مقدمهآینده‌نگاری‌ها نشان می‌دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آینده زیر چتر نانو قرار می‌گیرند. در واقع، فناوری نانو رشته‌های گوناگون علمی و فنی را به یکدیگر نزدیک می‌کند. یکی از این رشته‌ها مهندسی مکانیک است.
امروزه کمتر زمینة تولیدی و پژوهشی یافت میشود که از مهندسی مکانیک بی‌نیاز باشد. زمینه‌هایی نظیر خودروسازی، هواپیماسازی، رُباتیک، آبرسانی، پالایشگاه‌های نفت و گاز، هوش مصنوعی، بیومکانیک و بسیاری دیگر از این فنون و صنایع، با مهندسی مکانیک درآمیخته‌اند. در دنیای مکانیک، فرایند «شکل‌دهی» جایگاه ویژه‌ای دارد. به عنوان مثال، قطعات مختلفِ خودروهای سواری با روش‌های مختلفِ شکل‌دهی مانند کشش، خمش و... ساخته شده‌اند. با استفاده از فناوری نانو می‌توان بر کیفیت شکل‌دهی افزود و محصولات باکیفیت‌‌تری تولید کرد. این محصولات جدید یک ویژگیِ عمده دارند که همانا یکدستی در تمام محصولات است.
در مجموعة مقالاتی که ارائه خواهد شد، به موضوع شکل‌دهی در مقیاس نانو خواهیم پرداخت.
مفاهیم و موضوعات
در این مجموعه مقالات، عناوین مختلفی مورد بحث قرار می‌گیرند، مناسب است که در شروع کار، اولویت‌ها و عناوین مورد بحث را با هم مرور کنیم تا به چشم‌اندازی از مسیر و هدف نهایی برسیم. البته ممکن است در ابتدا با مفاهیمی روبه‌رو شوید که قدری ناآشنا هستند، اما سعی شده است تا حد ممکن مطالب ساده بیان شوند و با کمک مثال‌ها و تصاویر مختلف درک آنها سریع‌تر و بهتر صورت گیرد.
سه شاخة اصلی مورد بحث در این مقالات عبارتند از:
اگر با این سلسله مقالات همراه شوید، در انتها پاسخ این سؤال اساسی را درخواهید یافت: نانوشکل‌دهی چیست؟
شکل‌دهی
در طول روز با محصولات بسیاری روبه‌رو می‌شوید که با تغییر شکل ایجاد شده‌اند. وقتی این تغییر با کشیدن ورق فلزی ایجاد شود، به آن «کشش» می‌گویند؛ وقتی تغییر شکل با خم نمودن صورت بگیرد، «خمش» نامیده میشود، و البته در بسیاری از فرایندها از هر دو روش به طور همزمان استفاده میشود، مثلاً در تولید بدنة خودروهای سواری.
عملیات شکل‌دهى فلزات بسیار متنوع است. ما در ابتدا به دو نمونة ساده اشاره کردیم، اما هدف اصلى از انجام همة آنها ایجاد تغییر شکل مطلوب است. در شکل دادن به فلزات، نیروهای لازم برای شکل‌دهی و خواصّ مادة تحت شکل‌دهی از اهمیت زیادی برخوردارند، زیرا باید از ابتدا بدانیم چه مقدار نیرو باید در چه جهتی وارد شود تا مثلاً یک کابل فلزی با روش کشش تولید گردد. شاید در فیزیک به تعریف نیرو دقت کرده باشید. حتماً به یاد دارید که جهت و مقدار از نکات اصلی آن هستند. از طرف دیگر باید بدانیم جنس مادة تحت شکل‌دهی چیست تا بر اساس خواص آن نیروی لازم را وارد سازیم. مثلاً بین آلمینیوم، فولاد، مس یا چوب تفاوت‌های زیادی وجود دارد و اگر از آنها در جای مناسب استفاده نکنیم، هرگز به هدف موردنظر نمی‌رسیم.
دو رشتة مهندسى که به طور مستقیم به موضوع شکل دادن فلزات می‌پردازند، عبارتند از مکانیک و متالورژى.
شکل‌پذیرى‌یکى از نگرانى‌هاى مهم در شکل دادن آن است که آیا مى‌توان بدون خراب شدن فلز، شکل مطلوبی به آن بخشید یا نه؟ در فرایندى مفروض از تغییر شکل معیّن، محدودیت‌هاى شکل دادن، از ماده‌اى به مادة دیگر تغییر مى‌کند.
حتماً مقاطع فلزی را که در ساختمان‌سازی به کار گرفته می‌شوند دیده‌اید. برای تولید این مقاطع، فرایند تغییر شکل شامل تبدیل آهن خام به مقاطع مستطیلی یا لانه زنبوری است. هندسة تغییر شکل، آخرین وضعیتی است که از ابتدا به دنبال آن بوده‌ایم؛ یعنی مقطع فلزی مستطیلی یا لانه‌زنبوری .
بهتر است پیش از پرداختن به تعاریف مرتبط با شکل‌دهی و فرایندهای وابسته به آن، به مواد مهندسی و خواص آنها بپردازیم.
مواد مهندسى و مصالح صنعتى ادوار زندگى بشر را با توجه به عناصر و موادى که در آن اعصار کشف شده‌اند، تقسیم‌بندى کرده‌‌اند. در هر دوره، محدوده و تنوع این یافته‌ها افزایش یافت و در نهایت، مهمترین و مفیدترین یافتة بشر در آن دوره، نام آن عصر را به خود گرفت: عصر حجر، عصر برنز، عصر آهن... در حال حاضر، بعد از اینکه مواد پلاستیک و کامپوزیت‌ها (مواد مرکب از چند مادة مختلف که به آنها «چندسازه» می‌گویند) به وجود آمد، در «عصر مواد کامپوزیتى» هستیم و با تحولات سریع فناورى انتظار مى‌رود که در آینده‌اى نه‌چندان دور به «عصر مواد هوشمند» وارد شویم؛ عصری که اکنون در گام‌های آغازین ورود به آن هستیم.
در استفاده از مواد مورد نیاز برای ساخت دستگاه‌ها، ابزارآلات و محصولات صنعتى و غیرصنعتى، باید خواص مورد نیاز هر محصول یا دستگاه توسط مادة آن تأمین شود، زیرا ماده، خوراک اولیه برای شروع کار است؛ مانند سوخت خودرو که باید از ویژگی‌های خاصی برخوردار باشد، وگرنه ماشین دچار مشکلات فراوان میشود.
خواص مواد بسیارند. مانند خواص مکانیکی، فیزیکی، سطحی، تولیدی و زیبایی‌شناسانه. به عنوان مثال، خواص فیزیکی مربوط به ویژگی‌های ذاتی ماده مثل مقاومت الکتریکی و حرارتی و خواص مغناطیسی است و از ماده‌ای به مادة دیگر فرق می‌کند و مثلاً مس یا آلمینیوم هادی خوبی برای الکتریسیته و حرارت به شمار می‌روند.
خواص مکانیکی نیز به جنس ماده وابسته‌اند. اینکه هر ماده چقدر در مقابل نیروی واردشده مقاومت می‌کند یا اینکه چقدر باید بر هر ماده نیرو وارد کرد تا از هم گسیخته نشود، به خواص مکانیکی آن مربوط میشود.
مواد و مصالح صنعتى به‌طور کلى به دو دسته تقسیم‌بندى مى‌شوند: (1) فلزات و آلیاژهاى فلزى، و (2) مواد غیرفلزى.
1. فلزات و آلیاژهاى فلزى
فلزات و آلیاژهاى فلزى جزء پُرمصرف‌ترین موادى به شمار می‌روند که در صنعت کاربرد دارند. این مواد به علت خواص متنوعشان، در بخش‌هاى مختلف صنعت به کار مى‌روند. فلزات از مواد معدنى استخراج مى‌شوند و از عناصر فلزى نظیر آهن، آلمینیوم و مس تشکیل می‌گردند.
ویژگی‌هایی نظیر مقاومت، قابلیت شکل‌پذیرى، قابلیت جوشکارى، قابلیت رسانایى الکتریکى و حرارتى که در حد بسیار بالایی در فلزات و آلیاژهاى فلزى قابل دسترسى‌اند، جایگاه ویژه‌اى به این مواد در صنعت داده است.
البته فلزات مختلف داراى خواص یکسانى نیستند و همین امر سبب شده است که هر فلز کارآیى خاصى داشته باشد. از جمله مهمترین عناصر فلزى که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند (بر حسب اهمیت) عبارتند از: آهن و آلیاژهاى آن نظیر فولاد و چدن و نیز آلمینیوم، مس، برنج، و برنز.
از آنجا که بخش عمدة کاربرد فلزات و آلیاژهاى فلزى از آهن و آلیاژهاى آن است، گروه فلزات را به دو زیرگروه تقسیم مى‌کنند:
الف ـ فلز آهن و آلیاژهاى آهنى (Ferrous & Alloys)
ب ـ فلزات غیرآهنى و آلیاژهاى آنها (Nonferrous & Alloys)
2. مواد غیرفلزى
مواد غیرفلزى به علت طبیعت، خواص، مزایا و ویژگى‌هاى خاص خود، همواره مورد توجه در ساخت و تولید اجزای ماشین بوده‌اند. صنعتگران بر اساس تجربه، انواع مختلف چوب، پلاستیکها و سرامیکها را در اجزای مختلف ماشین، با هدف حذف فلز و سبک‌سازى آن مورد استفاده قرار مى‌دهند تا در نهایت انرژی کمتری مصرف شود و هزینة تولید محصول کاهش یابد. به طور کلى، مواد غیرفلزى شامل این مواردند:
الف ـ پلاستیکها
ب ـ الاستومرها
ج ـ سرامیکها
د ـ مواد مرکب (کامپوزیت‌ها)
پلاستیکها گروهى از موادند که مولکول‌هاى بزرگ دارند و از اتصال مولکول‌هاى کوچک حاصل می‌شوند. ویژگى‌هاى عمدة این مواد عبارت‌اند از:
الف ـ چگالى کم
ب ـ مقاومت کافى در برابر خوردگى
ج ـ هزینة تولید پایین
از نظر علم شیمى، بیشترِ این مواد، ترکیبات آلى و شامل عناصرى نظیر هیدروژن، اکسیژن، کربن و نیتروژن‌اند. پلیمرها دستة بزرگى از مواد آلى هستند که به چند گروه و خانواده تقسیم می‌شوند. تنوع این مواد به حدى است که در حال حاضر حدود چهار هزار نوع مواد پلیمرى با فرمول‌های مختلف سنتز و ایجاد شده‌اند. از این میان، 4 یا 5 نوع پلیمر بیشترین استفادة تجارى و صنعتى را دارند.
پلیمرها را می‌توان به دو دستة عمده تقسیم کرد. گروه اول پلاستیک‌هاى «گرمانَرم» (ترموپلاستیک) هستند. به این معنا که قابلیت ذوب مجدد و بازیابى دارند و همان‌طور که از نام آنها پیداست با وارد کردن مقدار مناسبی حرارت نرم و در انتها ذوب می‌شوند. در مقابل، دستة دوم، پلاستیک‌هاى «گرماسخت» (ترموست)اند که پس از شکل‌گیرى‌ِ اولیه دیگر نمى‌توان آنها را مورد استفادة مجدد قرار داد، یعنی در مقابل حرارت و گرما بسیار مقاوم‌اند.
در نوبت بعدی به سراغ مفاهیم اولیة شکل‌دهی و فرایندهای شکل‌دهی می‌رویم و به مقدمات ریزشکل‌دهی نیز می‌پردازیم.
خواص مکانیکی مواد
منظور از خواص مکانیکى، واکنش مواد در برابر نیروها و بارهاست. عکس‌العمل مواد در برابر نیروهاى واردشونده، به ساختمان مولکولى آنها بستگى دارد. آن قسمت از علم مکانیک که صرفاً به بررسى نیروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتیک» نامیده مى‌شود و بخشی از آن که واکنش ماده به نیروهاى اعمال‌شده و تغییر شکل‌هاى جزئىِ ناشی این از نیروها را مورد بررسى قرار گیرد، «مقاومت مصالح» نام دارد.
قطعات بر اثر اِعمال نیرو نباید از بین 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 دهیم 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 رایج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى مؤثر در بررسى خواص مکانیکى را توضیح می‌دهند.
1. تنش - stress :
عبارت است از «مقدار نیروى وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسیم نیروى وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مى‌آید. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همان‌طور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ی 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 پیوسته 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 نیرویی هرچند ناچیز، دچار تغییر شکل (تغییر ابعاد) مى‌شوند. به تغییر ابعاد یا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش «کُرنش» مى‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.
تعریف‌‌‌‌‌های 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 خراشیدن، 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 اولیه‌‌‌‌‌ی شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوری‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.
در زیر به طور خلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزات می‌پردازیم:
1. خم‌کارى
همة عملیات ورق‌کارى، شامل خم‌کارى هم مى‌شود. در اغلب موارد، خم‌کارى ویژگى اصلى ورق‌کارى به شمار مى‌رود و به همین دلیل 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. کشش‌فرایندى است براى کاهش سطح مقطع در ورق، سیم یا مفتول و دیگر مقاطع استاندارد. کشش از پایه‌اى‌ترین فرایندها در شکل‌دهى به شمار می‌رود. در طول فرایند کشش، ماده از یک جهت کشیده میشود. در نتیجه، از ابعاد دیگر آن کاسته می‌گردد.
3. نوردکارینوردکارى از جمله فرایندهاى پُرکاربرد در تولید مقاطع استاندارد، مثل ورق، است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها، ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى قطعة کار فقط اندکى افزایش مى‌یابد. از عوامل تأثیرگذار در این فرایند، مى‌توان به ارتفاع اولیه و ثانویة قطعه، پهناى آن، سرعت چرخش غلتک، جنس غلتک و نیز دماى کار و جنس قطعة کار اشاره کرد. این فرایند را مى‌توان با چند غلتک و در چند مرحله تا زمانِ رسیدن به ارتفاع و وضعیت 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. فورجینگ یا آهن‌کوبیفورجینگ که در ادبیات غیرفنى به آهنگرى نیز ترجمه شده است، به فرایندى گفته مى‌شود که در آن، فلز در فضاى بین قالب و ضربة محکم‌ِ پرس قرار می‌گیرد و پس از خارج شدن اضافه‌‌‌‌‌ها به شکل دلخواه درمى‌آید.
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.
