ) اقتصادی‌ترند، هرچند پرس‌های بسیار بزرگ تا قطر ۸۰۰ میلی‌متر هم موجودند. طراحی اگر در محدوده ابعادی رایج باشد، هزینه تولید کاهش می‌یابد.
  

مهندس طراح ممکن است چندین نسخهٔ اولیه از مقطع را ترسیم و با تحلیل اجزا (FEA) استحکام آنها را ارزیابی کند یا با نرم‌افزارهای شبیه‌سازی اکستروژن، جریان ماده در قالب را بسنجد. در این مرحله تعامل نزدیک با تأمین‌کننده اکستروژن (کارخانه) بسیار مفید است تا نظرات کارشناسان تولید نیز اعمال شود​

‌‎ ‌‎

‌‎

4- ساخت قالب اکستروژن و آزمون نمونه:

پس از نهایی شدن طراحی CAD، نقشه‌های ساخت قالب آماده می‌شود. قالب‌های اکستروژن عموماً از فولاد ابزار مقاوم به گرما ساخته می‌شوند. اگر پروفیل توخالی طراحی شده باشد، قالب به صورت ترکیبی (حاوی ماندرل برای ایجاد حفره داخلی) خواهد بود که ساخت آن پیچیده‌تر است​

• هزینه ساخت قالب‌های سفارشی یکی از اجزای اصلی هزینه توسعه است و معمولاً برای پروفیل‌های کوچک و متوسط، هزینه‌ای قابل‌توجه اما یکباره محسوب می‌شود​. به عنوان مثال، هرچه هندسه مقطع پیچیده‌تر باشد، زمان و دقت بیشتری برای ساخت قالب نیاز است و هزینه بالاتر می‌رود​
  
• پس از آماده شدن قالب، عملیات اکستروژن آزمایشی با یک بیلت آلومینیوم انجام می‌شود تا کیفیت مقطع تولیدی ارزیابی گردد. در این مرحله معمولاً برخی اصلاحات قالب یا پارامترهای فرآیند (دما، سرعت پرس، روان‌ساز) لازم می‌شود تا پروفیل نهایی بدون عیب (تاب برداشتگی، ترک گرم، خطوط سطحی و …) حاصل شود. مشارکت دادن تولیدکننده اکستروژن از مراحل ابتدای طراحی، کمک می‌کند این آزمون‌ها سریع‌تر به نتیجه برسند​

‌‎

‌‎

۵. تولید انبوه و کنترل کیفیت:

با تکمیل مراحل طراحی و تأیید نمونه‌ها، تولید انبوه آغاز می‌شود. در حین تولید، نظارت بر کیفیت ابعادی (با گیج‌ها و پروفیل‌سنج‌ها) و خواص مکانیکی (با آزمایش کشش و سختی بعد از عملیات حرارتی) اهمیت دارد تا اطمینان حاصل شود تمام قطعات تولیدی با مشخصات طراحی همخوانی دارند. ممکن است برای حصول خواص نهایی، پروفیل‌های اکسترود‌شده تحت عملیات حرارتی (مانند T6) یا فرآیندهای تکمیلی (ساده‌سازی، برش به طول، سوراخ‌کاری و …) قرار گیرند. همه این مراحل باید در طرح اولیه پیش‌بینی شده باشند.

‌‎

‌‎

ملاحظات فنی و بهینه‌سازی در طراحی

طراحی پروفیل سفارشی یک فرآیند تعامل‌محور بین الزامات طراحی و محدودیت‌های ساخت است. از دیدگاه مهندسی، نکات زیر حائز اهمیت‌اند:

• طراحی برای تولید‌پذیری (DFM): به معنای اعمال محدودیت‌های فرآیند اکستروژن در مرحله طراحی است. برای نمونه، اگر پروفیلی دارای بخش‌های بسیار نازک و حساس باشد، ممکن است در حین اکستروژن پاره یا چروک شود. بنابراین بهتر است آن بخش‌ها کمی ضخیم‌تر یا با پره‌های تقویتی طراحی شوند. این گونه تغییرات جزئی می‌تواند اکسترود پذیری (Extrudability) طرح را بسیار بالا ببرد
  
• انتخاب تلرانس‌ها و کیفیت سطح: در طراحی باید مشخص شود کدام ابعاد نیاز به دقت بالایی دارند تا بر آن اساس قالب با تلرانس مناسب ساخته شود. استانداردهای انجمن آلومینیوم تلرانس‌های قابل حصول را برای ابعاد مختلف پروفیل‌های اکسترود‌شده تعیین کرده‌اند (مثلاً برای عرض‌های مشخص، ±۰٫۲ میلی‌متر و …). همچنین کیفیت سطح پروفیل (سطح آنودایز‌شده تزئینی یا سطح صنعتی معمولی) بر طراحی اثر دارد؛ زیرا هرچه کیفیت سطح بالاتری نیاز باشد، باید از ویژگی‌هایی که عیوب سطحی را تشدید می‌کنند (مثل لبه‌های تیز یا تغییر مقطع ناگهانی) پرهیز کرد.
  
• پیش‌بینی رفتار پس از اکستروژن: پروفیل اکسترود‌شده ممکن است پس از خروج از قالب تا حدی تاب بردارد یا تغییر ابعاد دهد. مهندس باید امکان عملیات‌های اصلاحی نظیر کشش-راستکاری (Stretching) را در نظر بگیرد. همچنین انقباض ناشی از عملیات حرارتی باید در ابعاد طراحی جبران شود. تجربه تولیدکننده در این زمینه راهگشاست.
  
• مقرون‌به‌صرفه بودن طراحی: هر ویژگی اضافی در مقطع (مثل شیارهای بسیار ریز یا سوراخ‌های خاص) می‌تواند باعث پیچیدگی قالب و افزایش هزینه شود​. طراح باید همواره بسنجد که آیا آن جزئیات برای عملکرد نهایی ضروری هستند یا می‌توان با ساده‌سازی شکل، تولید را آسان‌تر و ارزان‌تر کرد.
  
• مدیریت هزینه در طراحی پروفیل سفارشی بسیار مهم است، چرا که علاوه بر هزینه ساخت قالب، قیمت تمام‌شده هر کیلوگرم پروفیل نیز وابسته به طرح است (طرح‌های پیچیده ممکن است نرخ ضایعات بالاتر و سرعت پرس کمتر داشته باشند).
  

‌‎

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.