شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو

شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو

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 موردنظر نمي‌رسيم.

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.

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)

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.

خواص مکانیکی مواد

منظور از خواص‌ مکانيکى‌، واکنش مواد در برابر نيروها و بارهاست‌. عکس‌العمل‌ مواد در برابر نيروهاى‌ واردشونده،‌ به‌ ساختمان‌ مولکولى‌ آن‌‌‌‌‌ها بستگى‌ دارد. آن‌ قسمت‌ از علم‌ مکانيک‌ که‌ صرفاً به‌ بررسى‌ نيروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتيک‌» نامیده‌ مى‌شود و بخشی از آن که‌ واکنش ماده‌ به نيروهاى‌ اعمال‌شده‌ و تغيير شکل‌هاى‌ جزئىِ‌ ناشی این از نیروها را مورد بررسى‌ قرار گيرد، «مقاومت‌ مصالح» نام دارد.
قطعات‌ بر اثر اِعمال نیرو نباید از بين‌ بروند؛ بنابراین برای ای‌‌‌‌‌نکه مطمئن بشویم قطعه مورد نظر خواص فیزیکی لازم را دارد، باید هنگام انتخاب‌ جنس‌، شکل‌، اندازه‌ و طرز ساخت‌، محاسبه‌‌‌‌‌هایی انجام دهیم. مثلاً برای تولید رینگ‌های خودرو، باید محاسبات اولیه‌ای انجام دهيم تا شرایط مادة مورد نیاز بر حسب نوع خودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.
در این‌‌‌‌‌جا به برخى‌ از اصطلاحات‌ رايج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى‌ مؤثر در بررسى‌ خواص‌ مکانيکى را توضیح می‌دهند‌.

1. تنش - ‌ stress‌ :
عبارت‌ است‌ از «مقدار نيروى‌ وارد‌ بر واحد سطح‌». مقدار تنش‌ از تقسيم‌ نيروى‌ وارد‌ بر جسم‌ بر مساحت‌ سطح‌ مقطع‌ جسم‌ به دست‌ مى‌آيد. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همان‌طور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ي نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.

2. خستگى - fatigue :
گاهی در قطعه‌ای از یک ماشین کارخانه، شکستگی‌هایی به وجود می‌آید. ولی پس از بررسی مشخص می‌شود که میزان تنش وارد بر قطعه، از حد مجاز کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت این پدیده آن است که بطور پيوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد می‌شود. یعنی مقدار تنش خاصی، به‌دفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگی‌ها، «گسیختگی خستگی» می‌گویند.

3. کُرنش - ‌ strain:
به طور کلى، تمام‌ مواد بر‌ اثر نيرويي هرچند ناچيز، دچار تغيير شکل‌ (تغيير ابعاد) مى‌شوند. به تغيير ابعاد يا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش‌ «کُرنش»‌ مى‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.

تعريف‌‌‌‌‌های ذکر شده، اصلی‌ترین مفاهیمِ خواص مکانیکی‌اند. گروهی دیگر از اصطلاحات هستند که از این تعریف‌‌‌‌‌ها ناشی می‌شوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» می‌گویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشيدن، ساییدگی، بُراده‌برداری و بُرش را «سختی» می‌نامند.

فرایندهای شکل‌دهی

پیش از آن‌‌‌‌‌که به فرایندهای شکل‌دهی بپردازیم، باید به این سؤال پاسخ دهیم که اصلاً چرا از شکل‌دهی استفاده می‌کنیم؟
از زمانی که بشر به فکر ساختن ابزار افتاد، راه‌های بسیاری را تجربه کرد. مثلاً گاهی با بُراده‌برداری از چوب، کمان ساخت تا به شکار بپردازد. زمانی قطعات چوب را بُرید یا آن‌‌‌‌‌ها را سوراخ کرد. اما در نهایت، لازم داشت از مادة موجود - بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌ي شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوري‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.
در زير به طور خلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزات می‌پردازیم:

1. خم‌کارى‌
همة‌ عمليات‌ ورق‌کارى،‌ شامل‌ خم‌کارى‌ هم‌ مى‌شود. در اغلب موارد، خم‌کارى‌ ويژگى‌ اصلى‌ ورق‌کارى‌ به‌ شمار مى‌رود و به همين دليل است که جنبه‌هاى‌ مختلف‌ آن‌ قابل‌ توجه است. اگر در سپرهای فلزی خودروهای قدیمی دقت کرده باشید، می‌توانید آثار خم‌کاری در محل اتصال سپر با بدنه را ببینید.

نمونه یک شکل به دست آمده با روش خمکاری

2. کشش‌
فرايندى‌ است‌‌ براى‌ کاهش‌ سطح‌ مقطع‌ در ورق‌، سيم‌ يا مفتول‌ و ديگر مقاطع‌ استاندارد. کشش از پايه‌اى‌ترين‌ فرايندها در شکل‌دهى‌ به شمار می‌رود. در طول فرایند کشش، ماده از یک جهت کشیده می‌شود. در نتیجه، از ابعاد دیگر آن کاسته می‌گردد.

3. نوردکاری
نوردکارى‌ از جمله‌ فرايندهاى‌ پُرکاربرد در توليد مقاطع‌ استاندارد، مثل ورق،‌ است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها، ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى‌ قطعة‌ کار فقط‌ اندکى ‌افزايش‌ مى‌يابد. از عوامل‌ تأثيرگذار در اين‌ فرايند، مى‌توان‌ به‌ ارتفاع‌ اوليه‌ و ثانوية‌ قطعه‌، پهناى‌ آن‌، سرعت‌ چرخش ‌غلتک‌، جنس‌ غلتک‌ و نيز دماى‌ کار و جنس‌ قطعة‌ کار اشاره‌ کرد. اين‌ فرايند را مى‌توان‌ با چند غلتک‌ و در چند مرحله‌ تا زمانِ رسيدن‌ به‌ ارتفاع‌ و وضعيت‌ مطلوب ادامه داد. مثلاً اگر ورقی با ضخامت 5 میلی‌متر در اختیار دارید و می‌خواهید ضخامت آن را به 1.5 میلی‌متر برسانید، می‌توانید از یک یا چند غلتک که در یک ردیف قرار گرفته‌اند استفاده کنید. باهر بار عبور هر یک از غلتک‌‌‌‌‌ها، اندکی از ضخامت ورق ‌کاسته می‌‌‌‌‌شود تا اینکه ضخامت به مقدار دلخواه برسد.

عملیات نوردکاری در چند مرحله متوالی

5. فورجينگ‌ یا آهن‌کوبی
فورجينگ‌ که‌ در ادبيات‌ غيرفنى‌ به‌ آهنگرى‌ نيز ترجمه‌ شده است، به‌ فرايندى‌ گفته‌ مى‌شود که‌ در آن، فلز در فضاى‌ بين‌ قالب‌ و ضربة‌ محکم‌ِ پرس قرار می‌گیرد و پس از خارج شدن اضافه‌‌‌‌‌ها به‌ شکل‌ دلخواه درمى‌آيد.

نگاه اجمالی ما به فرایند شکل‌دهی و مسائل مرتبط با آن، در این‌‌‌‌‌جا به پایان می‌رسد. فراموش نکنید که هنوز سخنی از مقیاس به میان نیاورده‌ایم. در واقع، مطالبی که تا کنون خواندید مربوط به مقیاس‌های رایج در صنعت‌اند و در صنایعی نظیر خودروسازی، قالب‌سازی و لوله‌سازی مطرح‌اند. در بخش‌های آینده با کاهش ابعاد به دنیای مایکرو و سپس به دنیای پُررمز و راز نانو خواهیم رسید.

شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو

مطالب مشابه :

دانلود جزوه اصول شکل دادن فلزات (دانشگاه آزاد اسلامی واحد بروجرد)

آشنایی با اصول شکل دادن فلزات

دانلود جزوه شکل دهی فلزات

شکل دهی فلزات (Metal Forming)

شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو