نوشتهی جولیا جانسون، DOE/آزمایشگاه ملی اوک ریج، ۸ دسامبر ۲۰۲۵، بازیافت ضایعات فلزی خودروهای قدیمی -دانشمندان ORNL آلیاژ RidgeAlloy را توسعه دادند، یک آلیاژ آلومینیوم جدید که ضایعات ناخالص بدنه خودرو را به مواد ساختاری قوی تبدیل میکند. منبع Shutterstock
یک آلیاژ جدید میتواند ضایعات خودروهای فردا را به مزیت تولیدی بعدی آمریکا تبدیل کند.
انتظار میرود حجم زیادی از ضایعات بدنه خودرو آلومینیومی طی ده سال آینده از طریق سیستمهای بازیافت عبور کند. بخش عمدهای از این مواد حاوی ناخالصیهای زیادی است که نمیتوان آنها را با خیال راحت در قطعات خودرو با کارایی بالا دوباره استفاده کرد، که این امر ارزش آن را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) وزارت انرژی (DOE) اکنون راه حلی ارائه دادهاند: یک آلیاژ آلومینیوم جدید به نام RidgeAlloy. این آلیاژ امکان تبدیل ضایعات کمکیفیت به مادهای مناسب برای تولید قطعات ساختاری قوی و قابل اعتماد خودرو را فراهم میکند و یک زنجیره تامین داخلی ارزشمند ایجاد میکند.
آلومینیوم در فهرست مواد حیاتی وزارت انرژی آمریکا قرار دارد زیرا نقش کلیدی در فناوریهایی دارد که انرژی را تولید، حمل، ذخیره و ذخیره میکنند.
RidgeAlloy با ذوب کردن ضایعات آلومینیوم پس از مصرف و ریختهگری مجدد آن به فرمولی که مطابق با استانداردهای صنعتی برای استحکام، شکلپذیری و عملکرد در برابر تصادف است، ساخته میشود. رهبری دیرینه ORNL در تحقیقات آلیاژ آلومینیوم، این تیم را قادر ساخت تا از یک استراتژی طراحی متمرکز استفاده کند که توسعه را سرعت بخشید.
آلن هاینز، مدیر برنامه اصلی فلزات سبک ORNL، گفت: “این تیم تنها در 15 ماه از یک مفهوم کاغذی به یک نمایش قطعهای موفق و در مقیاس کامل از یک آلیاژ جدید پیشرفت کرد. این سرعت بیسابقهای از نوآوری در توسعه آلیاژهای ساختاری پیچیده است.”
وسایل نقلیه سنگین آلومینیومی از حدود سال 2015 وارد بازار ایالات متحده شدند و F-150 فورد از جمله اولین خودروهایی بود که به طور گسترده تولید شد. تا اوایل دهه ۲۰۳۰، بسیاری از این وسایل نقلیه به پایان عمر خود خواهند رسید و سالانه ۳۵۰،۰۰۰ تن ضایعات ورق بدنه آلومینیومی در آمریکای شمالی تولید میکنند. به جای بازگشت به عنوان مواد با ارزش بالا، انتظار میرود بخش زیادی از این ضایعات به ریختهگریهای کمارزش تبدیل شوند یا به خارج از کشور ارسال شوند که نشاندهنده یک فرصت از دست رفته برای تولید داخلی است.
الکس پلاتکوفسکی، رهبر گروه فیزیک محاسباتی جفتشده ORNL، گفت: «شما میتوانید آلومینیوم پس از مصرف را به چیزی غیرسازهای مانند بلوکهای موتور تبدیل کنید. اما خواص مورد نیاز برای کاربردهای بدنه با ارزش بالاتر و از نظر ساختاری سالم را نخواهد داشت.»
قطعه خودرو ساخته شده از RidgeAlloy
این قطعه خودرو از RidgeAlloy، یک آلیاژ ساختاری جدید که توسط محققان ORNL توسعه داده شده است، ساخته شده است. این قطعه با استفاده از فلزاتی که کاملاً از ورقهای بدنه آلومینیومی پس از مصرف بازیافت شدهاند، ریختهگری شده است. منبع: ORNL، وزارت انرژی ایالات متحده
مسئله اصلی آلودگی است. در طول فرآیند خرد کردن، قراضه ناخالصیهایی مانند آهن را از بستها و اجزای مخلوط جذب میکند و ترکیبات شیمیایی غیرقابل پیشبینی و ضعیفی ایجاد میکند که برای آلیاژهای ساختاری تجاری نامناسب هستند. در نتیجه، اکثر قطعات خودرو با استحکام بالا همچنان به آلومینیوم اولیه متکی هستند که به سنگ معدن خام و فرآیند تولید بسیار پرانرژی نیاز دارد.
در حالی که آلومینیوم اولیه عمدتاً وارداتی است، ایالات متحده برخی از بهترین زیرساختهای جهان را برای خرد کردن خودرو و بازیابی قراضه آلومینیوم دارد.
آمیت شیام، رهبر گروه رفتار و طراحی آلیاژ ORNL، گفت: “تخمین زده میشود که استفاده از قراضه ذوب مجدد به جای آلومینیوم اولیه منجر به کاهش تا 95 درصدی انرژی مورد نیاز برای پردازش یک قطعه شود.” برای ممکن ساختن این امر، تیم از ابزارهای علمی در سطح جهانی مانند محاسبات با توان عملیاتی بالا، که شامل بیش از دو میلیون محاسبه برای پیشبینی ترکیبات بهینه آلیاژ با خواص هدف، و همچنین توصیف مواد و پراش نوترون در منبع نوترونی Spallation ORNL، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE، بود، استفاده کرد. این ابزارها به محققان کمک کردند تا بفهمند که چگونه ناخالصیهای خاص بر رفتار آلیاژ تأثیر میگذارند. نوترونها به طور منحصر به فردی برای این نوع تحقیق مناسب هستند زیرا میتوانند بدون آسیب رساندن به مواد، به عمق فلزات متراکم نفوذ کنند و به دانشمندان اجازه میدهند ساختارهای داخلی و تغییرات در مقیاس اتمی را مشاهده کنند.
پس از تعیین دقیق ترکیب مورد نظر از طریق پیشبینیهای محاسباتی سریع و آزمایشهای آزمایشگاهی، آلیاژ جدید در یک محیط واقعی آزمایش شد. Trialco Aluminum گروه PSW در شیکاگو، شمشهای آلومینیوم بازیافتی، بلوکهای فلزی آماده برای ذوب مجدد، ریختهگری شده از ضایعات ورق بدنه خودرو مخلوط و متناسب با مشخصات RidgeAlloy را تأمین کرد. شمشها به Falcon Lakeside Manufacturing در میشیگان ارسال شدند، جایی که با موفقیت با استفاده از ریختهگری تحت فشار بالا به قطعات خودرو تبدیل شدند.
پلاتکوفسکی گفت: «قطعهای که ما انتخاب کردیم، اندازه متوسط و پیچیدگی متوسطی داشت.» «هدف نهایی این است که در نهایت قالبگیری کنیم.»
قطعات بزرگتر، شاید حتی ریختهگری عظیم خودرو، اما این اولین قدم است. قطعات ریختهگری شده تأیید کردند که RidgeAlloy، متشکل از آلومینیوم، منیزیم، سیلیکون، آهن و منگنز، ترکیبی از خواص لازم برای ریختهگری سازههای خودرو را دارد، حتی زمانی که از مخلوطهای بازیافتی با محتوای آهن و سیلیکون بالاتر ساخته شده باشد. این آلیاژ استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و شکلپذیری را ارائه میدهد و امکان تولید ریختهگری سازههای زیر بدنه، اجزای قاب و سایر قطعات حیاتی را از ضایعات آلومینیوم پس از مصرف فراهم میکند. این پیشرفت، فرصتی را برای تغییر معادله ارزش نحوه دستهبندی و استفاده مجدد از ضایعات ورق بدنه خودرو در آمریکای شمالی فراهم میکند.
هاینز گفت: “این تیم فهمید که چگونه از مجموعه قابلیتهای جهانی یک آزمایشگاه ملی به طور کامل بهره ببرد تا به سرعت شکاف بزرگی را در درک ما از مواد سبک خودرو پر کند.”
تا اوایل دهه 2030، RidgeAlloy میتواند ریختهگری سازههای بازیافتی را در حجمی معادل حداقل نیمی از تولید اولیه سالانه آلومینیوم در ایالات متحده امکانپذیر کند. این امر باعث کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینهها و تقویت زنجیرههای تأمین داخلی میشود.
“RidgeAlloy اولین فناوری را ارائه میدهد که قادر به بازیابی ارزش … هاینز گفت: «موج عظیمی از آلیاژهای ورق آلومینیوم بازیافتی خودرو با کیفیت بالا و به سرعت در حال نزدیک شدن است. این تصویر کلی از تأثیر زنجیره تأمین است که تیم ما به دنبال آن بود.»
همچنین پتانسیل کاربردهای آینده در ماشینآلات صنعتی، تجهیزات کشاورزی، هوافضا، تجهیزات تولید برق سیار، وسایل نقلیه خارج از جاده مانند اسنوموبیل، موتورسیکلت و وسایل نقلیه دریایی، از جمله جت اسکی وجود دارد.
