در دو قسمت پيشين، با شکل دهى ، فرايندهاى آن ، مواد و مصالح صنعتى ، خواص مکانيکى و عوامل مؤثر بر آنها آشنا شديم. در اين قسمت به شکل دهي در مقياس مايکرو مي پردازيم تا نسبت به تأثيرات ريزسازي و کاهش ابعاد در شکل دهي، اطلاعات بيشتري به دست آوريم.
مايکروشکل دهي
مايکرومتر برابر است با يک هزارم ميلى متر ، يعني هزار برابر بزرگتر از ابعاد نانو. اين ابعاد مورد توجه صنايع مدرني است که مي خواهند تا جايي که مي شود، به کوچک سازي بپردازند. منظور از کوچک سازي، يا ريزسازي، کاهش ابعاد به مقياس هايي کمتر از ميلي متر است. اين هدف در علوم مختلف، مانند شيمي، فيزيک، مکانيک، متالورژي، پزشکي، رايانه، زيست فناوري و زيست مکانيک مورد توجه و کاوش قرار گرفته و از سوي دانشمندان اين علوم در آزمايشگاه ها در دست بررسي و تحقيق است. وقتي مي خواهيم نظريه اي ارائه کنيم، ابتدا بايد در حوزه هاي مشابه اطلاعاتي به دست آوريم و با دسته بندي آنها حدس هايي بزنيم و سپس با انجام آزمايش صحت آنها را بيازماييم. بنابراين، براي اينکه با جهاني در مقياس يک ميليونيُم ميلي متر (نانو) آشنا شويم، ابتدا از مقياسي که دانش بيشتري در زمينة شکل دهي در آن داريم، يعني مقياس مايکرو، آغاز مي کنيم. در مايکروشکل دهى به دنبال ايجاد فرايندهاى امکان پذير براى صنعت و توليد انبوه هستيم. آيا تا به حال به اين موضوع فکر کرده ايد که براي صنعتي شدنِ يک فرايند و توليد انبوه آن چه مراحلي بايد طي شود؟ اگر همين امروز اراده کنيد که پزشک جراح شويد، نمي توانيد 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 هشت سالة 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 شکل دهي داشته باشيد. اما تنها پس از طي مراحلي مانند محاسبات، آزمايش، مُدل سازي و... مي توان ساختار مشخصي براي ماده تعريف کرد. مجموع اين ساختار مشخص را فناوري مي گوييم که نحوة استفاده از دانش را به ما مي آموزد. براي صنعتي شدن هم بايد براي فناوري مورد نظر دستگاه هاي مختلف، وسايل اندازه گيري و... تهيه کرد. مهندسان به اين قسمت ها سامانه (يا سيستم) مي گويند. پس اولين گام براي صنعتي کردنِ فناوري، تعريف سيستم و اجزاي آن است. دربارة مايکروشکل دهي نيز ابتدا به سيستم آن مي پردازيم تا با عناصر تشکيل دهندة آن بيشتر آشنا شويد. مايکرو شکل دهى از نظر علمى «ساخت و توليد ساختارهاى دوبُعدى در مقياس ميلى متري» است. محصولات مايکروشکل دهي، در اجزاي الکترونيکى ريزسيستم ها و سيستم هاى مايکروالکترومکانيکى مثل مايکرورُبات ها کاربرد دارند. اين محصولات باعث شده اند که عمليات ريزسازى به سرعت جلو برود.
اجزاي ساخته شده بوسيله مايکرو شکلدهي
مروري بر تاريخ مايکروشکل دهي
رشد فناورى ها و به خصوص فناورى شکل دهى مايکرو در دهة 1990، اين سؤال را به وجود آورد که چرا به جاى استفاده از تراشکارى در ساخت قطعات ازشکل دهى فلزات استفاده نشود؟ مهندسان و صنعتگران دريافتند که بايد قطعه را با روش هاى شکل دهى و بدون بُراده بردارى تغيير شکل دهند. اين کار براي تأمين دو هدف اساسى صنعتى و اقتصادى صورت مي گيرد: 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 مي شود. در اين کار آنها با چند مشکل اساسى مواجه بودند که در دو سطح عمدة زير خلاصه مى شدند: الف ـ نبودِ دانش پايه اى؛ چون در آن زمان دانش بشر در زمينة مايکرو کافي نبود. ب ـ نبودِ کاربرد مشخص و نمونة اوليه؛ زيرا آنها نمي دانستند بايد به دنبال ساخت چه محصولي باشند. مثلاً اگر شما به دنبال ساخت هلي کوپتر باشيد، با ديدن نمونه هاي قبلي و طرز کار آن مي توانيد به ايده هايي براي ساخت نوع جديد آن برسيد. اولين حرکت در اين زمينه توسط يک دانشمند ژاپنى در سال 1989 ميلادى آغاز شد. او در گزارش اولية خود در انجمن فناورىِ شکل دهى ژاپن، طرح اولية خود را با عنوان «پيش طرح ساخت و توسعة ماشين پرسِ سوپرمايکرو» ارائه کرد و در سال 1990 اين ايده را به چاپ رساند. با شروع حرکت ، به سرعت مسائل و مشکلات پايه اى زيادي در مقابل دانشمندان به وجود آمدند. کاهش مقياس در رسيدن به ابعاد مايکرو در فلزات دشوار است. علاوه بر آن، مشکلات ديگرى نيز در مقابل اين فناورى جديد قرار دارند، نظير ابزارآلات و ماشين ابزار لازم . از اين رو کاوش ها، پژوهش ها و تحرکات گستردة علمى و صنعتى براى حل معضلات و يافتن راه حل هاى مناسب آغاز شدند که تاکنون نيز ادامه دارند.
سيستم مايکروشکل دهى
سيستم شکل دهى مايکرو را مى توان مانند سيستم شکل دهي ماکرو به چهار بخش اساسى تقسيم کرد: الف ـ مواد (material) ب ـ ابزار (tools) ج ـ فرايند (process) د ـ ماشين آلات و تجهيزات (machines & equipment)
يک نمونه از قطعات شکل يافته در ابعاد مايکرو
علاوه بر مشکلات موجود در شکل دهى ماکرو، مانند طراحى ابزار، فرسايش ، خوردگى و عمليات مناسب بر روى مواد، مشکلات جديد ناشي از کاهش ابعاد هم به آنها افزوده مي شود. اين مشکلات ، خود را در هر چهار بخش سيستم شکل دهى نشان مى دهند. مثلاً در زمينة مواد در حوزه هاي شکل پذيري، محدودة شکل دهي، تنش ها و کُرنش ها؛ در مورد فرايند در خصوص نيروهاي شکل دهي، دقت اجزاي توليدي، اصطکاک و مدل سازي؛ و در زمينة ابزار در مورد توليد ابزار به وسيلة فناورى هاى جديد، جنس و مواد به کار رفته در آنها و دقت لازم و مورد نياز ابزار. اگرچه روش هاى نوينِ ساخت با هدف حل اين معضلات توسعه يافته اند، اما گام هاى زيادى در اين راه باقى است . يکى از مثال هاى اين توسعه ، ساخت ابزار برجسته کارى (embossing tools) است. اين وسايل در يک فرايند حک کارى با پرتودهى الکترونى ، ابزارى با ابعاد 200 نانومتر را مي سازند . در خصوص ماشين آلات و تجهيزات نيز جابه جايى مواد و اجزا دشوار است، زيرا سطح گيرة نگه دارندة قطعه بسيار کوچک است و نيروهاى چسبندگى و کشش سطحى بسيار قوى تر از نيروى وزن عمل مي کنند. 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 خودى خود از گيره جدا نمى شود. در کنار سيستم مايکروشکل دهي، ساختارها و فناورى هاى پشتيبان ديگرى نيز مورد نيازند. از جمله، فناورى هاى مناسب ِ اندازه گيرى قطعات و ابزار کوچک و همچنين اتاق تميز. اتاق تميز، اتاقي است که هواي آن تخليه شده باشد. زيرا ذرات گرد و غبار و آلودگي ها از لحاظ ابعاد در حد مقياس مورد نظرند و موجب ايجاد خطا در توليد محصول و آزمايش ها مي شوند.
نمونه اي از عمليات آزمايشگاهي در ابعاد مايکرو
فرايندهاى مايکرو شکل دهي
مقايسة فرايندهاى شکل دهى مايکرو و ماکرو نشان مى دهد که دسته اي از عوامل، على رغم کاهش ابعاد ثابت مى مانند. به عنوان مثال، ساختار مايکروي مواد مستقل از ابعاد است ، يا عوارض نگارى سطح (پستي و بلندي سطح) در طول فرايندِ کاهش ابعاد بدون تغيير باقي مى ماند. بررسي ها نشان مي دهند که روش هاى مرسوم در شکل دهى ماکرو، در شکل دهى مايکرو غيرقابل انجام اند. بنابراين، بايد تحقيقات و بررسى هاى کاملى براي نمايش اين موضوع به اعداد و ارقام صورت گيرد. براي اين کار فرايندهاى شکل دهى را به صورت سامان مند (سيستماتيک ) به مقياس پايين تر تبديل مي کنيم . در اين صورت، لازم است در زمينة تئورى دانش ابعاد کوچک پيشرفت هايي صورت گيرد، آزمايش هاي پايه اى با هدف جلوگيرى از ايجاد پيچيدگى 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 مايکروشکل دهي
گرايش به سمت توليد محصولات کوچکتر، منجر به تحقيقات پايه اى فراواني شده است . بر اساس فرضياتى که در دهة 1950 ميلادى در آزمايشگاه هاي بِل مورد آزمايش قرار گرفتند ، تغيير شکل پلاستيک (تغيير شکل دائمي مواد؛ در اين حالت ماده به حالت قبلي خود باز نمي گردد) بايد بر اساس کُرنش و نيز تغييرات کُرنش تحليل شود، به خصوص در شرايطى که ابعاد ناحية تغيير شکل در حدود 10 ميکرومتر يا کمتر باشد. جابه جايى اجزاي مايکرو نيز از ديگر موضوعاتي است که مورد بررسى و در دست پژوهش اند. دانشمندان مي خواهند از اين بررسي ها به دو هدف اساسى زير برسند: 1. جابه جايى قطعات در مراحل چندگانه همراه با دقت ، سرعت و دقت در مکان يابى اجزاي کوچک ؛ 2. جلوگيرى از آثار نامطلوبِ چسبندگى بين اجزا و گيرة نگه دارنده. نتايج اولية آزمايش ها و پروژه هاى تحقيقاتى مختلف منجر به ساخت نمونة اولية سيستم انتقال شده است . اين سيستم گيره هاى مکنده اي دارد که مى توانند در هر ثانيه 3 قطعه را درفاصلة 25 ميلى متري و با دقت مکان يابي در حدود 5 ميکرومتر جابه جا کنند.
نمونه ماشينکاري در ابعاد مايکرو
خوب است در انتهاى اين بخش به اين سؤال پاسخ بدهيم که دورنماى کاربرد ماشين پِرِس سوپرمايکرو که در آغاز به آن اشاره کرديم ، چيست ؟ در سال 2000 ميلادى گروهى از پژوهشگران ژاپنى ، کارخانة ماشين کارىِ روميزى ِ مايکرو را ساختند که شامل ماشين ابزارهايى نظير ماشين تراش ، دستگاه دريل ، وسايل جابه جاکننده و پرس بود و مي توانست قطعات مينياتورى توليد کند. اگرچه اين دستگاه هنوز شرايط لازم براى توليد انبوه را ندارد، اما دورنمايي را ترسيم مي کند که در آن فناورى هاى مايکرو به خصوص فناورى هاى شکل دهى در مقياس مايکرو توسعة چشمگيري يافته اند. پژوهش هاى ده سال اخير، فرايندهايي را به دانشمندان نشان داده است که پايه و اساس تحقق فرايندهاى صنعتى اند. با تمام اين تلاش ها فناورى مورد نظر به مراحل توسعة نهايى خود نرسيده است و نياز به تلاش هاى گسترده ترى دارد تا به حداقل هاى مورد انتظار براى حل مسائل پيشِ رو در آينده برسد. على رغم تکاپوى سريع جهانى، در برخورد با مشکلات موجود نياز به دستيابى به راه حل هاى فوري وجود دارد. البته مجموعة مهندسى کنونى مي تواند از پسِ حل اين مسائل برآيد، اما ايده هاى زيادى هم وجود دارند که در يک بازة زمانى کوتاه قابل صنعتى شدن نيستند. اين ايده ها و طرح ها نيازمند زمان زياد، صرف بودجه هاى کلان و تحقيقات پايه اى فراواني هستند و زمانى به موفقيت ختم مى شوند که همراه با تلاش گستردة دانشمندان و حمايت هاى مالى باشند. در عين حال ، احتياج به توسعة روابط ميان رشته هايي گوناگوني از قبيل شيمي، فيزيک، رايانه، متالورژي، صنايع و مکانيک نيز دارند. در مورد شکل دهى مايکرو، شرايط مورد نياز، در حال مهيا شدن هستند. فرايندهاى مختلفى در صنعت در حال تکميل اند که در محدودة کاربرد ورق فلزي تمرکز يافته اند. اين فناورى مي تواند دورنماى وسيع تر و افق گسترده ترى را در مقابل ساخت طيف فراوانى از محصولات بگشايند.
لطفا منتظر باشید ...
