آينده نگاري ها نشان مي دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آينده زير چتر نانو قرار مي گيرند. در واقع، فناوري نانو رشته هاي گوناگون علمي و فني را به يکديگر نزديک مي کند. يکي از اين رشته ها مهندسي مکانيک است. امروزه کمتر زمينة توليدي و پژوهشي يافت مي شود که از مهندسي مکانيک بي نياز باشد. زمينه هايي نظير خودروسازي، هواپيماسازي، رُباتيک، آبرساني، پالايشگاه هاي نفت و گاز، هوش مصنوعي، بيومکانيک و بسياري ديگر از اين فنون و صنايع، با مهندسي مکانيک درآميخته اند. در دنياي مکانيک، فرايند «شکل دهي» جايگاه ويژه اي دارد. به عنوان مثال، قطعات مختلفِ خودروهاي سواري با روش هاي مختلفِ شکل دهي مانند کشش، خمش و... ساخته شده اند. با استفاده از فناوري نانو مي توان بر کيفيت شکل دهي افزود و محصولات باکيفيت تري توليد کرد. اين محصولات جديد يک ويژگيِ عمده دارند که همانا يکدستي در تمام محصولات است. در مجموعة مقالاتي که ارائه خواهد شد، به موضوع شکل دهي در مقياس نانو خواهيم پرداخت.
مفاهيم و موضوعات
در اين مجموعه مقالات، عناوين مختلفي مورد بحث قرار مي گيرند، مناسب است که در شروع کار، اولويت ها و عناوين مورد بحث را با هم مرور کنيم تا به چشم اندازي از مسير و هدف نهايي برسيم. البته ممکن است در ابتدا با مفاهيمي روبه رو شويد که قدري ناآشنا هستند، اما سعي شده است تا حد ممکن مطالب ساده بيان شوند و با کمک مثال ها و تصاوير مختلف درک آنها سريع تر و بهتر صورت گيرد. سه شاخة اصلي مورد بحث در اين مقالات عبارتند از: * شکل دهي و مفاهيم مرتبط با آن؛ * مايکروشکل دهي به عنوان فرايندي صنعتي که در نزديکترين مقياس به حوزة نانو صورت مي گيرد؛ * نانوشکل دهي. اگر با اين سلسله مقالات همراه شويد، در انتها پاسخ اين سؤال اساسي را درخواهيد يافت: نانوشکل دهي چيست؟
شکل دهي
در طول روز با محصولات بسياري روبه رو مي شويد که با تغيير شکل ايجاد شده اند. وقتي اين تغيير با کشيدن ورق فلزي ايجاد شود، به آن «کشش» مي گويند؛ وقتي تغيير شکل با خم نمودن صورت بگيرد، «خمش» ناميده مي شود، و البته در بسياري از فرايندها از هر دو روش به طور همزمان استفاده مي شود، مثلاً در توليد بدنة خودروهاي سواري. عمليات شکل دهى فلزات بسيار متنوع است. ما در ابتدا به دو نمونة ساده اشاره کرديم، اما هدف اصلى از انجام همة آنها ايجاد تغيير شکل مطلوب است . در شکل دادن به فلزات، نيروهاي لازم براي شکل دهي و خواصّ مادة تحت شکل دهي از اهميت زيادي برخوردارند، زيرا بايد از ابتدا بدانيم چه مقدار نيرو بايد در چه جهتي وارد شود تا مثلاً يک کابل فلزي با روش کشش توليد گردد. شايد در فيزيک به تعريف نيرو دقت کرده باشيد. حتماً به ياد داريد که جهت و مقدار از نکات اصلي آن هستند. از طرف ديگر بايد بدانيم جنس مادة تحت شکل دهي چيست تا بر اساس خواص آن نيروي لازم را وارد سازيم. مثلاً بين آلمينيوم، فولاد، مس يا چوب تفاوت هاي زيادي وجود دارد و اگر از آنها در جاي مناسب استفاده نکنيم، هرگز به هدف مورد نظر نمي رسيم. دو رشتة مهندسى که به طور مستقيم به موضوع شکل دادن فلزات مي پردازند، عبارتند از مکانيک و متالورژى .
شکل پذيرى
يکى از نگرانى هاى مهم در شکل دادن آن است که آيا مى توان بدون خراب شدن فلز، شکل مطلوبي به آن بخشيد يا نه ؟ در فرايندى مفروض از تغيير شکل معيّن ، محدوديت هاى شکل دادن ، از ماده اى به مادة ديگر تغيير مى کند. حتماً مقاطع فلزي را که در ساختمان سازي به کار گرفته مي شوند ديده ايد. براي توليد اين مقاطع، فرايند تغيير شکل شامل تبديل آهن خام به مقاطع مستطيلي يا لانه زنبوري است. هندسة تغيير شکل، آخرين وضعيتي است که از ابتدا به دنبال آن بوده ايم؛ يعني مقطع فلزي مستطيلي يا لانه زنبوري . بهتر است پيش از پرداختن به تعاريف مرتبط با شکل دهي و فرايندهاي وابسته به آن، به مواد مهندسي و خواص آنها بپردازيم.
مواد مهندسى و مصالح صنعتى
ادوار زندگى بشر را با توجه به عناصر و موادى که در آن اعصار کشف شده اند ، تقسيم بندى کرده اند. در هر دوره ، محدوده و تنوع اين يافته ها افزايش يافت و در نهايت، مهمترين و مفيدترين يافتة بشر در آن دوره ، نام آن عصر را به خود گرفت: عصر حجر، عصر برنز، عصر آهن ... در حال حاضر، بعد از اينکه مواد پلاستيک و کامپوزيت ها (مواد مرکب از چند مادة مختلف که به آنها «چندسازه» مي گويند) به وجود آمد، در «عصر مواد کامپوزيتى» هستيم و با تحولات سريع فناورى انتظار مى رود که در آينده اى نه چندان دور به «عصر مواد هوشمند» وارد شويم؛ عصري که اکنون در گام هاي آغازين ورود به آن هستيم. در استفاده از مواد مورد نياز براي ساخت دستگاه ها، ابزارآلات و محصولات صنعتى و غيرصنعتى، بايد خواص مورد نياز هر محصول يا دستگاه توسط مادة آن تأمين شود، زيرا ماده، خوراک اوليه براي شروع کار است؛ مانند سوخت خودرو که بايد از ويژگي هاي خاصي برخوردار باشد، وگرنه ماشين دچار مشکلات فراوان مي شود. خواص مواد بسيارند. مانند خواص مکانيکي، فيزيکي، سطحي، توليدي و زيبايي شناسانه. به عنوان مثال، خواص فيزيکي مربوط به ويژگي هاي ذاتي ماده مثل مقاومت الکتريکي و حرارتي و خواص مغناطيسي است و از ماده اي به مادة ديگر فرق مي کند و مثلاً مس يا آلمينيوم هادي خوبي براي الکتريسيته و حرارت به شمار مي روند. خواص مکانيکي نيز به جنس ماده وابسته اند. اينکه هر ماده چقدر در مقابل نيروي واردشده مقاومت مي کند يا اينکه چقدر بايد بر هر ماده نيرو وارد کرد تا از هم گسيخته نشود، به خواص مکانيکي آن مربوط مي شود. مواد و مصالح صنعتى به طور کلى به دو دسته تقسيم بندى مى شوند: (1) فلزات و آلياژهاى فلزى، و (2) مواد غيرفلزى.
1. فلزات و آلياژهاى فلزى
فلزات و آلياژهاى فلزى جزء پُرمصرف ترين موادى به شمار مي روند که در صنعت کاربرد دارند. اين مواد به علت خواص متنوعشان، در بخش هاى مختلف صنعت به کار مى روند. فلزات از مواد معدنى استخراج مى شوند و از عناصر فلزى نظير آهن ، آلمينيوم و مس تشکيل مي گردند. ويژگي هايي نظير مقاومت ، قابليت شکل پذيرى ، قابليت جوشکارى ، قابليت رسانايى الکتريکى و حرارتى که در حد بسيار بالايي در فلزات و آلياژهاى فلزى قابل دسترسى اند، جايگاه ويژه اى به اين مواد در صنعت داده است . البته فلزات مختلف داراى خواص يکسانى نيستند و همين امر سبب شده است که هر فلز کارآيى خاصى داشته باشد. از جمله مهمترين عناصر فلزى که در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرند (بر حسب اهميت) عبارتند از: آهن و آلياژهاى آن نظير فولاد و چدن و نيز آلمينيوم ، مس ، برنج ، و برنز. از آنجا که بخش عمدة کاربرد فلزات و آلياژهاى فلزى از آهن و آلياژهاى آن است، گروه فلزات را به دو زيرگروه تقسيم مى کنند: الف ـ فلز آهن و آلياژهاى آهنى (Ferrous & Alloys) ب ـ فلزات غيرآهنى و آلياژهاى آنها (Nonferrous & Alloys)
2. مواد غيرفلزى
مواد غيرفلزى به علت طبيعت ، خواص ، مزايا و ويژگى هاى خاص خود، همواره مورد توجه در ساخت و توليد اجزاي ماشين بوده اند. صنعتگران بر اساس تجربه، انواع مختلف چوب ، پلاستيک ها و سراميک ها را در اجزاي مختلف ماشين ، با هدف حذف فلز و سبک سازى آن مورد استفاده قرار مى دهند تا در نهايت انرژي کمتري مصرف شود و هزينة توليد محصول کاهش يابد. به طور کلى، مواد غيرفلزى شامل اين مواردند: الف ـ پلاستيک ها ب ـ الاستومرها ج ـ سراميک ها د ـ مواد مرکب (کامپوزيت ها) پلاستيک ها گروهى از موادند که مولکول هاى بزرگ دارند و از اتصال مولکول هاى کوچک حاصل مي شوند. ويژگى هاى عمدة اين مواد عبارت اند از: الف ـ چگالى کم ب ـ مقاومت کافى در برابر خوردگى ج ـ هزينة توليد پايين از نظر علم شيمى ، بيشترِ اين مواد، ترکيبات آلى و شامل عناصرى نظير هيدروژن ، اکسيژن ، کربن و نيتروژن اند. پليمرها دستة بزرگى از مواد آلى هستند که به چند گروه و خانواده تقسيم مي شوند. تنوع اين مواد به حدى است که در حال حاضر حدود چهار هزار نوع مواد پليمرى با فرمول هاي مختلف سنتز و ايجاد شده اند. از اين ميان، يا نوع پليمر بيشترين استفادة تجارى و صنعتى را دارند. پليمرها را مي توان به دو دستة عمده تقسيم کرد. گروه اول پلاستيک هاى «گرمانَرم» (ترموپلاستيک) هستند. به اين معنا که قابليت ذوب مجدد و بازيابى دارند و همان طور که از نام آنها پيداست با وارد کردن مقدار مناسبي حرارت نرم و در انتها ذوب مي شوند. در مقابل، دستة دوم، پلاستيک هاى «گرماسخت» (ترموست)اند که پس از شکل گيرى ِ اوليه ديگر نمى توان آنها را مورد استفادة مجدد قرار داد، يعني در مقابل حرارت و گرما بسيار مقاوم اند. در نوبت بعدي به سراغ مفاهيم اولية شکل دهي و فرايندهاي شکل دهي مي رويم و به مقدمات ريزشکل دهي نيز مي پردازي
لطفا منتظر باشید ...
