دایکست، هنر تبدیل ایده‌ها به ثروت

  سمینار ریخته‌گری تحت فشار (Die Cast) چهارشنبه، چهاردهم آذر ماه، به سخنرانی مهندس شاهن مارکاریان و با هدف آشنایی دانشجویان و فعالان صنعتی با ریخته‌گری تحت فشا، برگزار شد. این نشست با معرفی ابعاد علمی و اقتصادی صنعت دایکست و فرصت‌ها و محدودیت‌هایش آغاز شد؛ با بررسی قالب‌ها و ماشین‌‌آلات دایکست و ورود به جزئیات فرایندهای آن ادامه یافت؛ و در نهایت، با پرسش و پاسخ‌های دانشجویان و صنعتگران دغدغه‌مند و مهندس مارکاریان، به پایان رسید.
  ریخته‌گری، فرایندی است که برای تولید قطعات فلزی به کار می‌رود؛ و از پرکاربردترین روش‌های آن، می‌توان به ریخته‌گری تحت فشار (Die Cast)، ریخته‌گری ماسه‌ای (Sand Cast) و ریخته‌گری ثقلی در قالب‌های دائمی یا ریژه (Permanent Mold Cast) اشاره کرد؛ که از این میان، بیشترین سهم از قطعات تولیدی، به ریخته‌گری تحت فشار تعلق دارد.

دایکست، هم‌قدمِ صنایع خودرو
  صنعت خودرو، محرک صنعت دایکست به حساب می‌آید؛ به نحوی که حدود ۸۰٪ الی ۸۵٪ از قطعات تولیدشده به روش دایکست، در سبد صنایع خودرو قرار می‌گیرد. قطعات دایکستی در قالب شاسی، درب‌ها و باتری به همراه محفظه‌اش، در انواع خودرو‌های بنزینی، دیزلی و برقی کاربرد دارند.
  با این وجود که در ایالات متحده، از هر ۱۰۰۰ نفر، ۸۰۰ نفر دارای خودرو بوده و آن ۲۰۰ نفر باقی هم عموماً واجد شرایط سنی نیستند؛ ارقام در کشورهای آسیایی، متفاوت ظاهر شده‌ است. طبق آمار سال ۲۰۱۲ از هر ۱۰۰۰ نفر، در چین ۵۰ نفر و در هند، تنها ۱۰ نفر خودرو دارند. این آمار حاکی از آن است که در بخش عمده‌ای از جهان، تقاضای خودرو بسیار زیاد خواهد بود و گوی و میدان، در اختیار دایکست‌کاران است.
  با افزایش تولید خودرو، آن چه که بیش از پیش باعث ایجاد نگرانی می‌شود، تبعات زیستی این روند است؛ که به موجب آن قانون‌گذاران صنایع خودروسازی، چالش‌هایی را پیش روی خودروسازان قرار داده و ایجاد رقابت می‌کنند.
  طبق استانداردها، میزان آلایندۀ تولیدی توسط یک خودرو در سال ۲۰۲۰، ۱۱۶ گرم بر کیلومتر و در سال ۲۰۲۵، ۹۴ گرم بر کیلومتر تعیین شده است؛ و این رقم تا سال ۲۰۳۵، باید به صفر برسد. چالش اصلی صنعت این است که چگونه این اهداف محقق خواهند شد؟
  لازمۀ تحقق کاهش آلایندگی، کاهش مصرف سوخت و انرژی است؛ که یکی از راه‌های دست‌یابی به آن، ایجاد تغییراتی در جنس و ساختار قطعات خودرو است. این موضوع خودروسازان را به این فکر واداشت که به جای قطعات فولادی، از آلیاژهای غیر آهنی، نظیر آلیاژهای آلومینیم استفاده کنند؛ تا با کاهش چگالی قطعات، از مصرف سوخت بکاهند.
  ظهور آلومینیم، مقدمۀ به‌کارگیری روش دایکست است؛ و هر چه نیاز به این فلز بیشتر باشد، بازار دایکست‌کاران گرم‌تر خواهد بود. علاوه بر مشکل آلایندگی، استفاده از قطعات دایکستی گره‌های دیگری را نیز از صنعت می‌گشاید.
  با توجه به این که امروزه خودروها برخلاف گذشته، دیفرانسیل جلو طراحی می‌شوند؛ مکان مرکز ثقل جرم خودرو به جلو تغییر کرده که موجب صعوبت در کنترل خودرو شده است. با استفاده از قطعات دایکستی در موتور و بدنۀ خودرو و کاهش چگالی آن، مرکز ثقل جرم سر جای اولیۀ خود بازگشته؛ و کنترل خودرو به طور خودکار بهبود می‌یابد.
  خودروهای برقی نسبت به خودروهای بنزینی و دیزلی، از لحاظ تولید آلاینده، در وضعیت آرمانی به سر می‌برند. با این حال، آن‌ها هم نیاز به سبک کردن خود با قطعات دایکستی دارند. این خودروها، نسبت به سایر خودروها سنگین‌تر هستند و موجب پخش شدن ذرات لاستیک در هوا شده؛ و نوعی از آلاینده را به وجود می‌آورند که سازندگانشان بدون سخن گفتن از آن، در صدد کمرنگ کردن رد پایش برخاسته‌اند.

فرایندِ دایکست
  قالب دایکست که معمولاً از جنس فولاد است تا در برابر دما و فشار بالا مقاوم باشد؛ در ماشین دایکست قرار می‌گیرد تا فلز مذاب با گذراندن سه فاز، به آن تزریق شود. این عملیات، به دو طریق محفظۀ گرم (Hot Chamber)، یا محفظۀ سرد (Cold Chamber) اجرا می‌گردد. در حالت محفظۀ سرد، فلز مذاب که در کوره ذوب شده است، توسط فرد یا ربات به سیلندر اضافه می‌شود؛ ولی در حالت محفظۀ گرم، شلنگ تزریق در فلز مذاب غوطه‌ور است و مذاب با قسمتی از شلنگ معروف به گردن غازی، به سیلندر جریان می‌یابد.
  فاز اول: پس از قرار گیری مقدار معینی از مذاب در سیلندر، ابتدا پیستون با سرعتی کم، حدود 1/0 تا 5/0 متر بر ثانیه، مذاب را به جلو می‌راند.
  فاز دوم: هنگامی که مذاب تقریباً شکل سیلندر را به خود گرفت، با سرعتی حدود ۱۵ برابر فاز اول که به ۳ تا ۶ متر بر ثانیه می‌رسد، به سمت قالب تزریق شوت (Shoot) می‌شود.
  فاز سوم: پس از صورت گرفتن تحولات انقباضی قطعه، با اعمال فشاری مضاعف (intensive wild pressure) به مواد خمیری شکلی که هنوز در سیستم باقی مانده‌اند، کاهش مواد داخل قالب جبران می‌شود.

مشکلات و راهکارها در فرایندِ دایکست
  آلیاژها و فلزاتی که در صنعت دایکست مورد استفاده قرار می‌گیرند، به طور عمده به آلومینیم، روی، منیزیم، سرب و برنج خلاصه شده و قطعاتی را به وجود می‌آورند‌ که در ابعاد ۱۲۰ الی ۱۴۰ سانتی‌متر، ضخامت آن‌ها به حداکثر ۲ میلی‌متر می‌رسد. با توجه به این ضخامت کم، مشکل استحکام در قطعات دایکستی که به ویژه جایگزین قطعات فولادی هستند، مطرح است که عامل دیگری با عنوان تخلخل (porosity) ، به آن دامن می‌زند.
  تخلخل در قطعات دایکستی، به دو صورت گازی و انقباضی ظاهر شده و روی خواص مکانیکی و نشتی قطعات، تأثیرات مخربی بر جا می‌گذارد. استراتژی دایکست‌کاران برای مقابله با تخلخل گازی، حذف یا کاهش گازهای حبس شده در قالب است. آن‌ها همچنین در مقابله با تخلخل انقباضی، سعی دارند که درصد انقباض ناشی از انجماد مذاب را کاهش دهند.
  جریان آشفتۀ مذاب (Turbulent Flow) با عدد رینولدز بالا، از عوامل تشدید تخلخل انقباضی در قطعات دایکستی است که برای کاهش اثر آن در بعضی موارد، مایع مذاب اتمیزه (Atomization) شده، و به قالب تزریق می‌شود.
  اما برای کاهش گازهای حبس شده در قالب، چه می‌توان کرد؟ هوا از لقی بین سیلندر و پیستون رد شده و وارد سیستم می‌شود؛ به همین سبب در فاز اول، پیستون با سرعت کم حرکت می‌کند تا هوای درون سیلندر به خارج منتقل شده و از مذاب جلو بزند. در ادامۀ فرایند، جلو افتادگی هوا از مذاب باید حفظ شود تا طی پر شدن قالب، هوا بین مذاب حبس نشود. پیش‌بینی این عملیات، با نرم‌افزارهای طراحی قالب‌های دایکستی میسر می‌شود.
  ماشین‌های ریخته‌گری تحت فشار در خلاء (Vacuum Die Casting Machines) ، با مکش هوای محبوس در سیستم، قطعه را عاری از تخلخل گازی می‌کنند. از فاز اول، تا زمانی که مذاب پس از اتمام فاز سوم به حسگر خروجی برخورد کند؛ مکش ادامه پیدا می‌کند. دقت حسگرهای مستقر در بخش خروجی قالب، در واحد میلی‌ثانیه است تا مذاب پس از خروج از قالب، همراه هوا مکیده نشود. متأسفانه این گونه از ماشین‌های دایکست، هنوز در کشور ما موجود نیست.

قالب‌های دایکستی
  قالب‌های دایکستی، محل شکل‌‌گیری قطعه هستند و طراحی آن‌ها، از اهمیت و ظرافت بالایی برخوردار است. طراحان این قالب‌ها، با در نظر گرفتن مجموعه‌ای از عوامل دخیل در فرایندها و انتظاراتی که از قطعه می‌رود، قالب را به صنعت عرضه می‌کنند.
  به عنوان مثال، تغییرات مسیر در بخش ورودی قالب، به نرمی و آرامی اعمال می‌شود تا مذاب دچار تلاطم نشده و به تبع آن، تخلخل کاهش یابد. تحت تأثیر این انحناها، طراحی قالب در اندازه‌های بزرگتری انجام می‌گیرد. در بخش خروجی قالب، با هدف افت فشار و کاهش حرارت مذاب، تغییرات مسیر عکس بخش ورودی صورت می‌‌گیرد. علاوه بر این‌ که قطر خروجی بزرگتر از قطر ورودی طراحی می‌شود تا برای هوا، خفگی رخ ندهد؛ مسیر خروجی مذاب، خشن طراحی می‌شود تا بعد از خروج هوا، مذاب از قالب خارج و پاشیده نشود.
  پر شدن یک قالب دایکستی در مدت زمان بسیار کوتاهی اتفاق می‌افتد. در بعضی موارد، قالب‌ها در 1/0 ثانیه پر می‌شوند که در این فرصت، باید تمام حرکات مذاب کنترل شود. این امر، با پشت سر گذاشتن سه مرحله در تولید و طراحی قالب‌های دایکستی محقق می‌شود.
  مرحلۀ اول: طراحی قالب به وسیلۀ نرم‌افزارهای مهندسی و مستندسازی از مراحل آن، یا Computer-Aided Design، که به اختصار CAD نامیده می‌شود.
  مرحلۀ دوم: آنالیز فرایند پر شدن قالب به وسیلۀ نرم‌افزارهای مهندسی، یا Computer-Aided Engineering، که به اختصار CAE نامیده می‌شود.
  مرحلۀ سوم: تولید به کمک کامپیوتر و کنترل ابزار و ماشین‌آلات در فرایند ساخت قالب، یا Computer-Aided Manufacturing، که به اختصار CAM نامیده می‌شود.
  متاسفانه در کشور ایران، به علت عدم وجود نرم‌افزارهای اصلی آنالیز و بررسی، مرحلۀ CAE امکان انجام‌دادن ندارد؛ البته که این مرحله، در ساخت همۀ قالب‌ها ضروری نیست. اصول مشخصی برای طراحی قالب‌های دایکستی موجود است و محاسبات مربوطه، آموزش داده می‌شود.
  شبیه‌‌سازی نرم‌افزاری و خروجی گرفتن از آن، عملیاتی بسیار وقت‌گیر و گران‌قیمت است؛ به گونه‌ای که به طور متوسط، یک رایانۀ ۴۸ هسته‌ای، خروجی شبیه‌سازی را ۴۸ ساعت پس از دریافت دستور تحویل می‌دهد. با توجه به این، طراحی قالب‌های ساده معمولاً با محاسبات اصولی و تجربیات حاصل از آزمون و خطا انجام می‌شود؛ اما شبیه‌سازی برای قالب‌های بزرگ و قطعات ارزشمند و پیچیده، ضروری است. در این قالب‌ها، فرصت اعمال اصلاحات وجود ندارد و ایجاد هر تغییر، پرهزینه خواهد بود.

نرم‌افزارِ Cast Flow 3D
  یکی از بهترین نرم‌افزارهای شبیه‌سازی قالب‌های دایکستی، نرم‌افزار Cast Flow 3D است. این نرم‌افزار، امکان طراحی و بررسی یک قالب را از ابعاد مختلف، به دایکست‌کار می‌دهد.
  دایکست‌کار می‌تواند به کمک این نرم‌افزار، نحوۀ ورود مایع به قالب دایکست و همچنین، جایگزینی و پراکندگی حباب‌های هوا را در طول پر شدن قالب، مشاهده کند.
  بررسی سرعت مذاب و حرارت قالب با اعمال برش روی قسمت‌های انتخاب شده، در هر زمان و مکان، با استفاده از این نرم‌افزار ممکن است. تنظیمات پر شدن قسمت‌های مختلف قالب با راهکارهای متفاوت نیز موجود است که موجب آسیب‌شناسی فرایند، بدون اتلاف وقت می‌شود.
  نرم‌افزار Cast Flow 3D تنها نرم‌افزاری است که دو فاز مایع و گاز را در آن واحد شبیه‌سازی می‌کند. با این قابلیت، امکان مقایسۀ سرعت هوا و مذاب در اختیار دایکست‌کار قرار می‌گیرد تا بتواند از حبس شدن هوا و افزایش تخلخل قطعه، جلوگیری کند.

قطعات دایکستی
  شناخت ویژگی‌های مکانیکی قطعات، می‌تواند راهنمای صنعت خودرو در تعیین جنس قطعه و بهره گیری از روش دایکست باشد. شاخصۀ  EI یکی از این ویژگی‌هاست که بالا بودن آن، نشان‌ دهندۀ انعطاف‌پذیری و جذب انرژی بالای قطعه است. در قطعات سنتی، این شاخصه ۱٪ بود؛ اما در قطعات دایکستی، به ۱۲درصد الی ۱۶درصد رسیده است. بالا بودن این شاخصه در قطعات خودرو بسیار حائز اهمیت است؛ چرا که در تصادفات، انرژی حاصل از ضربه قبل از منتقل شدن به سرنشینان خودرو، باید توسط بدنه و سایر قطعات جذب شود.
  قطعۀ برج شوک (Shock Tower) که روی گلگیر نصب شده و کمک فنر از آن عبور می‌کند؛ با روش دایکست و از جنس آلومینیم ساخته می‌شود تا توزیع متقارن وزن آن، آسان‌تر محقق شود. این قطعه با شاخصۀ  EI بین ۱۲ درصد تا ۱۶ درصد تولید می‌شود.
  قربیلک فرمان در خودروهای سایپا، تا سال‌های گذشته از جنس فولاد ساخته می‌شد و کیسۀ هوا (Air Bag)، روی آن قرار می‌گرفت. فولاد، شاخصۀ  EI پایینی دارد و انرژی حاصل از ضربه را به ستون فقرات انسان منتقل می‌کند. از این رو، تصمیم بر ساخت آن به روش دایکست و از جنس منیزیم گرفته شد. منیزیم با شاخصۀ EI بالا، انرژی حاصل از ضربه را صرف تغییر شکل خود کرده و از انتقال آن به ستون فقرات انسان جلوگیری می‌کند.
  درب پورش ۹۱۱ توربو نیز که تا چندی قبل از جنس فولاد، ۱۵ تکه و با وزن 5/17 کیلوگرم تولید می‌شد؛ امروزه تنها از ۵ قطعۀ دایکستی و با وزن 3/10 کیلوگرم تولید می‌شود.

ماشین‌های دایکست
  ماشین‌‌های دایکست وظیفۀ تزریق مذاب به درون قالب را برعهده دارند. این ماشین‌ها، به دو گروه محفظه گرم (Hot chamber) و محفظه سرد (Cold chamber) ، تقسیم‌ بندی می‌شوند؛ که اساس انتخاب هر قالب برای تزریق گرم یا سرد، نقطۀ ذوب فلز به کار رفته است.
  با توجه به تکرار شونده بودن عملیات دایکست و سرعت بالای تولید قطعات، این ماشین‌ها مجهز به سنسورهایی هستند که هنگام جا ماندن قطعه در قالب، با اعمال فشاری مناسب، از بسته شدن آن جلوگیری می‌کند. همچنین برخی از ماشین‌های دایکست، تحت سیستم حلقۀ بسته (Closed Loop) عمل می‌کنند. در این سیستم، ماشین پس از هر تزریق، وضعیت خروجی را بررسی کرده و به طور مداوم، آن را اصلاح می‌کند که با وجود این امکان، خطای دستگاه کاهش می‌یابد.
  به دلیل فشار بالایی که برای تزریق فلز مذاب به داخل قالب استفاده می شود، برای نگه داشتن دو نیمه قالب در کنار هم، به نیرو قفل زیادی نیاز است. این نیرو در عرض ۱۰ سال، از ۸۰۰ تن، به ۹۰۰۰ الی ۱۲۰۰۰ تن رسید. بیشترین نیروی قفل در ماشین‌های دایکست موجود در جهان، ۱۵۰۰۰ تن است. هر چه نیروی قفل ماشین بیشتر باشد، قالب‌های بزرگتری در ماشین جا گرفته و امکان ساخت قطعات شاسی و بدنه فراهم می‌شود. شرکت تسلا با بهره گیری از ماشین‌های گیگاکست با نیروی قفل بالا، شاسی ماشین‌های خود را از سه تکۀ دایکستی می‌سازد.
  هر ماشین دایکست، منحصر به یک قالب خاص نیست و قالب‌هایی با نیروی قفل مورد نیاز و ابعاد مشابه، می‌توانند توسط یک ماشین دایکست پر شوند.

تولید قطعه یا ثروت؟
  چین، بزرگترین تولیدکنندۀ قطعات ریخته‌گری جهان است و روند تولید آن از گذشته تا کنون، رشد چشم‌گیری داشته است. بعد از چین، اروپا و ایالات متحده عنوان‌دار تولید این قطعات، به ویژه قطعات دایکستی هستند. اما در صنعت دایکست، ثروت از قطعات بزرگ به دست می‌آید. اروپا و ایالات متحده با وجود قرار گیری در جایگاه دوم و سوم، تسلیم چین نشده و در ثروت‌سازی از این صنعت، پیشگام هستند. یک واحد دایکستی در چین ۴۱۶ تن آلومینیم مصرف می‌کند؛ در حالی که این رقم در آلمان، به ۲۲۰۰ تن می‌رسد. تولید قطعات بزرگ در تیراژ بالا با بهره‌گیری از روش دایکست، تبدیل به سکوی پرتاب خودروسازی غرب شده است؛ به گونه‌ای که به ازای هر دستگاه دایکست، یک میلیون و ۲۰۰ هزار دلار فروش صورت می‌گیرد.
  شرکت تسلا با ۱۱ ماشین گیگاکست، سالانه یک میلیون و ۷۰۰ هزار دستگاه خودرو تولید کرده و با هر ماشین، ۳۰۰ ربات را از خط تولید حذف می‌کند. این در حالی است که ۳۷ شرکت خودروساز ایرانی در مجموع، قادر به تولید تنها یک میلیون و ۱۰۰ هزار دستگاه خودرو در سال هستند. این آمار، بیانگر تفاوتی آشکار در روند خودروسازی جوامع است. فقط حدود ۱ درصد از قطعات خودروهای ایرانی از جنس آلومینیم هستند؛ اما در مقابل، ۹ درصد از قطعات خودروهای آمریکایی را آلومینیم تشکیل می‌دهد؛ و خودروهای آلمانی با ۱۵ درصد بهره گیری از آلومینیم، رکورد شکنی کرده‌اند.
  اعداد و ارقام موجود، نشان می‌دهند که در حال حاضر صنعت دایکست در کشور ما، اشباع نشده و در محدودۀ اقیانوس آبی قرار دارد؛ همچنین جای رشد و پیشرفت علمی و اقتصادی در آن فراوان است. حتی در ایالات متحده نیز بزرگ‌ترین چالش دایکست‌کاران به گفتۀ خودشان، جذب و نگه‌داری نیروی کار است.
  به یک دایکست‌کار خبره و مسلط، حقوق بالایی در سطح جهان تعلق می‌‌گیرد. به عنوان مثال، متوسط حقوق دریافتی یک ناظر تولید، ۱۵۰ الی ۱۶۰ هزار دلار در سال است. مشاغل موجود در دایرۀ صنعت دایکست شامل کنترل کیفی، نظارت، طراحی ابزار (قالب، ماشین‌آلات و...)، مدیریت تولید، اوپراتور، مدیریت پروژه، توسعۀ محصول، کارشناسی فنی، مدیریت آموزش و مهندسی صنعتی است. در بخش مهندسی صنعتی دایکست، مهندسین مکانیک، برق، صنایع، متالوژی و شیمی به کار گرفته می‌شوند.

خطاب به شریف
  فرصت‌‌های تولید ثروت از دایکست، در صنعتی شریف وجود دارد و باید توسط مسئولین و دانشجویان، جدی گرفته شود. حال که صنعت دایکست در کشور ما، در مقیاس کوچکی نسبت به جهان دنبال می‌شود و در حال حاضر، ظرفیت‌های صنعتی به‌گستردگی موجود نیست؛ شریف می‌‌تواند با تهیۀ نرم‌افزارهای اصلی دایکست و انجام پروژه‌های طراحی و آنالیز، به دایکست‌کاران خدمات ارائه کرده و از این طریق، تولید ثروت کند.
  انجمن دایکست ایران در تلاش است تا ارتباط خود را با دانشگاه صنعتی شریف، به خصوص دانشکدۀ مهندسی مکانیک، حفظ کند و پذیرای دانشجویان در دوره‌های کوآپ، کارآموزی، پروژه‌های لیسانس، فوق لیسانس و دکتری باشد.
  دانشجویان صنعتی شریف، می‌توانند با مراجعه به سایت انجمن دایکست ایران به نشانی idca2011.com از فراخوان‌های ثبت نام در دوره‌های آموزشی و یا تاریخ و محل برگزاری نمایشگاه‌ها مطلع شده؛ و با انجمن دایکست ایران، در تماس باشند.