في العقود الأخيرة ، أصبح التصنيع المضاف ، المعروف أيضًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد ، شائعًا بشكل متزايد في التصنيع. فهي ، أولاً وقبل كل شيء ، مناسبة تمامًا لتصميم نماذج جديدة للمنتجات - لا يوجد وقت كبير بين التطوير والاختبار. ومع ذلك ، يتم استخدامها بشكل متزايد في تصنيع كل شيء من مجموعات صغيرة من البضائع إلى هياكل مخصصة وحتى مكونات محركات الصواريخ.
الميزة الواضحة للتقنيات المضافة هي أنها تستخدم معدات غير محددة ومواد شائعة كموارد ، فهي لا تحتاج إلى قوالب باهظة الثمن مثل قولبة الحقن ، ولا تتطلب عملية تصنيع طويلة ومهدرة على آلات الطحن وماكينات مماثلة. يتم تقليل كل الإنتاج لتغذية نموذج ثلاثي الأبعاد ومواد إدخال أو أكثر لمدخلات جهاز الطباعة - وهذا الجهاز يحول النموذج ثلاثي الأبعاد إلى كائن مادي به نفايات قليلة جدًا.
لم يتم تجاهل هذه المزايا في الصناعة النووية. ونتيجة لذلك ، يتم تصنيع مكونات مختلفة على طابعات ثلاثية الأبعاد - بدءًا من تلك التي تدعم تشغيل المفاعلات الحالية إلى الأدوات التي تساعد في معالجة الوقود المستهلك وحتى المفاعلات النووية بالكامل.
هذا ليس نمذجة الترسيب تنصهر المعتاد
يمكن لأي شخص يستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد تعمل مع PLA أو ABS أو راتنج SLA الحساس للأشعة فوق البنفسجية أن يشهد على أنه يصعب التغلب على تكلفة إنتاج العناصر بهذه الطريقة. ستكون عملية تصنيع كل شيء من الترس المكسور في المحرك إلى حالة خاصة للوحة الدوائر المطبوعة الجديدة أسرع وأرخص من تلك التقليدية - إذا كنا نتحدث عن عمل عدد صغير من النسخ.
يطبع الفضاء النسبية محرك Aeon
وبسبب هذا ، فإن صناعة الطيران ، من وكالة ناسا إلى الشركات الناشئة في المجال ، لديها موقف دافئ تجاه استخدام التقنيات المضافة للنماذج الأولية والإنتاج نفسها. محركات الصواريخ ومكوناتها التي لا حصر لها ، بما في ذلك المضخات التوربينية والصمامات ، هي مطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل مثالي. يختلف كل محرك نموذج أولي عن المحرك السابق ، ويتم إنتاجه إجمالاً عدة مئات في السنة - كما هو الحال مع محرك Merlin 1D من صاروخ SpaceX Falcon 9. تشير الشركات الناشئة ، ولا سيما الفضاء النسبي ، إلى أن استخدام التقنيات المضافة سيغير صناعة الفضاء تمامًا .
بطبيعة الحال ، نحن لا نتحدث هنا عن طابعة تصل قيمتها إلى 2000 دولار ، والتي يتم تصنيعها باستخدام تقنية FDM (نمذجة الترسيب ) قطع بلاستيكية من PLA أو ABS. ولا حتى عن طابعات SLA العصرية ( الليثوغرافية الليزرية ) التي تكلف السيارة. لطباعة الألمنيوم ، أو حتى أجزاء التيتانيوم ، تحتاج إلى طابعة SLM ( صهر الليزر الانتقائي ) ، وتعرف أيضًا بطابعة صهر المعادن بالليزر المباشرة. تعد هذه خطوة أخرى بعد طابعات SLS ( التلبد بالليزر الانتقائي ) ، التي تربط المواد معًا (النايلون أو المعدن أو السيراميك أو الزجاج) ولكنها لا تذوبها.
SLM يشبه SLA ، يتم عكس مبدأ الطباعة فقط. يضاف مسحوق المعدن الطازج فوق الجزء المطبوع ، ويذيبه الليزر ويضيف طبقة جديدة. كل شيء يحدث في وعاء مغلق مملوء بغاز خامل لتجنب الأكسدة. يمكنك تخمين أن آلات SLM تشبه بالفعل المنزل بالكامل.
للمقارنة ، يحتوي موقع All3DP على مثل هذه اللوحة ، التي تسرد تكلفة تصنيع نموذج قارب Benchy القياسي عند الطباعة من معادن مختلفة.
| البلاستيك المعدني (الألومنيوم سابقًا - PLA بالألمنيوم) | 22.44 دولارًا |
| الفولاذ المقاوم للصدأ ، المجلفن ، نحى | 84.75 دولار |
| برونز ، صلب ، مطحون | 299.91 دولار |
| فضي ، صلب ، مصقول | 713.47 دولار |
| مصقول مطلية بالذهب | 87.75 دولار |
| ذهب ، صلب ، 18 قيراط | 12540 دولارًا |
| البلاتين ، مصقول ، مصقول | 27314 دولارًا |
مفاعل نووي
ستكون الخطوة الطبيعية التالية في التكنولوجيا المضافة هي الانتقال من الجحيم الحراري لمحرك صاروخي إلى بيئة مفاعل نووي أكثر هدوءًا - وإن كان أكثر إشعاعًا. المفاعلات النووية مربحة ليتم تصنيعها بكميات كبيرة ، ثم وفورات الحجم. ومع ذلك ، على مدى العقود الماضية في الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، اختفى هذا السوق عمليا ، على الرغم من أنه كان واسع النطاق.
عندما أراد العمالقة النوويون السابقون العودة إلى اللعبة - الولايات المتحدة مع AP1000 وفرنسا مع EPR- اتضح أن مصانع الطاقة النووية نفسها تم بناؤها في الصين (التي لديها صناعة نووية قوية). تم توصيل 4 مفاعلات AP1000 ومفاعلين EPR بالشبكة لسنوات عديدة قبل أن تخطط البلدان التي طورتها لبناءها وربطها. ومن المفارقات ، أن مضخات التبريد في AP1000 المصنوعة في الولايات المتحدة الأمريكية تخضع للفشل المستمر .
تتمثل مشكلة أي مشروع مهم للبنية التحتية في توافر المعرفة وسلاسل التوريد اللازمة. عندما تبني دولة بانتظام وتحتفظ بمحطات للطاقة النووية ، فإنها تحتفظ بكل من سلاسل الإمداد والمتخصصين المطلوبين للعمل معها. عندما يتوقف بلد ما عن بناء محطات طاقة نووية جديدة لعدة عقود ، تختفي سلاسل التوريد وتضيع المعرفة. بالطبع ، يمكنك إعادة بناء الإنتاج بالكامل وجذب الناس ، ولكن من المنطقي التفكير في أساليب أكثر فعالية لإنتاج مثل هذه المعدات.
في محاولة من الولايات المتحدة للحاق ببلدان مثل كندا ، احتلت روسيا المرتبة الأولى في العالممن خلال عدد محطات الطاقة النووية قيد الإنشاء] وكوريا الجنوبية ، كلفت وزارة الطاقة الأمريكية مختبر أوك ريدج الوطني بمهمة قيادة برنامج مفاعل التحدي التحويلي (TCR). يجب على البرنامج "إظهار نهج ثوري لنشر أنظمة جديدة للطاقة النووية". في الواقع ، الهدف من المشروع هو الطباعة ثلاثية الأبعاد بأكبر عدد ممكن من المفاعلات الدقيقة لإثبات الإمكانيات التي توفرها التقنيات المضافة.
اعمل على التفاصيل
من خلال العمل مع مختبر أرجون الوطني (ANL) ومختبر أيداهو الوطني (INL) ، يعمل ORNL على العديد من التفاصيل المرتبطة بهذا التغيير الجذري في التصنيع لتلبية الطلبات المتزايدة على المواد المستخدمة في مفاعل نووي. يتم طرح الأسئلة حول تشويه الحرارة والتعب من المواد مقارنة بالمكونات التقليدية. يتم وصف بعض نتائج هذه الدراسات في عمل جديد ، والذي يمكن أن يقدم فكرة عن مقدار العمل المستثمر في البحث عن جدوى مثل هذا النهج.
نشرت ANL بالفعل اكتشافات تم إجراؤها في عملية طباعة SLM باستخدام التصوير بالأشعة السينية عالية السرعة ، مما يتيح لك رؤية العملية بالتفصيل. ترتبط إحدى المشاكل الرئيسية التي اكتشفوها بالتدفق القسري للهواء ، والذي يتم من خلاله امتصاص المادة الأكثر برودة في الكتلة المنصهرة. ونتيجة لذلك ، تؤدي هذه القطع من المواد الباردة إلى عيوب في المنتج النهائي.
في قائمة حقائق مشروع TCRيوصف أن المفاعل الصغير سيضطر إلى استخدام جزيئات وقود TRISO (نيتريد اليورانيوم) ، ووسيط نيوتروني هيدريد الإيتريوم وكربيد السيليكون ونواة الفولاذ المقاوم للصدأ المطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد. سيتم تبريد المفاعل بالهيليوم ، وهو فريد تمامًا ، لأن معظم المفاعلات الحديثة تستخدم الماء أو الماء الثقيل أو الصوديوم للتبريد.
نظرًا لأن برنامج TCR صغير جدًا (تم نشره لأول مرة في عام 2019) ، فمن الصعب تقييم تقدمه أو فهم ما يمكن توقعه منه. للقيام بذلك ، يمكن للمرء تقييم ما حدث بالفعل في عملية دمج التقنيات المضافة في الصناعة النووية.
دمج التقنيات المضافة في الصناعة النووية
حتى الآن ، تتم طباعة مكونات بسيطة نسبيًا على طابعة ثلاثية الأبعاد للمفاعلات النووية. في عام 2017 ، استبدلت شركة سيمنز دافع 108 ملم في مضخة حريق في محطة Krško للطاقة النووية في سلوفينيا بنسخة مطبوعة ثلاثية الأبعاد. تم إغلاق الشركة المصنعة للمضخة الأصلية بالفعل ، منذ تركيب المضخة في مكان ما في عام 1980.
تعمل وستنجهاوس أيضًا في هذا الاتجاه ، وقد قامت مؤخرًا بتثبيت غلاف ثلاثي الأبعاد على الوحدة الأولى لمحطة بايرون للطاقة النووية . يحمل هذا الجهاز قضبان الوقود.بينما تغرق في المفاعل. أحد الدوافع الرئيسية لتثبيته هو الرغبة في فهم كيفية تأثير بيئة المفاعل النووي على المواد المطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد ، وما إذا كان هناك اختلاف مع المكونات المصنعة بالطريقة المعتادة.
كي تختصر
من الواضح أن للطباعة ثلاثية الأبعاد مستقبل واعد في التصنيع. في حالة الصناعة النووية ، لا تقدم فقط طريقة جيدة لإنتاج قطع غيار للمفاعلات التي يزيد عمرها عن 60 عامًا ، والتي أغلق أكثر من نصف مورديها الإنتاج بالفعل أو غيروا إنتاجه. جنبا إلى جنب مع العديد من تقنيات التصنيع الجديدة الأخرى ، فإنه يوفر أيضًا فرصًا جديدة ومثيرة للجيل القادم من المفاعلات النووية ، سواء كانت مفاعلات اندماج أو انشطار.
لديها العديد من المزايا الواضحة - تسريع النماذج الأولية للمفاعلات والمفاهيم الجديدة ، وضمان عمل المفاعلات في المستوطنات البعيدة والمستعمرات المستقبلية على القمر والمريخ دون الحاجة إلى الاعتماد على سلسلة إمداد معقدة. ليست القضية الأخيرة هي قضية التكلفة - يجب أن يكون إنتاج المفاعل بهذه الطريقة أرخص بكثير ، وربما يسمح بإنتاج وتجميع المفاعلات على الفور.
من الواضح أن كل هذا ليس مثيرًا للاهتمام للغاية للأشخاص الذين لا يستطيعون الوصول إلى طابعات SLM - ولكن من يدري ، ربما سنقوم خلال عشر سنوات بطباعة محركات الصواريخ الخاصة بنا ومكونات مفاعلات الاندماج في المنزل.