شکل دادن فلزات در مهندسی مواد

[ghasem motamedi]

شکل دادن
عمل شکل دادن فلز نظیر کشش عمیق عبارتست از امتداد وکشیدن ورقه های مسطح برای تولید اشکال با سطح مرکب . عملیات شکل دادن ساده ، از قبیل شکل دادن نوردی یا شکل دادن با ترمز پرسی تنها شامل عمل خمکاری می شوند، در صورتیکه سایر عملیات شکل دادن نظیر شکل دادن چرخشی برشی به جریان فلزی و تغییر ضخامت فلزی قابل ملاحظه ای نیاز دارند.
شکل دادن نوردی پیوسته
شکل دادن نوردی پیوسته به روش شکل دادن تسمه نوارها گفته می شود.این فرایند عملا ً اتوماتیک است.عمل ساخت ابزار و آماده سازی مناسب ماشین آلات تنها یک بار انجام می شود. در شکل دادن نوردی پیوسته هزینه های حمل،قدرت وآزمایشگاهی به نحو قابل توجهی کمتر از هزینه های شکل دادن با اهرم پرسی است.
با این وجود،به علت ابزارکاری گران شکل دادن نوردی اقتصادی نیست مگراینکه تولید مورد لزوم بزرگتر از حدود 25000 فوت طولی باشد. هنگام شکل دادن نوردی پیوسته،تسمه نوار بایستی از درون تعدادی از غلتکها عبور کند.هر کدام از غلتکها نقش مهمی در ایجاد شکل نهایی بازی می کنند. برای اینکه تسمه نوار اندکی کشیده شود ،قطر غلتکها که معمولاً حدود 5 اینچ است ، به هنگام پیشرفت نوار به اندازه 5/0 تا 1 در صد افزایش می یابد. بازگشت فنری به وسیله زیاد خم کردن وسپس بازگشت خمشی به شک مورد نظر کنترل می شود.
غلتکها باید طوری طرح شوند تا از سختکاری مفرط تسمه در هر عبور (کالیبر)
جلوگیری شود.
نمونه هایی از قطعات نوردی پیوسته عبارتند از:
لوله درزدار،اجزاء قاب پنجره و غربال،کناره های چرخ دوچرخه ، قالب فلزی
کشیدن
کشیدن فرایندی است که برای تولید مفتولهای فلز ورقی و قطعات فلز ورقی انحناء دار مرکب به کار می رود.
به عنوان مثال می توتن قطعات زیر را نام برد:
لوله های بدون درز،ماهی تابه ها ،طشت ها،ظروف حلبی،قطعات سقف اتومبیل،پوکه های فشنگ
ورق فلزی حداقل در یک جهت کشیده شده ودر جهات دیگر فشرده می شود .
شکل دادن با بستر لاستیکی
در شکل دادن با تشک لاستیکی، قطعه کار را بین ماتریس پایینی و یک تشک لاستیک لایه ای در یک ظرف متصل به کوبه بالایی نگهداری می شود. تحت فشار 1000تا 2000 psi،لاستیک باسانی جریان پیدا می کند ،و با اعمال نیروی هیدرو دینامیکی صفحه خام در اطراف ماتریس شکل می گیرد .
مارفرمینگ
مارفرمینگ، برای کشش های عمیق تر از فرایند تشک لاستیکی و دارای چین خوردگیکمتر به کار می رود.فشار نگه دارنه قطعه خام بطور اتوماتیک بوسیله سیال هیدرولیکی تنظیم می شود.
فرایندهیدرو فرم
فرایند هیدروفرم برای کشیدن عمیق قطعات دارای اجزاءتیز مناسب است.
در این فرایند از یک دیافراگم پلاستیکی خم شویی استفاده می شود که بوسیله فشار روغن تقویت می شود.سر پوش گنبدی شکل پایین آورده می شود تادیا فراگم بتواند قطعه کار نشده را بپوشاند و سپس فشار اولیه روغن اعمال می شود. وقتی سنبه بال آورده می شود فشار روغن فلز را شکل می دهد.
شکل دادن هیدرو دینامیکی
شکل دادن هیدرو دینامیکی ،همراه با مارفرمینگ و هیدرو فرمینگ فرایند های انحصاری هستند.
شکل دادن هیدرو دینامیکی ،از فشار روغن یا آب استفاده کرده بر قطعه کار نشده نیرو اعمال می کند و آن را به شکل محفظه قالب در می آورد.این فرایند تنها برای شکل دادن قطعات تو خالی بکار می رود ولی آنچه را که در سایر روشها ممکن است به چندین مرحله نیاز داشته باشد ، این فرایند در یک عمل تمام می کند.
شکل دادن کششی
بوسیله شکل دادن کششی ،می توان اشکال تو خالی دارای سطوح بزرگی را تولید کرد.کشیدن به تنهایی فلز را به اندازه کافی تغییر شکل نمی دهد که تنش آن را از حد الاستیک تجاوز کند وشکل دائم مورد نظر را به قطعه بدهد.
این مشکل به وسیله شکل دادن کششی فلز حل شده، بدین صورت که بمنظور تجاوز فلز از حد الاستیک آن،در همان موقع که سنبه سنبه برای شکل دادن فلز نیرو وارد می کند،یک نیروی دیگراز قسمت جلو بوسیله گیره های هیدرولیکی برآن وارد می شود.در شکل دادن کششی مقدار بازگشت فنری حاصل مینیمم است.حدیده ممکن است از جنس چوب،روی،مازونیت،چدنیا سایر مواد آسان کار باشد.
شکل دادن خیلی سریع
شکل دادن خیلی سریع در سالهای اخیر بنحو بسیار موفقیت آمیزی برای فلزاتی که شکل دادنشان دشوار است،اشکال بزرگ متجاوز از توانائی پرس های بزرگ،و برای بهبود تلورانس ها و خواص مکانیکی قطعه بکار رفته است .
سه فرایند شکل دادن سریع فلزات عبارتند از:
شکل دادن انفجاری،شکل دادن الکترو مغناطیسی و شکل دادن الکترو هیدرولیکی
شکل دادن انفجاری
شکل دادن انفجاری از انرزی ذخیره شده در مواد منفجره شیمیایی استفاده می کند.
در فرایند مذکور یک بار منفجره در تانک آبی که محتوی قطعه کار وا ماتریس است منفجر می شود.
موجهای ضربه ای حاصل از انفجار در سراسر مایع منتشر می شوند و با نیروی کافی به قطعه کار ضربه وارد کرده آن را درون ماتریس داخلی یا مادگی می رانند .
شکل دادن الکترو مغناطیسی
شکل دادن الکترو مغناطیسی از نیروئی که بر روی قطعه کار به وسیله یک میدان مغناطیسی مضمحل کننده سریع ایجاد شده استفاده می کند.نیروی الکتریکی ذخیره شده در یک بانک خازن به درون یک کویل الکترومغناطیسی تخلیه شده و اطراف کویل کار یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود . این میدان مغناطیسی متغیر جریانهای گردابی را در قطعه کار واقع در میدان القاء می کند . جریانهای گردابی ،میدان مغناطیسی ثانویه ایجاد می کنند که در برابر میدان اولیه مقاومت نموده ودر نتیجه نیرویی بر روی قطعه کار ایجاد می کند .به ازای میدان مغناطیسی 000ر500 گوس،فشاری در حدود 0000ر90 psi برروی قطعه کار اعملا می شود .
شکل دادن الکترو هیدرولیکی
شکل دادن الکتروهیدرولیکی از خیلی جهات شبیه به شکل دادن انفجاری است با این تفاوت که نیرو از تخلیه یک گرو خازن دارای ولتاز زیاد واقع در زیر آب به دست می آید.این تخلیه بین دو الکترودی صورت میگیرد که ممکن است در بعضی موارد به وسیله یک سیم تحت کشش قرار داشته باشند. هنگام تخلیه سیم یا آب یونیزه
می شود.انبساط بخار فلز یا مایع یونیزه شده یک ضربه فشاری قوی ایجاد می کند
که بطور شعاعی به طرف خارج حرکت کرده ،قطعه کار را تغییر شکل می دهد .
کشیدن با قالب(حدیده)
کشیدن با ماتریس شبیه فرایند اکستروزن است با این تفاوت که ماده به جای آنکه به درون ماتریس فشار داده شود از درون آن کشیده می شود. برای کاهش معینی در قطر یک زاویه ماتریسی وجود دارد که نیروی کشیدن تحت آن زاویه مینیمم است . بسته به نوع جنس ماتریس و قطعه کار، زوایای ماتریسی معمولاً تا حدود 15 در صد قرار دارند. همچنین یک حداکثر کاهشی وجود دارد که بعد از آن،میله تحت نیروی کشش خواهد شکست .توزیع تنش باقیمانده در یک میله کشیده شده نیرو های کششی را در سطح و نیرو های فشاری را در مرکز نشان می دهد.مقدار تنشهای باقیمانده تابع کاهش، شکل هندسی ماتریس ، و درجه حرارت است.
شکل دادن چرخشی (منگنه کاری چرخشی )
شکل دادن چرخشی عبارت است از شکل دادن قطعاتی که روی یک سنبه یا شاه میله همراه با یک ابزار یا غلتک دارای تقارن چرخشی هستند.
شکل دادن چرخشی مرسوم
شکل دادن چرخشی مرسوم ضخامت دیواره ماده را تغییر نمی دهد. این ماده در معرض تنشهای کمپرس سختکاری قرار می گیرد .بسیاری از قطعاتی که باش کل دادن چرخشی مرسوم تولید می شوند ممکن است با کشیدن نیز ساخته شوند ، انتخاب بین این دو فرایند به خواص ماده،کمیت تولید ، هزینه های ابزار،و پرداخت سطحی نیاز دارد.
شکل دادن چرخشی برشی
شکل دادن چرخشی برشی از تکنیک شکل دادن چرخشی استفاده می کند ولی متضمن فشردن و اکسترود کردن شدید فلز نیز می شود . کاهش ضخامت صفحه خام در فولاد کم کربن تا 90 درصد گزارش شده است . کاهش ضخامت با سرد کاری و تغییرات بعضی از خواص فلز همراه است.مزیت اصلی این فراین آن است که قطعات بزرگ وسنگین دارای متقارن چرخشی میتوانند در یک زمان کوتاه با اتلاف فلز کم وبا خواص مکانیکی بهتر تولید شوند. از موارد استعمال اصلی شکل دادن برشی می توان تولید قطعات فضایی نظیر قطعات ریختگی برشی در تولید ریختگی موتورراکت و مخروطهای دماغه موشک را نام برد.
اوسفرمنیک(شکل دادن اوستنتی )
نوعی عمل گرم کاری جدید که نوید بیشتری برای تولید قطعات فولادی پر استقامت می دهد،فرایند اوسفرمینک باشکل دادن اوستنیتی است .
اوسفرمینک ترکیبی از فرایندهای گرمکاری و عمل آوردن حرارتی است که برای بهبود سفتی، مومت کششی ،قابلیت انعطاف و سختی فولادهای معین طرح شده اند.اصولاً فرایند اوسفرمینک عبارت است از گرم کردن قطعه کار تا درجه حرارت اوستنتی شدن ،کار کردن برروی آن در فاز اوستنتی تاشکل مورد نظر ،و به دنبال آن آب دادن برای تکمیل عمل تبدیل به مارتیزیت . به طور کلی دمای اوسفرمینک اولیه حول F1000 دور می زند.چون فلز در حال عمل تغییر شکل سرد می شود لذا قبل از اینکه عمل تبدیل مارتنزیتی شروع شود بایستی همه عملیات کار کردن کامل شده باشند. فرایند فلزهای فلزکاری که در عملیات اوسفرمینک بکار می روند عبارتند از :
نورد ،اکستروزن ،شکل دادن چرخشی برشی،شکل دادن انفجاری،و غیره
فولادهایی که میتوانند بنحو موفقیت آمیزی به روش اوستنیتی تغییر شکل حاصل کنند آنهایی هستند که دیاگرام T_I دارای یک منطقه اوستنتی هستند. به طور کلی فولادی که اوسفرم می شود بایستی حد اقل 10/0 درصد کربن داشته باشد.از عواملی که مربوط به شیمی فولاد می شوند می توان پارامترهای زمان و درجه حرارت را نام برد. تبدیل ازاوستنیت به پرلیت در بالاتر از F 1100 نسبتاً سریع رخ می دهد . بنابراین، عمل گرمکاری بایستی نسبتاًبه سرعت کامل شود. درجه حرارت اوسفرمینک بر اساس نسبتهای مقاومت سیلان و مقاومت کششی که به نوبه خود به درجه حرارت مربوط می شوند ،انتخاب می گردد .
درجه حرارت های بالا ترنیرو های گرمکاری و نیز مقدار زمان مجاز برای تکمیل عمل را کاهش می دهد. وقتی که فولاد در درجه حرارت های اوسفرمینک پایین تر تغییرشکل زیادی می یابد،افزایش بسیار شدیدی در مقاومت فولاد ایجاد می شود .
اوسفرمینک برای قطعاتی که نسبتهای استحکام_به_ وزن بالائی دارند مانند:
پیچ ها،اجزاء موتور و فنر تخت اتومبیل استعمال فراوانی پیدا کرده است .
اکستروزنExtrusion
اکستروزن فرایندی است که بوسیله آن می توان قطعات واشکالی را تولید کرد که تقریباً با هر روش ساخت دیگر غیر ممکن است .
در اکستروزن، بیلتی (شمشال) با سطح مقطع مدور را وارد استوانه ای جدار ضخیم کرده و به وسیله یک پتک یا سنبه پرس می کنند .سپس این فلز را تحت تاثیر نیروی زیاد وارد سوراخ حدیده ماشین کاری شده نموده و به شکل دلخواه بیرون می آورند. بسیاری از فلزات آهنی که اکسترود می شوند عبارتند از:

آلومینیم ، سرب ، روی و قلع. بعضی از فولاد ها نیز اکسترود می شوند ولی به علت بالا بودن دماهای مورد نیاز ، حدیده و مواد آستری مخصوصی نیاز دارند. فولاد گرم را اکثراً قبل از اکستروزن در شیشه پودر شده نورد می کنند و میگذارند تا شیشه ذوب شده بصورت یک ماده روان کننده ( ضد اصطحکاک )از سایش حدیده بکاهد.

[ghasem motamedi]

خواص مکانیکی مواد
منظور از خواص‌ مکانيکى‌،واکنش مواد در برابر نيروها و بارهاست‌. عکس‌العمل‌ مواد در برابر نيروهاى‌واردشونده،‌ به‌ ساختمان‌ مولکولى‌ آن‌‌‌‌‌ها بستگى‌ دارد. آن‌ قسمت‌ از علم‌مکانيک‌ که‌ صرفاً به‌ بررسى‌ نيروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتيک‌» نامیده‌مى‌شود و بخشی از آن که‌ واکنش ماده‌ به نيروهاى‌ اعمال‌شده‌ و تغيير شکل‌هاى‌جزئىِ‌ ناشی این از نیروها را مورد بررسى‌ قرار گيرد، «مقاومت‌ مصالح» نامدارد.
قطعات‌ بر اثر اِعمال نیرو نباید از بين‌ بروند؛ بنابراین برای ای‌‌‌‌‌نکهمطمئن بشویم قطعه مورد نظر خواص فیزیکی لازم را دارد، باید هنگام انتخاب‌ جنس‌،شکل‌، اندازه‌ و طرز ساخت‌، محاسبه‌‌‌‌‌هایی انجام دهیم. مثلاً برای تولید رینگ‌هایخودرو، باید محاسبات اولیه‌ای انجام دهيم تا شرایط مادة مورد نیاز بر حسب نوعخودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.
در این‌‌‌‌‌جا بهبرخى‌ از اصطلاحات‌ رايج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى‌ مؤثر در بررسى‌ خواص‌ مکانيکى راتوضیح می‌دهند‌.

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

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

3. کُرنش - ‌ strain:
به طور کلى، تمام‌ مواد بر‌ اثر نيرويي هرچندناچيز، 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 آنکشیده یا فشرده می شود.

تعريف‌‌‌‌‌های ذکر شده، اصلی‌ترین مفاهیمِ خواصمکانیکی‌اند. 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 دربرابر خراشيدن، ساییدگی، بُراده‌برداری و بُرش را «سختی» می‌نامند.

فرایندهای شکل‌دهی
پیش از آن‌‌‌‌‌که به فرایندهایشکل‌دهی بپردازیم، باید به این سؤال پاسخ دهیم که اصلاً چرا از شکل‌دهی استفادهمی‌کنیم؟
از زمانی که بشر به فکر ساختن ابزار افتاد، راه‌های بسیاری را تجربهکرد. مثلاً گاهی با بُراده‌برداری از چوب، کمان ساخت تا به شکار بپردازد. زمانیقطعات چوب را بُرید یا آن‌‌‌‌‌ها را سوراخ کرد. اما در نهایت، لازم داشت از مادةموجود - بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌يشکل‌دهی 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 طورخلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزاتمی‌پردازیم:

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

نمونه یک شکل به دست آمده با روش خمکاری

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

یکدستگاه کشش

3. نوردکاری
نوردکارى‌ از جمله‌ فرايندهاى‌پُرکاربرد در توليد مقاطع‌ استاندارد، مثل ورق،‌ است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها،ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى‌ قطعة‌ کار فقط‌ اندکى ‌افزايش‌ مى‌يابد. از عوامل‌تأثيرگذار در اين‌ فرايند، مى‌توان‌ به‌ ارتفاع‌ اوليه‌ و ثانوية‌ قطعه‌، پهناى‌آن‌، 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 ارتفاع‌و وضعيت‌ مطلوب ادامه داد. مثلاً اگر ورقی با ضخامت 5 میلی‌متر در اختیار دارید ومی‌خواهید ضخامت آن را به 1.5 میلی‌متر برسانید، می‌توانید از یک یا چند غلتک که دریک ردیف قرار گرفته‌اند استفاده کنید. باهر بار عبور هر یک از غلتک‌‌‌‌‌ها، اندکیاز 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.

[ghasem motamedi]

شکل دادن به فلزات در مقياس نانو

موضوع: نانو دانش و فنون مقياس نانو

مقدمه

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.

[ghasem motamedi]

شکل دادن بهفلزات در مقیاس نانو

نانوشکل‌دهی
نانوفناوری، با کنار هم‌ قرار دادن‌ اتم‌ها يا مولکول‌ها،محصولاتی‌ با کیفیت‌های دلخواه به دست می‌دهد. اين‌‌ اصلى‌ترين‌ هدف‌ فناوری و علومنانو است. اما مشکلات‌ ــ يا به‌ بيان‌ بهتر، فاصلة ــ زیادی تا رسیدن به این هدفوجود دارد. در واقع، همواره می‌توان بهترین نظرات را ارائه کرد، اما وقتی به مرحلةعمل می‌رسیم، مشکلات رخ می‌نمایند. این مطلب شبیه به آن است که بگوییم انسان‌هاسوار بر مرکب خیال از کهکشان‌ها می‌گذرند و به بیگ‌بنگ هم می‌رسند، اما در عمل هنوزهیچ انسانی پا در یکی از سیارات دمِ دست منظومه شمسی نگذاشته است.
درست است کهفرايند صنعتى‌ شدن‌ و توليد انبوه‌‌ محصولات‌ در مقياس‌ مايکرو، به خصوص‌ به روششکل‌دهى ‌فلزات، کُند‌ بوده است،‌ اما پژوهش‌هاى‌ گسترده‌اى‌ در سراسر جهان‌ دراين‌ مورد در حال‌ انجام‌ هستند. شايد در نگاه اول، پرداختن‌ به‌ شکل‌دهى‌ فلزات‌در مقياس‌ نانو، در حالی که هنوز این کار در مقیاس مایکرو توسعه نیافته است، کارى‌غيرممکن‌ به ‌نظر آيد، اما پیش از این گفتیم که به روش حکاکی و پرتودهى‌ الکترونى‌وسايلى‌ به‌ ابعاد 200 نانومتر براى‌ برجسته‌کارى‌ ساخته‌ شده‌اند. بر اساس‌ تعاريفارائه‌شده برای فناوری نانو، محدودة این فناوری از نظر مقیاس 0.1 تا 100 نانومتر درنظر گرفته شده است. بنابراین، گام‌هاى‌ بيشترى‌ باید برداشت تا به محصولاتی درابعاد مورد نظر رسید.
شايد اساسى‌ترين‌ نياز براى‌ دستيابى‌ به‌ فناورى‌شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقياس‌ نانو، دستيابى‌ به‌ نانوکامپيوتر و نانواسمبلر باشد. درصورت‌ دستيابى‌ به‌ نانوکامپيوتر، مى‌توان‌ مولکول‌ها را بر اساس‌ یک الگوريتم‌مشخص‌ برنامه‌ريزى‌ کرد و توسط نانواسمبلر، آنها را طبق نمونة شبیه‌سازی‌شده کنارهم‌ قرار داد تا محصول‌ِ ازپیش‌طراحی‌شده حاصل ‌شود.
دانشمندان‌ هنوزنتوانسته‌اند اين‌ دو وسيلة‌ ضروری را بسازند، اما راه‌ ديگری هم برای این مشکلوجود دارد:‌ به‌ جاى‌ کنار هم گذاشتن ذرات‌، ابعاد آنها را در یک فرايند ريزسازى‌آن‌قدر کاهش می‌دهیم تا محصول مورد نظر را تولید کنیم.

ارائه‌ چارچوب‌ عملکرد
در اين‌ نوشتار چارچوب‌روشن‌ و مشخصى‌ را دربارة ملزومات‌ دستيابى‌ به‌ نانوشکل‌دهی ارائه می‌دهیم. اینچارچوب شامل سطح‌بندى‌ ايده‌ها، خواسته‌ها و اهداف‌ است. سطح‌بندى،‌ گام‌ اول‌ درنانوشکل‌دهی است. به‌ اين‌ معنا که‌ در سطوح ‌مختلف‌ علمى‌، صنعتى‌، اقتصادى‌ ومديريتى‌ نياز به‌ تعيين‌ اهداف‌ و افق‌هاى‌ مشخصى‌ وجود دارد.

1. سطح‌ اول‌: پيشرفت‌ علوم‌ در حوزهنانو
لازم است برای شفاف‌ شدن‌ دنياى‌ نانو نزد صنعتگران‌، دانشگاهيان‌،مديران‌ و اقتصاددانان، مطالعات‌ گسترده‌اى‌ درحوزة علوم و فناوری‌های نانو صورت‌بگيرد. اين‌ شفاف‌سازى‌ در اثر مطالعات‌، پژوهش‌ها و آزمايش‌های‌ گوناگون‌ حاصلمی‌شود و احتياج‌ به‌ تأمين‌ اهداف‌ مشخص‌ و روشنى‌ دارد، مثل ترغیب مدیران،صنعتگران و سرمایه‌گذاران در حمایت از فناوری نانو، ايجاد قوانينی‌ برای پيشبردفناورى‌‌ نانو و برنامه‌ریزی طولانی‌مدت. اگرچه‌ در اين‌ سطح‌ اغلب‌ اهداف‌ واولويت‌ها به‌ فناورى‌ نانو وابسته‌اند،‌ اما همين‌ سازوکارها در مورد شکل‌دهى‌فلزات‌ نيز باید اعمال‌ شوند و از بسترهاى‌ ايجادشده‌ در مورد فناورى‌ نانو در جهت‌نانوشکل‌دهی نیز بهره‌گيرى‌ شود.

2. سطح‌دوم‌: مطالعات‌ در زمینة نانو شکل‌دهی
در سطح دوم باید ابتدا گروه‌هاییشکل بگیرند. اين‌ گروه‌ها‌ شامل‌ استادان دانشگاه‌، صنعت‌گران‌ و دانشجويانی‌ هستندکه‌ با کمک‌ يکديگر روى‌ موضوع‌ نانوشکل‌دهی متمرکز می‌شوند. رشته‌هاى‌ مختلف‌مهندسى،‌ نظير مهندسى‌ مکانيک‌، متالورژى‌، صنايع‌ و شيمى‌ باید در اين‌ گروه‌هاحضور داشته‌ باشند تا نانوشکل‌دهی از ابعاد مختلف آن بررسی شود. رشته‌هايى‌ مانندکامپيوتر و فيزيک‌ نيز لازم است این گروه‌ را همراهى‌ کنند.
صنايعى‌ هم هستندکه‌ می‌توانند از اين‌ دستاوردها بهره‌هاى‌ فراوانى‌ ببرند، نظير صنايع‌هواپيماسازى‌، خودروسازى‌، پزشکى‌، مخابرات‌، دفاعى‌ و صنایع مشابه.‌ آنها نيزباید‌ در اين‌ گروه‌ها، اولويت‌هاى‌ مورد نظرشان را ارائه‌ کنند و به‌ دانشجويان‌ واستادان در جهت‌دهى‌ مناسب‌، ارائة‌ اهداف‌ صنعتى‌ و فضاى‌ آزمايشگاهى‌ يارى‌رسانند.
از سوي‌ ديگر، در حوزة شکل‌دهى‌ در مقياس‌ نانو، لازم است تعاريف‌نوينی‌ در مورد فرايندها، ابزارآلات‌، ماشين‌آلات‌ و مواد صورت بگیرد. به‌ بيان‌دیگر، مفاهيم‌ و تعاريف‌ رايج‌ در شکل‌دهى‌ سنتى‌، توان‌ جهت‌دهى‌ مناسب‌ و افزايش‌شتاب‌ مطالعاتى‌ در اين‌ حوزه‌ را ندارند. يعنى‌ لازم است بستر و زیرساخت جدیدیبرای فعالیت در این حوزه فراهم شود تا بتوان‌ بر اساس‌ آن‌،‌ گام‌هاى‌ بعدى‌ رابرداشت. همان‌طور که‌ با مفاهيم ‌فيزيک‌ کلاسيک‌ يا نيوتنى‌ نمى‌توان‌ دنياى‌نسبيت‌ را به ‌طور کامل‌ درک‌ کرد، نانوشکل‌دهی را نيز نمى‌توان‌ با تعاريف‌شکل‌دهىِ‌ سنتى‌ به نحو قابل توجهی پیش برد و توسعه داد.
براى‌ اينکه‌ مطالعات‌نظری در مورد نانوشکل‌دهی به شکل روش‌مند و منظم پي‌گيرى‌ شوند، ‌بايد‌ سيستم‌شکل‌دهى‌ نانو طراحى‌ شود. اجزای این سیستم مانند اجزای حالت مایکرو هستند و در شکلزیر به طور خلاصه ارائه گردیده‌اند. در این نوبت فقط به اشاره‌ای در این زمینهاکتفا می‌کنیم. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر در این زمینه می‌توانید به منابعی کهدر انتهای مقاله آمده است، مراجعه کنید.
اين‌ سيستم‌ به‌ گروه‌هاى‌ مطالعاتى‌کمک‌ مى‌کند تا در مسيرهاى‌ مشخصى‌ حرکت‌ کنند و شامل‌ چهار بخش‌ بنيادى‌ زیراست:
1. مواد
2. ابزار
3. فرایند
4.ماشین‌آلات و تجهیزات

سیستم نانوشکل‌دهی و چالش های موجود در اجزای آن

3. سطح‌ سوم‌: فعاليت‌هاى‌ آزمايشگاهى‌ و تحقيقاتى‌
برای رسیدن به اطلاعاتمناسبی که نقایص بررسی‌ها و محاسبات نظری را مشخص کنند، باید انواع آزمایش‌ها صورتبگیرد، مانند آزمايش‌های‌ پايه‌اى‌ در حوزة‌ نانوشکل‌دهى‌، آزمايش‌‌ بر روى‌نمونه‌هاى‌ اوليه‌، آزمايش‌ بر روى‌ مواد مختلف‌ و آزمايش‌های مرتبط‌ بافناورى‌ها.
این فعالیت‌ها و پروژه‌های تحقیقاتی ملزومانی هم دارند، مثلدستگاه‌هاى‌ دقيق‌ و پيشرفتة‌ آزمايشگاهى‌، ابزار دقيق‌ اندازه‌گيرى‌،استانداردسازی، اتاق‌ تميز، نيروى‌ انسانى‌ِ آزمايشگاهى‌ در حوزة‌ نانو و منابع‌مالى‌.

نمونه ای ازدقت مورد نیاز در وسایل اندازه گیری و دستگاه ها

4. سطح‌ چهارم‌: جمع‌بندى‌ نتايج‌ نظری و داده‌هاى‌ حاصل‌ از مطالعات‌ آزمايشگاهى‌
در اين‌ بخش‌ براى‌ جمع‌بندى‌ نتايج‌ نظری و تجربی، لازم است پژوهش‌هاى‌ مختلفی‌ بر روی ‌داده‌هاى‌ تجربى‌ و پيش‌بينى‌هاى‌ تئوريک‌ صورت بگیرند. در اين‌ پژوهش‌ها نقایص پيش‌بينى‌هاى‌ نظری مشخص می‌شوند و نتایج حاصل از آن، دقت گروه را در زمینة نانوشکل‌دهی افزایش می‌دهد و مسائلی را که فراموشی شده‌اند، آشکار می‌کند.
5. سطح‌ پنجم‌: رويکرد صنعتى‌ کردن‌ مطالعات‌
در اين‌ سطح‌، عوامل مختلفی وجود دارند که در فرایند صنعتی کردن یک فناوری ضروری‌‌اند، مثل سيستم‌هاى‌ انتقال‌، ساخت‌ ماشين‌آلات‌ جديد، نحوة چیدمان ماشین‌آلات، نرخ تولید مناسب، کیفیت محصولات، سيستم‌هاى‌ بسته‌بندى‌، استانداردسازى‌ محصولات‌، نرم‌افزارهای صنعتی، نيروى‌ انسانى‌ ماهر و نیز توجه‌ به‌ شاخص‌هاى‌ زيست‌ محيطى‌، انرژى ‌و هزينه‌ها.
جمع‌بندى‌
سعی ما در این مجموعه مقالات از ابتدا بر آن بود که با مفاهیم شکل‌دهی، مایکروشکل‌دهی و کلیات نانوشکل‌دهی آشنا شوید. امیدواریم با استفاده از منابعی که نشانی آنها در انتهای همین مقاله آمده است، و نیز جست‌وجو در منابع اینترنتی، بیش از پیش بر دانش خود بیفزایید.