میزان تركیبات آلی گوگرددار موجود در نفت خام ایران، بین 0.25 تا 3.23 درصد وزنی تخمین زده شده است[1] ، لذا ایران از جمله كشورهایی است كه دارای بالاترین مقدار تركیبات آلی گوگرددار، در ذخایر نفتی خود می باشد. احتراق مواد سوختی حاصل از نفت خام، مثل گازوئیل و بنزین موجب تولید و نشر اكسیدهای گوگردی شده كه باعث آلودگی محیط زیست و ایجاد باران های اسیدی و غیرفعال شدن كاتالیستهای شیمیایی می شود . همچنین باران های اسیدی موجب حل شدن مواد ساختمانی، سمی شدن دریاچه ها و از بین رفتن جنگلها می شود. درصد گوگرد زیاد ، در اکثر فرآورده های نفتی مضر است و حذف یا تبدیل آن ها به مواد بی ضرر، یکی از فرآیندهای مهم در پالایشگاه ها است. وجود ترکیبات گوگردی در بنزین مضر است زیرا گوگرد سبب خوردگی در قسمت های مختلف موتور می شود و مخصوصأ در زمستان به علت جمع شدن محلول در آب، که در نتیجه ی احتراق به دست می آید، سبب خوردگی شدید میل لنگ می شود. به علاوه مرکاپتانهای محلول در مواد نفتی، مستقیمأ در مجاورت هوا موجب خوردگی مس و برنج می شود.

گوگرد ها، دی سولفورها و تیوفن ها، کم تر خورنده هستند اما موجب کم شدن عدد اکتان در مجاورت تترا اتیل سرب می شوند. قسمت اعظم H2S در موقع تقطیر نفت در درجه ی حرارت 300 و 400 درجه ی فارنهایت از نفت خارج می شود. گوگرد در مازوت ایجاد خوردگی شدید نموده و در روغن ها باعث کم شدن مقاومت، در مقابل اکسید شدن می شود و رسوبات سختی را به وجود می آورد. [2]

 

بررسی های انجام گرفته در 33 کشور جهان نشان می دهد که مقدار گوگردِ سوخت، در تمام نمونه های اخذ شده، نسبت به سالیان قبل كاهش قابل ملاحظه ای داشته است. در سال 1995 مقدار گوگرد در سوخت های دیزل در اكثر كشورهای مورد مطالعه بین1000 تا 2000 mg/kg) ) متغیر بوده است، در حالی كه در سال 1998 این مقدار به حداكثر 50 تا 500 (mg/kg) كاهش پیدا كرده است. با این وجود، كاهش یاد شده در سال های آینده باید تداوم یابد.
بر اساس مقررات كنترل آلاینده ها مقدار گوگرد در سوخت های گازوئیلی، برای كشورهای اتحادیه اروپا تا سال 2005 حداكثر mg/kg 50 و برای ایالات متحده و كانادا تا سال 2006 مقدار 15 mg/kg  بوده است.در كشور ژاپن برنامه كاهش مقدار از 500 به 50 (mg/kg) تا سال 2003 در بعضی از مناطق اجرا شده است. در حال حاضردر برخی از كشورهای اروپایی مانند بلژیك، دانمارك، فنلاند، هلند، نروژ، لهستان و انگلیس، گازوئیل هایی با مقدار 500 mg/kg نیز تولید می شود. نكته حائز اهمیت اینكه هم اكنون در كشورهای آلمان، سوئد و ایتالیا، تهیه گازوئیل با میزان گوگرد 10 mg/kg نیز امكان پذیر است. بر اساس آمار، حداكثر مقادیر مجاز گوگرد برای سوخت های دیزلی در تعدادی از كشورهای جهان عبارآزمایش از : اروپای متحد، ایالات متحده و كانادا، مكزیك، ژاپن، تایلند و سنگاپور 500PPM ، هنگ كنگ PPM350 و استرالیا کم تر از 500PPM [3].

 

از سال 2006 مقررات زیست محیطی تاکید بیشتری بر گوگردزدایی شدید [1]جهت دستیابی به خصوصیات سوخت دیزل با گوگرد فوق پایین [2] (ULSD) دارد که در این نوع بایستی حداکثر میزان مجاز گوگرد در سوخت دیزل ppm 15 باشد. این محدودیت­ها، می تواند روی جنبه­های اقتصادی تأثیر گذار ­باشد. به همین منظور تا کنون عملیات زیادی جهت حذف مناسب گوگرد صورت گرفته است. [3]

پیش از بحث اصلی لازم است که مختصری در ارتباط با نفت و موادتشکیل دهنده آن بدانیم:

 

1-1-موادتشکیل دهنده نفت خام [4]

 

نفت خام اساسا، مخلوطی از هیدروکربنها است و حتی عناصر غیر هیدروکربنی آن نیز معمولا بصورت مولکولهای پیچیده ای هستند که خاصیت هیدروکربنی شان غلبه دارد، ولی نفت خام در عین حال حاوی مقادیر اندکی اکسیژن ، گوگرد ، نیتروژن ، وانادیم ، نیکل و کروم است. مواد سازنده نفت، با توجه به محل و شرایط تشکیل، از نظر نوع هیدروکربون و همچنین از نظر ترکیبات هترواتم متفاوت است. بنابراین مقدار درصد مواد سازنده نفت، بسته به منبع نفتی می تواند متفاوت باشد. بطور کلی مواد سازنده نفت عبارتند از: هیدروکربنها ، ترکیبات اکسیژنه – گوگرده – ازته ، مواد معدنی.

 

1-1-1-هیدروکربنها

 

چون تعداد هیدروکربنهای موجود در نفت، نامحدود و جداکردن آنها بطور کامل خیلی مشکل می باشد، لذا آنها را در سه گروه کلی طبقه بندی می نمایند که عبارتند از: پارافین ها ، نفتن ها و آروماتیکها. علاوه بر این گروه چهارمی نیز وجود دارد، یعنی همان اولفین هایی که در نتیجه فرایند هیدروژن زدایی از پارافین ها و نفتن هاتشکیل می شود.

 

1-1-2-پارافین ها (آلکان)

 

مشخصه هیدروکربنهای پارافینی، اتصال اتمهای کربن به وسیله پیوندهای ساده است. سایر پیوندها نیز با اتمهای هیدروژن، سیر شده است. فرمول عمومی پارافین ها ، CnH2n+2 است.

 

1-1-3-اولفین ها (آلکن ها)

 

اولفین ها بطور طبیعی در نفت خام وجود ندارد، بلکه در خلال فراورش نفت تشکیل می شود. فرمول عمومی آنها CnH2n است. معمولا وجود اولفین ها در فراورده نهایی، نامطلوب است، زیرا فعالیت پیوندهای دوگانه، باعث می شود که ترکیبات اولفین دار آسانتر اکسیده و بسپارش شوند. در برش های بنزین با گستره نقطه جوش ، وجود برخی اولفین ها مطلوب است زیرا اولفین ها دارای اعداد اکتان پژوهشی بالاتری[3] ، در مقایسه با ترکیبات پارافینی با تعداد اتمهای کربن یکسان، می باشند.

 

1-1-4-نفتن ها (سیکلو آلکانها)

 

هیدروکربنهای سیکلو پارافینی ای که تمام پیوندهای آزاد اتمهای کربن شان با هیدروژن، سیر شده نفتن نامیده می شود. در نفت خام ، انواع بسیاری از نفتن وجود دارد، ولی بجز در مورد ترکیبهای دارای جرم مولکولی اندک، نظیر سیکلوپنتان و سیکلو هگزان، معمولا بصورت ترکیبهای جداگانه تفکیک نمی شود. طبقه بندی آنها با توجه به گستره نقاط جوش صورت می گیرد.

 

1-1-5-آروماتیکها

 

گروه هیدروکربنهای آروماتیکی، از نظر شیمیایی و فیزیکی، تفاوت بسیاری با پارافین ها و نفتن ها دارد. هیدروکربنهای آروماتیکی، شامل یک حلقه بنزنی سیر نشده، ولی بسیار پایدار می باشد و اغلب مانند یک ترکیب سیر شده عمل می کند.

 

1-1-6-ترکیبات اکسیژنه

 

مقدار درصد اکسیژن در نفت از 3 درصد تجاوز نمی کند و اغلب در ساختمان مولکولهای سنگین، به حالت ترکیب یافت می شود. ترکیبات اکسیژنه موجود در نفت شامل اسیدها و فنل ها می باشد. فنل ها بمقدار کم در روغن های کالیفرنیا و رومانی وجود دارد. اسیدهای موجود در نفت، بیشتر بصورت مشتقات سیکلو آلکانها یا نفتنی است.

 

1-1-7-ترکیبات گوگردی

 

اغلب نفت ، شامل گوگرد آزاد بصورت محلول است که در اثر تبخیر کریستالیزه می گردد. گوگرد ممکن است بصورت هیدروژن گوگرده – تیوفرمرکاپتان – تیواتر – دی گوگرد و گوگرد کربن و گوگرد کربنیل وجود داشته باشد. سایر ترکیبات نفت شامل: مرکاپتان ها، انواع سولفیدها، پلی سولفیدها، تیوفن ها و ترکیبات تیوفنی که در قسمتهای سنگین نفت خام متمرکز هستند. در قسمتهای سبک نفت خام

 هیدروژن سولفید نیز یافت می شود. در بعضی از نفت ها، گوگرد به صورت عنصری نیز وجود دارد.

 

مقدار گوگرد در نفت بستگی به منطقه ای دارد که در آنجا نفت تشکیل گردیده است. بعنوان مثال مقدار آن در مواد خام نفتی کویت 2/5 درصد و در نفت منطقه آقاجاری ایران 1/36 درصد می باشد. میزان گوگرد در ایران در حدود 1.22% گوگرد در نفت خام هفت گل و 2.46% در نفت خام خارک است. نفت های اروپای شرقی، خاور دور، هند و پاکستان و برمه به طور متوسط دارای گوگرد کم تری هستند. [1]

 

در اینجا یادآوری می شود که خاصیت خورندگی نفت شرق و بوی نامطبوع آن بعلت وجود این ترکیبات می باشد.

 

1-1-8-ترکیبات ازته

 

روغنهای معدنی می توانند تا 1/5 درصد ازت بصورت ترکیبهای آلی دارا باشند.

 

1-1-9- مشتقات فلزی

 

هرگاه مواد باقیمانده از تقطیر نفت را بسوزانند، مانند زغال از خود خاکستر باقی می گذارد که شامل برخی از ترکیبات فلزی است. این ترکیبات بیشتر مربوط به عناصری از قبیل سیلیس – آهن – آلومینیوم – کلسیم – منیزیم – نیکل و سدیم باشد. ضمنا وانادیم در خاکستر برخی از نفت ها بدست آمده است و وانادیم را معمولا از نفت استخراج نموده ، در صنایع فولادسازی مورد استفاده قرار می دهند. مقدار این فلز در حدود 400ppm یعنی 400 گرم به ازای یک تن می باشد.

 

از آنجا که در این پروژه ، حذف ترکیبات گوگردی از نفت خام، از اهمیت خاصی برخوردار است، در مورد گوگرد و مشخصات آن اطلاعات داده شده در این بخش ، سودمند خواهد بود.

 

کلیه ی نفت های شناخته شده عملا دارای گوگرد هستند. نفت های به دست آمده از آمریکای جنوبی و خاورمیانه و خاور نزدیک به طور متوسط دارای گوگرد بیشتری هستند. گوگرد در 2 نوع اصلی وجود دارد: نوع اول به عنوان “گوگرد فعال[4]” شناخته شده كه می تواند به صورت مستقیم با فلزات وارد واكنش گردد. نوع دوم “گوگرد غیر فعال[5]” است كه قادر نیست مستقیما با فلزات وارد واكنش شود. گوگرد فعال شامل:گوگرد، سولفید هیدروژن و مركاپتانها است. نوع غیر فعال شامل: سولفید، دی سولفید كربن، تیوفن (TH)و مشابه آن است.

 

مقدار گوگرد و API[6] دو خاصیتی هستند که بیشترین اثر را در ارزش گذاری بر روی نفت خام دارند. مقدار گوگرد بر حسب درصد وزنی گوگرد بیان می شود و بین 0.1 تا 5 درصد تغییرمی کند(در نفت خام). نفت هایی که بیش از %0.5 گوگرد دارند معمولا نیازمند فرآورش گسترده و گوگردزدایی هستند. [1]

 

1-2-روش های گوگرد زدایی

 

روش های مختلفی برای استخراج ترکیبات گوگردی ساده از برش های سبک نفتی به وسیله ی مواد شیمیایی و حلال ها توسعه یافته اند، ولی تنها تعداد کمی از آنها می توانند برای برش های سنگین، از قبیل نفت سیاه باقیمانده و یا نفت خام که ترکیبات گوگردی اصلی آنها از نوع تیوفن است به کار می رود. ساده ترین ترکیب برای گوگرد زدایی، مرکاپتانها هستند که اغلب با روش زیر گوگرد زدایی می شوند:

 

1-2-1-مركاپتان زدایی از برشهای نفتی[1]

 

گروههای مختلف مركاپتان از سمی ترین و فرارترین آنها (متیل و اتیل مركاپتان با وزن مولكولی كم) تا مركاپتانهای سنگین ( با زنجیره هیدروكربنی شاخه دار ) تقسیم بندی می شوند. سولفید هیدروژن و مركاپتانهای سبك C1-C3 سمی و فرار، بودار و به شدت خورنده می باشد .
در طی فرایندهای پالایش برشهای حاوی مركاپتان، پسابهای قلیایی – گوگردی سمی تولید می شود لذا تولید، انتقال، ذخیره سازی و پالایش این برشها دارای مسایل و مشكلات تكنولوژی و زیست محیطی جدی می باشد.دو فرآیند معمول، برای مرکاپتان زدایی فرآیند DMD و DMC است:

 

1-2-1-1-مرکاپتان زدایی از مقطر(DMD)[7]

 

فرآیند DMD ، مركاپتان زدایی از برشهای نفتی می باشد . در این فرایند با استفاده از محلول كاستیك، مرکاپتانهای سبک به همراه H2Sو COS، CS2 از برش نفتی حذف و مركاپتانهای سنگین خورنده و فعال به دی سولفیدها تبدیل می شود. اولین واحد صنعتی با استفاده از كاتالیست IVKAZ، از نرمال پنتان ، مركاپتان زدایی شده در روسیه در سال 1974 راه اندازی شد .

 

فرایند DMD در مقایسه با فرایندهای مشابه ، تفاوت ها و مزایای قابل ملاحظه ای را دارد كه در زیرارائه می گردد:    شده اند:
الف – در فرایند DMD ،‌ از كاتالیست هموژن ، پایدار و بسیار فعال IVKAZ استفاده می شود . این كاتالیست بسیار فعالتر و پایدارتر از كاتالیست های فرایندهای مشابه می باشد.

 

[1] – Deep Desulfurization

 

[2] – ultra low sulfur diesel(ULSD)

 

[3] -Research Octan Namber

 

[4] -activated sulfur

 

 

 

[5] -unactivated sulfur

 

 

 

6-American Petroleum Institute(API)

 

7-Demercaptanization of Distillate(DMD)

شیمی آلی علم بررسی قوانین مربوط به چگونگی بر هم کنش گونه های شیمیایی و سنتز مواد جدید می باشد. کشف واکنش های جدید یا توالی سنتزهای جدید را می توان قلب شیمی آلی دانست. اهمیت یک واکنش را می توان از روی توانایی آن واکنش برای تولید محصولات مهم با بازده بالا، فضاگزینی، جهت گزینی، انانتیومر گزینی و عمومیت واکنش در به کار بردن طیف گسترده ای از مواد اولیه مورد قضاوت قرار داد ]1. [

 

بطور کلی، اهمیت یک روش سنتزی را با توجه به عوامل زیر تعیین می کنند:

 

1-کمترین مراحل ممکن

 

2-انتخاب پذیری بالا

 

3-قیمت پایین مواد اولیه با توجه به بازار خرید وفروش

 

4-مقیاس پذیر بودن

 

5-تولیدضایعات کم در طول سنتز

 

6-کمترین پرسنل مورد نیاز

 

 

7-حداقل زمان ممکن

 

 

 

1-1- شیمی سبز1

 

شیمی سبز برنامه­ای است كه در طی آن از فرآیندها و تركیبات شیمیایی استفاده می شود تا كاربرد و

 

تولید مواد سمی و خطرناك را كاهش داده و یا حذف نماید. در صورتیكه در عرصه ی شیمی محیط زیست، بررسی طبیعت و آلودگیهای شیمیایی محیط اطراف مورد نظر می باشد، شیمی سبز در جستجوی كاهش و ممانعت از آلودگی بوسیله ی منابع آلوده كننده ی محیط زیست می باشد [2]. در سال 1990 در ایالات متحده آمریكا، برنامه جلوگیری از آلودگی تصویب شد، این برنامه به ایجاد یك شیوه و راه كار برای مبارزه با آلودگی بصورت روش های معمولی و نو كمك می كند. در سال 2005، ریوجی نویاری2، سه راه كار كلیدی توسعه دهنده شیمی سبز را تعیین كرد ، كه عبارتند از:

• استفاده از كربن دی اكسید فوق بحرانی به عنوان حلال سبز

 

• كاربرد هیدروژن پراكسید آبی به عنوان اكسید كننده سبز برای واكنشهای اكسایش تمیز

 

• استفاده از هیدروژن در سنتزهای نامتقارن

مثال هایی از كاربرد شیمی سبز، واكنش در محیط آبی و در محیط خشك و یا بدون حلال می باشد.

زمان­بندی[1]، فرایند تخصیص منابع به فعالیت­ها با درنظر گرفتن دوره­های زمانی مربوط به آنها به منظور بهینه­سازی یک یا چند هدف می­باشد. این فرایند به عنوان یک فرایند تصمیم­گیری مبنای کار بسیاری از صنایع تولیدی و خدماتی محسوب می­شود. زمان­بندی کارای فعالیت­ها زمینه­ساز بهبود عملکرد سیستم­های تولیدی می­باشد و ضرورتی برای بقا در فضای رقابتی بازار به ­شمار می­آید.

 

تئوری زمان­بندی در ارتباط با مدل­های ریاضی است که فرایند زمان­بندی را تشریح می­کنند. چشم­انداز تئوریک یک نگرش کمی برای بدست آوردن ساختار مسائل در چهارچوب مدل­های ریاضی به­دست می­دهد که این امر با تشریح منابع و فعالیت­ها و تبدیل اهداف تصمیم­گیری به یک تابع­ هدف، صورت می­پذیرد. عمل زمانبندی در یک سازمان از مدل ها و روش های ریاضی و یا روش های ابتکاری برای تخصیص منابع محدود به کارهای در حال جریان استفاده می کند. اهمیت توالی ماشین های موازی، با هدف متمرکز بر دیرکرد از آن جهت مورد توجه است که در محیط کسب و کار حاضر، رقابت شرکت های تولیدی از طریق قابلیت آنها برای پاسخگویی سریع به تغییرات سریع در زمینه تجارتی و تولید محصولات با کیفیت بالاتر و هزینه های کمتر تعیین می شود. در نتیجه، منابع، فعالیت­ها و توابع هدف عناصر کلیدی مدل­های زمان­بندی محسوب می­شوند.

 

منابع بر حسب قابلیت­های کمی و کیفی خود مشخص می­شوند، بطوریکه هر مدل نشان­ دهنده نوع و میزان منابع بکار رفته در آن می­باشد. از سوی دیگر، فعالیت­ها بر حسب اطلاعاتی از قبیل منابع مورد نیاز، مدت زمان انجام، زمان آغاز و زمان پایان آنها توصیف می­شوند. توابع هدف نیز دربرگیرنده هزینه­های سیستم برای اجرای تصمیمات مربوط به تخصیص منابع به فعالیت­ها می­باشند. تصمیمات عمده در فرایند زمان­بندی شامل بهره­برداری کارا از منابع، پاسخگویی سریع به تقاضا و انطباق دقیق زمان­های تحویل با موعد­های تحویل تعیین­شده می­شوند. شرکت های تولیدی در تلاش هستند تا این قابلیت ها را از طریق اتوماسیون و مفاهیم خلاق مانند تولید به موقع[2] (JIT) ، پاسخگوی سریع[3] (QR) ، تکنولوژی گروهی[4] (GT) و مدیریت کیفیت جامع[5] (TQM) بدست آورند[58].

 

این مفاهیم ( برای مثال JIT و GT ) به بسیاری از شرکت ها در بدست آوردن سود اقتصادی کمک کرده است. در سیسستم های JIT کار نباید نه زودتر و نه دیرتر تکمیل شود، که به مسائل زمانبندی با هزینه های زودکرد و دیرکرد و تخصیص موعدهای تحویل منجر می شود

. در یک بازار رقابتی دیرکرد کارها با توجه به موعد تحویل آنها یک مقیاس عملکرد بسیار مهم برای محیط های تولید متنوع است.

مسائل با تعیین موعد تحویل در 25 سال گذشته بعلت روشهای جدید مدیریت مانند مفاهیم JIT مورد توجه بسیار قرار گرفته است. چنگ که کمک زیادی به مسائل زمانبندی و تخصیص موعد تحویل کرد بیان می کند که تکمیل یک کار زودتر از موعد تحویل به معنی تحمیل هزینه های نگهداری موجودی غیر ضروری است ، در حالیکه تکمیل یک کار دیرتر از موعد تحویل منجر به جریمه های قراردادی و از دست دادن اعتبار مشتری می شود[33].

 

بطور جالب توجه هدف مسئله حداقل دیرکرد و زودکرد[6] (ET) کاملا با سیاست کنترل تولید JIT مطابقت دارد.مسئله ماشین های موازی از دو دیدگاه تئوری و عملی دارای اهمیت می باشند. از دیدگاه تئوری به این خاطر که تعمیمی از حالت تک ماشینه می باشد و از دیدگاه عملی به این جهت که در دنیای واقعی بسیارمعمول است مورد توجه قرار گرفته شده است.

 

مسئله به کارگیری ماشین های موازی از آنجا مورد توجه است که اگر زمانبندی روی یک ماشین منجر به هزینه زیادی شود ممکن است در نظر گرفتن ماشین های بیشتر سبب کاهش هزینه شود. ضمن این که مقدار دیرکرد یا زودکرد نیز می تواند با افزایش تعداد ماشین ها کاهش یابد. در این شرایط هزینه به کارگیری ماشین یا نگهداری ماشین اضافه می شود که با حل مسئله بهینه سازی می توان تعیین کرد چه ماشین هایی به کار گرفته شوند و کدام کارها با چه توالی روی این ماشین ها انجام شود.

 

در عمل، زمانبندی ها با استفاده از الگوریتم های زمانبندی یا قوانین بر پایه دانش ایجاد می شوند. الگوریتم های زمانبندی ، زمانبندی را توسعه می دهد که یک معیار اندازه گیری مانند حداقل کردن انحراف موعد تحویل، حداقل جریمه دیرکرد یا حداقل حداکثر دیرکرد را بهینه می کند. انگیزه بسیاری از توسعه­ها و پیشرفت­های علمی در حوزه زمان­بندی برخاسته از محیط­های صنعتی است و به­طور طبیعی در بیان مفاهیم زمان­بندی از واژه­های بکار رفته در صنعت استفاده می­شود. به­ همین خاطر منابع با عنوان ماشین به­کار می­روند و به هر کدام از فعالیت­ها، کار اطلاق می­شود بطوریکه کارها اغلب به وسیله مجموعه­ای از ماشین­ها در ایستگاه­های مختلف کاری با توالی مشخص پردازش می­شوند.

 

بطور کلی، مسائل زمان­بندی به صورت مسائل بهینه­سازی محدودیت­دار بیان می­شوند که در آنها به بررسی تصمیمات مربوط به تخصیص ماشین­ها وتوالی پردازش کارها پرداخته می­شود. درحالتی که تنها یک ماشین موجود است، تعیین توالی پردازش کارها یک برنامه زمانی کامل را تشکیل می­دهد. مسائل تک­ماشینه با وجود سادگی ذاتی، سنگ­بنای درک فراگیر مفاهیم زمان­بندی را تشکیل می­دهند. درمقابل، زمان­بندی مسائل چند­ماشینه شامل سیستم­های موازی، سیستم­های متوالی و سیستم­های ترکیبی می­باشد. در سیستم­های موازی، هر یک از کارها با انجام یک عملیات همانند مسائل تک­ماشینه بر روی یکی از ماشین­های موازی موجود پردازش می­شوند و به­ دنبال آن تخصیص ماشین­ها به­ کارها موضوعیت پیدا می­کند. این درحالی است که در سیستم های متوالی و ترکیبی، کارها با انجام چند عملیات بر روی ماشین­ها پردازش می­شوند و مسائل مربوطه ساختار نسبتا پیچیده­تری را تجربه می­کنند.

 

در این تحقیق، به بررسی مسئله زمان­بندی ماشین­های موازی نامرتبط[7] به عنوان دسته مهمی از مسائل زمان­بندی که دارای اهمیت فراوان از نقطه­نظر تئوری و تجربی است، پرداخته می­شود. مسائل ماشین­های موازی نامرتبط حالت عمومیت­یافته مسائل تک­ماشینه و حالت خاصی از مسائل ماشین­های متوالی منعطف محسوب می­شوند. تکنیک­های به­کار رفته در بهینه­سازی این نوع مسائل با اعمال رویه­های ترکیبی در مسائل زمان­بندی پیچیده­تر استفاده می­شوند. در بخش­های آتی این فصل، شرح تفصیلی مسئله مورد بررسی این تحقیق ارائه می­شود.

 

[1] Scheduling

 

[2] Just In Time

 

[3] Quick Response

 

[4] Group Technology

 

[5] Total Quality Management

 

[6] Earliness-Tardiness

 

[7] Unrelated Parallel Machine Scheduling

در دهه 80 میلادی تلاش های زیادی برای بهبود عملکرد سازمانها از راه تمرکز بر فرآیندهای درونی انجام شد. بررسی نتایج عملکرد سازمانها مشخص ساخت که بخش عمده ای از آن تحت تاثیر تامین کنندگان و مشتریان است. گسترش حوزه بهبود عملکرد سازمان ها به ماورای مرزهای سازمانی نیازمند ابزارهای جدیدی بود. یکی از مفاهیمی که در این راستا طرح شد و اهمیت زیادی پیدا کرد، زنجیره تامین است. که در آن شرکت ها با همکاری یکدیگر و ایجاد هم افزایی توانایی اتخاذ تصمیمات کاراتر را کسب می کنند. زنجیره تامین اصطلاحی است که امروزه به وفور در تمامی جهان مورد استفاده قرار می گیرد. اکنون شرکت ها نیازمندند تا یکپارچگی منظمی را در تمام فرایندهای تولیدی، از مواد اولیه (خام) تا مصرف کننده نهایی ایجاد کنند. زنجیره تامین یک سیستم یکپارچه از فرآیندهای مرتبط و به منظور؛

 

• دستیابی به مواد و قطعات مورد نیاز

 

• تبدیل مواد اولیه به محصول

 

• ارزش گذاری محصولات

 

• توزیع محصولات به مشتریان

 

• ساده سازی انتقال اطلاعات بین اجزاء زنجیره (اعم از تامین کنندگان، توزیع کنندگان، واسطه ها، خرده فروشان و مشتریان)

نخستین هدف وجودی یک زنجیره، تامین و راضی کردن نیازهای مشتریان در فرایند تولید ارزش برای خویش است. فعالیت های زنجیره تامین با سفارش مشتری شروع می شود و زمانی که مشتری پول خرید کالا و خدمات دریافتی خود را پرداخت می کند، خاتمه می یابد. اکثر زنجیره ها در واقع به صورت شبکه هستند. ساختار عمومی زنجیره را می توان در قالب شکل (1-1) نمایش داد.

 

شکل(1-1): ساختار عمومی زنجیره

 

زنجیره تامین شامل دو جریان مخالف است: حرکت مستقیم رفت محصولات از تامین کنندگان مواد اولیه و قطعات تا مشتری و حرکت برگشت (عکس) اطلاعات و مواد از مشتری تا تامین کنندگان. این زنجیره از دو قسمت لجستیک داخلی و لجستیک خارجی تشکیل شده است. لجستیک داخلی یا مدیریت مواد به فعالیت های دریافت مواد، ذخیره، کنترل مواد و تامین مواد مورد نیاز فرآیندها و …، تا تهیه محصول مورد نیاز گفته می شود. لجستیک خارجی یا توزیع محصولات در مقابل به خروج محصولات از شرکت تا رساندن به مشتری و ارائه سرویس های لازم به او گفته می گردد. نکته مهم و قابل ذکر در زنجیره تامین این است که شرکت های زنجیره به صورت حلقه های یک زنجیره به یکدیگر متصل هستند و اطلاعات بین آنها باید به صورت دقیق و همزمان رد و بدل شود تا بهترین تصمیمات اخذ گردد. [112]

 

• زنجیره تامین

1-1-1- ضرورت زنجیره تامین

 

افزایش روزافزون رقابت بین کارخانجات و شرکت ها برای تولید محصولات با کیفیت و مطابق سلایق مشتری نیاز به یک دیدگاه جدید را در بین تمامی سازندگان و تولیدکنندگان به وجود آورده است. در گذشته هر مرکز تولیدی با اهمیت دادن به تعداد محصول تولید شده، سعی در افزایش سهم خود در بازار داشت. پس از گذشت چند دهه مراکز تولیدی در ارائه کالای با کیفیت برای جذب مشتریان گام بر داشتند. در دهه های اخیر پیشگامان صنعت اصلی ترین شرط را برای رسیدن به سهم بیشتری از بازار فروش، برآوردن نیازهای مشتریان می دانند.

 

با بررسی خط مشی های موجود از گذشته تا به حال، تغییر توجه صنعتگران را از تولیدکننده به مصرف کننده شاهد خواهیم بود. در گذشته تولیدکننده نقش اصلی و تعیین کننده را در بازار فروش ایفا می کرد و مصرف کننده می بایست نیازها و سلایق خود را با محصول تولید شده وفق دهد. اما امروزه اهمیت بیشتری به مصرف کننده داده می شود و کارخانجات سعی در تولید محصولی منطبق با نیازهای مشتریان دارد.[112]

 

1-1-2- تعریف زنجیره تامین

 

زنجیره های تامین، تامین کنندگان را به یک شرکت تولیدی و شرکت را به مشتریانش ارتباط می دهد. برای اداره صحیح زنجیره تامین لازم است تا نسبت به خدمات عالی به مشتریان، هـزینه های پایین و زمان چرخه کوتاه اطمینان حاصل کنیم.

 

یک زنجیره تامین به جریان مواد، اطلاعات، وجوه و خدمات از تامین کنندگان موادخام طی کارگاهها و انبارها تا مشتریان پایانی اشاره دارد و شامل سازمانها و فرایندهایی می شود که کالاها، اطلاعات و خدمات را ایجاد و به مصرف کنندگان تحویل می دهند. این زنجیره شامل خیلی از وظایف از قبیل خرید، جریان وجـــوه، باربری مواد، برنامه ریزی و کنترل تولید، کنترل موجودی و لجستیکی و توزیع و تحویل می گردد.[113]

 

تعاریف مختصر و جامعى كه مى توان از زنجیره تامین ارایه داد، عبارت‌اند از:

 

* هندفیلد ونیکولس: زنجیره تامین شامل همه فعالیتهای مرتبط با جریان وانتقال کالاها ازمرحله مواد خام به مصرف کننده نهایی وجریانهای مرتبط با آن بوده است .

 

*آیرس: زنجیره تامین یعنی شکل دادن به فرایند های جریانهای فیزیکی، اطلاعاتی، مالی ودانش برای ارضای احتیاجات مصرف کننده نهایی از طریق محصولات وخدمات مرتبط با تامین کنندگان دانسته.[114]

 

1-1-3- طرح کلى یک زنجیره تامین

 

به طور کلى زنجیره‌ تامین، زنجیره‌اى است که همه فعالیت‌هاى مرتبط با جریان کالا و تبدیل مواد، از مرحله تهیه ماده اولیه تا مرحله تحویل کالاى نهایى به مصرف کننده را شامل مى‌شود. در ارتباط با جریان کالا دو جریان دیگر که یکى جریان اطلاعات و دیگرى جریان منابع مالى و اعتبارات است نیز حضور دارد.

 

محققان و نویسندگان مختلف ، نگرش‌ها و تعاریف متفاوتى را از زنجیره تامین ارایه کرده اند برخى زنجیره تامین را در روابط میان خریدار و فروشنده محدود کرده اند، که چنین نگرشى تنها بر عملیات خرید رده اول در یک سازمان تمرکز دارد. گروه دیگرى به زنجیره تامین دید وسیع‌ترى داده و آن را شامل تمام سرچشمه‌هاى تامین (پایگاه‌هاى تامین) براى سازمان مى دانند. با این تعریف ، زنجیره تامین شامل تمام تامین کنندگان رده اول ، دوم ، سوم … خواهد بود. چنین نگرشى به زنجیره تامین ، تنها به تحلیل شبکه تامین خواهد پرداخت . دید سوم ، نگرش زنجیره ارزش است که در آن زنجیره تامین شامل تمام فعالیت‌هاى مورد نیاز براى ارایه یک محصول یا خدمت به مشترى نهایى است. با نگرش یاد شده به زنجیره تامین ، توابع ساخت و توزیع به عنوان بخشى از جریان کالا و خدمات به زنجیره اضافه مى‌شود. در واقع بااین دید، زنجیره تامین شامل سه حوزه تدارک ، تولید و توزیع است .[115]

 

1-1-4- انواع زنجیره تامین

 

در شرکتهای تولیدی سنتی کالاها پس از تولید در انبارها و مکانهای دیگر انبار می شدند که این زنجیره تامین را پیچیده تر می کرد. اگر شرکت از یک مدل تجاری ساخت برمبنای سفارش استفاده کند، هیچ نیازی برای انبارکردن محصولات ساخته شده وجود نخواهد داشت اما درعین حال نیاز برای انبار موادخام و اجزاء سازنده وجود خواهد داشت. بنابراین، واضح است که زنجیره های تامین به ماهیت شرکت وابسته است.

 

الف – ساخت تجمعی برای ذخیره کردن: مدل زنجیره تامین ساخت تجمعی برای ذخیره کردن بر تقاضاهای جهت دار مشتری درزمان واقعی به منظور ذخیره کارای موجودی کالای ساخته شده تمرکز دارد. این تجمع ذخیره اغلب ازطریق استفاده از یک سیستم اطلاعاتی انجام می شود که به طورکامل یکپارچه[1] است. بــدین طریق که چنین سیستمی می تواند اطلاعات تقاضاهای زمان واقعی را که می تواند برای تعدیل و توسعه برنامه ها و بــرنامه های عملیاتی تولید استفاده شود را جمع آوری کرد و نسبت به ذخیره اقلامی اقدام کند که موردنیاز مشتریان است. این گونه سیستم ها به صورت یکپارچه ای فعالیتهای برنامه ریزی توزیع، ساخت، برنامه ریزی تفصیلی، کنترل موجودی، هماهنگی تامین با چندین کانال توزیع، جریان اطلاعات صحیح درباره تقاضا، سرمایه گذاری، ظرفیت موجودی، برنامه ریزی تفصیلی نقل و انتقال و… را انجام می دهد.

 

ب – ذخیره کردن مستمر: ایده این مدل برپایه از نو پرکردن موجودی تخلیه شده به طور مداوم به وسیله کــــــارکردن به طور نزدیکی با تامین کنندگان و یا واسطه ها استوار است. بنابراین، ارتباط محکمی بین فرایند اجرای سفارش و فرایند تولیدی موردنیاز است. این مدل کاربردی ترین مدل برای محیطهایی با الگوهای تقاضای ثابت است.

 

ج – ساخت برای سفارش: مفهوم این مدل برپایه سفارش برای مونتاژکردن بلافاصله پس از دریافت سفارش استوار است. این مدل به مدیریت مفید موجودیهای اجزاء و تحویل تدارکات موردنیاز طی زنجیره تامین نیاز دارد. یک راه حل برای غلبه بر این نیاز استفاده چندمنظوره از دستگاهها برای تولید کالاست. یکی از مزیتهای اصلی این نوع مدل ادراکی است که هر مشتری می تواند از محصول موردنیاز خود تجسم کند. به علاوه اینکه هر مشتری کالاهای خود را سریعاً دریافت می کند.

 

د – مونتاژ کانالی: با یک تعدیل جزئی در مدل ساخت برمبنای سفارش مونتاژ کانالی[2] به دست می آید. در این مدل بخشهای هر محصول همان طور که در کانال توزیع حرکت می کند جمع آوری و مونتاژ می شوند. برای مثال، می توان بعضی شرکتهای رایانه ای که در زنجیره توزیع بخشهای رایانه، آنها را خریداری و مونتاژ و سپس تحویل مشتری می دهند را نام برد. بنابراین، سفارش رایانه ای مشتری تنها باید برای قرارگرفتن در یک وسیله برای تحویل جمع شوند.

 

ز – زنجیــره تامین جهانی: زنجیره تامینی که تامین کنندگان و یا مشتریان را در کشورهای دیگر درگیر خود می کند به عنوان زنجیره تامین جهانی شناخته می شود. دلایل اصلی که چرا شرکتها وارد زنجیره تامین جهانی می شوند عبارتند از: قیمتهای پایین تر مواد، خدمات و نیروی انسانی؛ دسترسی به محصولات و فناوری که در داخل دردسترس نیستند؛ کیفیت بالای محصولات بـــازارهای جهانی؛ استراتژی های فروش جهانی شرکت؛ تشدید رقابت جهانــــی که درنتیجه کاهش هزینه شرکت می شود؛ نیاز به توسعه حضور خارجی و بازرگانی بین المللی. برخی ازمشکلاتی که ممکن است در زنجیره های تامین جهانی وجود داشته باشد عبارتند از مشکلات حقوقی، دستمزدها و مالیاتهای دادوستد، اختلاف فرهنگی و زبانی، تغییرات سریع در نرخهای پولهای رایج تبادلی و عدم ثبات سیاسی.[113]

 

1-1-5- مشکلات زنجیره تامین و منابع آنها

 

درجهان تجارت مثالهای بی شماری از شرکتهایی که قادر نیستند به سطح تقاضایشان برسند و درنتیجه موجودیهای هزینه بر و زیادی پروژه ای را متحمل می شوند وجود دارد. در این قسمت ما به تشریح این مشکلات و علل آنها می پردازیم.

 

مشکلات طی زنجیره تامین به طورکلی از دو منبع ناشی می شوند:

 

1 – عدم اطمینان: یک منبع اصلی عدم اطمینان زنجیره تامین پیش بینی تقاضا است. پیش بینی تقاضا از چندین فاکتور از قبیل رقابت، قیمتها، شرایط فعلی، توسعه تکنولوژیکی و سطح عمومی تعهد مشتریان تاثیر می پذیرد. دیگر عامل عدم اطمینان زنجیره تامین زمانهای تحویل است که خود به عواملی مانند نسبت خرابی ماشین ها در فرایند تولید خطی، فشردگی ترافیکی که در حمل و نقل دخالت می کند و مشکلات کیفیت مواد که ممکن است تأخیرات تولید را ایجاد کند وابسته است.

 

2 – عدم هماهنگی: این نوع مشکلات هنگامی اتفاق می افتد که یک بخش شرکت با دیگر بخشها ارتباط خوبی ندارد، وقتی پیغام برای شرکاء تجاری غیرقابل فهم باشد و وقتی بخشهای شرکت از بعضی مسائل آگاهی ندارند و یا خیلی دیر از آنچه موردنیاز است و یا آنچه باید اتفاق بیفتد آگاه می شوند.

 

همان طور که اشاره شــــــد مشکلات بی شماری طی زنجیره تامین می تواند رخ دهد که در این قسمت به دو مورد از مزمن ترین مشکلات آن اشاره می شود.

 

الف – اثر شلاق چرمی[3] : اثر شلاقی به تغییرات نامنظم در سفارشات طی زنجیره تامین اطلاق می شود. این اثر برای اولین بار به وسیله

 پروکتل و گمبل (PSG) در ارتباط با یکی از محصولاتشان مشاهده و شناخته شد. دراین مشکل گرچه فروش واقعی در فروشگاهها نسبتاً ثابت و قابل پیش بینی بود اما سفارشات عمده فروشان و توزیع کنندگان برای PSG (سازنده) میدان نوسانات شدیدی داشته و مشکلات موجودی محصول ساخته شده را برای PSG داشت. یک تحقیق نشان داد که سفارشات توزیع کنندگان به دلیل پیش بینی ضعیف تقاضا و کمبود هماهنگی و اطمینان درمیان شرکاء زنجیره تامین تغییرات نامنظمی داشت، به دلیل اینکه هر ماهیت مجزا طی زنجیره تامین سفارشات و تصمیمات موجودی را با یک دید نسبت به منافع خود به طرف بالای زنجیره تامین انجام می داد که این منجر می شد کــــــه میزان پیش بینی ها به طرف بالای زنجیره همچنان افزایش یافته و به موجودیهای اضافه ای در تمام قسمتهای زنجیره تامین منجر شود.

 

ب – ذخیره فریبنده: این گونه مشکل زمانی که مشتریان محصولی را می خواهند که دردسترس نیست اتفاق می افتد گرچه درحقیقت وجود دارد مثل وقتی که محصول درجایی نادرست قرار می گیرد یا اینکه مقدار ذخیره ناصحیح است.[113]

 

1-1-6- راه حلهای مشکلات زنجیره تامین

 

هرساله سازمانها راه حلهای زیادی را برای مشکلات زنجیره تامین پیدا کرده اند.

 

راه حلها: جهت رفع مشکلات در زنجیره تامین سه دسته فنون وجود دارد. دسته اول فنونی هستند که در ارتباط با طراحی و عرضه قطعات، عرضه کنندگان، مدیریت ارتباطات بین عرضه کنندگان و ارتبـــاط سازمان با عرضه کنندگان وجود دارد، دسته دوم فنونی هستند که در ارتباط با سیستم های تولیدی، مدیریت موجودی و مسائل داخلی سازمان جهت رفع مشکلات وجود دارد و دسته سوم مجموعه تدابیــــــری هستند که درمورد توزیع کنندگان، خریداران، وفاداری خریداران و هماهنگی آنها با سازمان باید لحاظ شود. در ذیل به بعضی موارد اشاره می شود:

 

1 – ادغام عمودی

 

2 – کنترل موجودی

 

3 – تکنیک های مناسب بر برنامه ریزی تولید

 

الف – تکنیک های تولیدی به موقع

 

ب – تکنیک های برنامه ریزی مواد موردنیاز

 

ج – عملیات همزمان

 

4 – استراتژی های کاهش عدم اطمینان [113]

 

1-1-7- لایه های زنجیره تامین

 

1. زنجیره تأمین بالادست : این بخش، شامل تأمین‌کنندگان اولیه (که می‌توانند مونتاژ کننده و یا سازنده باشند) و تأمین‌کنندگان آنهاست. همه این مسیرها از مواد سرچشمه می‌گیرند. فعالیت‌های اصلی این بخش، خرید و حمل است.که خود این لایه نیز به سه لایه تقسیم می شود.

 

1. زنجیره تأمین داخلی : این بخش، شامل تمام پردازش‌های استفاده شده توسط یک سازمان در تبدیل داده‌های حمل شده به سازمان به‌وسیله تامین‌کنندگان، به خروجی‌ها از زمانی است که مواد وارد سازمان می‌شود تا زمانی که محصول نهایی برای توزیع به خارج سازمان حرکت می‌کند. فعالیت‌های این بخش، شامل حمل مواد، مدیریت موجودی، ساخت و کنترل کیفیت است.

 

1. زنجیره تامین پایین دست : این بخش، شامل تمام فرایندهای درگیر در توزیع و تحویل محصولات به مشتریان نهایی است. به فراوانی مشاهده شده است که زنجیره تامین، با واگذاری محصول یا مصرف آن، پایان می‌پذیرد. فعالیت‌های این بخش شامل بسته‌بندی، انبار و حمل است. این فعالیت‌ها ممکن است با استفاده از چندین توزیع کننده نظیر کل‌فروشان و خرده‌فروشان انجام شوند.

گفتنی است که جریان کالا، می‌تواند در جهت عکس اتفاق افتد، مثل جریان کالاهای برگشتی. لجستیک معکوس، شامل فرایند کالاهای عودتی و برگشتی و نحوه برخورد مناسب با این نوع اقلام و تمام عملیات مرتبط با مصرف مجدد کالا و مواد به منظور افزایش بهره‌وری، سوددهی و کارامدی بیشتر سازمان لجستیکی است. لجستیک معکوس، شامل تمام فعالیت‌های معکوس زنجیره تامین است. به‌طور کلی لجستیک معکوس را می‌توان این‌گونه تعریف کرد: «انتقال دقیق، بموقع و درست مواد، اقلام و کالاهای قابل استفاده و غیرقابل استفاده از انتهایی‌ترین نقطه و آخرین مصرف‌کننده، از طریق زنجیره تامین به واحد مربوطه». به بیانی دیگر، لجستیک معکوس «فرایند حرکت و انتقال کالاها و تولیداتی است که در زنجیره تامین، دارای قابلیت بازگشت هستند».شکل (1-2)

 

نباید فراموش کرد که لجستیک معکوس، نیازمند هماهنگی کامل بین واحدهای تولید، بازاریابی، امور مالی، سیستم‌های اطلاعاتی و منابع انسانی برای جلوگیری از تضادها و برخوردهای ناهمگون احتمالی در زنجیره تامین است. در لجستیک معکوس، بهبود مستمر از طرق مختلفی صورت می‌گیرد که عبارتند از: مصرف مجدد مستقیم که کالاها پس از تمیز شدن، بدون هیچ تغییری به مشتریان بازگردانده می‌شوند؛ بازیافت مواد که در آن، کاربری مواد و کالاها تغییر یافته و به مشتریان عرضه می‌شود؛ تعمیرات؛ بروز کردن مجدد؛ بازسازی و بهینه‌سازی که می‌تواند شامل تمامی موارد بازیافت مواد، تعمیرات و بروز کردن مجدد باشد.[113]

 

شکل(1-2): شبکه لجستیک معکوس

 

[1] SCM/ERP

 

[2] CHANNEL ASSEMBLY

 

[3] THE BULL WHIP EFFECT

 

[4] Upstream

 

[5] Internal

 

[6] Downstream

ساخت قطعاتی با اشکال پیچیده، تلرانس دقیق ابعادی و هزینه های کم تولید از جمله مزایای عمده روش متالورژی پودر می باشد. به طور کلی خواص مکانیکی قطعات متالورژی پودر تابعی از چگالی و یا به عبارت دیگر تخلخل باقیمانده در محصولات متالورژی پودر می باشد. بر خلاف مواد سرامیکی، چگالش در جریان فرآیند تف­­ جوشی، به دلیل ایجاد تلرانس ابعادی بالا در محصولات متالورژی پودر مطلوب نبوده و لذا چگالی مورد نیاز جهت حصول خواص مکانیکی مطلوب در قطعات متالورژی پودر می بایست در جریان فرآیند فشردن حاصل شود. از سوی دیگر حداکثر چگالی قابل حصول در جریان فرآیند متراکم سازی پودر های آهنی، به دلیل کارسختی حاصله در مرحله فشردن، به حدود 1/7 گرم بر سانتیمتر مکعب محدود می شود. برای دستیابی به چگالی بالاتر روش های متنوعی نظیر متراکم سازی گرم، فشردن با سرعت بالا، آهنگری پودر، دو بار فشردن/ دو بار تف جوشی و … مورد استفاده قرار می گیرد. در فرآیند دو بار فشردن/ دو بار تف جوشی، نمونه های متراکم شده برای بار دوم تحت فرآیند فشردن قرار می گیرند، لذا برای به حداقل رساندن اثر کارسختی ناشی از فشردن مرحله اول و چگالش بالاتر در جریان مرحله متراکم سازی ثانویه به یک مرحله عملیات آنیل میانی نیاز می باشد. اعمال کار سرد معمولا موجب کاهش انعطاف پذیری و افزایش استحکام می شود. در جریان فرآیند بازیابی این خواص به تدریج به مقادیر اولیه خود بازگشته و تنش های داخلی نیزکاهش می یابد.

 

در این پژوهش، برای بررسی تاثیر فشار فشردن مرحله اول بر درجه حرارت بهینه فرآیند آنیل میانی، رنج وسیعی از درجه حرارت آنیل در سه فشار مختلف فشردن اولیه مورد بررسی قرار گرفت. بررسی متالوگرافی نمونه های دو بار فشرده شده نشان می دهد که، تا حدود دمای 800 درجه سانتیگراد تغییرات محسوسی در ریز ساختار دیده نمی شود. با توجه به این نکته که بازیابی هر چه کاملتر در درجه حرارت آنیل بالاتر رخ می دهد؛ لذا می توان انتظار داشت که چگالی خام نمونه ها قبل از فرآیند متراکم سازی ثانویه با افزایش درجه حرارت آنیل، به دلیل حذف هر چه بیشتر کارسختی ناشی از اعمال فشردن اولیه، افزایش یابد. اما از سوی دیگر در مورد فولاد های تف جوشی شده حاوی کربن، انحلال کربن در جریان فرآیند آنیل دمای بالا منجر به تولید فاز های سخت و غیر شکل پذیر می شود که به نوبه خود تراکم پذیری را در جریان فشردن ثانویه محدود می کند. بنابراین تعیین درجه حرارت بهینه آنیل میانی با در نظر گرفتن دو حد مذکور برای حصول قطعاتی با حداکثر چگالی و متعاقبا خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب الزامی است.

 

 

 

مرور بر منابع

 

• تاریخچه متالورژی پودر

صنعت متالورژی پودر از زمان های خیلی دور، مدت ها قبل از اینکه صنعتگران با ذوب و ریخته گری آهن آشنا شوند مورد استفاده بوده است. به عنوان مثال می توان به این موضوع اشاره کرد که مصریان قدیم تقریباً 3000 سال قبل از میلاد مسیح به کمک روش متالورژی پودر ابزار آلات آهنی تهیه می کرده اند و یا هندیان قدیم که جواهرات و مصنوعات فراوانی را به کمک پودرهای فلزی ساخته بودند [1].

 

اولین محصول مدرن متالورژی پودر فیلمان های تنگستنی لامپ های الکتریکی بوده که در اوایل قرن نوزدهم تولید شده است. توسعه P/M [1] در دهه ی 30 با تولید کاربیدهای تنگستن جهت ابزارهای برش تداوم یافت و در دهه 60 و 70 با تولید قطعات خودرو و قطعات مربوط به موتورهای هواپیما بیش از پیش با گسترش مواجه شد. تولید قطعات به کمک فرآیندهای آهنگری پودر و قالب گیری تزریقی پودر فلزی در دهه ی 90 از دیگر پیشرفت های صنعتی فرآیند متالورژی پودر محسوب می شود. تا اینکه در دهه اخیر صنعت متالورژی پودر با ورود به عرصه نانوتکنولوژی خود را با علوم و فرآیندهای نوپا و پیشرو در دنیا هماهنگ کرده و همگام با سایر فرآیندهای تولید مواد فلزی تمایل به توسعه و گسترش بیش از پیش از خود نشان داده است [1].

 

امروزه بسیاری از قطعات تولید شده به کمک متالورژی پودر در موارد گوناگونی نظیر: اتومبیل ها، ابزار آلات آشپزخانه، تجهیزات باغبانی، کامپیوترها، تجهیزات دندانپزشکی و قطعات مربوط به حفاری چاه های نفت و گاز به کار برده می شوند. از كاربردهای رایج روش تولید متالورژی پودر می­توان به ساخت قطعات مكانیكی مورد استفاده در صنعت خودروسازی از قبیل چرخ­دنده، شاتون، میل بادامك، پیستون، شاتون، قطعات خودروانكارمانند بوشهای متخلخل و غیره اشاره نمود. همچنین برای تولید مواد مخصوص،‌ جدید و پیشرفته (فلزات با دمای ذوب بالا، مواد كامپوزیتی با زمینه های فلزی،‌ بین فلزی و سرامیكی،‌ مواد اصطكاكی،‌ مواد مقاوم به خوردگی مانند فولادهای زنگ نزن تف جوشی شده و سوپرآلیاژها، مواد دیرگداز مانند سرامیك ها،‌ مواد متخلخل مانند فیلترها،‌ فوم های فلزی،‌ مواد مورد استفاده در صنایع الكتریكی نظیر اتصالات الكتریكی و‌ المنت‌های گرماساز، مواد مغناطیسی نرم و سخت،‌ مواد ابزار مانند فولادهای تندبر،‌ كاربیدهای سمانته، سرمتها، الماس و نیتریدها، آلیاژهای سنگین،‌ مواد آمورف و نانوكریستالی، مواد هسته ای و …) از روش متالورژی پودر استـفاده می­گـردد [2].

 

 

 

• روند کلی ساخت قطعات متالورژی پودر

فرآیند متالورژی پودر، فرآیند تولید قطعات با شکلی نزدیک به شکل نهایی و یا شکل نهایی است. هدف اصلی در این فرآیند، تولید توده ای متراکم از پودر های فلزی با استحكام کافی جهت حمل و سپس حرارت‌دهی آن در دمایی كمتر از دمای ذوبش تحت اتمسفر کنترل شده می باشد. در طول این فرآیند كه تف جوشی نام دارد، ذرات پودر به یكدیگر جوش خورده و ماده استحكام كافی جهت سرویس‌دهی مورد نظر را می‌یابد [3].

 

درشکل 1-1 روند کلی تولید قطعات تف جوشی شده نشان داده شده است.

 

 

 

 

شکل 1-1- فلوچارت روند كلی ساخت قطعات متالورژی پودر.

با استفاده از روش متالورژی پودر می­توان قطعاتی در گستره وسیعی از خواص فیزیكی و مکانیکی تولید کرد [4]. عوامل متعددی جهت دستیابی به خواص مورد نظر در مواد تف جوشی شده وجود دارد، اما در بین آنها میزان دانسیته و مقدار عناصر آلیاژی از پارامترهای مهم محسوب می‌شوند [5]. بطور کلی خواص مكانیكی قطعات متالورژی پودر تابعی از دانسیته یا به عبارت دیگر تخلخل باقیمانده می­باشد. افزایش دانسیته در قطعات متالورژی پودر منجر به بهبود خواص فیزیكی و مكانیكی آنها خواهد گردید [6]. روشهای متداول ساخت و تولید، جهت افزایش دانسیته در صنعت متالورژی پودر شامل تف جوشی در حضور فاز مایع، فلزخورانی یا عبور تدریجی، دوبار پرس / دو بار تف جوشی، فشردن با سرعت بالا، پرس داغ، پرس ایزواستاتیك داغ، پرس ایزواستاتیك سرد، اكستروژن و آهنگری پودر می‌باشند [7].

 

 

 

• دلایل گسترش متالورژی پودر

دلایل تمایل به سمت قطعات P/M را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:

 

• فرآیند P/M یک روش با بهره اقتصادی برای تولید قطعات فلزی با شکلی دقیق و نزدیک به شکل نهایی می باشد.

 

• فرآیند P/M از جمله روش های جدید تولید، برای بهبود کیفیت محصول و بهره وری آن به شمار می رود.

 

• محدود کردن عملیات ثانویه پر هزینه ماشینکاری به دلیل تولید قطعاتی با شکلی نزدیک به شکل نهایی.

 

• بهبود بهره وری اقتصادی به واسطه محدود کردن مراحل تولید و امکان فراهم آوردن ویژگی های خاص در قطعات نظیر قابلیت خود روغنکاری و امکان فیلتراسیون کنترل شده در قطعات [1].

 

• به کمک فرآیند P/M این امکان وجود دارد که بازده بیش از 97% برای مواد اولیه مصرفی حاصل شود.

 

• P/M روشی مناسب برای تولید قطعاتی با نرخ تولید بالا می باشد.

 

• P/Mامکان تولید رنج وسیعی از محصولات فلزی را فراهم می آورد؛ مواد متخلخل (فیلترها و یاتاقان های خود روغنکار) ، فلزات سخت (کاربید تنگستن) ، فلزات با نقطه ذوب بالا (فلزات دیرگداز) ، مواد کامپوزیتی، مواد آمورف…..

 

• امکان تولید قطعاتی با خواص معادل و یا حتی برتر از محصولات مشابه تولید شده از طریق روش های معمول ریختگی و یا آهنگری [8]. به عنوان نمونه در شکل 1-2 برخی از خواص چرخ دنده تولید شده به روش متالورژی پودر با روش معمول تولید مقایسه شده است. همانطور که در شکل دیده می شود استفاده از فرآیند P/M به همراه یک عملیات تکمیلی، سخت کاری سطحی، امکان دسترسی به خواصی برتر از محصول مشابه تولیدی به روش آهنگری و سپس ماشینکاری[3] را فراهم آورده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1-2- مقایسه برخی از خواص محصولات P/M با سایر روش های تولید [9].

بنا به دلایل ذکر شده افزایش روز افزون تقاضا برای محصولات متالورژی پودر سبب شده است که صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا که شامل شرکت های تولید قطعات معمولی متالورژی پودر و  شرکت های تولید محصولات خاص P/M نظیر سوپر آلیاژها، تولیدات متخلخل، مواد اصطکاکی، ابزارهای برش کاربید تنگستنی و فولادهای ابزار می باشند، فروشی در حدود 5 بلیون دلار در سال داشته باشند. جدول 1-1 میزان رشد محموله های این صنایع را بعد از سال 1996 نشان می دهد [1].

 

 

 

جدول 1-1- میزان رشد محموله های صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا [1].

 

 

 

همانطور که مشهود است در طول سالهای 1992 تا 1994 بازار قطعات تولید شده توسط صنایع تولید قطعات P/M در شمال آمریکا، بزرگترین بازار از نوع خود در دنیا بوده و نرخ رشد 6/18 درصدی را نشان می دهد [1].

 

 

 

1-4- متالورژی پودر در صنعت خودروسازی

 

صنایع خودرو سازی در طی 70 سال گذشته، بیشترین میزان مصرف قطعات متالورژی پودر را به خود اختصاص داده اند. به عنوان نمونه همان طور که در شکل 1-3 نیز نشان داده شده است، می توان اشاره کرد که در اتومبیلهای سواری معمولی در ایالات متحده آمریکا بیش از 43 پوند از قطعات P/M مورد استفاده قرار گرفته است و انتظار می رود در چند سال آینده این میزان با افزایش چشمگیری روبرو    شود [10].

 

شکل 1-3- میزان مصرف قطعات P/M در خودروهای آمریکایی [10].

 

 

 

تكنولوژی متالورژی پودر این امكان را به وجود آورده است تا قطعات اتومبیل از جنس فولادهای        تف جوشی شده،‌ با هزینه تمام شده كمتر، حجم تولیدی زیاد، استفاده بهینه از مواد، صرف كمترین انرژی ممكن برای تولید و دقت ابعادی بسیار زیاد تولید گردند.

 

با وجود تخلخل ذاتی در قطعات متالورژی پودر، این قطعات نسبت به قطعات مشابه ریخته گری یا آهنگری شده سبك تر می باشند و نهایتا منجر به كاهش وزن اتومبیل خواهند گردید [11]. در كنار سوختهای جایگزین به جای سوختهای فسیلی یكی از اهداف سازندگان خودرو كاهش مصرف اتومبیل ها تا حد سه لیتر برای صدكیلومتر است كه برای رسیدن به این هدف كاهش وزن اتومبیل ها به موازات توسعه سیستم موتور و انتقال قدرت ضروری است. با استفاده از قطعات متالورژی پودر (قطعات فولادی تف جوشی شده) در كنار مواد سبكی مانند تیتانیم، منیزیم، آلومینیوم و پلاستیك های پیشرفته می توان وزن خودروها را كاهش داده و در نهایت باعث كاهش مصرف سوخت خودروها گردید. با استفاده ازتكنولوژی متالورژی پودر، می­توان به دانسیته های متفاوتی بسته به نیازهای كاربردی قطعات دست یافت. بعلاوه، با بهینه‌سازی شرایط تف جوشی، می توان بیشترین نسبت استحكام به وزن را در قطعات متالورژی پودر بدست آورد. تمامی این فاكتورها، گویای این حقیقت هستند كه تكنولوژی فولادهای   تف جوشی شده نقش بسیار مهمی در كاهش وزن اتومبیل­ها دارد [12].

 

 

 

قطعات P/M در داخل خودرو دارای دو کاربرد اساسی هستند:

 

 

• کاربردهای موتوری شامل قطعاتی نظیر: پولی ها و چرخ دنده های میل بادامک، میل لنگ، میل اسبک و … شکل1-4.

 

 

                                          شکل 1-4- قطعات P/Mمورد کاربرد در موتور خودروها [12].

 

 

 

• کاربردهای انتقال قدرت شامل قطعاتی نظیر: میل دنده های موجود در گیربکس های دستی شکل1-5، [12].

 

 

شکل 1-5- قطعات P/M مورد استفاده در موارد مربوط به انتقال قدرت [12].

 

 

 

از جمله قطعات دیگر مصرفی در خودرو که به روش متالورژی پودر تولید می شوند عبارتند از:

 

پیستونهای کمک فنر، هادی میله کمک فنر، قرقره دندانه دار، چرخ دنده های حلزونی کوچک، میله اتصال پمپ انژکتور موتور دیزل، تکیه گاه اهرم کنترل انتقال قدرت در اتومبیل سواری، حلقه سنکرو نایز کننده در کامیون، نگهدارنده آئینه داخل اتومبیل، چرخ همزمان کننده، چرخ دنده های پمپ اتومبیل، مجموعه چرخ دنده، شاتون خودرو و…[13].

 

 

 

 

 

شكل 1-6- قفل كنندة مخروطی كامیون شركت اسكانیا كه با تكنیكهای متالورژی پودر و آهنگری [4]تولید شده [13].             شكل 1–7- یوكهای انژكتور[5] كامیون ولو تولید شده به روش فورج (سمت چپ) و متالورژی پودر     (سمت راست) [13].

بنابراین صنایع خودروسازی ایران نیز با توجه به گسترش و نقش روز افزون محصولات پودری تمایل بسیاری برای جایگزینی رنج وسیعی از قطعات مصرفی خودرو های سواری داخلی که به روشهای معمول ریخته گری و یا شکل دهی تولید می شوند را، با محصولات مشابه P/M دارا هستند.

 

 

 

 

 

1-5- روش های ساخت قطعات متالورژی پودر

 

روش های ساخت قطعات متالورژی پودر را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد؛

 

• روش های معمولی (پرس+ تف جوشی)

 

• روش های حصول حداکثر چگالی

 

 

1-5-1- فرآیند های معمول (پرس+ تف جوشی)

 

این فرآیند مطابق با گام های نشان داده شده در شکل 1-8 انجام می شود [1].

 

شکل 1-8- فرآیند معمول (پرس+تف جوشی) [1].

 

 

 

در این روش پودر به گونه ای انتخاب می شود تا بتواند محدودیت ها و قید های فرآیند و همچنین نیازهای قطعه نهایی را برطرف سازد. برای مثال: در روش فشردن سرد از پودرهایی با شکل غیر یکنواخت استفاده می شود تا از حصول استحکام کافی و یکنواختی ساختاری در محصول پرس شده اطمینان حاصل شود. از آنجایی که پودر توسط ابزارهای شکل دهنده سخت و با استفاده از یک حرکت فشاری عمودی فشرده می شود، لذا شکل و ابعاد محصول با قید هایی نظیر گنجایش پرس، تراکم پذیری پودر و سطح چگالی مورد نیاز برای محصول نهایی محدود می شود. برای بسیاری از محصولات متالورژی پودر این محدودیت ها شامل؛ ابعاد قطعه (مساحت سطح متراکم شده) حداکثر cm2 160، ضخامت قطعه حداکثر mm75 و وزن قطعه حداکثر Kg 2/2 می باشد [1].

 

دو روش معمول فشردن پودر در فرآیندهای معمول (پرس + تف جوشی) به کار می رود:

 

• فشردن سرد در داخل قالب های صلب

 

• فشردن گرم

 

• Powder Metallurgy

 

• Sintering

 

• Reference SS92506

 

• Forging

 

• Injection Yokes