تحليل تجريبي لتحسين استقرار أبعاد الجرانيت على الحديد الزهر في منصة التحكم في الحركة لآلة طلاء بطاريات الليثيوم.

​
في عملية إنتاج بطاريات الليثيوم أيون، تُعدّ عملية الطلاء حلقةً أساسيةً تؤثر بشكل مباشر على أداء البطاريات وسلامتها. ويلعب استقرار منصة التحكم في حركة آلة طلاء بطاريات الليثيوم دورًا حاسمًا في دقة الطلاء. وقد حظي اختلاف استقرار أبعاد الجرانيت والحديد الزهر، وهما من المواد الشائعة الاستخدام في منصات الطلاء، باهتمام كبير. ستُحلل هذه المقالة بعمق التحسن الملحوظ في استقرار أبعاد الجرانيت مقارنةً بالحديد الزهر على منصة التحكم في حركة آلات طلاء بطاريات الليثيوم، وذلك من خلال خصائص المواد والبيانات التجريبية ودراسات الحالة العملية.
تحدد خصائص المواد أساس الاستقرار
كان الحديد الزهر، كمادة صناعية تقليدية، يُستخدم على نطاق واسع في مجال منصات التحكم بالحركة نظرًا لأدائه الممتاز في الصب ومزاياه الاقتصادية. مع ذلك، يعاني الحديد الزهر من عيوب متأصلة. إذ يحتوي هيكله الداخلي على كمية كبيرة من الجرافيت الرقائقي، ما يُعادل وجود شقوق داخلية ويُقلل من صلابة المادة الإجمالية. في الوقت نفسه، يُعد معامل التمدد الحراري للحديد الزهر مرتفعًا نسبيًا، حيث يبلغ حوالي 10-12 × 10⁻⁶/درجة مئوية. وتحت تأثير تراكم الحرارة الناتجة عن التشغيل طويل الأمد لطلاء بطاريات الليثيوم، يكون عرضة للتشوه الحراري. إضافةً إلى ذلك، يوجد إجهاد صب داخل الحديد الزهر. ومع مرور الوقت، سيؤدي تحرر هذا الإجهاد إلى تغييرات لا رجعة فيها في حجم المنصة، ما يؤثر على دقة الطلاء.

الجرانيت مادة طبيعية تشكلت عبر عمليات جيولوجية على مدى مئات الملايين من السنين. يتميز ببنية بلورية داخلية كثيفة ومتجانسة، ويتمتع بثبات عالٍ بطبيعته. يبلغ معامل التمدد الخطي للجرانيت 0.5-8×10⁻⁶/درجة مئوية فقط، أي ما يعادل نصف إلى ثلث معامل التمدد الخطي للحديد الزهر، وهو غير حساس للغاية لتغيرات درجة الحرارة. في الوقت نفسه، يتميز الجرانيت بصلابته، حيث تصل مقاومته للضغط إلى 1050-14000 كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع. يمكنه مقاومة تأثيرات القوى الخارجية والاهتزازات بفعالية، مما يوفر أساسًا متينًا ومستقرًا لمنصة التحكم في الحركة. يكاد يخلو من الإجهاد المتبقي، ولن يتسبب في أي تغيرات في الأبعاد نتيجة لتحرر الإجهاد، مما يضمن ثبات أبعاد المنصة بفضل طبيعة المادة.
تؤكد البيانات التجريبية اختلافات الأداء
للمقارنة البصرية بين اختلافات ثبات الأبعاد بين الجرانيت والحديد الزهر، أجرى فريق البحث تجربة خاصة. تم اختيار منصتي تحكم بالحركة لآلة طلاء بطاريات الليثيوم من نفس المواصفات، إحداهما مصنوعة من الجرانيت والأخرى من الحديد الزهر، وتم اختبارهما في ظل نفس الظروف البيئية. حاكت التجربة سيناريو العمل الفعلي لآلة طلاء بطاريات الليثيوم. ومن خلال تشغيل الجهاز بشكل مستمر، تم رصد تغيرات حجم المنصة في نقاط زمنية مختلفة.
أظهرت النتائج التجريبية أنه بعد التشغيل المتواصل لمدة 24 ساعة، وبسبب الحرارة المتولدة من تشغيل الجهاز، ارتفعت درجة حرارة سطح منصة الحديد الزهر بمقدار 15 درجة مئوية تقريبًا، مما أدى إلى زيادة قدرها 0.03 مم في بُعدها الطولي. في ظل الظروف نفسها، كان التغير في حجم منصة الجرانيت ضئيلاً للغاية، حيث لم يتجاوز نطاق تذبذب حجمها 0.005 مم. بعد 1000 ساعة من اختبارات التقادم طويلة الأمد، وبسبب انخفاض الإجهاد الداخلي وتراكم التشوه الحراري، ازداد خطأ التسطيح في منصة الحديد الزهر من 0.01 مم إلى 0.05 مم. بينما ظل خطأ التسطيح في منصة الجرانيت ثابتًا عند 0.015 مم، مما يُظهر بوضوح ميزة استقرار الأبعاد.
إنجازات ملحوظة في التطبيقات العملية
في الإنتاج الفعلي لمصنع كبير لبطاريات الليثيوم، كانت تُستخدم منصات تحكم بالحركة مصنوعة من الحديد الزهر. ومع ازدياد وقت تشغيل المعدات، انخفضت دقة الطلاء تدريجياً، مما أدى إلى تفاوت في سمك الطلاء، وضعف تجانس صفائح أقطاب البطارية، وارتفاع نسبة المنتجات المعيبة إلى 8%. ولحل هذه المشكلة، استبدل المصنع منصات التحكم بالحركة لبعض المعدات بمواد من الجرانيت.
بعد الاستبدال، تحسّن استقرار أبعاد المعدات بشكل ملحوظ. خلال دورة إنتاج مدتها ستة أشهر، حافظت آلة الطلاء التي تستخدم منصة من الجرانيت على خطأ في سمك الطلاء ضمن نطاق ±2 ميكرومتر، وانخفض معدل المنتجات المعيبة بشكل كبير إلى أقل من 3%. في الوقت نفسه، ولأن منصات الجرانيت لا تتطلب معايرة وصيانة دقيقة متكررة مثل منصات الحديد الزهر، فإنها توفر على الشركات مبالغ كبيرة من تكاليف صيانة المعدات ووقت التوقف كل عام، وتزيد من كفاءة الإنتاج بأكثر من 15%.
في الختام، عند استخدام منصات التحكم في حركة آلات طلاء بطاريات الليثيوم، يتفوق الجرانيت، بفضل خصائصه المادية المتميزة، بشكل ملحوظ على الحديد الزهر من حيث ثبات الأبعاد. سواء من منظور طبيعة المادة، أو البيانات التجريبية، أو تطبيقاتها العملية، يوفر الجرانيت ضمانًا موثوقًا لإنتاج عمليات طلاء بطاريات الليثيوم بدقة عالية واستقرار تام. ومع التحسين المستمر لمتطلبات جودة المنتج في صناعة بطاريات الليثيوم، من المؤكد أن تصبح منصات التحكم في الحركة المصنوعة من الجرانيت الخيار الأمثل في هذه الصناعة.