|
میکروشکلدهی
|
در دو قسمت پیشین، با
شکلدهى، فرايندهاى
آن، مواد و مصالح
صنعتى، خواص مکانيکى و
عوامل مؤثر بر آنها آشنا
شدیم. در این قسمت به
شکلدهی در مقیاس میکرو
میپردازیم تا نسبت به
تأثیرات ریزسازی و کاهش
ابعاد در شکلدهی،
اطلاعات بیشتری به دست
آوریم. |
میکروشکلدهی
ميکرومتر برابر است با يکهزارم
ميلىمتر، یعنی هزار برابر
بزرگتر از ابعاد نانو. این ابعاد
مورد توجه صنایع مدرنی است که
میخواهند تا جایی که میشود، به
کوچکسازی بپردازند. منظور از
کوچکسازی، یا ریزسازی، کاهش
ابعاد به مقیاسهایی کمتر از
میلیمتر است. این هدف در علوم
مختلف، مانند شیمی، فیزیک،
مکانیک، متالورژی، پزشکی، رایانه،
زیستفناوری و زیستمکانیک مورد
توجه و کاوش قرار گرفته و از سوی
دانشمندان این علوم در
آزمایشگاهها در دست بررسی و
تحقیق است.
وقتی میخواهیم نظریهای ارائه
کنیم، ابتدا باید در حوزههای
مشابه اطلاعاتی به دست آوریم و با
دستهبندی آنها حدسهایی بزنیم و
سپس با انجام آزمایش صحت آنها را
بیازماییم. بنابراین، برای اینکه
با جهانی در مقیاس یک میلیونیُم
میلیمتر (نانو) آشنا شویم، ابتدا
از مقیاسی که دانش بیشتری در
زمینة شکلدهی در آن داریم، یعنی
مقیاس مایکرو، آغاز میکنیم.
در ميکروشکلدهى به دنبال
ايجاد فرايندهاى امکانپذير
براى صنعت و توليد انبوه
هستیم. آیا تا به حال به این
موضوع فکر کردهاید که برای صنعتی
شدنِ یک فرایند و تولید انبوه آن
چه مراحلی باید طی شود؟
اگر همین امروز اراده کنید که
پزشک جراح شوید، نمیتوانید با
پوشیدن لباس اتاق عمل دانش مورد
نیاز جراحی را به دست آورید. شما
باید پس از دوازده سال تحصیل در
دبستان، راهنمایی و دبیرستان و
سپری کردن دورة هشتسالة پزشکی
عمومی و سپس طی دورة تخصص و اخذ
مجوز لازم از مراکز معتبر، به فکر
پوشیدن لباس جراحی بیفتید. چنین
وضعی در دنیای مهندسی هم وجود
دارد: ممکن است دانش یا مهارتی در
خصوص شکلدهی داشته باشید. اما
تنها پس از طی مراحلی مانند
محاسبات، آزمایش، مُدلسازی و...
میتوان ساختار مشخصی برای ماده
تعریف کرد. مجموع این ساختار مشخص
را فناوری میگوییم که نحوة
استفاده از دانش را به ما
میآموزد. برای صنعتی شدن هم باید
برای فناوری مورد نظر دستگاههای
مختلف، وسایل اندازهگیری و...
تهیه کرد. مهندسان به این قسمتها
سامانه (یا سیستم) میگویند. پس
اولین گام برای صنعتی کردنِ
فناوری، تعریف سیستم و اجزای آن
است. دربارة مایکروشکلدهی نیز
ابتدا به سیستم آن میپردازیم تا
با عناصر تشکیلدهندة آن بیشتر
آشنا شوید.
ميکروشکلدهى از نظر علمى
«ساخت و توليد ساختارهاى
دوبُعدى در مقیاس ميلىمتری»
است. محصولات مایکروشکلدهی، در
اجزای الکترونيکى ریزسيستمها و
سيستمهاى مايکروالکترومکانيکى
مثل میکرورُباتها کاربرد دارند.
اين محصولات باعث شدهاند که
عملیات ريزسازى بهسرعت جلو
برود.
اجزای ساخته شده بوسیله میکرو شکل
دهی
مروری بر تاریخ میکروشکلدهی
رشد فناورىها و بهخصوص فناورى
شکلدهى مايکرو در دهة 1990،
اين سؤال را به وجود آورد که
چرا به جاى استفاده از
تراشکارى در ساخت قطعات
ازشکلدهى فلزات استفاده نشود؟
مهندسان و صنعتگران دريافتند که
بايد قطعه را با روشهاى
شکلدهى و بدون بُرادهبردارى
تغییر شکل دهند. این کار برای
تأمين دو هدف اساسى صنعتى و
اقتصادى صورت میگیرد: تولید
انبوه، و نرخ تولید بالا. تولید
انبوه یعنی تولید محصول در تعداد
بسیار زیاد، مانند تولید خودرو یا
ساخت وسایل خانگی. البته تعداد
محصول در صنایع مختلف در تولید
انبوه متفاوت است. نرخ تولید بالا
نیز به تولید محصول در حداقل زمان
ممکن گفته میشود. در این کار
آنها با چند مشکل اساسى مواجه
بودند که در دو سطح عمدة زیر
خلاصه مىشدند:
الف ـ نبودِ دانش پايهاى؛ چون
در آن زمان دانش بشر در زمینة
میکرو کافی نبود.
ب ـ نبودِ کاربرد مشخص و نمونة
اوليه؛ زیرا آنها نمیدانستند
باید به دنبال ساخت چه محصولی
باشند. مثلاً اگر شما به دنبال
ساخت هلیکوپتر باشید، با دیدن
نمونههای قبلی و طرز کار آن
میتوانید به ایدههایی برای ساخت
نوع جدید آن برسید.
اولين حرکت در اين زمينه
توسط يک دانشمند ژاپنى در سال
1989 ميلادى آغاز شد. او در
گزارش اولية خود در انجمن
فناورىِ شکلدهى 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 پايهاى زیادی در
مقابل دانشمندان به وجود آمدند.
کاهش مقياس در رسيدن به ابعاد
ميکرو در فلزات دشوار است.
علاوه بر آن، مشکلات ديگرى
نيز در مقابل اين فناورى جديد
قرار دارند، نظير ابزارآلات و
ماشينابزار لازم. از اينرو
کاوشها، پژوهشها و تحرکات
گستردة علمى و صنعتى براى حل
معضلات و يافتن راه حلهاى
مناسب آغاز شدند که تاکنون نيز
ادامه دارند.
سيستم ميکروشکلدهى
سيستم شکلدهى ميکرو را
مىتوان مانند سیستم شکلدهی
ماکرو به چهار بخش اساسى تقسيم
کرد:
الف ـ مواد (material)
ب ـ ابزار (tools)
ج ـ فرايند (process)
د ـ ماشينآلات و تجهيزات
(machines & equipment)
یک نمونه از قطعات شکلیافته در
ابعاد مایکرو
علاوه بر مشکلات موجود در
شکلدهى ماکرو، مانند طراحى
ابزار، فرسايش، خوردگى و
عمليات مناسب بر روى مواد،
مشکلات جدید ناشی از کاهش ابعاد
هم به آنها افزوده میشود. این
مشکلات، خود را در هر چهار بخش
سيستم شکلدهى نشان مىدهند.
مثلاً در زمینة مواد در حوزههای
شکلپذیری، محدودة شکلدهی،
تنشها و کُرنشها؛ در مورد
فرایند در خصوص نیروهای شکلدهی،
دقت اجزای تولیدی، اصطکاک و
مدلسازی؛ و در زمینة ابزار در
مورد توليد ابزار به وسيلة
فناورىهاى جديد، جنس و مواد
بهکار رفته در آنها و دقت
لازم و مورد نياز ابزار.
اگرچه روشهاى نوينِ ساخت با
هدف حل اين معضلات توسعه
يافتهاند، اما گامهاى زيادى
در اين راه باقى است. يکى از
مثالهاى اين توسعه، ساخت
ابزار برجستهکارى (embossing
tools) است. اين وسايل در یک
فرايند حککارى با پرتودهى
الکترونى، ابزارى با ابعاد 200
نانومتر را میسازند.
در خصوص ماشینآلات و تجهیزات نیز
جابهجايى مواد و اجزا دشوار
است، زيرا سطح گيرة
نگهدارندة قطعه بسيار کوچک
است و نيروهاى چسبندگى و کشش
سطحى بسيار قوىتر از نيروى وزن
عمل میکنند. توضیح بیشتر اینکه
وزن قطعه در مقیاس مایکرو بسیار
ناچیز است، در حالی که نیروهای
بین مولکولی، که نام برده شدند،
چندین برابر بزرگتر از آن هستند.
از اين رو، قطعه به خودى خود
از گيره جدا نمىشود.
در کنار سیستم میکروشکلدهی،
ساختارها و فناورىهاى پشتیبان
ديگرى نیز مورد نيازند. از جمله،
فناورىهاى مناسبِ اندازهگيرى
قطعات و ابزار کوچک و همچنین
اتاق تمیز. اتاق تمیز، اتاقی است
که هوای آن تخلیه شده باشد. زیرا
ذرات گرد و غبار و آلودگیها از
لحاظ ابعاد در حد مقیاس مورد
نظرند و موجب ایجاد خطا در تولید
محصول و آزمایشها می شوند.
نمونه ای از عملیات آزمایشگاهی در
ابعاد میکرو
فرايندهاى میکرو شکلدهی
مقايسة فرايندهاى شکلدهى ميکرو
و ماکرو نشان مىدهد که
دستهای از عوامل، علىرغم
کاهش ابعاد ثابت مىمانند. به
عنوان مثال، ساختار ميکرويی
مواد مستقل از ابعاد است، يا
عوارضنگارى سطح (پستی و بلندی
سطح) در طول فرايندِ کاهش ابعاد
بدون تغيير باقی مىماند.
بررسیها نشان میدهند که
روشهاى مرسوم در شکلدهى
ماکرو، در شکلدهى ميکرو
غيرقابل انجاماند. بنابراين،
باید تحقيقات و بررسىهاى
کاملى برای نمايش اين موضوع
به اعداد و ارقام صورت گيرد.
برای این کار فرايندهاى شکلدهى
را به صورت سامانمند
(سيستماتيک) به مقياس پايينتر
تبديل میکنيم. در این صورت،
لازم است در زمينة تئورى دانش
ابعاد کوچک پیشرفتهایی صورت
گیرد، آزمايشهای پايهاى با
هدف جلوگيرى از ايجاد پيچيدگى
در ابزار و ساخت آنها اجرا شود و
کاربرد مواد گوناگون بررسی گردد.
ثابت بودن ساختار مایکرو و عوارض
نگاری سطح در طول فرایند کاهش
ابعاد
تحقيقات در حال پيشرفت در
زمينة فرايندهای میکروشکلدهی
گرايش به سمت توليد محصولات
کوچکتر، منجر به تحقيقات
پايهاى فراوانی شده است. بر
اساس فرضياتى که در دهة 1950
ميلادى در آزمايشگاههای بِل
مورد آزمایش قرار گرفتند، تغيير
شکل پلاستيک (تغییر شکل دائمی
مواد؛ در این حالت ماده به حالت
قبلی خود باز نمیگردد) باید بر
اساس کُرنش و نيز تغییرات
کُرنش تحليل شود، بهخصوص در
شرايطى که ابعاد ناحية تغيير
شکل در حدود 10 ميکرومتر يا کمتر
باشد.
جابهجايى اجزای مايکرو نیز از
ديگر موضوعاتی است که مورد
بررسى و در دست پژوهشاند.
دانشمندان میخواهند از این
بررسیها به دو هدف اساسى زير
برسند:
1. جابهجايى قطعات در مراحل
چندگانه همراه با دقت، سرعت و
دقت در مکانيابى اجزای کوچک؛
2. جلوگيرى از آثار نامطلوبِ
چسبندگى بين اجزا و گيرة
نگهدارنده.
نتايج اولية آزمايشها و
پروژههاى تحقيقاتى مختلف منجر
به ساخت نمونة اولية سيستم
انتقال شده است. اين سيستم
گيرههاى مکندهای دارد که
مىتوانند در هر ثانيه 3 قطعه را
درفاصلة 25 ميلىمتری و با دقت
مکانیابی در حدود 5 ميکرومتر
جابهجا کنند.
نمونه ماشینکاری در ابعاد میکرو
خوب
است در انتهاى اين بخش به
اين سؤال پاسخ بدهيم که
دورنماى کاربرد ماشين پِرِس
سوپرميکرو که در آغاز به آن
اشاره کرديم، چيست؟
در سال 2000 ميلادى گروهى از
پژوهشگران ژاپنى، کارخانة
ماشينکارىِ روميزىِ ميکرو را
ساختند که شامل ماشينابزارهايى
نظير ماشينتراش، دستگاه دريل،
وسايل جابهجاکننده و پرس بود
و میتوانست قطعات مينياتورى
تولید کند. اگرچه این دستگاه
هنوز شرايط لازم براى توليد
انبوه را ندارد، اما دورنمایی را
ترسيم میکند که در آن فناورىهاى
ميکرو به خصوص فناورىهاى شکلدهى
در مقياس ميکرو توسعة چشمگیری
یافتهاند.
پژوهشهاى ده سال اخير،
فرايندهایی را به دانشمندان نشان
داده است که پايه و اساس تحقق
فرايندهاى صنعتىاند. با تمام
اين تلاشها فناورى مورد نظر به
مراحل توسعة نهايى خود نرسيده
است و نياز به تلاشهاى گستردهترى
دارد تا به حداقلهاى مورد
انتظار براى حل مسائل پيشِ رو
در آينده برسد.
علىرغم تکاپوى سريع جهانى، در
برخورد با مشکلات موجود نیاز به
دستيابى به راهحلهاى فوری
وجود دارد. البته مجموعة مهندسى
کنونى میتواند از پسِ حل اين
مسائل برآید، اما ايدههاى
زيادى هم وجود دارند که در يک
بازة زمانى کوتاه قابل صنعتى
شدن نیستند. اين ايدهها و طرحها
نيازمند زمان زياد، صرف بودجههاى
کلان و تحقيقات پايهاى
فراوانی هستند و زمانى به
موفقيت ختم مىشوند که همراه
با تلاش گستردة دانشمندان و
حمايتهاى مالى باشند. در عين
حال، احتياج به توسعة روابط
ميان رشتههایی گوناگونی از قبیل
شیمی، فیزیک، رایانه، متالورژی،
صنایع و مکانیک نيز دارند.
در مورد شکلدهى ميکرو، شرايط
مورد نياز، در حال مهيا شدن
هستند. فرايندهاى مختلفى در
صنعت در حال تکمیلاند که در
محدودة کاربرد ورق فلزی تمرکز
يافتهاند. اين فناورى میتواند
دورنماى وسيعتر و افق گستردهترى
را در مقابل ساخت طيف فراوانى
از محصولات بگشايد. |
