نتاج التعلم ب: استخدام عملية تكرارية لتطوير الأفكار وتصميم المنتج المعدل

تصميم منتج جديد أم تطوير موجود؟

قد يُطلب منك تصميم منتج جديد تمامًا لتلبية احتياجات العميل، وقد يُطلب منك أيضًا إعادة تصميم منتج موجود أو تطويره.

• سواء كان المنتج جديدًا أو تطورًا لتصميم موجود، فإن العديد من العمليات المستخدمة ستكون متشابهة، على الرغم من أن القيود قد تكون مختلفة.
• الجدول 3.8 يسرد بعض أنشطة التصميم الهندسي التي قد تشارك فيها.

هل تختلف عمليات تصميم منتج جديد عن تطوير تصميم موجود؟

معايير التصميم الفني: ماذا ينتظر منك المنتج؟

• عند تصميم أو إعادة تصميم أي منتج من الضروري أن نفهم تمامًا ما هو متوقع منه.
• يجب أن يفي المنتج بمعايير التصميم الفني ليفعل ما يريده المستخدم، ويمكن تصنيعه بسعر يدفعه العملاء، ويتوافق مع اللوائح.

• توجد هذه المعايير عادةً ضمن مواصفات تصميم المنتج.

توليد الأفكار: كثير منها قبل أن تنتقد

• ستقوم عادةً بإنشاء عدد من الحلول الممكنة بناءً على معايير التصميم الفني.
• كن منفتحًا على الأفكار الجديدة، ولا تنتقد كثيرًا أي أفكار لديك لأن هذا سيبطئ عملية التصميم.
• استهدف توليد أكبر عدد ممكن من الأفكار.
• إذا كنت تعيد تصميم منتج موجود فالأسئلة التي قد تساعدك على توليد الأفكار تشمل ما يأتي:

• يتضمن النهج البديل استخدام التحليل المورفولوجي: تُحدد متطلبات المنتج ثم تُقترح مجموعة من الحلول لكل عنصر، ما يؤدي إلى إنشاء مجموعة من خيارات المنتج الممكنة.

• يوضح الجدول 3.9 التحليل المورفولوجي للمساعدة على تصميم خوذة دراجة وإدراج المتطلبات والحلول الممكنة.

• يمكن استخدام هذا النوع من التحليل لدفع عملية إنشاء الأفكار، ويمكنك الجمع بين ميزات مختلفة لإنشاء مجموعة من المفاهيم.
• ومن الأمثلة على ذلك الواقي الصلب المزود بوسادة مقاومة للصدمات بشريط التعليق، وفتحات التهوية، وواقي العين الملون.

ما التحليل المورفولوجي؟

• القدرة على التكيف
• إذا كان هناك مستخدمان محتملان مختلفان جدًّا لمنتجين متشابهين، فأنت بحاجة إلى استعراض قدرتك على تكييف تفكيرك لضمان تقديم منتجات مناسبة لكلٍ منهما. ومن المهم عدم التركيز فقط على نهج واحد لكليهما.

من الأفكار إلى المفهوم الأفضل: المصفوفة المرجحة

• بعد حصولك على مجموعة من الأفكار الأولية سيكون من الضروري تحديد الأفكار التي تريد استخدامها وتنفيذها.
• راجع كل فكرة في ضوء معايير التصميم: هل هي مناسبة للغرض؟ ما القيود المفروضة على التصميم الخاص بك؟
• هل ستكون بعض التصميمات مُكلّفة، أو يصعب صنعها، أو تتطلب معدات تصنيع متخصصة؟
• النهج الشائع لتضييق نطاق الأفكار هو استخدام مصفوفة التقييم: تُصنف قائمة مختصرة بالمفاهيم المحتملة مقابل المتطلبات في مصفوفة مرجحة.

• يتم منح كل مفهوم علامة من أصل 10 لوصف مدى استيفائه للمتطلبات.
• تُرجح المتطلبات بما يتناسب مع أهميتها للتصميم.
• إجمالي كل مفهوم هو مجموع الدرجات مضروبًا في الترجيحات المرتبطة.
• بالنسبة للمفهوم 1: $(0.3 \times 8) + (0.3 \times 5) + (0.2 \times 5) + (0.1 \times 6) + (0.1 \times 3) = 5.8$
• يحصل المفهوم 3 على أعلى درجة بشكل عام.
• يجب عليك دائمًا مراجعة التصميم لمعرفة ما إذا كان حقًا يمثل أفضل نهج.
• التصنيف والترجيح غالبًا ما يكونان موضوعين تمامًا، وتغييرات صغيرة فيهما قد تغير النتيجة، لذا استخدم هذا النهج بحذر.

كيف يُحسب إجمالي كل مفهوم في المصفوفة المرجحة؟

تطوير الفكرة المختارة: ما الذي يجب أن تراعيه؟

• ستؤدي الفكرة المختارة بشكل أساسي ما هو مطلوب، لكن المفهوم سيحتاج إلى مزيد من التطوير قبل أن يصبح مناسبًا للإنتاج.
• العناصر الجمالية: كيف يجب أن يبدو منتجك؟ هل يجب أن يتناسب مع بيئته أو مع التقاليد؟
• هل تحتاج إلى التعبير عن مظهر عائلي أو علامة تجارية؟
• الملائمة والراحة: من مستخدمو المنتج؟ ماذا يعني حجم المستخدمين وقوتهم ووزنهم ومدى وصولهم وبراعتهم بالنسبة لتصميمك؟
• هل تحتاج إلى التفكير في مشكلات السلامة مثل الفجوات في آليات الطي لمنع محاصرة الأصابع؟
• الحجم: هل يجب أن يكون منتجك بحجم معين؟ ارتفاع الغسالات عمومًا 850 مم وعرضها 600 مم لتناسب المطبخ القياسي.
• مضخة المياه البديلة لمحرك سيارة قد تحتاج إلى مراعاة نقاط التركيب القياسية ومواقع مدخل وخروج سائل التبريد والأبعاد الكلية القصوى.

• المواد: ما مقدار القوة والجساءة التي يحتاج إليها المنتج وما المواد التي ستستخدمها؟
• هل سيؤثر اختيارك للمواد في تقنيات التصنيع المتاحة لك؟ وهل ستؤثر البيئة التي سيُستخدم فيها منتجك؟
• هل المادة الأساسية مناسبة للوظيفة أم تحتاج إلى تغليف أو طلاء أو معالجة حرارية؟
• التصنيع: كيف تقترح تصنيع التصميم الذي وضعته؟ كم يبلغ حجم الإنتاج المتوقع لمنتجك؟
• هل يمكن تنفيذ التصميم من خلال تقنية التصنيع المخطط لها؟ هل الطريقة المقترحة فعالة من حيث التكلفة؟
• التجميع: كيف ستُجمّع قطع منتجك معًا؟ هل يمكن دمج القطع لتقليل تكاليف التجميع؟
• هل يمكن لمشغل واحد تجميع المنتج باستخدام أدوات بسيطة؟ وكيف ستُثبت القطع معًا: لحامها أو لصقها أو تثبيتها ببراغي أو بمسامير برشام؟
• تقدير التكاليف: هل يمكنك تقدير تكلفة منتجك؟ ستشمل التكلفة الإجمالية تكاليف المواد الخام والقِطع المشتراة والمعالجة والتجميع.
• هل يمكن استبعاد التكلفة غير الضرورية من المنتج من خلال التصميم الدقيق؟

ماذا تشمل التكلفة الإجمالية؟

عوامل الأمان والمكونات المشتراة ومصادر المعلومات

• ما عامل الأمان المطلوب؟ ما المقدار الذي يجب إضافته إلى التحميل المتوقع للسماح بسوء الاستخدام أو الأحمال غير المتوقعة أو التباين في المنتج النهائي؟
• ما عواقب الفشل من حيث سلامة الأفراد، وتكلفة التعطيل والاستبدال، وتكلفة السمعة؟
• هل تحتاج إلى إضافة درجة من الوفرة؟ صُمِّمت مكابح السيارة بدوائر مزدوجة، فإذا تعطلت إحداها استمرت الثانية في العمل.
• قد تحتاج إلى شراء القطع أو التعاقد من الباطن لتصنيعها، لأن شركتك لن تمتلك الخبرة ولا المعدات اللازمة لإنتاجها بفعالية من حيث التكلفة.
• من الأمثلة المحركات وموانع التسرب والزنبركات والصواميل والمسامير والمكونات الإلكترونية وأجهزة الاستشعار والمفاتيح.
• تحدد هذه القطع بتحديد ما تريده من العنصر، ثم اتباع بيانات الشركة المصنعة أو المعايير لتحديد القطع الصحيحة.

ما عامل الأمان المطلوب؟

• هناك مصادر أخرى منها البيانات المقدمة من موردي الأدوات الآلية والوثائق التنظيمية ومجموعات بيانات الملائمة والراحة.
• فكر دائمًا في الرجوع إلى الأشخاص بوصفهم مصادر للمعلومات، فللموردين خبراء دعم فني متاحون لإرشادك.
• التعلم المستمر
• تتغير المعايير وبيانات التصنيع وخصائص المواد الجديدة دائمًا. وإدراك أنه سيتعين عليك دائمًا تحديث هذه المعرفة أحد أمثلة التعلم المستمر.

عرض تصميمك: الرسم والتقنيات الرسومية والوثائق

• يُنفذ التصميم في شكل نشاط جماعي، ويجب أن تكون قادرًا على عرض أفكارك على زملائك والمقاولين من الباطن والعملاء وفرق التسويق.
• العرض الفني الكتابي ضروري، لكن الرسوم التخطيطية أو الرسوم هي غالبًا الطريقة الأكثر فعالية لإيصال المعلومات.
• الرسم التخطيطي دون استخدام أدوات أحد أكثر الأدوات المفيدة للتعبير عن أفكارك، وأنفع في المراحل الأولى من التصميم.
• اهدف إلى صور تعبر بوضوح عن شكل المنتج ووظيفته، ولا حاجة لجودة فنية معينة؛ والتعليقات التوضيحية تشرح أفكارك.
• الرسوم ثلاثية الأبعاد ⁦(3D)⁩ تُظهر الشكل العام للمنتج والعلاقات بين العناصر، والثنائية الأبعاد ⁦(2D)⁩ تعرض التفاصيل والآليات الفنية بوضوح أكبر.

متى يفضل الرسم ثلاثي الأبعاد؟

التطوير التكراري: ارجع خطوة إن لزم

• التصميم ليس عادةً عملية خطية بالكامل.
• غالبًا تقتضي الحاجة التوقف في أثناء التطوير لمراجعة ملاءمة المنتج، للتحقق من أنه يفي بمواصفات التصميم أو لتحسينه أو لتوسيع السوق.
• مع زيادة تطوير التصميم لجلب وظائف ثانوية قد تزيد التكلفة أو الوزن، فيجب إيقاف التطوير مؤقتًا لإعادة المقترح بما يتماشى مع المواصفات.
• وقد تسنح فرص جديدة للسماح بتصميم عام أقوى مع تطور التصميم.
• قد تلزم اختبارات أو تجارب في مراحل مختلفة لتقييم ملاءمة المنتج للغرض المقصود منه.
• النمذجة الحاسوبية تساعد على التحقق من جوانب التصميم، لكن بناء نماذج أولية مادية ضروري في كثير من الأحيان لتأكيد الملاءمة.
• إذا كشف التحليل والنماذج الأولية عن مشكلات، فقد تحتاج إلى التراجع مرحلة أو أكثر لتكرار خطوات التصميم قبل الاستكمال والتنفيذ.

متى يلزم بناء نماذج أولية مادية؟

• لنفترض أن إرجاع المحرك للخلف جعل المثقاب أكثر توازنًا لكنه حصر الهواء في المحرك فتولدت حرارة زائدة أضرت بأدائه.
• اختبر معلوماتك: هل يمكنك اقتراح ثلاثة حلول ممكنة؟ وكيف تقيّم مدى نجاح كل منها؟

الخواص الميكانيكية: الإجهاد والانفعال ومعامل يونغ

• يمكن تحديد العديد من الخواص الميكانيكية للمادة باستخدام اختبار الشد.
• توضع عينة من المادة بين فكين وتُفكك تدريجيًا، وتُسجل القوة المبذولة ومقدار تمدد العينة.
• تُحوَّل بيانات القوة والانحراف هذه بشكل عام إلى قيم الإجهاد والانفعال.

$\varepsilon = \frac{\text{التغيير في الطول}}{\text{الطول الأصلي}}$ وهي بلا أبعاد.

• غالبًا ما تُعطى قيم الانفعال في شكل $\mu\varepsilon$ ($\varepsilon \times 10^{-6}$) لأنها تميل إلى أن تكون صغيرة جدًّا.
• يمكن رسم الإجهاد والانفعال على رسم بياني لإيجاد كميات مثل معامل يونغ وإجهاد الخضوع وإجهاد الشد الأقصى.

ما الإجهاد؟

ما الانفعال؟

• بالنسبة لمعظم المواد عند تطبيق الحمل يمتد المكون بالتناسب مع الحمل، وهذه المرحلة المرنة الخطية.
• إذا أُزيلت الحمولة ستكون العينة غير تالفة وتعود إلى طولها الأصلي.
• ميل هذا الجزء الخطي هو معامل يونغ لمرونة المواد: كلما كان الميل أكثر انحدارًا كان المعامل أكبر وكانت المادة أكثر صلابة.
• مع زيادة الحمل تصل المادة إلى نقطة تجاوز مقاومة الخضوع، وتنتقل العينة إلى مرحلة تشوه البلاستيك وتتشوه المادة بشكل دائم.
• إذا أزيلت الحمولة في المرحلة البلاستيكية ستتقلص العينة بخط موازٍ لخط المرحلة المرنة، لكنها تظل ممتدة إلى ما بعد طولها الأصلي.
• من المرجح أن تتعرض العينة لحملها الأقصى في المرحلة البلاستيكية، وهو مقاومة الشد القصوى للمادة.
• ومع استمرار التمدد تنكسر المادة إلى قسمين، ويكون الانفعال (الاستطالة) عند الانكسار مؤشرًا على ليونة المادة.
• صمم منتجك بحيث تظل الإجهادات داخله أقل بكثير من إجهاد الخضوع، فتتجنب التلف الدائم للمنتج.

الخواص الفيزيائية: ما الذي يهم المصمم؟

• بالإضافة إلى الخواص الميكانيكية هناك خواص فيزيائية أخرى، منها الخواص الحرارية والكهربائية والمغناطيسية، تهم المصمم.
• يلخص الجدول 3.12 بعض الخواص التي قد يحتاج المهندس إلى أخذها في الاعتبار عند تصميم المنتجات.

ما الخواص الفيزيائية الأخرى التي تهم المصمم؟

المواد الحيوية والخلائط الذكية

• أصبحت مجموعة من المواد الجديدة متاحة خلال السنوات الأخيرة بالإضافة إلى المواد التقليدية.
• المواد الحيوية مواد يمكن استخدامها في التطبيقات الطبية وتطبيقات الغرسات الطبية.
• ولأنها مصممة للتفاعل مع الأنسجة الحية يجب أن تتمتع عادةً بدرجات عالية من التوافق البيولوجي لتجنب تلف الخلايا الحية.
• تشمل المواد الحيوية التقليدية السيراميك والملغم والإسمنت المستخدم في طب الأسنان.
• من الاستخدامات الشائعة الوصلات البديلة من المعادن (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم) والسيراميك والبوليمر (مثل البوليثين).
• المواد الأكثر تقدمًا تُستخدم لإنشاء سقالات مصغرة لتنمية الأنسجة الحية للأغراض البحثية والطبية.
• الخلائط الذكية أو الخلائط المتذكرة للشكل مواد خاصة من خلائط النحاس والألمنيوم والنيكل أو خلائط النيكل والتيتانيوم.
• السلك المستقيم المصنوع من خليط ذكي يمكن ثنيه لشكل معين، وعند تسخينه عادةً بتمرير تيار كهربائي يعود إلى الشكل المستقيم الأصلي.
• يمكن استخدام الخلائط الذكية كمشغلات لإنشاء أنظمة أبسط وأخف بكثير من تلك التي تستخدم المحركات والتروس.
• ومرونتها فائقة، لكنها باهظة الثمن للحصول على كميات كبيرة، فليست عملية للقطع الكبيرة.

ماذا يحدث للسلك المصنوع من خليط ذكي عند تسخينه؟

أنماط الفشل: الشد والضغط والانحناء

• عند تصميم منتج يجب أن تكون على دراية بكيفية فشله ماديًا.
• يمكن أن يفشل في التوتر أو الضغط أو الانحناء.
• في الانحناء الجزء العلوي من العارضة في حالة شد والجزء السفلي في حالة ضغط.
• عندما يحمل المكون حمولة في حالة توتر تزداد الإجهادات فيه مع القوة المطبقة.
• وإذا تجاوزت الإجهادات قوة الخضوع للمادة فسيتمدد المكوّن بشكل دائم، وقد تظهر عليه علامات الترقيق.
• وإذا استمر التحميل في الزيادة بما يتجاوز مقاومة الخضوع فستنكسر القطعة في النهاية.
• ستحتاج عادةً إلى التأكد من أن الإجهادات لا تتجاوز مقاومة الخضوع الخاصة بالمواد بين يديك.
• عند ضغط مادة تحت حمولة يحدث تأثير مماثل للتوتر.
• للمواد الهشة مثل الخرسانة أو حديد الزهر، تكون الحمولة التي يمكن حملها بالضغط أعلى بعدة مرات من تلك الخاصة بالتوتر.
• الانحناء طريقة شائعة جدًّا للفشل، والمكون الخاضع للانحناء تحت التوتر على وجه والضغط على وجه آخر.
• في المنتصف محور محايد لا يتعرض للتوتر أو الضغط.
• الإجهادات في الانحناء غالبًا ما تكون عالية جدًّا حتى لو كانت الأحمال المطبقة بسيطة.

أيهما أعلى في الخرسانة: حمولة الضغط أم حمولة التوتر؟

• التفسير
• إن كيفية فهمك لسبب فشل القطعة وما يعنيه هذا بالنسبة لك في الحالات المستقبلية يوفر أمثلة على المهارات المعرفية في التفسير والاستدلال.

القص والكلال والانبعاج

• يمكن أن تفشل المكونات في حالة القص، ويمكن اعتبار القص إجبارًا للمادة على الانزلاق فوق نفسها (الشكل 3.25).
• يظهر شكل شائع جدًّا من تحميل القص في العمود تحت التحميل الالتوائي.
• بشكل عام يبلغ الإجهاد المسموح به في القص نصف الإجهاد المسموح في التوتر.

• يحدث الكِلال عندما تتعرض المنتجات للتحميل الدوري، كالحمل الذي يختلف من التوتر إلى الضغط والعودة مرة أخرى عدة مرات.
• ويمكن أن يتسبب ذلك في تكوين عيوب مجهرية، وبالتالي الفشل عند أحمال أقل بكثير من مقاومة الخضوع بالمادة.
• يظهر الكِلال بدرجة أكبر عند استخدام مواد معينة ويرتبط بعوامل تركيز الإجهاد، مثل التغيرات المفاجئة في قطر الأعمدة وحول الثقوب وحول الزوايا الداخلية الحادة.

متى يحدث الكلال؟

كم يبلغ الإجهاد المسموح به في القص مقارنة بالتوتر؟

• الانبعاج وضع قصور يمكن أن يحدث عندما تحمل المكونات النحيلة حمولة ضاغطة، كالدعامات أو الأعمدة النحيلة والهياكل ذات الجدران الرقيقة.
• مثال: سحق علبة المشروبات الغازية.
• عادةً تقل القوى التي يمكن أن تسبب الفشل بالانبعاج بكثير عن تلك المرتبطة بأشكال الخضوع الأخرى.

المعالجات السطحية والطلاء

• خصائص المواد السائبة توفر العديد من الخصائص المطلوبة، لكن يمكنك اختيار طلاء السطح أو صبغه لأسباب وظيفية أو تجميلية.
• الطلاء يوفر بعض الحماية من التآكل لجزء ما، وقد يعطي أيضًا فوائد تجميلية.
• يمكن وضع الطلاء في طبقات، وتضيف كل طبقة وظيفة أخرى، ويمكن فرده بالفرشاة أو الرش.
• طلاء المسحوق يعطي سطحًا أكثر صلابة، إذ يوضع كمسحوق وينجذب إلى سطح القطع بشحنة إلكتروستاتيكية.
• ثم يعالج المسحوق بوضع الأجزاء في الفرن لإعطاء سطح صلب ومتساوٍ.
• الجلفنة طلاء الزنك المستخدم على قطع الحديد أو الصلب، وتوفر حماية تضحية لأن الزنك سيتآكل قبل الفولاذ أسفل منه.
• وتستمر الجلفنة في توفير الحماية حتى في حالة خدش الطلاء وصولًا إلى الفولاذ.
• الأنودة تقنية شائعة لحماية قطع الألومنيوم، وتزيد بشكل مصطنع سمك طبقة أكسيد الألومنيوم، ما يقلل إمكانية تآكل الألومنيوم تحتها.
• وتوفر الأنودة أيضًا فرصة لإضفاء ألوان زخرفية، كأذرع مكابح الدراجات.

لماذا توفر الجلفنة حماية تضحية؟

• أشهر عملية طلاء كهربائي هي الطلاء بالكروم، الذي يوفر أسطحًا زخرفية ومقاومة للتآكل.
• الطلاء غير الكهربائي تقنية لطلاء مُركبات النيكل على المواد لتحسين مقاومة البلى والتآكل.

التشحيم: لماذا نزيّت القطع المتحركة؟

• التشحيم ضروري عندما تتحرك القطع ضد بعضها، كالمحور الدوار للمحرك أو الأسطوانة التي تتحرك في التجويف.
• يرد في ما يأتي أسباب التشحيم.

• تتوافر مواد التشحيم في شكل سائل أو شحم أو مادة صلبة.
• قد تحتوي مادة التشحيم السائلة على إضافات مثل بولي رباعي فلورو الإيثيلين ⁦(PTFE)⁩ لتقليل الاحتكاك أكثر.
• في أنظمة التدوير تلزم تغيير مادة التشحيم والفلتر بانتظام، وتسبق إضافة مادة جديدة عادةً إزالة الشحوم والتنظيف.
• المواد القائمة على الشحوم تُعبأ حول القطع المتحركة، وقد يصمم الشحم ليدوم طوال عمر القطعة أو يُعاد إضافته بمسدس الشحوم.
• مواد التشحيم الصلبة تعتمد عادةً على الجرافيت ويمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية قد تُدهور مواد التشحيم السائلة.

ما أسباب التشحيم؟

نقل القدرة الميكانيكية: أنواع الحركة والروابط والتروس

• من المهم تقدير أنواع الحركة المختلفة التي قد تواجهها بصفتك مهندس تصميم، ويسرد الجدول 3.13 الأنواع الأربعة الرئيسة مع أمثلة.

• في كثير من سيناريوهات التصميم تحتاج إلى ربط حركة المكونات الميكانيكية لأغراض نقل القدرة أو التحكم.
• أحد أكثر أشكال الربط شيوعًا هو الذراع، وهو يعطي ميزة ميكانيكية: قوة صغيرة نسبيًا تولد قوة أكبر بناءً على نسب الذراع.

• مثال: قوة مقدارها 10 نيوتن على مسافة 1.5 متر من المحور ينتج عنها قوة في الطرف الآخر.
• الطرف الآخر من الرافعة على بعد 0.5 م من المحور.
• $10 \times \dfrac{1.5}{0.5} = 30\ \text{N}$
• من الروابط الشائعة نقل الحركة الدورانية من مصدر دفع مثل المحرك إلى عجلات الدفع، بالتروس أو بسلسلة أو بسير.
• التروس مناسبة تمامًا لتطبيقات القدرة، فالمحركات تعمل غالبًا بسرعة كبيرة مع عزم دوران قليل جدًّا للاستخدام المباشر.
• وبالتروس يمكن تقليل سرعة الدوران وزيادة عزم الدوران.
• مثال: ترس صغير ذو 18 سنًا يعمل بسرعة 3000 لفة/دقيقة يُعشَّق مع ترس ذو 54 سنًا.
• $3000 \times \dfrac{18}{54} = 1000$
• سيزداد عزم الدوران اسميًا ثلاث مرات، وتروس التوصيل تدور في اتجاهين متعاكسين.
• أنظمة السيور والسلاسل تسمح بتغيير السرعة بين أعمدة الإدخال والإخراج بناءً على عدد الأسنان على عجلاتها المسننة.
• السلاسل شائعة في الدراجات، والسلاسل والسيور في محركات السيارات لدفع الكامات والأجهزة المساعدة كالمولدات ومضخات المياه.

هل تقلل التروس سرعة الدوران وتزيد عزم الدوران؟

• يمكن استخدام التروس لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية عبر الجريدة المسننة، أو لتغيير اتجاه الأعمدة بالتروس المخروطية.

• التفكير النقدي
• حل المشكلات
• إن حل مشكلة ما، مثل اختيار نظام نقل حركة دراجة، الذي يجب فيه أن تنظر إلى المشكلة من عدد من الاتجاهات المختلفة، يساعد على تطوير مهارات التفكير النقدي وحل المشكلات التي ستحتاج إليها بصفتك مهندس تنفيذي.
• تشمل الروابط الشائعة الأخرى الروابط ذات الأعمدة الأربعة والروابط من النوع المنزلق والكامات (الشكل 3.28).
• الوصلات الرباعية تتكون عادةً من ثلاث وصلات متحركة والوصلة الرابعة قاعدة، كآلية ممسحة الزجاج الأمامي.
• الرابط الانزلاقي مشابه لآلية المكبس المتردد في محرك السيارة الذي يدير عمود الكرنك الدوار.
• الكامات تحول الحركة الدورانية عادة إلى حركة خطية تذبذبية، والكامة مقطع خاص من العمود الدوار.

مصادر القدرة والتحكم في نقلها

• عند تصميم العديد من المنتجات قد تحتاج إلى التفكير في كيفية تشغيل جهازك، ويلخص الجدول 3.14 بعض الأشكال الشائعة لمصادر القدرة ومزاياها وعيوبها.

• للمساعدة على التحكم في نقل القدرة غالبًا ما تُطوَّر الأنظمة التي تستخدم أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم والمشغلات.

ما الأجزاء الثلاثة التي تستخدمها أنظمة التحكم في نقل القدرة؟

القولبة والصب والمعالجة الآلية والتصنيع الإضافي

• فهم كيفية إنتاج المنتجات أحد الجوانب الأساسية في أي عملية تصميم، ويضمن إمكانية تصنيع القطع بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
• القولبة أو الصب مجموعة رئيسة من عمليات التصنيع، تُنتج أشكالًا هندسية معقدة نسبيًا من المعادن والبلاستيك والسيراميك.
• تتضمن عادةً وضع شكل مصهور أو سائل آخر من مادة ما في قالب والسماح للقطعة بالتصلب.
• هناك إرشادات عامة لتصميم القطع المقولبة أو المصبوبة تُطبق بغض النظر عن التقنية (الشكل 3.29).

• المعالجة الآلية مجموعة من التقنيات لإنتاج المكونات بقطع المواد من الكتل أو خام الأسطوانات، وتتميز بالمرونة العالية.
• تشمل الحفر والخراطة والتفريز، بآلات يدوية أو بنظام التحكم العددي باستخدام الحاسوب.
• التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد أو النماذج الأولية السريعة مجموعة من التقنيات ظهرت خلال السنوات الأخيرة.
• تتطلب جميعها نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد للقطعة مقطّعًا إلى طبقات، ثم تتشكل القطعة بترسيب طبقات المواد بالتتابع.
• يسمح بتصنيع القطع مباشرةً من ملفات التصميم بمساعدة الحاسوب ⁦(CAD)⁩، وبأشكال هندسية يصعب أو يستحيل صنعها بالمعالجة الآلية أو الصب.
• تقنيات التصنيع المضافة بطيئة نسبيًا، إذ يستغرق إنتاج القطعة عادةً عدة ساعات، والتنظيف اليدوي لمواد الدعم ضروري بعد إنشائها.
• لذلك هو الأنسب للنماذج الأولية أو عمليات التصنيع لمرة واحدة أو الإنتاج الصغير جدًا.

ما التقنيات الأنسب للنماذج الأولية؟

تمرين: أشكال التصنيع الإضافي

• B.P8, B.P9, B.M6, B.D4

• حدد ما لا يقل عن أربعة أشكال مختلفة للتصنيع الإضافي.
• حدد مجموعة المواد التي يمكن استخدامها عند استخدام كل تقنية.
• حدد إيجابيات وسلبيات كل تقنية، وفكّر في تكلفة المعدات والمواد الاستهلاكية ودقة النتائج وكيفية دعم المكونات المتدلية.
• حدد الطريقة أو الطرق المناسبة لتطبيقات النماذج الأولية المدرجة أدناه.
• التخطيط: ما المهمة؟ ما المطلوب أن أفعله؟
• التنفيذ: أعرف ما أفعله وما أريد تحقيقه.

طرق الربط والدمج

• يُصنَّع عدد قليل من المنتجات من مكوّن واحد، وغالبًا ما يلزم استخدام تقنيات الربط والدمج، ويعرض الجدول 3.16 بعض الأمثلة الشائعة.

أي طريقة ربط تسمح بالتفكيك؟

تقنيات تشكيل متخصصة: البثق والتطريق والكبس والتركيب

• في التشكيل بالبثق يُدفع المعدن أو البلاستيك أو السيراميك عبر قالب عند ضغط مرتفع لإنشاء أطوال موشورية من المواد.
• يمكن أن تكون أنابيب بسيطة أو أشكالًا أكثر تعقيدًا.

• يُستخدم التطريق لتشكيل المعدن تحت ضغط مرتفع ودرجة حرارة مرتفعة في كثير من الأحيان، بوضع المادة بين قالبين.
• تُشكل القطع بالتطبيع من مادة الألواح باستخدام قوالب متخصصة، وتُصنع ألواح بدن السيارة بهذه العملية.
• التشكيل الحراري يسخن بوليمر الألواح حتى يصبح طريًا ثم يُمرر فوق قالب، ويسحبه ضغط الهواء أو الفراغ إلى القالب.
• في التشكيل بمزج مساحيق التعدين تُمزج المواد المعدنية في شكل مسحوق مع المواد المضافة وتُضغط في قالب قبل التلبيد لإنشاء قطعة صلبة.

• من أنواعها المُركب المقوى بالألياف، ومنه الألياف الزجاجية وألياف الكربون.
• تُحوَّل المواد إلى قطع بالتشكيل، إذ توضع طبقات من الألياف المتشابكة في قالب القطعة، ثم تُعالج القطعة.
• عادةً توضع القطع في أكياس تفريغ قبل المعالجة، لأن إزالة الهواء تساعد على ضغط شرائح الألياف وتعطي نتيجة أكثر قابلية للتنبؤ.
• التموضع بالسحب المؤتمت نوع متقدم يستخدم آلات متخصصة للف حزم من الألياف فوق مغزل مُشكَّل، لتصنيع قطع غيار الطائرات أو شفرات توربينات الرياح.
• قد تغير المعالجة طبيعة المادة.
• عند صب المعادن يؤدي الانتقال من المعدن المنصهر إلى الصلب إلى إعادة بلورة المادة.
• في التطريق تظل المادة صلبة، لكن تدفقها يتسبب في تدفق حبيباتها البلورية إلى شكل القطعة، فتنتج أجزاء أقوى مما لو صبت أو عولجت آليًا.
• المعالجة الآلية قد تغير طبيعة المادة أيضًا: التقطيعات العميقة تعطي تشطيبًا أخشن من الضحلة.
• وقد تجعل بعض المواد، بما فيها الفولاذ المقاوم للصدأ، أكثر صلابة، ما يجعل المزيد من المعالجة صعبًا.

ما المواد المركبة؟

مقاييس التصنيع: من القطعة الواحدة إلى الإنتاج المستمر

• ستؤثر كمية المنتج الذي تخطط لإنتاجه في تصميمك.
• مع زيادة الحجم الكلي يصبح من الأفضل استخدام أعداد متزايدة من الأدوات والقوالب المتخصصة، أو حتى أنظمة مخصصة بأكملها.
• إذا كان الحجم الكلي صغيرًا جدًا فستكون تكلفة أدوات المنتج كبيرة جدًا ويجب استخدام معدات تصنيع أكثر عمومية.
• التصنيع لمرة واحدة: مشاريع البنية التحتية الكبيرة كمنصات النفط أو السفن، أو عناصر متخصصة أصغر كمعدات البحث والقوالب.
• يشمل القليل من الأتمتة، وعادةً يقلل استخدام الأدوات الخاصة بالقطع إلى الحد الأدنى.

• التصنيع في دفعات صغيرة: تُصنع المنتجات بكميات صغيرة في أي وقت، وقد تصل إلى حجوم كلية كبيرة على مدى عمرها الإنتاجي.
• مثال: إنتاج 100 قطعة أسبوعيًا بعد ظهر يوم واحد، فيُنتج نحو 10 000 قطعة خلال عامين.
• الميزة: لا حاجة لتخزين أعداد كبيرة من المنتجات تامة الصنع، ويمكن استرداد الأموال بسرعة، وتحميك الكميات الصغيرة من نفاد دفتر الطلبات.
• الجانب السلبي: تكاليف الإعداد عند تبديل الأدوات من منتج إلى آخر، فقد ينقسم وقت الدفعة إلى ساعتين للإعداد وساعتين لصنع القطع.
• الإنتاج بدفعات صغيرة يمكن أن يكون فعالًا من حيث التكلفة إذا أمكن تقليل وقت تغيير الأداة، بأنظمة التغيير السريع للأدوات أو آلات التحكم العددي بالحاسوب.
• في الدفعات الكبيرة يصبح الوقت المستغرق في تغيير الأدوات أقل أهمية.
• في المثال نمضي ساعتين في التهيئة وست ساعات في الإنتاج بدلًا من ساعتين، فننتج ثلاثة أضعاف القطع مقابل ضعف تكلفة التصنيع.
• الجانب السلبي: تخزين المزيد من المنتجات تامة الصنع ووقت أطول لبيع كل قطعة واسترداد الأموال.
• الإنتاج الكمي إنتاج أعداد كبيرة من المنتجات المماثلة أو المتطابقة عادةً على خط الإنتاج، بآلات متخصصة جدًا ومصممة لمنتج معين، وهو فعال جدًا من حيث التكلفة.
• لكن إدخال منتجات مختلفة قليلًا في هذا النظام لاحقًا قد يكون صعبًا.
• الإنتاج المستمر نظام من نوع التدفق يكون فيه المنتج موحدًا أو شبه موحد ويجري إدخال المواد باستمرار.
• شائع في معالجة المواد الكيميائية والبتروكيماوية والمواد الخام، ويتضمن معدات متخصصة جدًا ودرجة عالية من الأتمتة.

ماذا يحدث لوقت تغيير الأدوات في التصنيع بكميات كبيرة؟

• وقفة للتفكير: كيف يمكنك تحديد حجم الدفعة التي يجب استخدامها لتصنيع منتجك؟ ما العوامل التي يجب مراعاتها؟

تمرين: أداة الإقران لمقطورة شاحنة كهربائية

• B.P4, B.P5, B.P6, B.P7, B.M3, B.M4, B.M5, B.D2, B.D3

• يحتاجون إلى تصميم مجموعة من أدوات الإقران، يُركب نصفها في الجزء الخلفي من الشاحنة مع جزء للإقران في المقطورة.
• سيتوافر لكل من الشاحنة والملحقات القابلة للسحب لوح فولاذ بسمك 5 مم وارتفاع 75 مم وعرض 150 مم.
• يجب أن تكون أداة الإقران قوية بما يكفي لسحب حمولة 80 كجم وسهلة التركيب والفصل.
• ترغب الشركة أيضًا في نوع آخر من أداة الإقران يسمح بنقل الطاقة الكهربائية إلى المقطورة لتشغيل الأضواء والأدوات الكهربائية، بقدرة 24 فولت 10 أمبير كحد أدنى.
• أعِد مقترحًا لتصميم أداة الإقران يتضمن متغيرات التصميم لكل من الإصدار الأساسي وذلك الذي يسمح بالنقل الكهربائي.
• يجب أن تأخذ حزمة المقترح شكل سجل التصميم، والذي يجب أن يتضمن:

1. حدّد المواصفات: ابدأ بمواصفات تصميم المنتج الخاصة بالإقران
2. ولّد الأفكار: استخدم التحليل المورفولوجي لابتكار أفكار التصميم
3. قيّم الأفكار: قيّمها منهجيًا مقابل متطلبات المواصفات الرئيسة
4. كرّر التقييم: أدرج جميع المتطلبات بما فيها التكلفة والتصنيع
5. ارسم الحل: ارسم تخطيطًا يدويًا للمنتج النهائي يحدد السمات والمواد والآليات

• مواصفات تصميم المنتج الخاص بالإقران
• مجموعة من أفكار التصميم التي ابتُكرت بمساعدة التحليل المورفولوجي
• تقييم منهجي لأفكار التصميم لإظهار كيفية التزامها بالمقترح المختار. يجب أن يراعي هذا التقييم متطلبات المواصفات الرئيسة.
• تكرار هذا التقييم للاشتمال على جميع متطلبات المنتج، بما في ذلك التكلفة والتصنيع. وشرح تطور التصميم مع الرسوم التخطيطية المشروحة
• رسم تخطيطي يدوي للمنتج النهائي يحدد السمات والمواد والآليات الرئيسة
• إضافي: رسم تفصيلي لجميع المكونات المخصصة ورسم تجميع أورثوغرافي.