|
مقدمه
در دو
قسمت پيشين، با شکلدهي، فرايندهاي آن، مواد و مصالح صنعتي، خواص
مکانيکي و عوامل مؤثر بر آنها آشنا شديم. در اين قسمت به شکلدهي در مقياس
ميکرو ميپردازيم تا نسبت به تأثيرات ريزسازي و کاهش ابعاد در شکلدهي،
اطلاعات بيشتري به دست آوريم.
ميکروشکلدهي
ميکرومتر
برابر است با يکهزارم ميليمتر، يعني هزار برابر بزرگتر از ابعاد نانو.
اين ابعاد مورد توجه صنايع مدرني است که ميخواهند تا جايي که ميشود، به
کوچکسازي بپردازند. منظور از کوچکسازي، يا ريزسازي، کاهش ابعاد به
مقياسهايي کمتر از ميليمتر است. اين هدف در علوم مختلف، مانند شيمي،
فيزيک، مکانيک، متالورژي، پزشکي، رايانه، زيستفناوري و زيستمکانيک مورد
توجه و کاوش قرار گرفته و از سوي دانشمندان اين علوم در آزمايشگاهها در
دست بررسي و تحقيق است.
وقتي ميخواهيم نظريهاي ارائه کنيم، ابتدا بايد
در حوزههاي مشابه اطلاعاتي به دست آوريم و با دستهبندي آنها حدسهايي
بزنيم و سپس با انجام آزمايش صحت آنها را بيازماييم. بنابراين، براي اينکه
با جهاني در مقياس يک ميليونيُم ميليمتر (نانو) آشنا شويم، ابتدا از
مقياسي که دانش بيشتري در زمينة شکلدهي در آن داريم، يعني مقياس مايکرو،
آغاز ميکنيم.
در ميکروشکلدهي به دنبال ايجاد فرايندهاي امکانپذير
براي صنعت و توليد انبوه هستيم. آيا تا به حال به اين موضوع فکر
کردهايد که براي صنعتي شدنِ يک فرايند و توليد انبوه آن چه مراحلي بايد طي
شود؟
اگر همين امروز اراده کنيد که پزشک جراح شويد، نميتوانيد با
پوشيدن لباس اتاق عمل دانش مورد نياز جراحي را به دست آوريد. شما بايد پس
از دوازده سال تحصيل در دبستان، راهنمايي و دبيرستان و سپري کردن دورة
هشتسالة پزشکي عمومي و سپس طي دورة تخصص و اخذ مجوز لازم از مراکز معتبر،
به فکر پوشيدن لباس جراحي بيفتيد. چنين وضعي در دنياي مهندسي هم وجود دارد:
ممکن است دانش يا مهارتي در خصوص شکلدهي داشته باشيد. اما تنها پس از طي
مراحلي مانند محاسبات، آزمايش، مُدلسازي و... ميتوان ساختار مشخصي براي
ماده تعريف کرد. مجموع اين ساختار مشخص را فناوري ميگوييم که نحوة استفاده
از دانش را به ما ميآموزد. براي صنعتي شدن هم بايد براي فناوري مورد نظر
دستگاههاي مختلف، وسايل اندازهگيري و... تهيه کرد. مهندسان به اين
قسمتها سامانه (يا سيستم) ميگويند. پس اولين گام براي صنعتي کردنِ
فناوري، تعريف سيستم و اجزاي آن است. دربارة مايکروشکلدهي نيز ابتدا به
سيستم آن ميپردازيم تا با عناصر تشکيلدهندة آن بيشتر آشنا شويد.
ميکروشکلدهي
از نظر علمي «ساخت و توليد ساختارهاي دوبُعدي در مقياس ميليمتري»
است. محصولات مايکروشکلدهي، در اجزاي الکترونيکي ريزسيستمها و
سيستمهاي مايکروالکترومکانيکي مثل ميکرورُباتها کاربرد دارند. اين
محصولات باعث شدهاند که عمليات ريزسازي بهسرعت جلو برود.
اجزاي ساخته شده بوسيله ميکرو شکل دهي
مروري بر تاريخ ميکروشکلدهي
رشد
فناوريها و بهخصوص فناوري شکلدهي مايکرو در دهة 1990، اين سؤال را
به وجود آورد که چرا به جاي استفاده از تراشکاري در ساخت قطعات
ازشکلدهي فلزات استفاده نشود؟
مهندسان و صنعتگران دريافتند که
بايد قطعه را با روشهاي شکلدهي و بدون بُرادهبرداري تغيير شکل
دهند. اين کار براي تأمين دو هدف اساسي صنعتي و اقتصادي صورت ميگيرد:
توليد انبوه، و نرخ توليد بالا. توليد انبوه يعني توليد محصول در تعداد
بسيار زياد، مانند توليد خودرو يا ساخت وسايل خانگي. البته تعداد محصول در
صنايع مختلف در توليد انبوه متفاوت است. نرخ توليد بالا نيز به توليد محصول
در حداقل زمان ممکن گفته ميشود. در اين کار آنها با چند مشکل اساسي
مواجه بودند که در دو سطح عمدة زير خلاصه ميشدند:
الف ـ نبودِ دانش پايهاي؛ چون در آن زمان دانش بشر در زمينة ميکرو کافي نبود.
ب
ـ نبودِ کاربرد مشخص و نمونة اوليه؛ زيرا آنها نميدانستند بايد به
دنبال ساخت چه محصولي باشند. مثلاً اگر شما به دنبال ساخت هليکوپتر باشيد،
با ديدن نمونههاي قبلي و طرز کار آن ميتوانيد به ايدههايي براي ساخت
نوع جديد آن برسيد.
اولين حرکت در اين زمينه توسط يک دانشمند
ژاپني در سال 1989 ميلادي آغاز شد. او در گزارش اولية خود در انجمن
فناوريِ شکلدهي ژاپن، طرح اولية خود را با عنوان «پيشطرح ساخت و
توسعة ماشين پرسِ سوپرميکرو» ارائه کرد و در سال 1990 اين ايده را
به چاپ رساند.
با شروع حرکت، بهسرعت مسائل و مشکلات پايهاي
زيادي در مقابل دانشمندان به وجود آمدند. کاهش مقياس در رسيدن به
ابعاد ميکرو در فلزات دشوار است. علاوه بر آن، مشکلات ديگري نيز در
مقابل اين فناوري جديد قرار دارند، نظير ابزارآلات و ماشينابزار
لازم. از اينرو کاوشها، پژوهشها و تحرکات گستردة علمي و صنعتي براي
حل معضلات و يافتن راه حلهاي مناسب آغاز شدند که تاکنون نيز
ادامه دارند.
سيستم ميکروشکلدهي
سيستم شکلدهي ميکرو را ميتوان مانند سيستم شکلدهي ماکرو به چهار بخش اساسي تقسيم کرد:
الف ـ مواد (material)
ب ـ ابزار (tools)
ج ـ فرايند (process)
د ـ ماشينآلات و تجهيزات (machines & equipment)
يک نمونه از قطعات شکليافته در ابعاد مايکرو
علاوه بر مشکلات
موجود در شکلدهي ماکرو، مانند طراحي ابزار، فرسايش، خوردگي و عمليات
مناسب بر روي مواد، مشکلات جديد ناشي از کاهش ابعاد هم به آنها افزوده
ميشود. اين مشکلات، خود را در هر چهار بخش سيستم شکلدهي نشان
ميدهند. مثلاً در زمينة مواد در حوزههاي شکلپذيري، محدودة شکلدهي،
تنشها و کُرنشها؛ در مورد فرايند در خصوص نيروهاي شکلدهي، دقت اجزاي
توليدي، اصطکاک و مدلسازي؛ و در زمينة ابزار در مورد توليد ابزار به
وسيلة فناوريهاي جديد، جنس و مواد بهکار رفته در آنها و دقت لازم و
مورد نياز ابزار.
اگرچه روشهاي نوينِ ساخت با هدف حل اين
معضلات توسعه يافتهاند، اما گامهاي زيادي در اين راه باقي است.
يکي از مثالهاي اين توسعه، ساخت ابزار برجستهکاري (embossing
tools) است. اين وسايل در يک فرايند حککاري با پرتودهي الکتروني،
ابزاري با ابعاد 200 نانومتر را ميسازند.
در خصوص ماشينآلات و
تجهيزات نيز جابهجايي مواد و اجزا دشوار است، زيرا سطح گيرة
نگهدارندة قطعه بسيار کوچک است و نيروهاي چسبندگي و کشش سطحي بسيار
قويتر از نيروي وزن عمل ميکنند. توضيح بيشتر اينکه وزن قطعه در مقياس
مايکرو بسيار ناچيز است، در حالي که نيروهاي بين مولکولي، که نام برده
شدند، چندين برابر بزرگتر از آن هستند. از اين رو، قطعه به خودي خود از
گيره جدا نميشود.
در کنار سيستم ميکروشکلدهي، ساختارها و
فناوريهاي پشتيبان ديگري نيز مورد نيازند. از جمله، فناوريهاي مناسبِ
اندازهگيري قطعات و ابزار کوچک و همچنين اتاق تميز. اتاق تميز، اتاقي
است که هواي آن تخليه شده باشد. زيرا ذرات گرد و غبار و آلودگيها از لحاظ
ابعاد در حد مقياس مورد نظرند و موجب ايجاد خطا در توليد محصول و آزمايشها
مي شوند.
نمونه اي از عمليات آزمايشگاهي در ابعاد ميکرو
فرايندهاي ميکرو شکلدهي
مقايسة
فرايندهاي شکلدهي ميکرو و ماکرو نشان ميدهد که دستهاي از عوامل،
عليرغم کاهش ابعاد ثابت ميمانند. به عنوان مثال، ساختار ميکرويي
مواد مستقل از ابعاد است، يا عوارضنگاري سطح (پستي و بلندي سطح) در
طول فرايندِ کاهش ابعاد بدون تغيير باقي ميماند. بررسيها نشان ميدهند
که روشهاي مرسوم در شکلدهي ماکرو، در شکلدهي ميکرو غيرقابل
انجاماند. بنابراين، بايد تحقيقات و بررسيهاي کاملي براي نمايش
اين موضوع به اعداد و ارقام صورت گيرد. براي اين کار فرايندهاي
شکلدهي را به صورت سامانمند (سيستماتيک) به مقياس پايينتر تبديل
ميکنيم. در اين صورت، لازم است در زمينة تئوري دانش ابعاد کوچک
پيشرفتهايي صورت گيرد، آزمايشهاي پايهاي با هدف جلوگيري از ايجاد
پيچيدگي در ابزار و ساخت آنها اجرا شود و کاربرد مواد گوناگون بررسي
گردد.
ثابت بودن ساختار مايکرو و عوارض نگاري سطح در طول فرايند کاهش ابعاد
تحقيقات در حال پيشرفت در زمينة فرايندهاي ميکروشکلدهي
گرايش
به سمت توليد محصولات کوچکتر، منجر به تحقيقات پايهاي فراواني
شده است. بر اساس فرضياتي که در دهة 1950 ميلادي در آزمايشگاههاي
بِل مورد آزمايش قرار گرفتند، تغيير شکل پلاستيک (تغيير شکل دائمي مواد؛
در اين حالت ماده به حالت قبلي خود باز نميگردد) بايد بر اساس کُرنش و
نيز تغييرات کُرنش تحليل شود، بهخصوص در شرايطي که ابعاد ناحية
تغيير شکل در حدود 10 ميکرومتر يا کمتر باشد.
جابهجايي اجزاي مايکرو
نيز از ديگر موضوعاتي است که مورد بررسي و در دست پژوهشاند.
دانشمندان ميخواهند از اين بررسيها به دو هدف اساسي زير برسند:
1. جابهجايي قطعات در مراحل چندگانه همراه با دقت، سرعت و دقت در مکانيابي اجزاي کوچک؛
2. جلوگيري از آثار نامطلوبِ چسبندگي بين اجزا و گيرة نگهدارنده.
نتايج
اولية آزمايشها و پروژههاي تحقيقاتي مختلف منجر به ساخت نمونة
اولية سيستم انتقال شده است. اين سيستم گيرههاي مکندهاي دارد
که ميتوانند در هر ثانيه 3 قطعه را درفاصلة 25 ميليمتري و با دقت
مکانيابي در حدود 5 ميکرومتر جابهجا کنند.
نمونه ماشينکاري در ابعاد ميکرو
خوب است در انتهاي
اين بخش به اين سؤال پاسخ بدهيم که دورنماي کاربرد ماشين پِرِس
سوپرميکرو که در آغاز به آن اشاره کرديم، چيست؟
در سال 2000
ميلادي گروهي از پژوهشگران ژاپني، کارخانة ماشينکاريِ روميزيِ
ميکرو را ساختند که شامل ماشينابزارهايي نظير ماشينتراش، دستگاه
دريل، وسايل جابهجاکننده و پرس بود و ميتوانست قطعات مينياتوري
توليد کند. اگرچه اين دستگاه هنوز شرايط لازم براي توليد انبوه را
ندارد، اما دورنمايي را ترسيم ميکند که در آن فناوريهاي ميکرو به خصوص
فناوريهاي شکلدهي در مقياس ميکرو توسعة چشمگيري يافتهاند.
پژوهشهاي
ده سال اخير، فرايندهايي را به دانشمندان نشان داده است که پايه و
اساس تحقق فرايندهاي صنعتياند. با تمام اين تلاشها فناوري مورد نظر
به مراحل توسعة نهايي خود نرسيده است و نياز به تلاشهاي
گستردهتري دارد تا به حداقلهاي مورد انتظار براي حل مسائل پيشِ رو
در آينده برسد.
عليرغم تکاپوي سريع جهاني، در برخورد با مشکلات
موجود نياز به دستيابي به راهحلهاي فوري وجود دارد. البته مجموعة
مهندسي کنوني ميتواند از پسِ حل اين مسائل برآيد، اما ايدههاي
زيادي هم وجود دارند که در يک بازة زماني کوتاه قابل صنعتي شدن
نيستند. اين ايدهها و طرحها نيازمند زمان زياد، صرف بودجههاي کلان و
تحقيقات پايهاي فراواني هستند و زماني به موفقيت ختم ميشوند که
همراه با تلاش گستردة دانشمندان و حمايتهاي مالي باشند. در عين
حال، احتياج به توسعة روابط ميان رشتههايي گوناگوني از قبيل شيمي،
فيزيک، رايانه، متالورژي، صنايع و مکانيک نيز دارند.
در مورد شکلدهي
ميکرو، شرايط مورد نياز، در حال مهيا شدن هستند. فرايندهاي مختلفي در
صنعت در حال تکميلاند که در محدودة کاربرد ورق فلزي تمرکز يافتهاند.
اين فناوري ميتواند دورنماي وسيعتر و افق گستردهتري را در مقابل
ساخت طيف فراواني از محصولات بگشايد. | 
