مقدمة في عمليات التصنيع

• تم إعداد هذه الملاحظات الدراسية بواسطة الدكتور حمدي ندا.
• تتناول المحاضرة 1-2 مقدمة ونظرة عامة على التصنيع.

أهداف المقرر

• التأكيد على أهمية علوم التصنيع في الحياة اليومية.
• دراسة عمليات التصنيع الأساسية والأدوات المستخدمة.
• فهم عمليات التصنيع التقليدية مثل الصب، تشكيل المعادن، اللحام، وعمليات التشغيل.

مخرجات المقرر

• قدرة الطالب على اختيار عمليات التصنيع المناسبة لتصنيع المنتجات على النحو الأمثل.

• قدرة الطالب على التوصية بالتصميم المناسب لنظم البوابات، عمليات التشكيل، عمليات اللحام، وتقنية الاختبار غير المتلف (NDT).

• تطوير عمليات تصنيع مبسطة بهدف تقليل التكلفة واليد العاملة.

• القدرة على تحديد/التحكم في معايير العملية المناسبة، والعيوب المحتملة لعمليات التصنيع وازالتها.

• ستناقَش عمليات التصنيع من خلال ثلاثة أسئلة رئيسية.

• ما هو التصنيع، مع مصطلحات جديدة مثل كمية الإنتاج، وتنوع المنتجات، والقدرة التصنيعية، ونظم الإنتاج.

• كم عدد أنواع المواد المستخدمة في التصنيع وما هي.

• ما هي عمليات التصنيع الرئيسية، وما هي تصنيفات عمليات التصنيع.

التصنيع - الأهمية التكنولوجية

• التكنولوجيا هي تطبيق العلم لتوفير احتياجات المجتمع وأفراده.
• توفر التكنولوجيا المنتجات التي تساعد المجتمع وأفراده على العيش بشكل أفضل.
• هذه المنتجات جميعها مصنعة.
• التصنيع هو تطبيق التكنولوجيا لإنتاج منتجات ذات قيمة متزايدة.
• ترجمة: "تُعد التكنولوجيا تطبيقًا للعلوم المستخدمة لحل المشكلات التي تهم البشرية."

التصنيع - الأهمية الاقتصادية

• التصنيع هو إحدى الطرق التي تخلق بها الدول الثروة المادية.
• يمثل التصنيع 20٪ من الناتج القومي الإجمالي للاقتصاد الأمريكي.
• قطاع الخدمات (التجزئة والنقل والخدمات المصرفية والاتصالات والتعليم والحكومة) يمثل 70٪.
• الزراعة والمعادن وغيرها تمثل 5٪.
• الإنشاءات والمرافق تمثل 5٪.

ما هو التصنيع؟

• كلمة "manufacture" مشتقة من الكلمتين اللاتينيتين "manus" (يد) و "factus" (صنع)، وتعني "صنع باليد".
• في العصور القديمة، كان "التصنيع" يعني الصنع باليد، ولكن الآن يعني الصنع بالتكنولوجيا، أي المعدات الميكانيكية والأوتوماتيكية.
• يعني التصنيع تحويل المواد إلى عناصر ذات قيمة أكبر من خلال عملية واحدة أو أكثر من عمليات المعالجة و/أو التجميع.
• يضيف التصنيع قيمة إلى المادة عن طريق تغيير شكلها أو خصائصها، أو عن طريق دمجها مع مواد أخرى.
• يعني التصنيع تحويل المواد إلى منتجات ذات قيمة متزايدة.

مواد في التصنيع

• يمكن تصنيف معظم المواد الهندسية إلى واحدة من ثلاث فئات أساسية:
  • المعادن
  • المواد الخزفية
  • البوليمرات
• تختلف كيميائياً.
• تختلف الخصائص الميكانيكية والفيزيائية.
• تؤثر هذه الاختلافات على عمليات التصنيع التي يمكن استخدامها لإنتاج منتجات منها.

عمليات التصنيع

• هناك نوعان أساسيان:
  • عمليات المعالجة: تحويل مادة العمل من حالة اكتمال إلى حالة أكثر تقدماً
    • العمليات التي تغير الشكل الهندسي أو الخصائص أو المظهر للمادة الأولية.
  • عمليات التجميع: ربط مكونين أو أكثر لإنشاء كيان جديد.

تصنيف عمليات التصنيع

• عمليات التشكيل: تغيير شكل المادة الأولية.
• عمليات تعزيز الخصائص: تحسين الخصائص الفيزيائية دون تغيير الشكل.
• عمليات معالجة السطح: لتنظيف أو معالجة أو طلاء أو ترسيب مواد على السطح الخارجي للقطعة.

عمليات التشكيل - أربع فئات

• التسخين السائل أو شبه السائل هو المادة الأولية في عمليات التصلب.
• تتكون المادة الأولية في العمليات الجزئية من مساحيق.
• المادة الأولية في عمليات التشوه عبارة عن مادة صلبة لينة (عادةً معدن).
• المادة الأولية في عمليات إزالة المواد عبارة عن مادة صلبة مرنة أو هشة.

عمليات التصلب

• يتم تسخين المادة الأولية بدرجة كافية لتحويلها إلى حالة سائلة أو بلاستيكية للغاية.
• أمثلة: صب المعادن، تشكيل البلاستيك.

معالجة الجسيمات

• المواد الأولية عبارة عن مساحيق من المعادن أو السيراميك.
• عادة ما تتضمن الضغط والتلبيد، حيث يتم ضغط المساحيق أولاً ثم تسخينها لربط الجسيمات الفردية.

عمليات التشوه

• يتم تشكيل قطعة العمل الأولية عن طريق تطبيق قوى تتجاوز قوة الخضوع للمادة.
• أمثلة: (أ) الطرق، (ب) البثق.

عمليات إزالة المواد

• تتم إزالة المواد الزائدة من القطعة الأولية بحيث يكون الشكل الهندسي المتبقي هو الشكل الهندسي المطلوب.
• أمثلة: التشغيل مثل الخراطة و التثقيب و التفريز؛ وكذلك التجليخ وعمليات غير تقليدية.

مواد الهندسة

• ستتمكن في نهاية هذا القسم من:
  • تحديد الفئات المختلفة من المواد مع أمثلة.
  • وصف السمات الكيميائية المميزة للمواد المختلفة.
  • تحديد "المواد المتقدمة" وكيف تختلف عن فئات المواد التقليدية.

لماذا يجب أن نعرف عن المواد؟

• لأن مهمة المهندس هي اختيار المواد لتطبيق معين بناءً على هيكل المواد وخصائصها ومعالجتها وأدائها وتكلفتها.
• مثال: مفك البراغي

ماذا يحدث عندما نخطئ؟

• لماذا غرقت تايتانيك في عام 1912؟
• تم بناؤها بصلب خاطئ (يحتوي على نسب مفرطة من الكبريت والفوسفور) التي تخضع لكسر هش في درجة حرارة منخفضة.
• كارثة مكوك الفضاء تشالنجر:
• تسرب الوقود في الصاروخ المعزز بسبب حلقة دائرية. فقدت الحلقة الدائرية مرونتها في درجة حرارة منخفضة.
• كارثة قطار إيشيدي:
• سبب إجهاد المعادن في العجلات.

المواد والحضارة

• تاريخ الحضارة الإنسانية مثل رجل يسير على قدمين: المواد والتصنيع. المواد هي ما يمكن للمرء استخدامه لصنع الأشياء. التصنيع هو ما يمكن للمرء صنعه بالمواد. يتناوب الاثنان لقيادة وتيرة التقدم. في الأيام الأولى من التاريخ البشري، غالباً ما كانت المواد هي العامل المحدد:

  • العصر الحجري: منذ 10000 سنة
  • العصر البرونزي: منذ 3000 سنة
  • العصر الحديدي: منذ 2000 سنة

• بدأت صناعة التصنيع الحديثة منذ حوالي 300 عام مع تطوير التكنولوجيا الحديثة لصناعة الحديد.

التقدم في المواد

• يمكننا الآن الاختيار من بين مجموعة كبيرة من المواد - 40,000-80,000 مادة مختلفة!
• العديد من المواد المتاحة الآن لم تكن موجودة حتى قبل 20 عامًا.
• يمكن قول الشيء نفسه بعد 20 عامًا أخرى.
• فهم بعض هذه المواد وكيفية اختيار مادة وعملية تصنيعها هو أساس هذه الوحدة.

فئات المواد الهندسية

• المعادن
• المواد الخزفية
• البوليمرات
• المواد المركبة

المعادن

• الحديد و الصلب
• الألومنيوم
• النحاس
• التيتانيوم
• النيكل
• الخواص العامة
  • قوية، لينة، موصلة
  • مقاومة للتآكل
  • مقاومة لدرجات الحرارة العالية

فئات المعادن

• سبائك معدنية
• حديدية
• غير حديدية
• الفولاذ
• حديد الزهر
• الكربون
• سبيكة منخفضة
• سبيكة عالية
• حديد رمادي
• حديد عقدي
• حديد أبيض
• حديد مطيل

فولاذ منخفض الكربون

• الكربون < 0.2٪ بالوزن
• يستخدم حيثما تكون المواد اللينة والقابلة للتشكيل مطلوبة
• على سبيل المثال، الأقسام الهيكلية، المسامير، الأسلاك، الأنابيب

فولاذ متوسط الكربون

• الكربون = 0.2 - 0.8٪ بالوزن
• يستخدم حيث تكون القوة الأعلى مطلوبة
• على سبيل المثال، التروس، العضلات، المحاور، القضبان، إلخ.

فولاذ عالي الكربون

• الكربون = 0.8 - 1.2٪ بالوزن
• يستخدم حيث تكون الصلابة العالية مطلوبة
• على سبيل المثال، المطارق، الإزميل، المثاقب، الزنبركات

حديد الزهر

• محتوى C عالي ~ 2-4٪
• درجة انصهار أقل من الفولاذ (أقل ~ 300 درجة مئوية) تجعلها أكثر ملاءمة للصب
• تم تطويره في الصين ~ 500 قبل الميلاد
• لم يستخدم على نطاق واسع في العالم الغربي حتى ~ 1700 وتطوير المحرك البخاري

السيراميك

• مركبات تتكون من عناصر معدنية وغير معدنية.
• في أغلب الأحيان، تكون أكاسيد ونتريدات وكربيدات.
• أمثلة: أكسيد الألومنيوم (أو الألومينا، Al2O3)، ثاني أكسيد السيليكون (أو السيليكا، SiO2)، كربيد السيليكون (SiC)، نيتريد السيليكون (Si3N4)، معادن الطين (أي الخزف)، الأسمنت، والزجاج.
• خصائص عامة
  • صلب وهش للغاية،
  • • مقاومة لدرجات الحرارة العالية والتآكل،
  • عازلة

البوليمرات

• البوليمرات (البلاستيك أو المطاط):
• العديد من البوليمرات عبارة عن مركبات عضوية تعتمد كيميائيًا على الكربون والهيدروجين وعناصر غير معدنية أخرى (O، N، و Si). توجد البوليمرات غير العضوية أيضًا مثل مطاط السيليكون.
• هياكل جزيئية كبيرة جدًا غالبًا ما تكون شبيهة بالسلسلة في الطبيعة.
• الخواص العامة
  • ضعيفة ولينة ولزجة وعازلة،
  • مقاومة للتآكل،
  • خواص درجة الحرارة العالية ضعيفة

المواد المركبة

• المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية
• الألياف الزجاجية (GFRP)
• ألياف الكربون
• الخشب
• العظام
• الخواص العامة
  • نطاق الخواص القابلة للتعديل

اتجاهات المستقبل

• المواد الإلكترونية
• زاد استخدام المواد الإلكترونية مثل السيليكون بسرعة منذ عام 1970.
• من المتوقع أن تلعب المواد الإلكترونية دورًا حيويًا في "مصانع المستقبل".
• سيزداد استخدام أجهزة الكمبيوتر والروبوتات، مما يؤدي إلى نمو واسع النطاق في استخدام المواد الإلكترونية.
• قد يتم استبدال الألومنيوم للوصلات البينية في الدوائر المتكاملة بالنحاس، مما يؤدي إلى توصيل أفضل.

المواد المتقدمة

• أشباه الموصلات:
• لها خصائص كهربائية وسيطة بين الموصلات الكهربائية (المعادن والسبائك المعدنية) والعوازل (السيراميك والبوليمرات).
• أمثلة على ذلك: زرنيخيد الغاليوم والجرمانيوم.
• المواد الحيوية:
• تستخدم كمكونات مزروعة في جسم الإنسان لاستبدال أجزاء الجسم المريضة أو التالفة.
• متوافقة حيويًا - يجب ألا تسبب ردود فعل بيولوجية ضارة.
• يمكن أن تكون معادن أو سيراميك أو بوليمرات أو مواد مركبة أو أشباه موصلات.

المواد المتقدمة

• المواد النانوية المصممة هندسيًا:
• تتميز المواد النانوية عادةً بأحجام أقل من 100 نانومتر (1 نانومتر = 10-9 متر).
• في هذه الأبعاد، يمكن للمواد أن تكتسب خصائص جديدة (أي بصرية وميكانيكية وحرارية).
• مثال: الفضة السائبة وجزيئات الفضة النانوية.

اتجاهات المستقبل

• المواد الذكية: تغير خصائصها عن طريق استشعار (محفزات خارجية).
  • سبائك الذاكرة الشكلية: تعود المادة المتوترة إلى شكلها الأصلي فوق درجة حرارة حرجة (في صمامات القلب وتوسيع الشرايين).
    • تُستخدم في صمامات القلب لتوسيع الشرايين.
  • مواد الضغط الكهربي: تنتج مجالًا كهربائيًا عند تعرضها للقوة والعكس صحيح.
    • تُستخدم في المشغلات ومخفضات الاهتزاز.

خصائص المواد

• الأداء:
  • القوة، الموصلية، التفاعل، التآكل، المغناطيسية، إلخ (ميكانيكية، فيزيائية، كيميائية، وظيفية).
• قابلية التشغيل:
  • الشكل، قابلية التشكيل، قابلية اللحام، قابلية التشغيل، إلخ (ميكانيكية، تعدين).
• التكلفة:
  • سعر السوق، التوفر، إلخ.
• المظهر:
  • اللون، الملمس، السطح، التلميع، الجماليات، إلخ.
• البيئة/السلامة:
  • الخطورة القابلية لإعادة التدوير، إلخ.

خصائص المواد

• الخواص الميكانيكية.
• الخواص الميكانيكية مفيدة لتقدير كيفية سلوك الأجزاء عند تعرضها للأحمال الميكانيكية (الإجهادات).
• الخواص تتضمن: القوة، الليونة، الصلادة، المرونة، الصلابة، الزحف، اإلكالل، إلخ.
• الخواص الفيزيائية.
• الخواص الفيزيائية تعرف سلوك المواد في استجابة للقوى الفيزيائية ما عدا القوى الميكانيكية.
• الخواص تتضمن: الكثافة، الحرارة النوعية، درجة االنصهار، التمدد الحراري، التوصيلية، الخواص المغناطيسية.

إختبار الشد

• اختبار مشترك لدراسة علاقات إجهاد–انفعال، وبخاصة المعادن.

• في هذا الاختبار، قوة تشدّ المادة وتطيلها وتقلل من قطرها.

• جمعية (ASTM (American Society for Testing and Materials تحدد تهيئة عينات الاختبار.

اختبار الشد- اجهاد

‫هى مقدرة المادة على مقاومة الخدش‬

• إختبارات الصﻼدة(

. - ‫– والتقييم‬ ،‫ أو المعدنية – سريعة ومﻼئمة للتقييم‬,‫تستخدم لتقييم خواص المادة حيث أنا بسيطة – في تصميم المنتجات و‬ ‫البرى والتغلغل أداة للتحقق من جودة تشطيب السطوح‬

مالحظه أخري مهمه

‫– الختيار‬ ً ‫ متاح العديد من المواصفات القياسية لتنفيذ اختبارات الصﻼدة بشكل صح‬:- ISO / ASTM - ISO- (International Organization for Standardization https://www.iso.org/ ASTM – (American Society for Testing and Materials)