مقدمه
در دو قسمت پیشین، با شکل‌دهى، فرایندهاى آن، مواد و مصالح صنعتى، خواص مکانیکى و عوامل مؤثر بر آنها آشنا شدیم. در این قسمت به شکل‌دهی در مقیاس میکرو می‌پردازیم تا نسبت به تأثیرات ریزسازی و کاهش ابعاد در شکل‌دهی، اطلاعات بیشتری به دست آوریم.
میکروشکلدهی
میکرومتر برابر است با یک‌هزارم میلى‌متر، 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 میکروشکلدهى به دنبال ایجاد فرایندهاى امکان‌پذیر براى صنعت و تولید 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.
میکروشکلدهى از نظر علمى «ساخت و تولید ساختارهاى دوبُعدى در مقیاس میلى‌متری» است. محصولات مایکروشکل‌دهی، در اجزای الکترونیکى ریزسیستم‌ها و سیستم‌هاى مایکروالکترومکانیکى مثل میکرورُبات‌ها کاربرد دارند. این محصولات باعث شده‌اند که عملیات ریزسازى بهسرعت جلو برود.
اجزای ساخته شده بوسیله میکرو شکل دهی
مروری بر تاریخ میکروشکلدهی
رشد فناورى‌ها و به‌خصوص فناورى شکل‌دهى مایکرو در دهة 1990، این سؤال را به وجود آورد که چرا به جاى استفاده از تراشکارى در ساخت قطعات ازشکل‌دهى فلزات استفاده نشود؟
مهندسان و صنعتگران دریافتند که باید قطعه را با روش‌هاى شکل‌دهى و بدون بُراده‌بردارى تغییر شکل دهند. این کار برای تأمین 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 پایه‌اى؛ چون در آن زمان دانش بشر در زمینة میکرو کافی نبود.
ب ـ نبودِ کاربرد مشخص و نمونة اولیه؛ 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.
اولین حرکت در این زمینه توسط یک دانشمند ژاپنى در سال 1989 میلادى آغاز شد. او در گزارش اولیة خود در انجمن فناورىِ شکل‌دهى ژاپن، طرح اولیة خود را با عنوان «پیش‌طرح ساخت و توسعة ماشین پرسِ سوپرمیکرو» ارائه کرد و در سال 1990 این ایده را به چاپ رساند.
با شروع حرکت، بهسرعت مسائل و مشکلات پایه‌اى زیادی در مقابل دانشمندان به وجود آمدند. کاهش مقیاس در رسیدن به ابعاد میکرو در فلزات دشوار است. علاوه بر آن، مشکلات دیگرى نیز در مقابل این فناورى جدید قرار دارند، نظیر ابزارآلات و ماشین‌‌ابزار لازم. از این‌رو کاوش‌ها، پژوهش‌ها و تحرکات گستردة علمى و صنعتى براى حل معضلات و یافتن راه حل‌هاى مناسب آغاز شدند که تاکنون نیز ادامه دارند.
سیستم میکروشکلدهى
سیستم شکل‌دهى میکرو را مى‌توان مانند سیستم شکل‌دهی ماکرو به چهار بخش اساسى تقسیم کرد:
الف ـ مواد (material)
ب ـ ابزار (tools)
ج ـ فرایند (process)
د ـ ماشین‌آلات و تجهیزات (machines & equipment)
یک نمونه از قطعات شکل‌یافته در ابعاد مایکرو
علاوه بر مشکلات موجود در شکل‌دهى ماکرو، مانند طراحى ابزار، فرسایش، خوردگى و عملیات مناسب بر روى مواد، مشکلات جدید ناشی از کاهش ابعاد هم به آنها افزوده می‌شود. این مشکلات، خود را در هر چهار بخش سیستم 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 تولید ابزار به وسیلة فناورى‌هاى جدید، جنس و مواد به‌کار رفته در آنها و دقت لازم و مورد نیاز ابزار.
اگرچه روش‌هاى نوینِ ساخت با هدف حل این معضلات توسعه یافته‌اند، اما گام‌هاى زیادى در این راه باقى است. یکى از مثال‌هاى این توسعه، ساخت ابزار برجسته‌کارى (embossing tools) است. این وسایل در یک فرایند حک‌کارى با پرتودهى الکترونى، ابزارى با ابعاد 200 نانومتر را می‌سازند.
در خصوص ماشین‌آلات و تجهیزات نیز جابه‌جایى مواد و اجزا دشوار است، زیرا سطح گیرة نگه‌دارندة قطعه بسیار کوچک است و نیروهاى چسبندگى و کشش سطحى بسیار قوى‌تر از نیروى 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 این رو، قطعه به خودى خود از گیره جدا نمى‌شود.
در کنار سیستم میکروشکلدهی، ساختارها و فناورى‌هاى پشتیبان دیگرى نیز مورد نیازند. از جمله، فناورى‌هاى مناسب‌ِ اندازه‌گیرى 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
فرایندهاى میکرو شکل‌دهی
مقایسة فرایندهاى شکل‌دهى میکرو و ماکرو نشان مى‌دهد که دسته‌ای از عوامل، على‌رغم کاهش ابعاد ثابت مى‌مانند. به عنوان مثال، ساختار میکرویی مواد مستقل از ابعاد است، یا عوارض‌نگارى سطح (پستی و بلندی سطح) در طول فرایندِ کاهش ابعاد بدون تغییر باقی مى‌ماند. بررسی‌ها نشان می‌دهند که روش‌هاى مرسوم در شکل‌دهى ماکرو، در شکل‌دهى میکرو غیرقابل انجام‌اند. بنابراین، باید تحقیقات و بررسى‌هاى کاملى برای نمایش این موضوع به اعداد و ارقام صورت گیرد. برای این کار فرایندهاى شکل‌دهى را به صورت سامان‌مند (سیستماتیک) به مقیاس پایین‌تر تبدیل می‌کنیم. در این صورت، لازم است در زمینة تئورى دانش ابعاد کوچک پیشرفت‌هایی صورت گیرد، آزمایش‌های پایه‌اى با هدف جلوگیرى از ایجاد پیچیدگى 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
تحقیقات در حال پیشرفت در زمینة فرایندهای میکروشکلدهی
گرایش به سمت تولید محصولات کوچکتر، منجر به تحقیقات پایه‌اى فراوانی شده است. بر اساس فرضیاتى که در دهة 1950 میلادى در آزمایشگاه‌های بِل مورد آزمایش قرار گرفتند، تغییر شکل پلاستیک (تغییر شکل دائمی مواد؛ در این حالت ماده به حالت قبلی خود باز نمی‌گردد) باید بر اساس کُرنش و نیز تغییرات کُرنش تحلیل شود، به‌خصوص در شرایطى که ابعاد ناحیة تغییر شکل در حدود 10 میکرومتر یا کمتر باشد.
جابه‌جایى اجزای مایکرو نیز از دیگر موضوعاتی است که مورد بررسى و در دست پژوهش‌‌اند. دانشمندان می‌خواهند از این بررسی‌ها به دو هدف اساسى زیر برسند:
1. جابه‌جایى قطعات در مراحل چندگانه همراه با دقت، سرعت و دقت در مکان‌یابى اجزای کوچک؛
2. جلوگیرى از آثار نامطلوبِ چسبندگى بین اجزا و گیرة نگه‌دارنده.
نتایج اولیة آزمایش‌ها و پروژه‌هاى تحقیقاتى مختلف منجر به ساخت نمونة اولیة سیستم انتقال شده است. این سیستم گیره‌هاى مکنده‌ای دارد که مى‌توانند در هر ثانیه 3 قطعه را درفاصلة 25 میلى‌متری و با دقت مکان‌یابی در حدود 5 میکرومتر جابه‌جا کنند.
نمونه ماشینکاری در ابعاد میکرو
خوب است در انتهاى این بخش به این سؤال پاسخ بدهیم که دورنماى کاربرد ماشین پِرِس سوپرمیکرو که در آغاز به آن اشاره کردیم، چیست؟
در سال 2000 میلادى گروهى از پژوهشگران ژاپنى، کارخانة ماشین‌کارىِ رومیزى‌ِ میکرو را ساختند که شامل ماشین‌‌ابزارهایى نظیر ماشین‌تراش، دستگاه دریل، وسایل جابه‌جاکننده و پرس بود و می‌توانست قطعات مینیاتورى تولید کند. اگرچه این دستگاه هنوز شرایط لازم براى تولید انبوه را ندارد، اما دورنمایی را ترسیم می‌کند که در آن فناورى‌هاى میکرو به خصوص فناورى‌هاى شکل‌دهى در مقیاس میکرو توسعة چشمگیری یافته‌اند.
پژوهش‌هاى ده سال اخیر، فرایندهایی را به دانشمندان نشان داده است که پایه و اساس تحقق فرایندهاى صنعتى‌اند. با تمام این تلاش‌ها فناورى مورد نظر به مراحل توسعة نهایى خود نرسیده است و نیاز به تلاش‌هاى گسترده‌ترى دارد تا به حداقل‌هاى مورد انتظار براى حل مسائل پیشِ رو در آینده برسد.
على‌رغم تکاپوى سریع جهانى، در برخورد با مشکلات موجود نیاز به دستیابى به راه‌حل‌هاى فوری وجود دارد. البته مجموعة مهندسى کنونى می‌تواند از پسِ حل این مسائل برآید، اما ایده‌هاى زیادى هم وجود دارند که در یک بازة زمانى کوتاه قابل صنعتى شدن نیستند. این ایده‌ها و طرح‌ها نیازمند زمان زیاد، صرف بودجه‌هاى کلان و تحقیقات پایه‌اى فراوانی هستند و زمانى به موفقیت ختم مى‌شوند که همراه با تلاش گستردة دانشمندان و حمایت‌هاى مالى باشند. در عین حال، احتیاج به توسعة روابط میان رشته‌هایی گوناگونی از قبیل شیمی، فیزیک، رایانه، متالورژی، صنایع و مکانیک نیز دارند.
در مورد شکل‌دهى میکرو، شرایط مورد نیاز، در حال مهیا شدن هستند. فرایندهاى مختلفى در صنعت در حال تکمیل‌اند که در محدودة کاربرد ورق فلزی تمرکز یافته‌اند. این فناورى می‌تواند دورنماى وسیع‌تر و افق گسترده‌ترى را در مقابل ساخت طیف فراوانى از محصولات بگشاید
