أثر الطباعة 3 على إنتاج قطع معدات التعدين العرفي

دور التحول في الطباعة 3D في إنتاج معدات التعدين العرفي

وتتطلب عمليات التعدين معدات قوية وعلي مستوى الأداء يمكنها تحمل الارتداءات الشديدة والكميات العالية والبيئات القاسية، وقد تم إنتاج قطع الغيار والعناصر التقليدية لعقود من خلال الأساليب الجاهزة التقليدية للتنبؤ، والتربية، والآلات التي كثيرا ما تنطوي على فترات زمنية طويلة، وتكاليف عالية لإجبارية، ومرونة محدودة في التصميم، واليوم، فإن الطباعة )الصناعة الايجابية( تعيد تشكيل الطريقة التي تتبعها شركات التعدين في إنتاج قطع الغيار.

ومع تطور التكنولوجيا، فإن شركات التعدين تعتمد طباعة ٣ دال لكل من الاستبدال الموحد والأجزاء الجمركية العالية التخصص، وهذا التحول ليس فقط بشأن سرعة تحرير مستويات جديدة من الأداء من خلال التصميمات المثلى التي كان من المستحيل في السابق أن تجهز، بل أيضا، نستكشف المزايا الرئيسية، والتطبيقات الحالية، والاعتبارات المادية، والتحديات، والمستقبل المشرق للطباعة ٣ دال في النظام الإيكولوجي لمعدات التعدين.

أهم مزايا التصنيع الإضافي لمعدات التعدين

ويجلب الطباعة 3D عدة فوائد متميزة لصناعة التعدين، التي يعالج الكثير منها بصورة مباشرة نقاط الألم التي طال أمدها في مجال الإمداد بالقطع وموثوقية المعدات.

الطباعة والتصاميم السريعة

تقليدي للطباعة من أجل عرض جديد للتعدين، وهو جهاز مصمم من أجل سحق - يمكن أن يستغرق أسابيع أو أشهر لأنه يتطلب مناديل مخصصة أو برامج من قبل لجنة التفاوض الحكومية الدولية، حيث يمكن للمهندسين أن ينتقلوا من نموذج للمسح التصويري للأشعة السينية إلى نموذج أولي في ساعات أو أيام، وهذه الدورة المعجلة تتيح التحقق من سرعة التصميم، واختبار الإجهاد، والتحسين قبل الالتزام بالانتاج الجماعي.

خفض تكاليف القطع ذات الحجم المنخفض والزمن

وهناك حاجة إلى العديد من مكونات التعدين بكميات صغيرة نسبيا، على سبيل المثال، لضخ مضخة متخصصة في تركيبة معينة من المناجم، إذ يتطلب التصنيع التقليدي وجود قلوب باهظة الثمن أو موت أو استخدام أدوات متخصصة لا تصبح اقتصادية إلا بكميات عالية.

Complex Geometries for Enhanced Performance

كما أن مضخات التصنيع المضافة في إنتاج الجيولوجيا التي يصعب أو يتعذر إنتاجها باستخدام القنوات الداخلية، وهياكل التذاكر، والشكل العضوي، والملامح المتكاملة، ويعني ذلك بالنسبة لمعدات التعدين أن الأجزاء يمكن تصميمها باستخدام التدفق الأمثل للسائل (مثلاً، مضخات الفلور)، أو انخفاض الوزن دون تخريب القوة (مثلاً، الأقواس الهيكلية)، أو تحسين التفكك الحراري (مثلاً).

الإنتاج المحلي والحد من أوقات الرصاص

وكثيرا ما تقع الألغام في مناطق نائية بعيدة عن سلاسل الإمداد الصناعية، فالمخزون من كل جزء إضافي ممكن غير عملي، وأسبوعان انتظار لاستبدال من مستودع مركزي يكلف آلافا في الساعة أثناء فترات النزول.

حرية التصميم والتعريف حسب ظروف الألغام

ولا يوجد لغمان متطابقان، ولا يوجد تطابق فيهما، ولا يوجد اختلاف واسع في التكوين الكيميائي، ودرجات حرارة التشغيل، وكثيرا ما تمثل الأجزاء المتكافئة من القسيمات حلولا وسطية، حيث يمكن تصميم كل عنصر على نحو يلائم الظروف الدقيقة لمنجم معين، وعلى سبيل المثال يمكن طبع رصيف للملابس لقطعة من الطراز مع كثافة متغيرة في المذيبات، أو إعادة تصميم مكيف للتركيب.

الأثر على قطع معدات التعدين العرفي: من المفهوم إلى الواقع

وتتحول القدرة على إنتاج قطع الغيار بسرعة واقتصادية ثلاثة مجالات حاسمة من عمليات التعدين: إدارة قطع الغيار، وتحقيق الأداء الأمثل للمعدات، والابتكار في مجال الأدوات.

جيم - رقمنة الأجزاء والحد من المخزون

ومن أكثر التطبيقات تأثيرا إنشاء مكتبة لقطع الغيار الرقمية، ويمكن لشركات التعدين أن تفحص أو تخزن القطع الموجودة في إطار نموذج 3D، وتطبعها عند الطلب، مما يقلل من الحاجة إلى إجراء عمليات جرد مادية كبيرة لقطع الغيار البطيئة الحركة أو البالية، وتحرير رأس المال والمستودعات، وقد أعلنت ريو تينتو، على سبيل المثال، أنها تهدف إلى رقمنة آلاف قطع الغيار عبر عملياتها، باستخدام 3D في شكل طريقة إنتاج أولية.

تحقيق الاستخدام الأمثل للأداء من خلال تحقيق التأقلم الأمثل في مجال علم التألق

وتتيح أدوات التصميم الحاسوبي للمهندسين إجراء تحليل للعناصر المحددة وتحقيق الاستخدام الأمثل للجغرافيا من جانب واحد، ثم تصدير مقياس هندسي يكون وزنا خفيفا وقويا هيكليا على حد سواء، وفي التعدين، يكون هذا الأمر ذا قيمة خاصة بالنسبة للمعدات المتنقلة مثل الدلوات المستخرجة، وأجهزة الشاحنات، وعناصر الحفر، وقد أظهرت دراسة حالة من أحد صناعات معدات التعدين الأوروبية أن عناصر التسرب الهيدروليكية المحتملة قد أُعيد تصميمها بنسبة 14 في المائة.

الأدوات والتجديدات العرفية

وفيما عدا أجزاء الاستخدام النهائي، يستخدم الطباعة بواسطة ال ٣ دال على نطاق واسع في أجهزة التنظيف والتجهيزات والمعاونة التجميعية، وكثيرا ما تكون هذه الأدوات لازمة بكميات صغيرة وتستفيد من سرعة التكرار، فعلى سبيل المثال، قد يحتاج فريق صيانة الألغام إلى أداة خاصة للمواءمة من أجل استبدال حاملة للعجلات، وبدلا من اختراقها من الصلب، يمكنها تصميم وطباعة نسخة من البوليمر عالية الارتداد في الساعات.

الإصلاح والتصنيع

كما يستخدم التصنيع الاصطناعي لإصلاح الأجزاء الدودية عن طريق الترسيب الموجه للطاقة، وبدلا من استبدال عنصر باهظ التكلفة بالكامل، يتم تطهير المنطقة الدودة ثم إعادة بناء طبقات معدنية مودعة، وكثيرا ما تكون مقاومة أعلى للملابس، ويمتد هذا النهج من عمر عناصر مثل مقطورات السحق، وأجهزة الطين، وبطانات الجر، وأفاد لغم ذهبي جنوب أفريقيا بأن خامات السعة تبلغ ٧ في المائة.

المواد المستخدمة في الطباعة 3D لتطبيقات التعدين

إن اختيار المواد أمر حاسم بالنسبة لأجزاء التعدين التي يجب أن تتحمل الانتصاب والتأثير والتآكل وارتفاع درجات الحرارة، وفي حين أن التصنيع الإضافي المبكر كان يقتصر على البوليمرات وبعض الفولاذات، فإن النطاق المادي لهذا اليوم آخذ في التوسع بسرعة.

المعادن: الصلب، نيكل، وسبائك التيتانيوم

ويُستخدم الفولاذ غير القابل للصدأ (17-4PH، 316L)، وهو فولاذ للأدوات (H13، M2)، والصلب المنخفض الطحالب (AISI 4140)، في الأجزاء الهيكلية والملابس، كما أن السوائل الميكانيكية مثل إنكون 718 تستخدم في بيئات عالية التزمت والارتباط (مثل مكونات العادم وأدوات الكول).

المليارات والمجمعات

وبالنسبة للأجزاء غير الهيكلية أو التي تحمل بدرجات متوسطة، فإن المزلاجات الحرارية مثل النيل (PA12، PA11) التي تحتوي على ألياف الكربون أو تعزيز الزجاج توفر مقاومة ممتازة للملابس وتقليص الاحتكاك، وتعالج بعض عناصر الأشعة الليزراعية المائلة مثل النيتروز وأجهزة التلقيم المتعدد الأطراف درجات الحرارة العالية والمواد الكيميائية العدوانية وتستخدم هذه المواد في عمليات التثبيت والاختتام والقاذفات.

مواد السيراميات والسيرمت

وفيما يتعلق بمقاومة القذف المفرط، تقوم بعض الشركات باستكشاف الطباعة من 3D السيراميك (مثلا، الألمنيا، الزركونيا)، غير أن التكنولوجيا لا تزال ناشطة بالنسبة لعناصر التعدين الكبيرة، ومن الشائع أن تُطبق المعاطف العنقية (المركبة المحتوية على مادة الميثامتر) على قواعد مطبوعة عن طريق الرش الحراري.

التحديات المادية

ورغم التقدم المحرز، لا تزال هناك قيود مادية، ولا تتوفر جميع السكك الحديدية للتعدين كمسحوق أو مذيبات قابلة للطباعة، إلا أن تحقيق خصائص ميكانيكية متسقة في جميع المباني يتطلب مراقبة صارمة للعمليات، لا سيما بالنسبة للأجزاء الكبيرة المعرضة للإجهاد المتبقّى، ويضيف التجهيز بعد المعالجة (العملاق، والهاء السطحي) التكلفة والزمن، ومع ذلك، فإن كبار موردي البارود مثل ساندفيك، وتكنولوجيا النجار، يضيفون باستمرار جميع البيئات القوية.

التطبيقات العالمية الحقيقية: حيث الطبع 3D يُحدث بالفعل اختلافاً

وقد انتقل عدد من مشغلي التعدين ومنتظمي حركة التعدين إلى ما يتجاوز المشاريع التجريبية إلى التصنيع المضاف على نطاق واسع، وتوضح الأمثلة التالية الأثر العملي للتكنولوجيا.

المضخات والفولط

وتأتي مضخات الصوف في قلب العديد من محطات تجهيز المعادن. وقد أظهرت الرافعات المطبعة من 3D والتي تحتوي على أمثل جيولوجيا نصلية نسبة 10-15 في المائة أعلى من الكفاءة وانخفاض معدلات التحات.() وتقدم شركة " أوتوتك " ( " مقاطع متروتس " ) أجزاء من الأحذية ذات الـ 3D لمضخات تفريغ المطاحن، مدعية حياة أطول بنسبة 20 في المائة من مكافئات الاصطناعية.

Drill Bits and Downhole Tools

ويسمح التنظيف في مستلزمات الصخور الصلبة بقطع قنوات التبريد الداخلية المعقدة، وبإضافة الماس أو الكاربايد الموضع استراتيجياً، ويتيح التصنيع المضافي القائم على الليزر أن يدمج المصممون هذه الملامح في عنصر واحد، ويحسن التبريد وإزالة الرقائق، وقد استخدم بيكر هيوز 3D الطباعة بالنسبة لعناصر الثقوب، مما يقلل من وقت القيادة بنسبة 75 في المائة، ويتيح تصميمات الجديدة التي تحسن معدل التغل بنسبة 12 في سير المحاكمات.

العناصر المحورية

ويتردد في اللبس على المصاريف وأجهزة السحب وأجهزة التنانير، ويستعاض عن منجم كبير في النحاس في شيلي بخطوط المضغ المطاطية الموحدة التي تحتوي على أجزاء متعددة اليوريتان ذات الطباع 3D والتي تتضمن أطقم متكاملة، وتستمر الطوابير الجديدة مرتين في الأجل ويمكن استبدالها بصورة فردية دون إغلاق الموصل بأكمله.

Hydraulic Manifolds and Valves

ويؤدي توحيد كتل الصمامات المتعددة في جزء مطبوع واحد إلى الحد من طرق التسرب والوزن، وقد أظهرت شعبة التصنيع المضافة في كاتربيلر مجموعة من المناشير المطبوعة لجهاز الحفر الذي قلل من عدد الجزء من 12 إلى 4 وقطع وقت التجمع بنسبة 55 في المائة.

معدات وأدوات السلامة العرفية

ويُطبع بسهولة في الموقع أجهزة الأمان الخاصة بالألغام مثل حراس الكابلات، ومكيفات التهوية، ومقابر الأدوات المسببة للثورة، باستخدام طابعات التضمين الترددي، مما يحسن سلامة العمال ويقلل من الحاجة إلى حمل مجموعة واسعة من الأقواس المعهود والحراس.

التحديات والنظر في التبني

وفي حين أن الفوائد واضحة، فإن الاعتماد الواسع النطاق للطباعة بثلاثة دائـم في التعدين يواجه عقبات عديدة يجب أن يعالجها المشغلون، ومنظمة أوغـس، والجهات التنظيمية.

المؤهلات المادية والتشغيلية

وكثيرا ما تعمل معدات التعدين في ظل ظروف بالغة الخطورة وشديدة الأهمية، ومن أجل الحصول على شهادة الاستخدام، يجب أن تستوفي المواد المطبوعة معايير محددة للملكية الميكانيكية (القوة المكثفة، والزرق، والضغط على الكسور) وتستلزم التأهيل اختبارا واسعا ووثائق يمكن أن تبطئ من الاعتماد، وتقوم هيئات صناعية مثل نظام رصد المواد الصناعية (ASTM) والمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس، ولكن العديد من الألغام لا تزال تعتمد على المصادقة الداخلية.

مراقبة الجودة وإعادة التكرار

وعلى عكس الصبغ أو التكوين، فإن الطباعة بثلاثية الأبعاد هي عملية مصممة حسب طبقة كل منها، يمكن أن تستحدث عيوبا مثل السخرية، أو عدم الاندماج، أو الإجهاد المتبقي، وفي عمليات الرصد، والتفتيش بعد التجهيز (المسح التصويري، والاختبار فوق الصوتي)، والتوازن الدقيق للآلات ضروري لضمان الجودة المتسقة، مما يزيد من التكاليف والتعقيد، ولا سيما بالنسبة للعمليات الأصغر حجما.

رأس المال الأولي والاستثمار في التدريب

وتكلف الطابعات الصناعية ذات النطاق الصناعي )لا سيما النظم المعدنية( أي مكان من ٠٠٠ ٢٠٠ دولار إلى أكثر من مليوني دولار، كما يجب أن تُقيم المرافق مناولة الغازات الواقية، وإدارة المسحوق، ومعدات التجهيز بعد انتهاء الخدمة )الفراء الغاشم، وانتهاء الخدمة المدنية الكندية(، كما أن تدريب القوى العاملة يحتاج إلى مهارات كبيرة في التصميم المضاف، وعلم المواد، وصيانة الآلات، ويختار العديد من شركات التعدين العمل مع مكاتب الخدمات الإضافة المتخصصة بدلا من الاستثمار في مجال الصيانة.

الجزء المتعلق بحدود الحجم

ومعظم الطابعات التجارية للمعادن ٣ دال تبنى أحجاما تقل عن متر مكعب، وتتقدم مكونات التعدين الكبيرة - مثل مضرب سحق أو لوحة لأجهزة الشاحنات - لا يمكن طبعها كقطعة واحدة، كما أن البحث في صناعة مضافة كبيرة )مثل صناعة أسلاكية مضافة، وشركة WAAM( يتطور، ولكنه يطرح تحديات مختلفة في الجودة، إذ أن أجزاء كبيرة من هذه القطع كثيرا ما تطبع في قطاعات ذات فوائد.

الشواغل المتعلقة بالملكية الفكرية والتنظيم

ويثير رقمنة ملفات أجزاء أسئلة عن ملكية الملكية الفكرية، فإذا كان لغم يطبع جزءاً بديلاً كان قد صممه أصلاً مكتب عضوي، يكون مسؤولاً إذا فشل الجزء؟ بعض النظم الإيكولوجية ترخص تصميماتها الرقمية، بينما تقيد بعضها الآخر الطباعة بواسطة أطراف ثالثة.() وتشترط الهيئات التنظيمية في بعض الولايات القضائية أن تنتج جهات التصنيع المعتمدة أجزاء أمان حرجة، مما يخلق حواجز أمام الطباعة الداخلية.

المستقبل: العقد المقبل للتصنيع الإضافي في التعدين

ويشير مسار الطباعة بثلاثة دائـم في صناعة التعدين إلى زيادة التكامل في جميع دورة حياة المعدات.

الصناعة التحويلية المختلطة:

وتتوفر الآن أجهزة البناء الآلاتية التي تعمل بالآلات الهجينة والتي تجمع بين الترسيب الليزري والطاحن التقليدي للشركة، ويمكن لهذه الآلات أن تصلح الأجزاء الدودية بإضافة مواد تنهيها إلى التسامح الدقيق في مجموعة واحدة، وهذا أمر يزداد شيوعا لتوسيع حياة المكونات ذات القيمة العالية مثل رؤوس الحفر ومساكن صناديق التروس.

AI —Driven Design for Performance

وسيتيح التصميم التجانسي الذي تُستخدمه الاستخبارات الاصطناعية لمهندسي التعدين إمكانية إدخال متطلبات الأداء (الحجم، ومعدل الارتداء، ومقاومة التآكل) ويُولِّد تلقائياً قياسات جغرافية مُستفحلة، ومع زيادة إمكانية الوصول إلى أدوات آي، فإن عمليات التعدين الصغيرة ستتمكن من تصميم أجزاء مُعَدَّدة تُحدِّد أقصى قدر من القوة وتُقلل إلى أدنى حد من استخدام المواد، وزيادة وفورات تكاليف القيادة.

سلسلة الإمداد الرقمية ومواقع الطباعة على الموقع

وسينضج مفهوم " مستودع رقمي " : إذ ستحتفظ الألغام بمستودع سحابي آمن لملفات جزئية مصدق عليها، وستنشر مطبوعات ثلاثية الأبعاد الموزعة مباشرة في موقع المناجم، ويقوم عدد من صانعي المعدات بالفعل بتصميم " مجموعات " تحتاج إلى الحد الأدنى من التجهيز، مما سيخفف تكاليف الجرد ويجعل الاستجابة السريعة ردا على انهيار الواقع.

الاستدامة والاقتصاد العلماني

فالصناعة المضافة تنتج في جوهرها نفايات أقل من الطرق الاصطناعية، كما أن القدرة على إعادة تصنيع القطع الدودية تقلل من استهلاك المواد الخام، وستؤدي التطورات المقبلة في إعادة تدوير المواد المسحوقية ونظم المواد المغلقة إلى زيادة تخفيض البصمة البيئية، وستتحول شركات التعدين التي تتعرض للضغط للوفاء بأهداف مجموعة المواد الغذائية الإلكترونية إلى الطباعة بثلاثة دال كبديل للإنتاج الأنظف.

بليتات المواد الأشمل

وستفتح البحوث الجارية في مجال طباعة الحديد الأبيض العالي الكهروميوم، وقطع الكاربيديكوبالت، وحتى المواد التي تُعرف بالماس، التطبيقات المخصصة حالياً للميتالورجات الصلبة أو المسحوقية، وعندما تصبح هذه المواد صالحة تجارياً للإضافة، فإن نطاق أجزاء التعدين التي يمكن طبعها سيتوسع بشكل كبير.

الاستنتاج: التكنولوجيا المُتاحة لإعادة تشكيل إنتاج معدات التعدين

والطباعة من جانب شركة 3D ليست أداة عملية للترويج، فهي أداة عملية تحقق بالفعل فوائد قابلة للقياس في مجال الحد من الوقت الأولي، ومرونة التصميم، وتحقيق وفورات في التكاليف التشغيلية في جميع قطاعات صناعة التعدين، وفي حين أن التحديات مثل التصديق المادي، والاستثمار الأولي، والحد من حجم جزء من المشروع، فإن معدل التقدم التكنولوجي يشير إلى أنه سيتغلب عليها تدريجيا.

أما شركات التعدين التي تستثمر الآن في فهم واعتماد صناعة مضافة - سواء من خلال القدرات الداخلية أو الشراكات مع مقدمي الخدمات المتخصصين - فيتعين أن تكون في وضع أفضل للاستجابة لحالات الاضطراب في المستقبل، وتحسين موثوقية المعدات، والحد من تكاليف الملكية الكلية، وتفسح فترة الانتظار لجزء تعديني عادي المجال " لتركيبها اليوم، وتركيبها غدا " ، ومع تطور التكنولوجيا، بل وازدياد سهولة الوصول إليها، فإنها ستصبح دعامة لا غنى عنها في مجالا لإنتاج معدات التعدين.

For further reading on the industrial adoption of additive manufacturing, see the Global Trade Insights report on additive mining], a case study from ]EOS on mining tooling, and the Caterpillar 3D printingحافظ