Asghar2000
8th April 2009, 01:15 AM
بخش اول:
مقدمه
آينده‌نگاري‌ها نشان مي‌دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آينده زير چتر نانو قرار مي‌گيرند. در واقع، فناوري نانو رشته‌هاي گوناگون علمي و فني را به يکديگر نزديک مي‌کند. يکي از اين رشته‌ها مهندسي مکانيک است.
امروزه کمتر زمينة توليدي و پژوهشي يافت مي‌شود که از مهندسي مکانيک بي‌نياز باشد. زمينه‌هايي نظير خودروسازي، هواپيماسازي، رُباتيک، آبرساني، پالايشگاه‌هاي نفت و گاز، هوش مصنوعي، بيومکانيک و بسياري ديگر از اين فنون و صنايع، با مهندسي مکانيک درآميخته‌اند. در دنياي مکانيک، فرايند «شکل‌دهي» جايگاه ويژه‌اي دارد. به عنوان مثال، قطعات مختلفِ خودروهاي سواري با روش‌هاي مختلفِ شکل‌دهي مانند کشش، خمش و... ساخته شده‌اند. با استفاده از فناوري نانو مي‌توان بر کيفيت شکل‌دهي افزود و محصولات باکيفيت‌‌تري 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 شکل‌دهي در مقياس نانو خواهيم پرداخت.
مفاهيم و موضوعات
در اين مجموعه مقالات، عناوين مختلفي مورد بحث قرار مي‌گيرند، مناسب است که در شروع کار، اولويت‌ها و عناوين مورد بحث را با هم مرور کنيم تا به چشم‌اندازي از مسير و هدف نهايي برسيم. البته ممکن است در ابتدا با مفاهيمي روبه‌رو شويد که قدري ناآشنا هستند، اما سعي شده است تا حد ممکن مطالب ساده بيان شوند و با کمک مثال‌ها و تصاوير مختلف درک آنها سريع‌تر و بهتر صورت گيرد.
سه شاخة اصلي مورد بحث در اين مقالات عبارتند از:
شکل‌دهي و مفاهيم مرتبط با آن؛
مايکروشکل‌دهي به عنوان فرايندي صنعتي که در نزديکترين مقياس به حوزة نانو صورت مي‌گيرد؛
نانوشکل‌دهي.
اگر با اين سلسله مقالات همراه شويد، در انتها پاسخ اين سؤال اساسي را درخواهيد يافت: نانوشکل‌دهي چيست؟
شکل‌دهي
در طول روز با محصولات بسياري روبه‌رو مي‌شويد که با تغيير شکل ايجاد شده‌اند. وقتي اين تغيير با کشيدن ورق فلزي ايجاد شود، به آن «کشش» مي‌گويند؛ وقتي تغيير شکل با خم نمودن صورت بگيرد، «خمش» ناميده مي‌شود، و البته در بسياري از فرايندها از هر دو روش به طور همزمان استفاده مي‌شود، مثلاً در توليد بدنة خودروهاي سواري.
عمليات شکل‌دهى 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 شکل‌دهي و خواصّ مادة تحت شکل‌دهي 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 شکل‌دهي چيست تا بر اساس خواص آن نيروي لازم را وارد سازيم. مثلاً بين آلمينيوم، فولاد، مس يا چوب تفاوت‌هاي زيادي وجود دارد و اگر از آنها در جاي مناسب استفاده نکنيم، هرگز به هدف مورد نظر نمي‌رسيم.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/01.jpg
دو رشتة مهندسى که به طور مستقيم به موضوع شکل دادن فلزات مي‌پردازند، عبارتند از مکانيک و متالورژى.
شکل‌پذيرى
يکى از نگرانى‌هاى مهم در شکل دادن آن است که آيا مى‌توان بدون خراب شدن فلز، شکل مطلوبي به آن بخشيد يا نه؟ در فرايندى مفروض از تغيير شکل معيّن، محدوديت‌هاى شکل دادن، از ماده‌اى به مادة ديگر تغيير مى‌کند.
حتماً مقاطع فلزي را که در ساختمان‌سازي به کار گرفته مي‌شوند ديده‌ايد. 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 بوده‌ايم؛ يعني مقطع فلزي مستطيلي يا لانه‌زنبوري .
بهتر است پيش از پرداختن به تعاريف مرتبط با شکل‌دهي 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 شده‌اند، تقسيم‌بندى کرده‌‌اند. در هر دوره، محدوده و تنوع اين يافته‌ها 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 کامپوزيت‌ها (مواد مرکب از چند مادة مختلف که به آنها «چندسازه» مي‌گويند) به وجود آمد، در «عصر مواد کامپوزيتى» هستيم و با تحولات سريع فناورى انتظار مى‌رود که در آينده‌اى نه‌چندان دور به «عصر مواد هوشمند» وارد شويم؛ عصري که اکنون در گام‌هاي آغازين ورود به آن هستيم.
در استفاده از مواد مورد نياز براي ساخت دستگاه‌ها، 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 ويژگي‌هاي خاصي برخوردار باشد، وگرنه ماشين دچار مشکلات فراوان مي‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/02.jpg
خواص مواد بسيارند. مانند خواص مکانيکي، فيزيکي، سطحي، توليدي و زيبايي‌شناسانه. به عنوان مثال، خواص فيزيکي مربوط به ويژگي‌هاي ذاتي ماده مثل مقاومت الکتريکي و حرارتي و خواص مغناطيسي است و از ماده‌اي به مادة ديگر فرق مي‌کند و مثلاً مس يا آلمينيوم هادي خوبي براي الکتريسيته و حرارت به شمار مي‌روند.
خواص مکانيکي نيز به جنس ماده وابسته‌اند. اينکه هر ماده چقدر در مقابل نيروي واردشده مقاومت مي‌کند يا اينکه چقدر بايد بر هر ماده نيرو وارد کرد تا از هم گسيخته نشود، به خواص مکانيکي آن مربوط مي‌شود.
مواد و مصالح صنعتى به‌طور کلى به دو دسته تقسيم‌بندى مى‌شوند: (1) فلزات و آلياژهاى فلزى، و (2) مواد غيرفلزى.
1. فلزات و آلياژهاى فلزى
فلزات و آلياژهاى فلزى جزء پُرمصرف‌ترين موادى به شمار مي‌روند که در صنعت کاربرد دارند. اين مواد به علت خواص متنوعشان، در بخش‌هاى مختلف صنعت به کار مى‌روند. فلزات از مواد معدنى استخراج مى‌شوند و از عناصر فلزى نظير آهن، آلمينيوم و مس تشکيل مي‌گردند.
ويژگي‌هايي نظير مقاومت، قابليت شکل‌پذيرى، قابليت جوشکارى، قابليت رسانايى الکتريکى و حرارتى که در حد بسيار بالايي در فلزات و آلياژهاى فلزى قابل دسترسى‌اند، جايگاه ويژه‌اى 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 مي‌گيرند (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 مى‌کنند:
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 ويژگى‌هاى خاص خود، همواره مورد توجه در ساخت و توليد اجزاي ماشين بوده‌اند. صنعتگران بر اساس تجربه، انواع مختلف چوب، پلاستيکها و سراميکها را در اجزاي مختلف ماشين، با هدف حذف فلز و سبک‌سازى آن مورد استفاده قرار مى‌دهند تا در نهايت انرژي کمتري مصرف شود و هزينة توليد محصول کاهش يابد. به طور کلى، مواد غيرفلزى شامل اين مواردند:
الف ـ پلاستيکها
ب ـ الاستومرها
ج ـ سراميکها
د ـ مواد مرکب (کامپوزيت‌ها)
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/03.gif
پلاستيکها گروهى از موادند که مولکول‌هاى بزرگ دارند و از اتصال مولکول‌هاى کوچک حاصل مي‌شوند. ويژگى‌هاى عمدة اين مواد عبارت‌اند 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 نيتروژن‌اند. پليمرها دستة بزرگى از مواد آلى هستند که به چند گروه و خانواده تقسيم مي‌شوند. تنوع اين مواد به حدى است که در حال حاضر حدود چهار هزار نوع مواد پليمرى با فرمول‌هاي مختلف سنتز و ايجاد شده‌اند. از اين ميان، ۴ يا ۵ نوع پليمر بيشترين استفادة تجارى و صنعتى را دارند.
پليمرها را مي‌توان به دو دستة عمده تقسيم کرد. گروه اول پلاستيک‌هاى «گرمانَرم» (ترموپلاستيک) هستند. به اين معنا که قابليت ذوب مجدد و بازيابى دارند و همان‌طور که از نام آنها پيداست با وارد کردن مقدار مناسبي حرارت نرم و در انتها ذوب مي‌شوند. در مقابل، دستة دوم، پلاستيک‌هاى «گرماسخت» (ترموست)اند که پس از شکل‌گيرى‌ِ اوليه ديگر نمى‌توان آنها را مورد استفادة مجدد قرار داد، يعني در مقابل حرارت و گرما بسيار مقاوم‌اند.
در نوبت بعدي به سراغ مفاهيم اولية شکل‌دهي و فرايندهاي شکل‌دهي مي‌رويم و به مقدمات ريزشکل‌دهي نيز مي‌پردازيم.
مقدمه
آينده‌نگاري‌ها نشان مي‌دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آينده زير چتر نانو قرار مي‌گيرند. در واقع، فناوري نانو رشته‌هاي گوناگون علمي و فني را به يکديگر نزديک مي‌کند. يکي از اين رشته‌ها مهندسي مکانيک است.
امروزه کمتر زمينة توليدي و پژوهشي يافت مي‌شود که از مهندسي مکانيک بي‌نياز باشد. زمينه‌هايي نظير خودروسازي، هواپيماسازي، رُباتيک، آبرساني، پالايشگاه‌هاي نفت و گاز، هوش مصنوعي، بيومکانيک و بسياري ديگر از اين فنون و صنايع، با مهندسي مکانيک درآميخته‌اند. در دنياي مکانيک، فرايند «شکل‌دهي» جايگاه ويژه‌اي دارد. به عنوان مثال، قطعات مختلفِ خودروهاي سواري با روش‌هاي مختلفِ شکل‌دهي مانند کشش، خمش و... ساخته شده‌اند. با استفاده از فناوري نانو مي‌توان بر کيفيت شکل‌دهي افزود و محصولات باکيفيت‌‌تري 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 شکل‌دهي در مقياس نانو خواهيم پرداخت.
مفاهيم و موضوعات
در اين مجموعه مقالات، عناوين مختلفي مورد بحث قرار مي‌گيرند، مناسب است که در شروع کار، اولويت‌ها و عناوين مورد بحث را با هم مرور کنيم تا به چشم‌اندازي از مسير و هدف نهايي برسيم. البته ممکن است در ابتدا با مفاهيمي روبه‌رو شويد که قدري ناآشنا هستند، اما سعي شده است تا حد ممکن مطالب ساده بيان شوند و با کمک مثال‌ها و تصاوير مختلف درک آنها سريع‌تر و بهتر صورت گيرد.
سه شاخة اصلي مورد بحث در اين مقالات عبارتند از:
شکل‌دهي و مفاهيم مرتبط با آن؛
مايکروشکل‌دهي به عنوان فرايندي صنعتي که در نزديکترين مقياس به حوزة نانو صورت مي‌گيرد؛
نانوشکل‌دهي.
اگر با اين سلسله مقالات همراه شويد، در انتها پاسخ اين سؤال اساسي را درخواهيد يافت: نانوشکل‌دهي چيست؟
شکل‌دهي
در طول روز با محصولات بسياري روبه‌رو مي‌شويد که با تغيير شکل ايجاد شده‌اند. وقتي اين تغيير با کشيدن ورق فلزي ايجاد شود، به آن «کشش» مي‌گويند؛ وقتي تغيير شکل با خم نمودن صورت بگيرد، «خمش» ناميده مي‌شود، و البته در بسياري از فرايندها از هر دو روش به طور همزمان استفاده مي‌شود، مثلاً در توليد بدنة خودروهاي سواري.
عمليات شکل‌دهى 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 شکل‌دهي و خواصّ مادة تحت شکل‌دهي 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 شکل‌دهي چيست تا بر اساس خواص آن نيروي لازم را وارد سازيم. مثلاً بين آلمينيوم، فولاد، مس يا چوب تفاوت‌هاي زيادي وجود دارد و اگر از آنها در جاي مناسب استفاده نکنيم، هرگز به هدف مورد نظر نمي‌رسيم.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/01.jpg
دو رشتة مهندسى که به طور مستقيم به موضوع شکل دادن فلزات مي‌پردازند، عبارتند از مکانيک و متالورژى.
شکل‌پذيرى
يکى از نگرانى‌هاى مهم در شکل دادن آن است که آيا مى‌توان بدون خراب شدن فلز، شکل مطلوبي به آن بخشيد يا نه؟ در فرايندى مفروض از تغيير شکل معيّن، محدوديت‌هاى شکل دادن، از ماده‌اى به مادة ديگر تغيير مى‌کند.
حتماً مقاطع فلزي را که در ساختمان‌سازي به کار گرفته مي‌شوند ديده‌ايد. 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 بوده‌ايم؛ يعني مقطع فلزي مستطيلي يا لانه‌زنبوري .
بهتر است پيش از پرداختن به تعاريف مرتبط با شکل‌دهي 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 شده‌اند، تقسيم‌بندى کرده‌‌اند. در هر دوره، محدوده و تنوع اين يافته‌ها 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 کامپوزيت‌ها (مواد مرکب از چند مادة مختلف که به آنها «چندسازه» مي‌گويند) به وجود آمد، در «عصر مواد کامپوزيتى» هستيم و با تحولات سريع فناورى انتظار مى‌رود که در آينده‌اى نه‌چندان دور به «عصر مواد هوشمند» وارد شويم؛ عصري که اکنون در گام‌هاي آغازين ورود به آن هستيم.
در استفاده از مواد مورد نياز براي ساخت دستگاه‌ها، 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 ويژگي‌هاي خاصي برخوردار باشد، وگرنه ماشين دچار مشکلات فراوان مي‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/02.jpg
خواص مواد بسيارند. مانند خواص مکانيکي، فيزيکي، سطحي، توليدي و زيبايي‌شناسانه. به عنوان مثال، خواص فيزيکي مربوط به ويژگي‌هاي ذاتي ماده مثل مقاومت الکتريکي و حرارتي و خواص مغناطيسي است و از ماده‌اي به مادة ديگر فرق مي‌کند و مثلاً مس يا آلمينيوم هادي خوبي براي الکتريسيته و حرارت به شمار مي‌روند.
خواص مکانيکي نيز به جنس ماده وابسته‌اند. اينکه هر ماده چقدر در مقابل نيروي واردشده مقاومت مي‌کند يا اينکه چقدر بايد بر هر ماده نيرو وارد کرد تا از هم گسيخته نشود، به خواص مکانيکي آن مربوط مي‌شود.
مواد و مصالح صنعتى به‌طور کلى به دو دسته تقسيم‌بندى مى‌شوند: (1) فلزات و آلياژهاى فلزى، و (2) مواد غيرفلزى.
1. فلزات و آلياژهاى فلزى
فلزات و آلياژهاى فلزى جزء پُرمصرف‌ترين موادى به شمار مي‌روند که در صنعت کاربرد دارند. اين مواد به علت خواص متنوعشان، در بخش‌هاى مختلف صنعت به کار مى‌روند. فلزات از مواد معدنى استخراج مى‌شوند و از عناصر فلزى نظير آهن، آلمينيوم و مس تشکيل مي‌گردند.
ويژگي‌هايي نظير مقاومت، قابليت شکل‌پذيرى، قابليت جوشکارى، قابليت رسانايى الکتريکى و حرارتى که در حد بسيار بالايي در فلزات و آلياژهاى فلزى قابل دسترسى‌اند، جايگاه ويژه‌اى 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 مي‌گيرند (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 مى‌کنند:
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 ويژگى‌هاى خاص خود، همواره مورد توجه در ساخت و توليد اجزاي ماشين بوده‌اند. صنعتگران بر اساس تجربه، انواع مختلف چوب، پلاستيکها و سراميکها را در اجزاي مختلف ماشين، با هدف حذف فلز و سبک‌سازى آن مورد استفاده قرار مى‌دهند تا در نهايت انرژي کمتري مصرف شود و هزينة توليد محصول کاهش يابد. به طور کلى، مواد غيرفلزى شامل اين مواردند:
الف ـ پلاستيکها
ب ـ الاستومرها
ج ـ سراميکها
د ـ مواد مرکب (کامپوزيت‌ها)
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoforming01/03.gif
پلاستيکها گروهى از موادند که مولکول‌هاى بزرگ دارند و از اتصال مولکول‌هاى کوچک حاصل مي‌شوند. ويژگى‌هاى عمدة اين مواد عبارت‌اند 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 نيتروژن‌اند. پليمرها دستة بزرگى از مواد آلى هستند که به چند گروه و خانواده تقسيم مي‌شوند. تنوع اين مواد به حدى است که در حال حاضر حدود چهار هزار نوع مواد پليمرى با فرمول‌هاي مختلف سنتز و ايجاد شده‌اند. از اين ميان، ۴ يا ۵ نوع پليمر بيشترين استفادة تجارى و صنعتى را دارند.
پليمرها را مي‌توان به دو دستة عمده تقسيم کرد. گروه اول پلاستيک‌هاى «گرمانَرم» (ترموپلاستيک) هستند. به اين معنا که قابليت ذوب مجدد و بازيابى دارند و همان‌طور که از نام آنها پيداست با وارد کردن مقدار مناسبي حرارت نرم و در انتها ذوب مي‌شوند. در مقابل، دستة دوم، پلاستيک‌هاى «گرماسخت» (ترموست)اند که پس از شکل‌گيرى‌ِ اوليه ديگر نمى‌توان آنها را مورد استفادة مجدد قرار داد، يعني در مقابل حرارت و گرما بسيار مقاوم‌اند.
در نوبت بعدي به سراغ مفاهيم اولية شکل‌دهي و فرايندهاي شکل‌دهي مي‌رويم و به مقدمات ريزشکل‌دهي نيز مي‌پردازيم.