هندسة التصنيع

تشمل دراسات هندسة التصنيع الحديثة جميع العمليات الوسيطة اللازمة لإنتاج ودمج مكونات المنتج.

تستخدم بعض الصناعات، مثل صناع أشباه الموصلات والصلب ، مصطلح "التصنيع" لهذه العمليات.

تُستخدم الأتمتة في عمليات تصنيعية مختلفة، مثل التشغيل الآلي واللحام. ويشير التصنيع الآلي إلى تطبيق الأتمتة لإنتاج السلع في المصانع. وتتحقق المزايا الرئيسية للتصنيع الآلي في عملية الإنتاج من خلال التطبيق الفعال للأتمتة، وتشمل هذه المزايا: زيادة الاتساق والجودة، وتقليل أوقات التسليم، وتبسيط الإنتاج، وتقليل عمليات المناولة، وتحسين سير العمل، ورفع معنويات العاملين.

علم الروبوتات هو تطبيق الميكاترونيات والأتمتة لإنشاء الروبوتات، التي تُستخدم غالبًا في التصنيع لأداء مهام خطرة أو شاقة أو متكررة. قد تتخذ هذه الروبوتات أشكالًا وأحجامًا مختلفة، ولكنها جميعًا مُبرمجة مسبقًا وتتفاعل ماديًا مع البيئة المحيطة. لإنشاء روبوت، يستخدم المهندس عادةً علم الحركة (لتحديد نطاق حركة الروبوت) وعلم الميكانيكا (لتحديد الإجهادات داخل الروبوت). تُستخدم الروبوتات على نطاق واسع في هندسة التصنيع.

تُتيح الروبوتات للشركات توفير المال المُنفَق على العمالة، وأداء مهام بالغة الخطورة أو بالغة الدقة بحيث يصعب على البشر القيام بها بكفاءة اقتصادية، وضمان جودة أفضل. تستخدم العديد من الشركات خطوط تجميع آلية، وبعض المصانع مُؤتمتة بالكامل لدرجة أنها قادرة على العمل ذاتيًا. خارج نطاق المصانع، تُستخدم الروبوتات في إبطال مفعول القنابل، واستكشاف الفضاء، والعديد من المجالات الأخرى. كما تُباع الروبوتات أيضًا للاستخدامات المنزلية المختلفة.

يركز مهندسو التصنيع على تصميم وتطوير وتشغيل أنظمة إنتاج متكاملة للحصول على منتجات عالية الجودة وتنافسية اقتصادياً. ^{[ 2 ]} قد تشمل هذه الأنظمة معدات مناولة المواد، وأدوات الآلات، والروبوتات، أو أجهزة الكمبيوتر أو شبكات الكمبيوتر.

يحمل مهندسو التصنيع شهادة جامعية متوسطة أو بكالوريوس في الهندسة، مع تخصص في هندسة التصنيع. تتراوح مدة الدراسة للحصول على هذه الشهادة عادةً بين سنتين وخمس سنوات، تليها خمس سنوات أخرى من التدريب العملي للتأهل كمهندس محترف. أما العمل كفني هندسة تصنيع فيتطلب مسارًا تأهيليًا أكثر تركيزًا على التطبيقات.

عادةً ما تكون الشهادات الأكاديمية لمهندسي التصنيع هي شهادة الدبلوم أو البكالوريوس في الهندسة (BE أو BEng)، وشهادة الدبلوم أو البكالوريوس في العلوم (BS أو BSc). أما بالنسبة لتقنيي التصنيع، فالشهادات المطلوبة هي شهادة الدبلوم أو البكالوريوس في التكنولوجيا (B.TECH) أو شهادة الدبلوم أو البكالوريوس في العلوم التطبيقية (BASc) في التصنيع، وذلك حسب الجامعة. تشمل شهادات الماجستير في هندسة التصنيع ماجستير الهندسة (ME أو MEng) في التصنيع، وماجستير العلوم (M.Sc) في إدارة التصنيع، وماجستير العلوم (M.Sc) في الإدارة الصناعية والإنتاجية، وماجستير العلوم (M.Sc) بالإضافة إلى ماجستير الهندسة (ME) في التصميم، وهو تخصص فرعي من تخصصات التصنيع. كما تتوفر برامج الدكتوراه (PhD أو DEng) في التصنيع، وذلك حسب الجامعة.

يشمل المنهج الدراسي لدرجة البكالوريوس عادةً مقررات في الفيزياء والرياضيات وعلوم الحاسوب وإدارة المشاريع، بالإضافة إلى مواضيع محددة في الهندسة الميكانيكية وهندسة التصنيع. في البداية، تغطي هذه المواضيع معظم، إن لم يكن كل، التخصصات الفرعية لهندسة التصنيع. ثم يختار الطلاب التخصص في تخصص فرعي واحد أو أكثر مع اقتراب نهاية دراستهم.

يتضمن المنهج التأسيسي للحصول على درجة البكالوريوس في هندسة التصنيع أو هندسة الإنتاج المنهج التالي. يرتبط هذا المنهج ارتباطًا وثيقًا بالهندسة الصناعية والهندسة الميكانيكية، ولكنه يختلف عنها في تركيزه بشكل أكبر على علوم التصنيع أو علوم الإنتاج. ويشمل المجالات التالية:

تختلف شهادة هندسة التصنيع عادةً عن شهادة الهندسة الميكانيكية في عدد قليل من المقررات الدراسية المتخصصة. تركز شهادات الهندسة الميكانيكية بشكل أكبر على عملية تصميم المنتج وعلى المنتجات المعقدة، الأمر الذي يتطلب خبرة رياضية أوسع.

الميكانيكا، بمعناها العام، هي دراسة القوى وتأثيراتها على المادة. ويُستخدم علم الميكانيكا الهندسية عادةً لتحليل وتوقع تسارع وتشوه (المرن واللدن) الأجسام تحت تأثير قوى (أو أحمال) أو إجهادات معلومة. وتشمل فروع الميكانيكا ما يلي:

• علم السكون ، دراسة الأجسام غير المتحركة تحت تأثير أحمال معروفة
• الديناميكا (أو الحركية)، هي دراسة كيفية تأثير القوى على الأجسام المتحركة
• ميكانيكا المواد ، وهي دراسة كيفية تشوه المواد المختلفة تحت أنواع مختلفة من الإجهاد
• ميكانيكا الموائع ، وهي دراسة كيفية تفاعل الموائع مع القوى
• ميكانيكا الأوساط المتصلة ، وهي طريقة لتطبيق الميكانيكا تفترض أن الأجسام متصلة (بدلاً من كونها منفصلة).

إذا كان المشروع الهندسي يهدف إلى تصميم مركبة، فقد تُستخدم مبادئ علم السكون لتصميم هيكل المركبة وتقييم مواضع الإجهادات الأكثر شدة. أما مبادئ علم الحركة، فقد تُستخدم عند تصميم محرك السيارة لتقييم القوى المؤثرة على المكابس والكامات أثناء دورات المحرك. ويمكن الاستعانة بميكانيكا المواد لاختيار المواد المناسبة لتصنيع الهيكل والمحرك. كما يمكن الاستعانة بميكانيكا الموائع لتصميم نظام تهوية للمركبة أو نظام سحب الهواء للمحرك.

علم الحركة هو دراسة حركة الأجسام (الأشياء) والأنظمة (مجموعات الأجسام)، مع إهمال القوى المسببة للحركة. تُعد حركة الرافعة وتذبذبات المكبس في المحرك مثالين على أنظمة حركية بسيطة. فالرافعة نوع من السلاسل الحركية المفتوحة، بينما المكبس جزء من آلية رباعية القضبان مغلقة. يستخدم المهندسون عادةً علم الحركة في تصميم وتحليل الآليات. ويمكن استخدامه لإيجاد نطاق الحركة الممكن لآلية معينة، أو، بالعكس، لتصميم آلية ذات نطاق حركة محدد.

الرسم الهندسي أو التصميم الفني هو الوسيلة التي يستخدمها المصنّعون لإعداد تعليمات تصنيع الأجزاء. يمكن أن يكون الرسم الفني نموذجًا حاسوبيًا أو مخططًا يدويًا يوضح جميع الأبعاد اللازمة لتصنيع جزء ما، بالإضافة إلى ملاحظات التجميع، وقائمة المواد المطلوبة، وغيرها من المعلومات ذات الصلة. يُطلق على المهندس أو العامل الماهر الذي يُعدّ الرسومات الفنية في الولايات المتحدة اسم "الرسام الهندسي" . تاريخيًا، كان الرسم الهندسي عملية ثنائية الأبعاد، ولكن برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) تُمكّن المصمم الآن من التصميم ثلاثي الأبعاد.

يجب إدخال تعليمات تصنيع القطعة إلى الآلات اللازمة، إما يدويًا، أو عبر تعليمات مبرمجة، أو باستخدام برنامج التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) أو برنامج CAD/CAM المدمج. ويمكن للمهندس، اختياريًا، تصنيع القطعة يدويًا باستخدام الرسومات الفنية، إلا أن هذا أصبح نادرًا مع ظهور التصنيع باستخدام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC). ويعتمد المهندسون بشكل أساسي على التصنيع اليدوي للقطع في مجالات الطلاء بالرش والتشطيبات وغيرها من العمليات التي لا يمكن إنجازها اقتصاديًا أو عمليًا بواسطة الآلة.

تُستخدم الرسومات الهندسية في جميع فروع الهندسة الميكانيكية والتصنيعية تقريبًا، وفي العديد من فروع الهندسة المعمارية والهندسة المدنية الأخرى. كما تُستخدم النماذج ثلاثية الأبعاد التي يتم إنشاؤها باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) بشكل شائع في تحليل العناصر المحدودة (FEA) وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD).

تستخدم آلات التصنيع أدواتٍ مختلفة للقطع أو التشكيل. وتمتلك جميع آلات التصنيع وسائلَ لتقييد قطعة العمل وتوجيه حركة أجزاء الآلة. أما تصنيع المعادن فهو بناء الهياكل المعدنية من خلال عمليات القطع والثني والتجميع.

التصنيع المتكامل بالحاسوب (CIM) هو أسلوب تصنيعي يستخدم الحواسيب للتحكم في عملية الإنتاج بأكملها. ويُستخدم هذا الأسلوب في صناعات السيارات والطيران والفضاء وبناء السفن.

الميكاترونكس هو فرع هندسي يهتم بتكامل الأنظمة الكهربائية والميكانيكية والتصنيعية. تُعرف هذه الأنظمة المدمجة بالأنظمة الكهروميكانيكية، وهي واسعة الانتشار. تشمل الأمثلة أنظمة التصنيع الآلية، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والعديد من الأنظمة الفرعية في الطائرات والسيارات.

يُستخدم مصطلح الميكاترونيات عادةً للإشارة إلى الأنظمة الكبيرة، لكنّ علماء المستقبل تنبأوا بظهور أجهزة كهروميكانيكية متناهية الصغر. تُستخدم هذه الأجهزة الصغيرة، المعروفة باسم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، في السيارات لتفعيل الوسائد الهوائية، وفي أجهزة العرض الرقمية لإنتاج صور أكثر وضوحًا، وفي طابعات نفث الحبر لإنشاء فوهات للطباعة عالية الدقة. ويُؤمل في المستقبل استخدام هذه الأجهزة في الأجهزة الطبية المزروعة الصغيرة، وفي تحسين الاتصالات البصرية.

تتناول مقررات هندسة النسيج تطبيق المبادئ العلمية والهندسية في تصميم ومراقبة جميع جوانب عمليات ومنتجات وآلات الألياف والمنسوجات والملابس. ويشمل ذلك المواد الطبيعية والصناعية، وتفاعل المواد مع الآلات، والسلامة والصحة، وترشيد استهلاك الطاقة، والتحكم في النفايات والتلوث. بالإضافة إلى ذلك، يكتسب الطلاب خبرة عملية في تصميم وتخطيط المصانع، وتصميم وتحسين الآلات والعمليات الرطبة، وتصميم وإنتاج المنتجات النسيجية. وخلال مناهج هندسة النسيج، يدرس الطلاب مقررات من تخصصات هندسية أخرى، بما في ذلك الهندسة الميكانيكية والكيميائية وهندسة المواد والهندسة الصناعية.

تُعرف المواد المركبة المتقدمة (ACMs) أيضًا باسم مركبات المصفوفة البوليمرية المتقدمة. وتتميز هذه المواد عمومًا بألياف عالية القوة والصلابة، أو معامل مرونة مرتفع، مقارنةً بالمواد الأخرى، بينما ترتبط معًا بواسطة مصفوفات أضعف. للمواد المركبة المتقدمة تطبيقات واسعة ومثبتة في قطاعات الطائرات والفضاء والمعدات الرياضية. وبشكل أكثر تحديدًا، تُعد هذه المواد جذابة للغاية لتصنيع الأجزاء الهيكلية للطائرات والفضاء. وتُعتبر صناعة المواد المركبة المتقدمة صناعة عالمية بمليارات الدولارات. وتتراوح منتجاتها المركبة من ألواح التزلج إلى مكونات مكوك الفضاء. ويمكن تقسيم هذه الصناعة عمومًا إلى قسمين أساسيين: المواد المركبة الصناعية والمواد المركبة المتقدمة.

نظام التصنيع المرن (FMS) هو نظام تصنيع يتمتع بقدر من المرونة يسمح له بالاستجابة للتغيرات، سواء كانت متوقعة أم غير متوقعة. تُصنف هذه المرونة عمومًا إلى فئتين رئيسيتين، لكل منهما فئات فرعية عديدة. الفئة الأولى، مرونة الآلات، تشمل قدرة النظام على التكيف لإنتاج أنواع جديدة من المنتجات، وإمكانية تغيير ترتيب العمليات المنفذة على قطعة معينة. أما الفئة الثانية، مرونة التوجيه، فتتضمن إمكانية استخدام آلات متعددة لتنفيذ العملية نفسها على قطعة واحدة، بالإضافة إلى قدرة النظام على استيعاب التغيرات واسعة النطاق، مثل التغيرات في الحجم أو الطاقة الإنتاجية أو القدرة.

تتألف معظم أنظمة التصنيع المرنة (FMS) من ثلاثة أنظمة رئيسية. ترتبط آلات العمل، والتي غالبًا ما تكون آلات CNC مؤتمتة، بنظام مناولة المواد لتحسين تدفق الأجزاء، وبحاسوب تحكم مركزي يتحكم في حركة المواد وتدفق الآلات. تتمثل الميزة الرئيسية لنظام التصنيع المرن في مرونته العالية في إدارة موارد التصنيع، مثل الوقت والجهد، لإنتاج منتج جديد. ويُعدّ إنتاج مجموعات صغيرة من المنتجات من خط إنتاج ضخم أفضل استخدام لنظام التصنيع المرن.

التصنيع المتكامل بالحاسوب (CIM) في الهندسة هو أسلوب تصنيع تُدار فيه عملية الإنتاج بأكملها بواسطة الحاسوب. يجمع هذا الأسلوب بين أساليب العمليات المنفصلة تقليديًا عبر الحاسوب، مما يسمح بتبادل المعلومات وبدء الإجراءات. وبفضل هذا التكامل، يصبح التصنيع أسرع وأقل عرضة للأخطاء، مع أن الميزة الرئيسية تكمن في القدرة على إنشاء عمليات تصنيع مؤتمتة. يعتمد التصنيع المتكامل بالحاسوب عادةً على عمليات تحكم ذات حلقة مغلقة تعتمد على مدخلات آنية من أجهزة الاستشعار. ويُعرف أيضًا بالتصميم والتصنيع المرن.

اكتُشفت تقنية اللحام الاحتكاكي التحريكي عام ١٩٩١ من قِبل معهد اللحام . تُتيح هذه التقنية المبتكرة، التي تعتمد على اللحام في الحالة المستقرة (بدون انصهار)، وصل مواد كانت سابقًا غير قابلة للحام، بما في ذلك العديد من سبائك الألومنيوم . وقد تلعب دورًا هامًا في صناعة الطائرات مستقبلًا، حيث يُحتمل أن تحل محل المسامير. تشمل الاستخدامات الحالية لهذه التقنية لحام وصلات خزان الوقود الخارجي الرئيسي المصنوع من الألومنيوم لمكوك الفضاء، ونموذج اختبار مركبة أوريون المأهولة، ومركبات الإطلاق الاستهلاكية دلتا ٢ ودلتا ٤ من بوينغ، وصاروخ فالكون ١ من سبيس إكس؛ ودروع سفن الإنزال البرمائية؛ ولحام أجنحة وألواح هيكل طائرة إكليبس ٥٠٠ الجديدة من إكليبس للطيران، ضمن نطاق استخدامات متزايد باستمرار.

Other areas of research include product design, MEMS (micro-electro-mechanical systems), lean manufacturing, intelligent manufacturing systems, green manufacturing, precision engineering, and smart materials, among others.