هم‌افزایی صنعتی و زنجیره تأمین سبز در تولید قطعات آلومینیومی

صنعت آلومینیوم یکی از ستون‌های اصلی اقتصاد جهانی و زیرساخت‌های صنعتی است، اما در عین حال، از جمله منابع مهم مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای به‌شمار می‌آید. در تولید قطعات آلومینیومی و پروفیل های آلومینیومی به‌ویژه در فرایندهای نورد، اکستروژن، فورج و ماشین‌کاری، حجم قابل‌توجهی ضایعات فرایندی (Process Scrap) به شکل براده، پلیسه، ته‌بیلت و قراضه‌ی کم‌عیار تولید می‌شود که بازیافت ناکارآمد آن، هم هزینه اقتصادی و هم بار زیست‌محیطی بالایی ایجاد می‌کند.

در سال‌های اخیر، مفهوم هم‌افزایی صنعتی (Industrial Symbiosis) به‌عنوان یکی از ابزارهای کلیدی «اقتصاد چرخشی آلومینیوم» وارد ادبیات صنعت آلومینیوم شده است. در این رویکرد، ضایعات یک فرایند، به خوراک فرایند دیگر تبدیل می‌شود و از طریق یک شبکه‌ی همکاری بین شرکت‌ها و واحدهای تولیدی، بهره‌وری مواد و انرژی به حداکثر می‌رسد. نمونه‌های جدید شامل ترکیب فناوری‌های Friction Stir Extrusion (FSE) و Molten Metal Deposition (MMD) برای بازیافت براده‌های آلومینیوم و تبدیل آن‌ها به پروفیل و قطعات نهایی است؛ رویکردی که در برخی مطالعات، هدف «بهره‌وری ۱۰۰درصدی ماده» را دنبال می‌کند.

این مقاله از دانشنامه آلومینیوم ایراک با رویکردی تحلیلی، ابتدا مفهوم هم‌افزایی صنعتی را در بستر صنعت آلومینیوم سبز تشریح می‌کند، سپس به مطالعه‌ی موردی تولید قطعات آلومینیومی مبتنی‌بر ترکیب FSE و MMD می‌پردازد، مزیت‌های انرژی و کربن را بررسی می‌کند و در پایان، پیشنهادهایی برای پیاده‌سازی این رویکرد در زنجیره ارزش آلومینیوم ارائه می‌دهد.

۱.چرا «هم‌افزایی صنعتی» برای آینده آلومینیوم حیاتی است؟

۱.۱ فشار هم‌زمان از سمت بازار، انرژی و محیط زیست

تولید اولیه آلومینیوم (Primary Aluminium) از بوکسیت، یکی از انرژی‌برترین فرایندهای متالورژیکی جهان است و سهم قابل‌توجهی از انتشار CO₂ صنعتی را به خود اختصاص می‌دهد. آلومینیوم و محیط زیست به یکی از چالش های دنیای مدرن تبدیل شده است. در عین حال، تقاضا برای آلومینیوم، به‌ویژه در خودروسازی سبک‌وزن، بسته‌بندی، ساختمان و انرژی‌های تجدیدپذیر – با سرعت در حال افزایش است.

در چنین شرایطی، صنعت آلومینیوم ناگزیر است سه هدف را به‌طور هم‌زمان دنبال کند:

• کاهش وابستگی به تولید اولیه و افزایش سهم آلومینیوم ثانویه (Recycled Aluminium)
• بهینه‌سازی مصرف انرژی در کل زنجیره ارزش
• کاهش ضایعات فرایندی و استفاده‌ی حداکثری از منابع موجود

‌‎

۱.۲ نقش ضایعات فرایندی (Process Scrap)

در خطوط نورد، اکستروژن و به‌ویژه ماشین‌کاری دقیق، حجم عظیمی از براده‌ها و چیپ‌های آلومینیوم تولید می‌شود؛ این ضایعات:

• شکل نامنظم و نسبت سطح به حجم بالا دارند
• اکسید سطحی زیادی تشکیل می‌دهند
• اغلب مخلوطی از آلیاژهای مختلف هستند

در سیستم‌های بازیافت سنتی، این ضایعات معمولاً فشرده شده، به کوره‌های ذوب مجدد ارسال می‌شوند و به‌دلیل تشکیل درُس (Dross) و هدررفت فلز، بخشی از آلومینیوم قابل‌بازیافت از دست می‌رود. برخی برآوردها نشان می‌دهد در ذوب مجدد چیپ‌های آلومینیومی، تا حدود ۳۰٪ تلفات ماده به‌صورت سرباره و اکسید گزارش شده است.

در این‌جا است که هم‌افزایی صنعتی و فناوری‌های نوین بازیافت جامد-حالت (Solid-state Recycling) مطرح می‌شوند؛ رویکردی که به‌جای سوزاندن انرژی در ذوب مجدد، سعی می‌کند مستقیماً از ضایعات، محصول نیمه‌ساخته یا نهایی تولید کند.

۲. هم‌افزایی صنعتی (Industrial Symbiosis) در بستر زنجیره آلومینیوم

۲.۱ تعریف و منطق کلان

هم‌افزایی صنعتی زیرمجموعه‌ای از «بوم‌شناسی صنعتی» (Industrial Ecology) است و به شبکه‌ای از بنگاه‌ها و فرایندها اشاره دارد که در آن:

پسماند، ضایعات و انرژی مازاد یک فرایند، به خوراک (Feedstock) فرایند دیگر تبدیل می‌شود؛

این تبادل می‌تواند شامل مواد، انرژی، آب، دانش فنی و حتی خدمات باشد. هدف، ساختن یک سیستم صنعتی است که بیشتر شبیه یک اکوسیستم طبیعی عمل می‌کند؛ یعنی هر خروجی ناخواسته‌ای در جایی دیگر، ورودی ارزشمند شود.

‌‎

در صنعت آلومینیوم، هم‌افزایی صنعتی می‌تواند در سطوح مختلف شکل بگیرد:

• درون‌سایتی (On-site): بازیافت داخلی ضایعات براده، ته‌بیلت، ضایعات نورد
• بین‌سایتی (Inter-plant): ارسال ضایعات یک کارخانه به عنوان خوراک کارخانه دیگر (مثلاً ضایعات آند، قراضه کم‌عیار، محصولات خارج از مشخصات)
• بین‌بخشی (Cross-sector): مشارکت با صنایعی مانند سیمان، شیشه یا فولاد برای استفاده از پسماندهای غنی از آلومینیوم در محصولات دیگر (نمونه پروژه‌های CORALIS و ReActiv در اروپا).

‌‎

۲.۲ از مفهوم تا عمل در آلومینیوم

در عمل، هم‌افزایی صنعتی در آلومینیوم می‌تواند این‌گونه پیاده شود:

• ضایعات چیپ‌های ماشین‌کاری و پلیسه اکستروژن، به‌جای فروش به‌عنوان قراضه کم‌ارزش، در همان سایت یا در یک سایت همکار، با فناوری‌های جامد-حالت (Solid-State Recycling) به پروفیل یا بیلت تبدیل شوند.
• در پروژه‌های اروپایی مانند CORALIS، روابط هم‌افزایانه بین تولیدکنندگان آلومینیوم و صنعت سیمان شکل گرفته است تا از پسماندهای باکیفیت پایین، در تولید سیمان و مصالح استفاده شود و در عین حال، بار دفن زباله و انتشار CO₂ کاهش یابد.

این الگوها نشان می‌دهد که هم‌افزایی صنعتی نه یک شعار، بلکه یک چارچوب عملی است که می‌تواند مستقیماً روی هزینه‌ی تمام‌شده، مصرف انرژی و ردپای کربن اثر بگذارد.

۳. مطالعه موردی: هم‌افزایی صنعتی در تولید قطعات آلومینیومی با ترکیب FSE و MMD

یکی از جدیدترین نمونه‌های علمی و صنعتی در این حوزه، زنجیره‌ای است که در آن ضایعات چیپ آلومینیوم، با ترکیب دو فناوری Friction Stir Extrusion (FSE) و Molten Metal Deposition (MMD) به قطعات نهایی تبدیل می‌شود؛ بدون آن‌که مسیر سنتی ذوب مجدد و ریخته‌گری مجدد طی شود.

‌‎

۳.۱ چالش چیپ‌های ماشین‌کاری آلومینیوم

در مراکز ماشین‌کاری CNC، حجم زیادی از چیپ‌های آلومینیومی تولید می‌شود که مشکلات مشترکی دارند:

• سطح ویژه بالا و اکسید زیاد → کاهش راندمان ذوب
• تنوع آلیاژی (مثلاً 6061، 6082، 7075 مخلوط) → مشکل در کنترل ترکیب شیمیایی
• آلودگی‌های سطحی (روغن، امولسیون، براده‌های دیگر فلزات)

در ذوب سنتی، همین ویژگی‌ها باعث می‌شود بخش قابل‌توجهی از فلز به‌صورت درُس از دست برود و از نظر انرژی و کربن، فرایندی پرهزینه شکل گیرد.

‌‎

۳.۲ Friction Stir Extrusion (FSE): اکستروژن جامد-حالت از چیپ‌ها

FSE یک فناوری جامد-حالت است که در آن چیپ‌ها و براده‌های آلومینیوم، تحت فشار و اصطکاک شدید، به‌صورت پلاستیک تغییر شکل داده و به پروفیل یا میله فشرده تبدیل می‌شوند؛ بدون آن‌که به دمای ذوب برسند.

‌‎‍

ویژگی‌های کلیدی FSE:

• دمای فرایند معمولاً کمتر از ۵۰–۷۰٪ دمای ذوب است → کاهش مصرف انرژی و اکسیداسیون
• ساختار ریزدانه (Fine-Grained) و بهبود خواص مکانیکی نسبت به ذوب و ریخته‌گری مجدد
• امکان استفاده از مخلوط چیپ‌ها، بدون نیاز به جداسازی کامل آلیاژها، در برخی کاربردهای غیربسیار بحرانی

خروجی FSE می‌تواند به‌صورت میله، بیلت کوچک یا پروفیل توپر باشد که یا مستقیماً ماشین‌کاری می‌شود یا در گام بعد به عنوان خوراک فرایند MMD به‌کار می‌رود.

‌‎‏

۳.۳ Molten Metal Deposition (MMD): رسوب‌دهی فلز مذاب برای ساخت قطعه

MMD را می‌توان به‌نوعی معادل «چاپ سه‌بُعدی فلز» در مقیاس صنعتی دانست؛ در این روش، فلز مذاب به‌صورت کنترل‌شده لایه به لایه رسوب داده می‌شود تا شکل نهایی قطعه حاصل شود. در زنجیره هم‌افزایی مورد بحث، FSE و MMD مکمل یکدیگر هستند:

• FSE → تبدیل چیپ‌ها به خوراک جامد با چگالی بالا
• MMD → شکل‌دهی نزدیک به نهایی (Near-Net Shape) قطعات از خوراک مذاب یا نیمه‌مذاب

این ترکیب اجازه می‌دهد که ضایعات چیپ، ابتدا بدون ذوب کامل فشرده شده و سپس در فرایند رسوب‌دهی، به قطعاتی با هندسه پیچیده تبدیل شوند؛ در حالی که تلفات ماده و انرژی نسبت به مسیر سنتی ذوب مجدد و ریخته‌گری، به‌شدت کاهش می‌یابد.

‌‎‏

۳.۴ هدف‌گذاری «بهره‌وری ۱۰۰درصدی ماده»

مطالعات جدید در این حوزه، زنجیره‌ای را پیشنهاد می‌کنند که در آن چیپ‌های آلومینیوم، از لحظه خروج از ماشین CNC تا تولید قطعه، هیچ‌گاه به پسماند نهایی تبدیل نشوند و کل جرم آن‌ها در قالب یک یا چند محصول نهایی به کار گرفته شود؛ به این معنا که:

• چیپ → فشرده‌سازی اولیه → FSE → میله/بیلت → MMD → قطعه نهایی
• ضایعات ثانویه کوچک (مانند پلیسه‌ها) مجدداً به ابتدای چرخه بازگردانده می‌شوند

این رویکرد، نمونه‌ای از هم‌افزایی صنعتی درون‌سایتی است که می‌تواند بعدها در قالب شبکه‌ای از واحدهای تخصصی (مثلاً یک مرکز FSE/MMD مشترک برای چند کارخانه ماشین‌کاری) توسعه یابد.

۴. اثرات انرژی، کربن و شاخص‌های پایداری در این زنجیره

۴.۱ مقایسه با ذوب سنتی از منظر انرژی و کربن

در تحلیل‌های انرژی و چرخه عمر، چند نکته برجسته است:

• ذوب مجدد چیپ‌ها نیازمند رساندن فلز تا دمای مذاب است (بالاتر از ~۶۵۰–۷۰۰°C)، در حالی که FSE و سایر فرایندهای جامد-حالت در دماهای به‌مراتب پایین‌تر عمل می‌کنند.
• در ذوب سنتی، بخشی از انرژی صرف گرم‌کردن اکسید سطحی، تبخیر آلودگی‌ها و تشکیل درُس می‌شود، در نتیجه هم انرژی و هم ماده هدر می‌رود.
• در زنجیره FSE + MMD، بخش مهمی از انرژی صرف تغییرشکل پلاستیک و رسوب‌دهی می‌شود و تلفات اکسیداسیون و سرباره به حداقل می‌رسد.

مطالعات اولیه نشان می‌دهند که مصرف انرژی ویژه (Specific Energy Consumption) در مسیر جامد-حالت می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی کمتر از مسیر ذوب + ریخته‌گری باشد؛ به‌خصوص زمانی که FSE و MMD نزدیک به منبع ضایعات (در همان سایت یا خوشه صنعتی) اجرا شوند و از حمل‌ونقل طولانی‌مدت قراضه جلوگیری شود.

‌‎

۴.۲ هم‌افزایی صنعتی و شاخص‌های اقتصاد چرخشی

پروژه‌ها و مقالات مرتبط با هم‌افزایی صنعتی، معمولاً اثرات خود را با شاخص‌هایی مانند موارد زیر ارزیابی می‌کنند:

• کاهش ضایعات نهایی (Final Waste Reduction)
• بهره‌وری مواد (Material Efficiency)؛ نسبت جرم محصول مفید به جرم ورودی
• کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG Emissions) در سطوح ۱، ۲ و ۳
• شدت مصرف انرژی (Energy Intensity) به‌ازای هر واحد محصول

در زنجیره‌های پیشنهادی برای آلومینیوم، ترکیب FSE/MMD با مدیریت هوشمند جریان ضایعات، می‌تواند این شاخص‌ها را به‌طور معناداری بهبود دهد و در نتیجه، آلومینیوم بازیافتی با ارزش افزوده بالا تولید کند، نه صرفاً شمش ثانویه‌ی کم‌ارزش.

۵. الگوهای بین‌المللی و پیامدها برای صنعت آلومینیوم ایران

۵.۱ تجربه پروژه‌های اروپایی: CORALIS، RISERS و MICS

در اتحادیه اروپا، چند پروژه بزرگ روی هم‌افزایی صنعتی در زنجیره آلومینیوم متمرکز شده‌اند:

• CORALIS: ایجاد شبکه‌های هم‌افزایانه بین تولیدکنندگان آلومینیوم، فولاد و سیمان، با هدف کاهش CO₂ و استفاده از پسماندهای یک صنعت در صنعت دیگر.
• MICS / سایر پروژه‌های فلزات: تمرکز بر افزایش چرخش‌پذیری (Circularity) ضایعات فرایندی فلزات، از جمله آلومینیوم، با استفاده از بازیافت جامد-حالت، بهبود ردیابی ضایعات و طراحی شبکه‌های هم‌افزایانه.

این پروژه‌ها نشان می‌دهند که هم‌افزایی صنعتی در آلومینیوم فقط در سطح تئوری یا مقاله دانشگاهی باقی نمانده، بلکه به مرحله‌ی آزمایشی و نیمه‌صنعتی نزدیک شده و به‌تدریج توسط شرکت‌های بزرگی در زنجیره آلومینیوم (از تولیدکننده اولیه تا نورد و قطعه‌سازی) پذیرفته می‌شود.

‌‎

۵.۲ فرصت‌های پیاده‌سازی در زنجیره آلومینیوم ایران

برای صنایع ایرانی با ظرفیت قابل‌توجه در تولید شمش، بیلت و پروفیل آلومینیوم که در حوزه اکستروژن و تولید مقاطع آلومینیومی صنعتی فعال است، هم‌افزایی صنعتی می‌تواند در چند سطح مطرح شود:

1. هم‌افزایی درون‌سایتی:
   • ایجاد یک سیستم یکپارچه برای بازیافت براده‌ها، ته‌بیلت و ضایعات طولی (Crop Ends)
   • بررسی امکان‌سنجی استفاده از فناوری‌های جامد-حالت (مانند اکستروژن مستقیم ضایعات فشرده‌شده) در مقیاس عملیاتی
2. هم‌افزایی در سطح خوشه صنعتی:
   • همکاری با کارگاه‌های ماشین‌کاری و تولید قطعاتی که مشتری پروفیل‌های ایراک هستند؛
   • تشکیل «حلقه بسته» (Closed Loop) که در آن ضایعات مشتریان به‌عنوان خوراک ثانویه با ارزش افزوده بالا به چرخه تولید ایراک برگردد.
3. هم‌افزایی بین‌بخشی:
   • در بلندمدت، مشارکت با صنایع پایین‌دستی (مانند تولیدکنندگان تجهیزات برق، خودروسازی و انرژی خورشیدی) برای طراحی محصولاتی که از ابتدا با ذهنیت اقتصاد چرخشی و هم‌افزایی صنعتی طراحی شده‌اند (Design for Circularity).

نتیجه‌گیری

هم‌افزایی صنعتی در تولید قطعات آلومینیومی، از سطح یک مفهوم نظری فراتر رفته و در حال تبدیل شدن به یک پارادایم عملی در طراحی زنجیره تأمین سبز است.

نکات کلیدی این مقاله:

• صنعت آلومینیوم با چالش هم‌زمان افزایش تقاضا، فشار انرژی و الزامات زیست‌محیطی مواجه است.
• ضایعات فرایندی (به‌ویژه چیپ‌های ماشین‌کاری) سهم مهمی در اتلاف مواد و انرژی دارند و بازیافت سنتی آن‌ها کارایی محدودی دارد.
• هم‌افزایی صنعتی، با تبدیل پسماند یک فرایند به خوراک فرایند دیگر – چه درون‌سایتی و چه بین‌بخشی – می‌تواند بهره‌وری مواد و انرژی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد.
• ترکیب فناوری‌های Friction Stir Extrusion (FSE) و Molten Metal Deposition (MMD)، یک نمونه پیشرو از طراحی زنجیره‌ای است که هدف آن «نزدیک شدن به بهره‌وری ۱۰۰درصدی ماده» در بازیافت ضایعات چیپ آلومینیوم است.
• پروژه‌های اروپایی مانند CORALIS و سایر ابتکارات صنعتی نشان می‌دهند که این رویکرد قابل تعمیم و مقیاس‌پذیر است و می‌تواند به کاهش معنا‌دار انتشار CO₂ و هزینه‌ی تمام‌شده منجر شود.

برای صنعتی مانند صنایع ایرانی، ورود به این حوزه نه‌تنها یک انتخاب فناورانه، بلکه یک انتخاب استراتژیک است:

• تقویت برند در حوزه آلومینیوم سبز و کم‌کربن،
• کاهش وابستگی به شمش اولیه،
• و ایجاد زنجیره‌های هم‌افزایانه با مشتریان و تأمین‌کنندگان،

که همه‌ی این‌ها در نهایت به مزیت رقابتی پایدار در بازار داخلی و منطقه‌ای منجر خواهد شد.

منابع علمی:

1. Hendrickx, B. Industrial Symbiosis in Aluminium Parts Manufacturing: Towards 100% Material Efficiency by Combining Friction Stir Extrusion and Molten Metal Deposition. ScienceDirect / SSRN, 2025.
2. ValCUN (2025). Improving Aluminium Chip Recycling Efficiency with FSE and MMD – Building Real Industrial Symbiosis.
3. MICS Project. Enhancing the Circularity of Metals Process Scrap: Solid-State Chips Recycling and Industrial Symbiosis Implementation.
4. Branca, T. A. et al. Current State of Industrial Symbiosis and Energy Efficiency in the Aluminium Industry. Materials and Technologies Journal, 2021.
5. European Aluminium / CORALIS & ReActiv Projects – Reports and Webinar Materials on Industrial Symbiosis in the Aluminium Industry, 2024–2025.
6. Susan, C. Industrial Symbiosis: Principles and Practices. Conference Paper, 2024.

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.