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.
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.
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.
یکی از مهم‌‌‌‌‌ترین خواص برای شکل‌دهی، خواص مکانیکی‌اند. به علاوه، برای به دست آوردن محصول دلخواه از راه شکل‌دهی، باید روش‌هایی را تعریف کرد که بیشترین بازده را داشته باشند. همانطور که برای ایجاد انرژی حرکتی در خودروها به دنبال انواع مناسب سوخت و بهینه کردن سیستم احتراق خودرو هستیم، در شکل‌دهی روش‌‌‌‌‌هايي که پُربازده باشند از توجه بيشتری برخوردارند.
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.
یک دستگاه کشش
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.
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.
نانو شکل‌دهی نانوفناوری، با کنار هم قرار دادن اتم‌ها يا مولکول‌ها، محصولاتی با کیفیت‌های دلخواه به دست می‌دهد. اين اصلى‌ترين هدف فناوری و علوم نانو است. اما مشکلات ــ يا به بيان بهتر، فاصلة ــ زیادی تا رسیدن به این هدف وجود دارد. در واقع، همواره می‌توان بهترین نظرات را ارائه کرد، اما وقتی به مرحلة عمل می‌رسیم، مشکلات رخ می‌نمایند. این مطلب شبیه به آن است که بگوییم انسان‌ها سوار بر مرکب خیال از کهکشان‌ها می‌گذرند و به بیگ‌بنگ هم می‌رسند، اما در عمل هنوز هیچ انسانی پا در یکی از سیارات دمِ دست منظومه شمسی نگذاشته است.
درست است که فرايند صنعتى شدن و توليد انبوه محصولات در مقياس مايکرو، به خصوص به روش شکل‌دهى فلزات، کُند بوده است، اما پژوهش‌هاى گسترده‌اى در سراسر جهان در اين مورد در حال انجام هستند. شايد در نگاه اول، پرداختن به شکل‌دهى فلزات در مقياس نانو، در حالی که هنوز این کار در مقیاس مایکرو توسعه نیافته است، کارى غيرممکن به نظر آيد، اما پیش از این گفتیم که به روش حکاکی وi پرتودهی الکترون وسايلى به ابعاد 200 نانومتر براى برجسته‌کارى ساخته شده‌اند. بر اساس تعاريف ارائه‌شده برای فناوری نانو، محدودة این فناوری از نظر مقیاس 0.1 تا 100 نانومتر در نظر گرفته شده است. بنابراین، گام‌هاى بيشترى باید برداشت تا به محصولاتی در ابعاد مورد نظر رسید.
شايد اساسى‌ترين نياز براى دستيابى به فناورى شکل‌دهى فلزات در مقياس نانو، دستيابى به نانوکامپيوتر و نانواسمبلر باشد. در صورت دستيابى به نانوکامپيوتر، مى‌توان مولکول‌ها را بر اساس یک الگوريتم مشخص برنامه‌ريزى کرد و توسط نانواسمبلر، آنها را طبق نمونة شبیه‌سازی‌شده کنار هم قرار داد تا محصول‌ِ ازپیش‌طراحی‌شده حاصل شود.
دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند اين دو وسيلة ضروری را بسازند، اما راه ديگری هم برای این مشکل وجود دارد: به جاى کنار هم گذاشتن ذرات، ابعاد آنها را در یک فرايند ريزسازى آن‌قدر کاهش می‌دهیم تا محصول مورد نظر را تولید کنیم.
ارائة چارچوب عملکرد در اين نوشتار چارچوب روشن و مشخصى را دربارة ملزومات دستيابى به نانوشکل‌دهی ارائه می‌دهیم. این چارچوب شامل سطح‌بندى ايده‌ها، خواسته‌ها و اهداف است. سطح‌بندى، گام اول در نانوشکل‌دهی است. به اين معنا که در سطوح مختلف علمى، صنعتى، اقتصادى و مديريتى نياز به تعيين اهداف و افق‌هاى مشخصى وجود دارد.
1. سطح اول: پيشرفت علوم در حوزة نانو لازم است برای شفاف شدن دنياى نانو نزد صنعتگران، دانشگاهيان، مديران و اقتصاددانان، مطالعات گسترده‌اى درحوزة علوم و فناوری‌های نانو صورت بگيرد. اين شفاف‌سازى در اثر مطالعات، پژوهش‌ها و آزمايش‌های گوناگون حاصل میشود و احتياج به تأمين اهداف مشخص و روشنى دارد، مثل ترغیب مدیران، صنعتگران و سرمایه‌گذاران در حمایت از فناوری نانو، ايجاد قوانينی برای پيشبرد فناورى نانو و برنامه‌ریزی طولانی‌مدت. اگرچه در اين سطح اغلب اهداف و اولويت‌ها به فناورى نانو وابسته‌اند، اما همين سازوکارها در مورد شکل‌دهى فلزات نيز باید اعمال شوند و از بسترهاى ايجادشده در مورد فناورى نانو در جهت نانوشکل‌دهی نیز بهره‌گيرى شود.
2. سطح دوم: مطالعات در زمینة نانو شکل‌دهی در سطح دوم باید ابتدا گروه‌هایی شکل بگیرند. اين گروه‌ها شامل استادان دانشگاه، صنعتگران و دانشجويانی هستند که با کمک يکديگر روى موضوع نانوشکل‌دهی متمرکز می‌شوند. رشته‌هاى مختلف مهندسى، نظير مهندسى مکانيک، متالورژى، صنايع و شيمى باید در اين گروه‌ها حضور داشته باشند تا نانوشکل‌دهی از ابعاد مختلف آن بررسی شود. رشته‌هايى مانند کامپيوتر و فيزيک نيز لازم است این گروه را همراهى کنند.
صنايعى هم هستند که می‌توانند از اين دستاوردها بهره‌هاى فراوانى ببرند، نظير صنايع هواپيماسازى، خودروسازى، پزشکى، مخابرات، دفاعى و صنایع مشابه. آنها نيز باید در اين گروه‌ها، اولويت‌هاى مورد نظرشان را ارائه کنند و به دانشجويان و استادان در جهت‌دهى مناسب، ارائة اهداف صنعتى و فضاى آزمايشگاهى يارى رسانند.
از سوي ديگر، در حوزة شکل‌دهى در مقياس نانو، لازم است تعاريف نوينی در مورد فرايندها، ابزارآلات، ماشين‌آلات و مواد صورت بگیرد. به بيان دیگر، مفاهيم و تعاريف رايج در شکل‌دهى سنتى، توان جهت‌دهى مناسب و افزايش شتاب مطالعاتى در اين حوزه را ندارند. يعنى لازم است بستر و زیرساخت جدیدی برای فعالیت در این حوزه فراهم شود تا بتوان بر اساس آن، گام‌هاى بعدى را برداشت. همانطور که با مفاهيم فيزيک کلاسيک يا نيوتنى نمى‌توان دنياى نسبيت را به طور کامل درک کرد، نانوشکل‌دهی را نيز نمى‌توان با تعاريف شکل‌دهىِ سنتى به نحو قابل توجهی پیش برد و توسعه داد.
براى اينکه مطالعات نظری در مورد نانوشکل‌دهی به شکل روش‌مند و منظم پي‌گيرى شوند، بايد سيستم شکل‌دهى نانو طراحى شود. اجزای این سیستم مانند اجزای حالت مایکرو هستند و در شکل زیر به طور خلاصه ارائه گردیده‌اند. در این نوبت فقط به اشاره‌ای در این زمینه اکتفا می‌کنیم. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر در این زمینه می‌توانید به منابعی که در انتهای مقاله آمده است، مراجعه کنید.
اين سيستم به گروه‌هاى مطالعاتى کمک مى‌کند تا در مسيرهاى مشخصى حرکت کنند و شامل چهار بخش بنيادى زیر است:
1. مواد
2. ابزار
3. فرایند
4.ماشین‌آلات و تجهیزات
سیستم نانو شکل‌دهی و چالش های موجود در اجزای آن
3. سطح سوم: فعاليت‌هاى آزمايشگاهى و تحقيقاتى برای رسیدن به اطلاعات مناسبی که نقایص بررسی‌ها و محاسبات نظری را مشخص کنند، باید انواع آزمایش‌ها صورت بگیرد، مانند آزمايش‌های پايه‌اى در حوزة نانوشکل‌دهى، آزمايش بر روى نمونه‌هاى اوليه، آزمايش بر روى مواد مختلف و آزمايش‌های مرتبط با فناورى‌ها.
این فعالیت‌ها و پروژه‌های تحقیقاتی ملزومانی هم دارند، مثل دستگاه‌هاى دقيق و پيشرفتة آزمايشگاهى، ابزار دقيق اندازه‌گيرى، استانداردسازی، اتاق تميز، نيروى انسانى‌ِ آزمايشگاهى در حوزة نانو و منابع مالى.
نمونه ای از دقت 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
