مراقبة عمليات التصنيع باستخدام استشعار المقاومة المغناطيسية

تؤدي التطورات المتزايدة لعمليات التصنيع المضافة إلى زيادة الاهتمام بإمكانيات وطرق مراقبة العمليات ذات الصلة، بحيث تضمن هذه الأساليب تحسين جودة العملية وزيادة فهم عملية التصنيع، والتي بدورها هي الأساس لجودة المكونات المستقرة، على سبيل المثال تلك المطلوبة في صناعة الطيران أو في القطاع الطبي.

أهمية مراقبة عمليات التصنيع باستخدام استشعار المقاومة المغناطيسية

اكتسب التصنيع الإضافي (AM) مؤخراً شعبية بسبب إمكانياته في تصنيع النماذج الأولية والدُفعات الصغيرة ذات الأشكال الهندسية المعقدة، وبالنسبة لصناعة الطيران والقطاع الطبي؛ تعتبر الأجزاء المعدنية المصنعة باستخدام صهر طبقة مسحوق الليزر (LPBF) ذات أهمية عالية، ولهذا السبب اهتمت الأبحاث مؤخراً بتطوير مساحيق جديدة وتحسين العمليات.

ونظراً لأن المشكلات الشائعة أثناء التصنيع مثل المسامات أو التشققات و التفريغ؛ فقد أصبحت معروفة جيداً  كذلك تم تطوير عدد من الأدوات للمساعدة في مراقبة العملية، مما يؤدي إلى تحسين جودة الجزء، بحيث يؤدي بدوره إلى زيادة فعالية التكلفة أجزاء (AM).

كما أن العديد من أنظمة مراقبة العمليات متاحة تجارياً بالفعل، وهناك أنظمة لمراقبة معلمات العملية، مثل محتوى الأكسجين أو درجة الحرارة أو تدفق الغاز، وبالإضافة إلى الأنظمة التي تراقب طاقة الليزر بشكل محوري أو تضيف مقياس الحرارة أو التصوير المقطعي البصري ومراقبة حوض الذوبان أو تى الانبعاث الصوتي لمعدات التصنيع.

وعلى الرغم من أن هذه الأنظمة ذات قيمة كبيرة بالفعل لمراقبة العملية وقد ساهمت في تطوير معلمات عملية مستقرة؛ فإنه لا تزال هناك حاجة لأدوات إضافية أو محسنة وتكاملها مع آلة (LPBF)، بحيث بسبب الشقوق أو المسام أو لا يتم الكشف عن العيوب المدفونة الأخرى بشكل موثوق بواسطة الحلول التقنية الحالية.

اختبار التيار الكهربائي الدوامي في عمليات التصنيع الإضافي

يعتبر اختبار التيار الدوامي الطبقي (ET) بمثابة نهج جديد لأنظمة مراقبة العمليات، وعلى الرغم من أنه من الممكن اختبار الأجزاء المضمنة في المسحوق باستخدام مجسات (ET) التقليدية والمتاحة تجارياً؛ إلا أن هناك بعض المزايا عند استخدام مجسات المقاومة المغناطيسية (MR-ET)، وهذه المجسات ذات حجم أصغر بكثير من الملفات ولا تؤثر على إشارة بعضها البعض عندما تكون معبأة بكثافة، كما ويمكن تبديلها أو مضاعفتها بسرعة بسبب محاثتها الصغيرة.

لذلك تم تطوير أجهزة وبرامج خاصة لمراقبة العمليات عبر الشبكة للأجزاء المصنعة من (LPBF) لهذا التطبيق ومع الأساليب الحديثة في (ET) مثل استخدام مصفوفات مستشعر (MR) بالاقتران مع إثارة السلك الفردي، كما أنه يمكن تحقيق حساسية عالية ودقة مكانية عالية مع الحفاظ على أوقات اختبار منخفضة، وإلى جانب مبدأ التغاير؛ فإنه يتم تقليل متطلبات أجهزة وبرامج معالجة الإشارات لتمكين أدوات مراقبة العملية المدمجة.

وحتى الآن تم إثبات جدوى (ET) لأجزاء (LPBF) غير المتصلة، وباستخدام مثل هذه الأنظمة وتأثيرها غير الموجود على المسحوق؛ يوفر هذا العمل نتائج عملية متعددة الطبقات عبر الشبكة لمراقبة التصنيع الإضافي لمكون (LPBF)، كما أنه يتم توفير معلومات مفصلة مسبقاً حول مبدأ مراقبة عملية (ET) والنظام المطور مع الحصول على البيانات (DAQ) ووحدة المعالجة.

تحليل مراقبة عمليات التصنيع الإضافي من خلال ET

من أجل عدم مقاطعة عملية الإنتاج وبالتالي عدم زيادة وقت الإنتاج؛ فإنه يتم تنفيذ (ET) أثناء عملية ترسيب المسحوق، حيث أن هذا مفيد بمعنى أنه يمكن استخدام حركة (recoater) لفحص (ET)، كما يوضح الشكل التالي (1) المبدأ الأساسي والمكونات ذات الصلة لنظام (ET).

بعد تعرض طبقة جديدة من الجزء (5) بواسطة ليزر الصمام الثنائي (2)، بحيث يتم ترسيب طبقة جديدة من المسحوق (4) بواسطة recoater) (8))، كما ويتم إجراء مسح (ET) بالتوازي، ولاختبار منصة البناء بالكامل (6)؛ فإنه يجب تغطية عرض المنصة بالكامل بواسطة مجسات (MR-7)، بحيث سيؤدي مسح (ET) لكل طبقة من عملية التصنيع إلى عيب ثلاثي الأبعاد ومعلومات هندسية.

كما تتمثل إحدى الميزات الخاصة لـ (ET) في أنه لا يمكن اكتشاف العيوب السطحية فحسب؛ بل أيضاًَ العيوب المدفونة، لذلك يمكن رصد العيوب التي تلتئم أو تظهر لاحقاً في عملية الإنتاج، ونظراً لأن معظم مصنعي آلات (LPBF) يقيدون الوصول إلى الواجهات الكهربائية لآلاتهم؛ فلا يمكن الحصول على إشارات موضع إعادة الطلاء أو الزناد مباشرة ولكن يجب الحصول عليها من خلال نظام تتبع موضع إضافي (3) مثبت على جدار حجرة البناء (1).

وبالنسبة الى مجسات (MR)؛ فقد تم تصميم مجسات (MR) لتكون ذات دقة مكانية عالية، كما وتوفر حساسية عالية وعرض اختبار كبير، ولبناء مسبار (MR)؛ فإنه يتم لصق أربعة مصفوفات (MR-GMR) العملاقة على حافة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بإجمالي (128) عنصر (GMR) ودرجة ميل تبلغ (125) مايكرومتر، وهي مرتبطة بوسادات ذهبية ومدمجة مع إثارة سلك واحد.

تصميم النظام الخاص بعملية استشعار المقاومة المغناطيسية

يوضح الشكل التالي (2) تصميم النظام الأساسي، ولتحسين قابلية القراءة تقتصر تمثيلات الوحدات على وظائفها الأساسية ولا تظهر التكرارات، وهو ما سيكون ضرورياً لتصور معالجة الإشارات لجميع عناصر (MR) البالغ عددها (128)، بحيث يتم وضع مسبار (MR) مباشرة فوق العينة كما توفر قناة المولدات ذات الوظيفة الواحدة إشارة جيبية لسلك الإثارة بتردد كهربائي بالرمز (f1).

كما يتم توصيل معدات الإرسال ومكبرات الإشارة الكهربائية الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة مباشرة برؤوس الدبوس الخاصة بمسبار (MR)، بحيث يتم استخدام معدد إرسال لكل (16) عنصراً من عناصر (MR)، كما أنه يتم تشغيل كل عنصر على التوالي لمدة (388) ميكرو ثانية ويتم إضافة وقت توقف إضافي قدره (1.5) ميكرو ثانية بين التبديل، وهذا يعني أنه عند سرعة (24) مم / ثانية، بحيث يتم تبديل جميع العناصر على مسافة (150) مايكرومتر.

وبالنسبة إلى التغاير، تكون عناصر (MR) المحولة جزءاً من تكوين جسر (Wheatstone) مع إمداد جيبي بتردد (f2)، كما يتم ضبط الجسر بمقياس جهد كهربائي، بحيث يتم استخدام مضخم للأجهزة مع ضبط الكسب على (54) ديسيبل لتضخيم جهد الجسر، بحيث يوضح الشكل التالي (3) الوحدة النمطية بالاشتراك مع مسبار (MR) مع ثمانية معدات وثمانية مكبرات الإشارة للأجهزة، كما يمكن قياس جميع عناصر (MR) البالغ عددها (128).

وأخيراً لقد ثبت أن (ET) على الشبكة المستند إلى (MR) لـ (LPBF) ممكن مع النظام المطور، كما أن النظام المعياري الذي يتكون من مجسات (MR) ومكبرات الإشارة و (DAQ) مضغوط، كما ويمكن دمجه في آلة (LPBF) دون التأثير بشكل كبير على عملية الإنتاج، بحيث يمكن لمجس مصفوفة (MR) المخصصة الحساسة مع إثارة سلك واحد اكتشاف هندسة العينة للطبقة الأولى.

وفي عملية التصنيع الإضافية؛ فإنه لا يتم اختبار أحدث طبقة فحسب؛ بل يتم أيضاً اختبار الطبقات العشر الأساسية، وذلك بالإضافة الى درجات الحرارة أثناء العملية ليس لها تأثير واضح على (ET)، وباستخدام تصميم النظام البسيط المقترح؛ فإنه يمكن للباحثين إعادة إنشاء (ET) عبر الشبكة لأجزاء (LPBF) لتحسين وتحسين وتسريع تطوير أداة مراقبة العملية الواعدة,