تعریف میکروفرمینگ (Micro-Forming)
ميکروفورمينگ (Microforming) عبارتست از توليد قطعات يا سازه‌هايي با حداقل دو بعد با اندازه كمتر از 1 ميليمتر. چنين قطعاتي مورد نياز تكنولوژي هاي جديد به ويژه براي اجزاي الكترونيكي در تكنولوژي ميكروسيستمها (MST) و سيستمهاي ميكروالكترومكانيكال (MEMS) مي باشند. مثالهايي براي اين قطعات در زير آورده شده است:
1- اتصالات
2- ميکرو پيچ ها
3- پريز
و هر نوع المان اتصال دهنده ديگر که در شكل آورده شده اند. همچنين در توليد کرنش سنج از سيمهاي به قطر 25 ميکرون که به روش ميکرو فورمينگ توليد شده است استفاده مي شود.
قطعات اکسترود شده ، پيچ 0.3 ميلي متري
اثر اندازه (Size Effect) در میکروفرمینگ
فرايندهاي ميکرو فورمينگ علاوه بر مسائل و مشکلات فرايندهای شکل دهی مرسوم با مسائلي که ارتباط تنگاتنگ با کاهش ابعاد قطعه دارد، روبرو می باشد. رفتار مادۀ تحت تغيير شكل، با كاهش ابعاد نمونه تغيير می كند كه اين تغييرات تحت عنوان اثر اندازه شناخته مي‌شوند. تنش سيلان، همسانگردی و چکش خواری ماده تحت تاثير اندازه قرار می گيرند كه اين مسئله بايد در طراحی فرآيند ميكروفورمينگ در نظر گرفته شود. علاوه بر اين فاكتورهای ديگر مرتبط با فرآيند نظير نيروی شكل‌دهی و اصطكاك نيز تحت تاثير ابعاد قطعه می باشند.
چالش در فرایندهای میکروفرمینگ
علاوه بر تغییرات ناشی از اثر اندازه در میکروفرمینگ، يکي از مشكلات اين فرايندها، ساختن ابزار و قالبهای مربوط به فرآيند شكل‌دهی مي باشد. زيرا قالب ها بايد دارای دقت ابعادی بسيار بالا و نيز کيفيت سطحی خوب باشند. در هر حال روشهای توليد جديد براي غلبه بر اين مشكل توسعه يافته‌اند. همچنين فضاي خالي بين قطعات ماشين كه در فرآيندهای معمول شكل‌دهی قابل چشم‌پوشی است ممكن است تاثيرات زيان‌آوری روی دقت ابعادی قطعات توليدی در فرايندهای ميکروفورمينگ داشته باشد. مشكل ديگرحمل قطعات است زيرا وزن قطعه در مقايسه با نيروهای چسبندگی بين قطعه و ابزار گيرنده کم است. در نتيجه قطعات، خود به خود از گيرنده‌ها جدا نمی شوند. همچنين ساختن قطعات بسياركوچك با دقت ابعادي بالا و کيفيت سطحی خوب، مستلزم يك محيط تميز می باشدكه باعث هزينه‌های اضافه مي یشود. بنابراين توسعه استفاده از ماشين‌های كوچك باعث توليد اقتصادي و مقرون به صرفه‌تر خواهد شد.
توليد بيلت هاي اوليه جهت توليد محصولات ميكرو در مقياس صنعتی نيز مشکل است. اين مشکل با توجه به لزوم توليد انبوه بيلت اوليه وحمل آنها در خطوط توليد به ويژه خطوط چند مرحله‌اي و ابعاد كوچك بيلت‌ها، ايجاد شده است. شکل زیر یک قالب میکروپانچ را نشان می دهد.
تاريخچه اي پيرامون ميکروفورمينگ
تا قبل از سال 1990 قطعات بسيار ريز از طريق فرآيندهاي ماشين کاري و فرزکاريساخته مي‌شدند. به تدريج اين سوال مطرح شد كه چرا اين قطعات را نمي‌توان از طريق شكل‌دهي فلزات توليد كرد. اين سوال بسيار مهم بود، زيرا زماني كه لازم است قطعاتي به تعداد فراوان و سرعت بالا توليد شوند، روش شكل‌دهي بسيار موثرتر مي باشد ولي آن زمان دانش اوليه فرآيند شكل‌دهي در ابعاد بسيار كوچك توسعه نيافته بود.
اولين بار ايده‌اي توسط مائدا مطرح شد كه مربوط به طرح ساخت يك پرس فوق دقيق بود. اين يكي از طرح‌هايي بود كه باعث شروع تحقيقات اوليه پيرامون ميكروفورمينگ شد. اولين يافته‌ها پيرامون پاسخ به اين سوال بود كه چگونه مي‌توان فرآيندهاي شكل‌دهي فلزات را از محدوده ماكروفورمينگ به محدوده ميكرو منتقل نمود. امروزه نيز يكي از دلايل عدم توسعه در كاربرد اين تكنولوژي همين مسئله مي‌باشد. به دليل كاهش ابعاد مورد نياز در قطعات الكتريكي و نيز پزشكي نياز به قطعات ميكروفلزي با سرعت قابل توجهي در حال افزايش است.
بر اساس تحقيقات بازار نکسوس در فاصله سالهاي2000- 2005 بازار ميکروالکترومکانيکال (MEMS) و ميكروسيستمها (MST)، با سرعت معادل 16 درصد در سال از 12 بيليون دلار در سال 2004 به 25 بيليون دلار در سال 2008 خواهد رسيد.
از ميان فرآيندهاي توليد ميكرو، ميكروفورمينگ از نظر اقتصادي و زيست محيطي مناسب‌تر است. هر چند شكل‌دهي فلزات در ابعاد ماكرو به خوبي بررسي و مطالعه شده‌است ولي اين مطالعات مستقيما" براي شكل دهي فلزات درمحدوده ابعادي ميكرو قابل كاربرد نيست. بنابراين آزمايش هاي مقايسه‌اي و مطالعات براي دستيابي به دانش اساسي پيرامون اثر اندازه در فرايند ميكروفورمينگ ضروري است.
فوکو از آزمايش ميكرو سختي استفاده كرد، او به دليل تغيير شکل غيريکنواخت نمونه‌هاي فشاري اول توسط شبيه‌سازي المان‌هاي محدود محل مناسب براي اندازه‌گيري سختي را پيدا كرد. سپس با ميكرو سختي سنجي در نمونه‌هاي كوچك اثر اندازه را بررسي نمود. نتايج حاكي از آن بود كه تنش سيلان و سختي در ابعاد ميكرو با كاهش ابعاد نمونه، كاهش پيدا مي‌كنند. از آنجايي كه تجهيزات اندازه‌گيري نيروي فشاري در ابعاد ميكرو فراهم نيست لذا او از تناسب بين سختي و تنش سيلان (سختي1/3 ═ تنش سيلان) استفاده و نمودار تنش-کرنش را براي نمونه ها رسم كرد.
نتايج حاصل از تحقيقات در زمينه شكل‌دهي ورقهاي فلزي در ابعاد ميكرو كه به كمك آزمايش كشش روي آلياژهاي مس و آلومينيم انجام شده است حاكي از آن است كه كاهش ضخامت ورق از 2 ميليمتر به 17/ 0 ميلي متر باعث كاهش 30 درصدي تنش سيلان شده‌است.
در زمينه شكل‌دهي حجيم فلزات آزمايش هاي فورج کله زني (upsetting) روي مس و آلياژهاي آن (CuZn15 و CuSn6) براي بررسي اثر اندازه انجام شده است كه در اين مورد هم با افزايش كاهش ابعاد، كاهش تنش سيلان مشاهده شده است. اين كاهش تنش سيلان در نمونه‌هاي كوچك با مدل لايه سطحي توجيه شده است.
کالس و همكاران در بررسي آزمايش كشش در ابعاد ميكرو مشاهده كردند كه ناهمسانگردي عمودي در ورق‌ها با كاهش ابعاد كم مي شود كه اين باعث كاهش قابليت تغيير شكل در كشش عميق مي‌شود. علاوه بر اين کرنش يكنواخت و همچنين طويل شدگي گلويي (کرنش از ناحيه گلويي شدن تا شكست) نيز با كاهش ابعاد نمونه‌ها كاهش مي‌يابد.
تاثير كاهش ابعاد روي اصطكاك از طريق آزمايشهاي فشار حلقه و اکستروژن دوطرفه (DCE) بررسي شده است كه نتايج، حاكي از افزايش اصطكاك با كاهش ابعاد نمونه ها مي‌باشد.
تعداد بسيار زيادي از آزمايشات انجام شده بيانگر افزايش پراكندگي اطلاعات و نتايج حاصل شده در اثر كاهش ابعاد مي‌باشد.
تا به حال آزمايشهاي منگنه کاري، خمش وکشش در زمينه ميكرو ورقهاي فلزي انجام شده وتعدادي پروژه نيز روي كشش عميق تعريف شده‌است كه به علت ناهمسانگردي فلز و اصطكاك زياد پيچيده و مشكل مي‌باشد و تا حدود بسيار كمي توسط سائوتوم و همكاران در سال 2001 بررسي شده است.
علاوه بر فرآيند تغيير شكل در جاي خود، توليد نمونه و بيلت اوليه نيز حائز اهميت فراوان است. تا به امروز نمونه‌ها توسط ماشينکاري، عمليات حرارتي، سنگزني سايشي و صيقل کاري براي آزمايشهاي اكستروژن توليد و به كار گرفته مي‌شوند كه اين روشها در ابعاد صنعتي بازده مناسبي ندارد. زيرا يك فرآيند توليد اقتصادي بايد قابليت توليد حداقل 300 بيلت در دقيقه را داشته باشد. توليد ابزار براي فرآيندهاي ميكرو نيز در برخي پژوهشها مورد بررسي قرار گرفته است زيرا روشهاي مرسوم در توليد ابزار براي ابعاد ميكرو با محدوديت همراه است. در سال 2000 توسط روش ماشينکاري تخليه الکتروني، از سيمهاي با قطر 10 ميكرومتر براي ساختن پانچ‌هاي بسيار باريك و قالبهاي اكستروژن استفاده شد.
علاوه بر ساختن ابزار، مسئله حمل قطعات ميكرو نيز مطرح مي باشد. به خصوص در فرايندهاي چند ايستگاهي قرار دادن سريع و دقيق قطعات بسيار كوچك در محل خود با وجود مسائل چسبندگي بين گيرنده و قطعه حائز اهميت فراوان است كه گيگر و همكاران در سال 2002 سيستمي شامل يك گيرنده مكنده طراحي كردند كه جابجايي قطعات را با سرعت 3/4 قطعه در ثانيه و طول جابجايي 25 ميلي متر و دقت 5 ميكرومتر ميسر كرده است.
منابع و پیوند ها
گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
M.Geiger، M.Kleiner، R. Eckstein، N. Tiesler، U. Engel، (2001). “Microforming Ann. CIRP Vol.50(2), 445-46
U.Engel، R.Eckstein، (2002). Microforming-from basic research to its realization، ,Journal of Materials Processing Technology., Vol.125-126, 35-44
Fuh-Kuo Chen، Jia-Wen Tsai، (2006). A study of size effect in micro-forming with micro-hardness tests، ,Journal of Materials Processing Technology.,Vol. 177, 146–149.
K. Hirota، (2007),Fabrication of micro-billet by sheet extrusion، , Journal of Materials Processing Technology Vol.191, 283-287
Jenn-Terng Gau، Chris Principe، Jyhwen Wang، (2007), An experimental study on size effects on flow stress and formability of aluminm and brass for microforming، Journal of Materials Processing Technology Vol.184, 42–46.
ULF. Engel، (2006), Tribology in microforming، ,Wear 260, 265-273
M. Geiger، A. Mebner، U. Engel، (1997), Production of microparts-size effects in bulk metal forming، similarity theory، Product. Eng. Vol.4(1) 55-58
U. Engel، A. Messner، N. Tiesler، (1998), Cold foriging of microparts-effect of miniaturization on friction، in: J.L. Chenot، et al. (Eds)، Proceedings of the First ESAFORM Conference on Materials Forming، Sophia Antipolis، France، 77-80
R. Eckstein، M. Geiger، U. Engel، (2000), Specific characteristics of micro-sheet metal working، in: M. Pietrzyk، et al. (Eds.)، Metal Forming، Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming، A.A.Balkema، Rotterdam، 453-459
برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است
