NANO ÖLÇEKTE TALA KALDIRMA
Aytu ARIKAN, Erhan ALTAN *
Yüksek teknolojinin ihtiyaçlar n kar lamak için mikro ve nano (mikroalt ) ölçekte tala l imalat yapmak zorunlu hale gelmi tir. Günümüzde, tezgahlar n pozisyonlama hassasiyetlerinin geli imi sonucu, sabit diskler, teleskop ve laser aynalar ile mercekleri, mikro-elektromekanik parçalar gibi yüksek hassasiyet isteyen ürünlerin tek kesen a zl elmas tak mlar ya da çok kesen a zl elmas ta lama ta lar kullan larak mikro ve nano ölçekte imalat n n gerçekle tirilmesi mümkündür.
Nano ölçekte, malzemelerin plastik ak ve k r lmalar n n atomistik olmas nedeniyle, analizlerde sürekli ortamlar mekani i ilkeleri kullan lamamaktad r. Nano ölçekte tala kald rma mekanizmalar n ve parametrelerini incelemek için moleküler dinamik modelleme ve simülasyon kullan lmaktad r.
Bu çal mada, nanoteknoloji ve nano ölçekte tala kald rma konu edilmektedir. Moleküler dinamik kullan larak nano ölçekte tala kald rma modellemesi ve simülasyonu konusundaki ara t rmalar literatür bazl verilmektedir.
Anahtar sözcükler: Nanoteknoloji, Nano Ölçekte
Tala Kald rma, Moleküler Dinamik
Micro and nano (sub-micro) scale machining have become a necessity to provide the needs of high technology. Nowadays, as a result of the progresses of machine tool positioning accuracies, it is pos-sible to produce high precision products like hard disks, telescope and laser mirrors and lenses, mi-cro-electromechanic components, by using single-point diamond tools or multi-single-point grinding dia-mond tools.
Principles of continuum mechanics cannot be ap-plied to the analysis in nano-scale, because plastic flow and fracture of the materials are atomistic. Molecular dynamics modeling and simulation are used to investigate nano-scale machining mecha-nisms and parameters.
In this paper, nanotechnology and nano-scale machining are devoted. Researches on the model-ing and simulation of nano-scale machinmodel-ing by using molecular dynamics are given as a review literary based.
Keywords: Nanotechnology, Nano-Scale
Machin-ing, Molecular Dynamics
* Y ld z Teknik Üniversitesi, Makina Müh. Bölümü
G R
nlü fizikçi Richard Feynman' n 1959 y l nda atomik boyutta yap labilecek teknolojik geli meleri ortaya koymas n n [1] ard ndan ba layan minyatürle tirme ak m sonras , nanoteknoloji terimi, ilk defa, 1974 y l nda Taniguchi taraf ndan tan mlanm t r [2]. Taniguchi'ye göre nanoteknoloji, "nanometre alt çözünürlük ile nanometre hassasiyetinde konum kontrol, boyutsal ölçüm ve malzeme i leme teknolojileriyle bütünle ik i leme sistemleri" teknolojileridir [3]. Sabit diskler, teleskop ve laser aynalar ile mercekleri, mikro-elektromekanik parçalar (MEMs) gibi yüksek hassasiyet isteyen ürünlerin imalat tekniklerini içine alan nanoteknoloji için en güncel tan mlama, 2000 y l nda McKeown v.d. taraf ndan "boyutu 100 nm'den küçük olan ve istenilen fonksiyonel performans sa lamak için gerekli yap lar n çal malar , geli imi ve malzemelerin, araçlar n ve sistemlerin i lenmesi" eklinde verilmi tir [4].
Nanoteknoloji uygulamalar , genelde, "yukar dan-a a " ya da "a a dan-yukar " eklinde iki yakla mla ele al nabilir. "Yukar dan-a a " yakla m , atomlar n dolayl olarak kontrol edilerek nano boyutta yap lar n üretiminin sa land teknikler olarak ele al n rken, "a a dan yukar " - ya da "moleküler nanoteknoloji", nano boyutta yap lar n atom-atom ya da molekül-molekül olu turulmas teknikleri olarak ele al nabilir [5]. Günümüz endüstrisinde yukar dan a a yakla m na dayanan birçok teknikle, nano ölçekte imalat yap lmaktad r. Bunlara örnek olarak X n litografisi, karbon nanotüplerinin sentezlenmesi teknikleri gibi makro yap lar n mikro parçalar n n imalat yöntemleri verilebilir. Fakat a a dan yukar yakla m na dayal uygulamalar, henüz kuramsal niteliktedir ve imdilik uygulama çok azd r. Bu uygulamalara buharla t rma, difüzyon ya da çözünme yoluyla atomik mertebede malzeme ta n m örnek verilebilir [3].
Büyük bir h zla geli en yüksek hassasiyette imalat ve i leme teknikleri, yukar dan a a yakla m ile ele al nd nda, oldukça klasik bir teknolojidir. Tezgahlar n konumland rma do rulu unun geli mesiyle beraber, nanometrik ölçekte üretim teknikleri de, büyük bir ilerleme göstermi tir. ekil 1'de, 2000'li y llara kadar zamanla geli en i leme hassasiyeti grafi i görülebilir. Teknolojinin geli mesiyle beraber tala
m a ka le
kald rma tekniklerindeki geli meler, konumland rmado rulu unun artmas yla toplam i leme hassasiyetinde art a izin vermi tir. Konumland rma do rulu unun artmas , konvansiyonel tala kald rma tekniklerinin yan s ra çok hassas i leme tekniklerinin ve nano ölçekte i lemlerin geli mesini sa lam t r.
NANO ÖLÇEKTE TALA KALDIRMA
Yüksek hassasiyette i leme teknikleri, sabit disk sürücülerde kullan lan haf za disklerinin ve fotokopi makinalar nda kullan lan fotoreseptörlerin üretilmesinde 1970'lerde ba ar yla uygulanmaya ba land . Bu tip uygulamalar, çok düzgün yüzeyler söz konusu oldu unda çok yüksek geometrik do ruluk gerektirmektedir. Bu yüzeyler frezeleme, lepleme ve parlatma gibi çoklu i lemlerden ba ka tek kesen a zl elmas tak mlarla yüksek hassasiyette tornalama ile elde edilebilmektedir.Bu tip operasyonlar için geli tirilen tezgahlar, silindirik ya da düzlemsel formlar olu turmak için tipik olarak sadece bir adet do rusal hareket ekseni gerektiriyordu. Tezgahlarda genellikle hava yast kl i mili ve granit taban üzerine kurulu lineer k zaklar kullan l yordu. Tezgahlar, daha sonra CNC kontrol ve konum geri besleme
teknolojisi ile birlikte çok eksenli sistemler kullan larak geli tirildi. Bu dönemde geli im, yüksek hassasiyette i leme teknolojisini temel alan tek kesen a zl elmas tak mla tornalama konular nda görüldü. Bu yüzden i lem, elmas tak mlarla i lenebilen malzemelerle s n rl kald . Bu tür malzemeler, hemen hemen tüm yüzey merkezli kübik kafes yap l , temel olarak aluminyum, bak r, nikel, alt n ve bronz gibi demir bulundurmayan metal ve ala mlard r. Bunlara ek olarak, elmas tak mla i lemenin germanyum, silisyum gibi kristal malzemelerin ve polimetilmetakrilat,
makale
polistiren, polikarbonat gibi polimerlerin tala kald r lmas nda da uygun oldu u görüldü.
Günümüzün daha geli mi tak m tezgahlar teknolojileriyle, özellikle silisyum kristal yap l parçalar, tek kesen a zl elmas tak mlarla son derece verimli bir ekilde i lenebilmektedirler. Bunun yan s ra, geli tirilen ta lama teknolojileriyle, parlatma yapmaya gerek kalmadan son derece iyi yüzey kalitesine sahip parçalar elde edilebilmektedir.
Nano ölçekte tala kald rmada öncü çal malar, tek kesen a zl elmas tornalama (SPDT) alan nda Lawrence Livermore Ulusal Laboratuar (LLNL) taraf ndan gerçekle tirilmi tir [4]. Bunu takiben ABD, ngiltere, Uzak Do u ve Avrupa'da elektronik, optik ve manyetik alanlar nda yüksek hassasiyette tala kald rma uygulamalar gerçekle tirilmi tir. ekil 2.a'da görülen Ito v.d. tasarlad çevresel artlar n kontrol edilebildi i yüksek hassasiyette torna tezgah 'Capsule', 2-3 nm ortalama yüzey pürüzlülü ü sa lamaktad r [6]. ekil 2.b'de görülen Cranfield Üniversitesi'nde geli tirilen yüksek hassasiyette ta lama tezgah 'Tetraform C', i lenmi yüzeyin alt ndaki deformasyonu
oldukça dü ük seviyelerde tutarak kaliteli yüzey elde ederken parlatma/lepleme i lemlerini elimine ya da minimize etmek yoluyla hassas seramik ve optik parçalar n ekonomik üretimini sa lamak için geli tirilmi tir [7].
Ikawa v.d. tasarlad yüksek hassasiyette torna tezgah ile, manyetik etkile im esasl bir tahrik sistemi kullan larak birkaç nanometre hassasiyette yüzey pürüzlülü ü elde edilebilmekte ve tek kristal silisyum i parças i lenebilmektedir [10]. Wei Gao v.d. tasarlad nano-i leme tezgah nda ise dalma, gevrek malzemelerin nano ölçekte tala kald rma deneyleri yap lm ve nano ölçekte i lemler için kuvvet ölçme düzenekleri uygulanm t r [11, 12]. ekil 3'te, Wei Gao v.d. deneylerinde kulland klar deneysel tezgah n bir emas görülmektedir.
Günümüzde, tek kesen a zl elmas tak mlar ya da çok kesen a zl elmas ta lama ta lar kullanan, bilgisayar kontrollü, yüksek hassasiyette i leme tezgahlar ile i parças na ba l olarak 1 nm çözünürlük ve konumlama do rulu u sa lanabilmektedir [4].
(a) (b)
ekil 2 a) Ito vd. Taraf ndan Geli tirilen Yüksek Hassasiyette Elmas Tak ml Torna Tezgah Capsule . [8] b) Cranfield Üniversitesi nde Geli tirilen Tetraform C [9]
m a ka le
Nano Ölçekte Tala Kald rma Yöntemleri
Nano ölçekte tala kald rma, tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rma, çok kesen a zl tak mlarla nano ölçekte ta lama ve honlama, lepleme ve parlatma gibi yöntemlerle yap l r. Bu yöntemlerde i leme birkaç on nanometre kadard r, bu yüzden atom kümesi bölgesinde dalma ve çizme hareketleri, sadece noktasal hatalardan kaynaklanan kayma mekanizmas na ba l d r.
Çok kesen a zl tak mlarla nano ölçekte ta lama ve honlama, sert ve k r lgan malzemelerin sünek i lenmesinde elmas a nd r c tanelerden olu an ta lar kullan larak uygulan rken; tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rma yumu ak ve sünek malzemelerde tek kesen a zl elmas tak mlar ile kayma mekanizmas na dayal olarak gerçekle tirilir. Nano ölçekte lepleme ve parlatmada, sert ve k r lgan malzemelerin i lenmesi amac yla serbest a nd r c lar kullan l r. [13]
Tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rma birkaç on nanometrelik i lemeyi kapsar, fakat kesici tak m n tala kald rma esnas nda yenmesi gereken atomik ba kuvveti yüksek oldu undan, kesici tak m n ucuna
etkiyen kayma gerilimi çok yüksektir. Bu sebeple, tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rmada kullan labilecek tak mlar, günümüzde elmasla s n rlanm t r. Tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rma ile elde edilen i parças , i lenmi yüzeyin ve yüzey alt n n deformasyonunun çok az oldu u pürüzsüz ve ayna gibi yüzeylere sahiptir.
Nano ölçekte ta lama ve honlama, birkaç on nanometrelik bir kesme derinli iyle kayma olu turur ve ço unlukla cam ve seramik gibi sert ve k r lgan malzemelerde çatlaks z yüzeyler elde etmek için kullan l r. A nd r c tanelerin kesici ucuna etkiyen gerilmeler son derece yüksektir. Bu yüzden, nano ölçekte ta lama ve honlamada sadece bir tabana ba l çok ince taneli elmas a nd r c lar (ba l -a nd r c lar) kullan labilir.
Ba l -a nd r c l i lemlerden farkl olarak, atom kümesi düzeyinde düzlem leplenmesinde ve ayna parlatmada yeniden kullan labilir ince taneli serbest a nd r c lar kullan l r, fakat bu iki yöntemin mekanizmalar , ekil 4'te gösterildi i gibi oldukça farkl d r. Ayna parlatma, ekil 4.a'da gösterildi i gibi, Fe2O3, Cr2O3, CeO2 veya MgO ekil 3. Wei Gao v.d. Nano Ölçekte Tala Kald rma çin Tasarlad klar Deneysel Nano Ölçekte Tala Kald rma Tezgah [11]
gibi yumu ak ama s ya dayan kl ve keskin a zl olmayan ince taneli a nd r c lar kullan larak kayma veya parlatma hareketleri ile yap l r. Bu yöntemde a nd r c lar, i parças n n yüzeyine ba l olarak hareket eden yumu ak parlatma tabakas na gömülürler ve noktasal hata etkisiyle kayma mekanizmas ile i parças n n yüzeyini parlat rlar. Di er yandan, düzlem leplemede, ekil 4.b'de gösterildi i gibi, elmas, CBN, SiC, SiO2 veya B4C gibi sert ve ayn
zamanda k r lgan, keskin a zl , ince taneli a nd r c larla tala kald rma i lemini gerçekle tirmek için orta-sertlikte bir lepleme plakas kullan l r. Düzlem lepleme yönteminde, ekil 4.c ve 4.d'de gösterildi i gibi, çok ince taneli a nd r c lar ile ultrasonik etkiyle veya darbeli olarak gerçekle tirilen teknikler de uygulanmaktad r.
Nano Ölçekte Tala Kald rmada Parças
Malzemesi Özelikleri
Tala kald rma operasyonlar sadece tezgaha ve tak ma de il, ayr ca i parças malzemesine de ba l d r. Nano ölçekte tala kald rma operasyonlar nda, malzemenin, uygun tak m ve i leme yöntemiyle i lenmesi yüzey hassasiyeti, yüzey alt deformasyonlar , tak m ömrü, i leme
zaman gibi maliyeti etkileyen hatalar n önlenmesi yönünden önemlidir. Gevrek malzemelerin sünek i lenmesi tala kal nl n kritik bir de erin alt nda tutarak, rijit ba lama düzenekleriyle ba lanm özel tak mlar kullanarak sa lan r. Elmas tak mlar n kullan m yla, gevrek malzemelerin i lenmesinde plastik ekil de i tirmeye u ram tala olu umu görülebilir [3, 4]. Bu i lem, sünek veya kayma mekanizmal bir i leme olarak bilinir ve 50 nm veya daha küçük yüzey alt deformasyonlar ile optik ve seramik parçalar n verimli ekilde imalatlar için önemlidir.
Sünek rejimde i leme, deformasyon çok küçük oldu unda her malzemenin plastik deformasyona u rayaca ilkesine dayan r (Sreejith, 2001[14]). Gevrek malzemelerde, gevrek rejimden sünek rejime geçi ,
gerilme enerjisi ve yüzey enerjisindeki enerji dengesi yoluyla aç klanabilir. Yükün uygulanmas yla olu an bölgesel k r lmalar gevrek malzemenin i lenmesinde önemlidir. Bu k r lmalar, etkin kesme derinli iyle ba layacak ve ortalama bir derinlikte devam edecektir. E er ortalama bozulma derinli i kesme derinli ini a mazsa, sünek rejim artlar sa lan r.
ekil 4. Cam, Seramik, Gibi Gevrek Malzemelerin Düzlem Leplenmesi ve Parlat lmas . (a) Ayna Parlatma, (b) Düzlem
m a ka le
Gevrek malzemelerin sünek rejimde i lenebilirli ini etkileyen bir di er faktör de ilerlemedir. ekil 5'te görüldü ü gibi, ilerleme h z artt kça gevrek malzemenin sünek rejimde i lenmesi için gerekli kritik nüfuz derinli i azalmaktad r.
Bu tür i leme, parçalar n performanslar n ve dayan mlar n farkedilir derecede art r r ve sonradan parlatma ihtiyac n ortadan kald r r veya minimum k lar. Ayr ca, malzemedeki ve tane s n rlar içindeki yabanc maddeler ve homojensizlik, yüzey bitirmede kötü bir sonuç veren, kesici tak m n küçük titre imlerine neden olurlar [3]. Bu yüzden, yüksek hassasiyette i leme için, bu karakteristikler göz önüne al nmal d r.
Nano Ölçekte Tala Kald rmada Kesici Tak m Malzemesi Özelikleri
Yüksek h z çeli i gibi al lm metal malzemelerden yap lm tala kald rma tak mlar , yüksek s l dayan ma sahip kaplamal tak mlar ve a nd r c ta lama ta lar , kesici ucun çabuk ve a r a nmas sebebiyle, nano ölçekte tala l i leme için uygun de ildirler. Nano ölçekte ve yüksek hassasiyette tala kald rma sistemlerinde kesici tak m, mikronalt /nanometre bölgesinde i leme operasyonlar nda, uzun i leme boylu çal malarda
yüksek kararl l k göstermelidir. Elmas kesici tak mlar Al, Cu gibi sünek malzemelerin tornalanmas nda ve Ge, cam gibi gevrek malzemelerin ta lanmas nda ba ar yla kullan lmaktad rlar.
Nano Ölçekte Tala Kald rma lemleri çin Tezgah Özelikleri
Yüksek hassasiyet ve konum do rulu u isteyen nano ölçekte tala kald rma operasyonlar nda kullan lacak tezgahlar için u özellikler aran r:
- titre imden ar nm , rijit bir yap - rijit i parças ba lama düzene i - yüksek çözünürlükte hareket kontrolü - s l kararl l k
- geri-besleme kontrol
- tezgahla bütünle ik fakat i leme s ras nda tezgahtan gelecek etkilere kar izole edilmi yüksek hassasiyette bir ölçme sistemi
- s cakl k, titre im, rutubet ve toz kontrolü sa layan çevresel kontrol üniteleri
Nano Ölçekte Görüntüleme ve Metroloji
Nano ölçekte görüntüleme yöntemleri, yüzeylerin incelenmesi ve tan mlanmas için önemli teknolojilerdir. Malzemelerin metalurjik, topografik, tribolojik özelliklerinin ve yüzey etkile imlerinin incelenebilmesi için gerek fiziksel gerekse de kimyasal tekniklere ba vurulmaktad r. Kimyasal incelemeler, çok geli mi spektroskopik tekniklerle yap l rken, fiziksel incelemelerin yap lmas nda elektron ve sonda mikroskopisi teknikleri yayg n olarak kullan lmaktad r.
Görünür n dalga boyunun yakla k 0,5 µm olmas sebebiyle, k mikroskoplar n n, 0,5 µm'den daha küçük yap lar görüntülemesi mümkün de ildir [16]. Ancak, temel i leyi mant k mikroskobuyla ayn olan elektron mikroskobu, görünür ktan daha küçük dalga boyuna
ekil 2.14. lerleme ve Kesme Derinli ine Ba l Kalarak Gevrek
makale
sahip elektron nlar yla görüntüleme yapar. Elektron mikroskobunda, uygun potansiyeller alt nda h zland r lan elektron demeti, incelenecek örnek malzemenin ya içinden geçirilir ya da yüzeyinden yans t l r. Elektron demetinin, örnek malzemenin içinden geçerek gözlemlenmesine olanak tan yan mikroskoplar, geçirmeli elektron mikroskobu-TEM (Transmission Electron Microscope), örnek malzeme yüzeyinden yans tma yaparak görüntü elde eden mikroskoplar ise taramal elektron mikroskobu-SEM (Scanning Electron Microscope) olarak adland r l rlar. TEM ile cisimlerin içyap lar n görüntülemek mümkündür [17]. SEM ile inceleme yapabilmek için incelenecek cismin iletken olmas ya da özel tekniklerle iletkenlik kazand r lmas gereklidir. Geli en teknolojiyle birlikte görece yeni bir tür diyebilece imiz taramal sondaj yapma tekni ine dayanan taramal sonda mikroskobu teknikleri SPM (Scanning Probe Microscope) de yayg n olarak kullan lmaktad r.
SPM ile görüntüleme tekni i, çok ince uçlu ve keskin
bir sondan n, incelenecek örnek yüzeyinde düzenli aral klarla hareket ettirilerek taranmas yla elde edilen verilerin de erlendirilmesi ilkesine dayan r. Sonda, yüzey üzerinde hareket ederken, yüzey üzerinde bulunan topolojiyi alg lar. SPM'ler, numune yüzeyi alg lamada kullan lan yöntemlere göre farkl tasarlan rlar ve farkl adlar al rlar. Bunlar n en yayg n kullan lanlar taramal tünelleme mikroskobu, STM (Scanning Tunneling Microscope), ve atomik kuvvet mikroskobudur, AFM (Atomic Force Microscope). STM yüzeye çok yak n bir uzakl kta ve yüzey üzerine tungsten sondayla dokunmadan tarama yaparken, AFM hem dokunarak hem de dokunmadan yüzey taramas yapar [18]. STM'lerde sadece iletken ya da iletken hale getirilmi malzeme örnekleri incelenebilirken, AFM'ler yal tkan malzemelerin incelenmesine de olanak tan rlar. Tablo 1'de tak m tezgahlar ve tak m konumlama ekipmanlar ile birlikte ölçüm cihazlar ve konumlama do ruluklar görülmektedir.
Ölçüm Çözünürlü ü ya da Konumlama Do rulu u
Tak m Tezgahlar ve Tak m Pozisyonlama Ekipmanlar
Ölçüm Cihazlar ve Veri leme Ekipmanlar
Geleneksel Torna ve Freze Tezgahlar
Kumpas
Hassas Torna, Ta lama Tezgah , Lepleme ve Honlama Tezgah
Mekanik Komparatör, Mikrometre, Kadranl Gösterge
Aparat Delik leme Tezgah , Aparat, Ta lama Tezgah , Superfini Tezgah
Elektrikli ya da Pnömatik Mikrometre, Optik Komparatör
Hassas Ta lama Tezgah , Hassas Lepleme Tezgah , Optik Mercek Ta lama Tezgah ,
Elmas Tak ml Hassas Torna Tezgah
Optik ya da Manyetik Skalalar, Elektrikli Komparatör, Elektronik Komparatör (temass z), X I n Mikroskobu
Optik Mercek Fini Ta lama, Al t rma Tezgah , Elmas Ta l Hassas Ta lama
Tezgah
Laserli Ölçme Araçlar , Optik Fiber Sistemleri, (Talysurf, Talyrond)
Süper Yüksek Hassasiyette Ta lama, Lepleme ve Parlatma Tezgah , Tek Kesen
A zl Elmas Tak m le Tornalama (SPDT)
Yüksek Hassasiyette Laserle Ölçme Enstrümanlar (Doppler ve Hiposs), Çoklu Yans tmal Laser Araçlar , Heterodin Pürüzlülük Ölçme Araçlar (Zygo, Wypo)
Nano-servo Posizyonlama Sistemi, Atom ya da Molekuler ve yon I nl leme
Aparat
SEM, TEM, X I n Mikroskobu (2 nm), STM, AFM, Auger Analyser, X I n
Mikroanalizör
0,1 µm 0,01 µm 0,001 µm 1 nm 10 µm 1 µm
Tablo 1. Tak m Tezgahlar ve Tak m Konumlama Ekipmanlar ile Ölçüm Cihazlar n n ve Veri leme Ekipmanlar n n Çözünürlü ü ya da
m a ka le
MOLEKÜLER D NAM K LE NANO
ÖLÇEKTE TALA KALDIRMANIN
MODELLENMES
Metal malzemelerin nano ölçekte ekillendirilmelerindeki mekanizmalar, makro ölçekte gösterdikleri sürekli yap lardan ihmal edilemez derecede sapmalar gösterirler. Nano ölçekte tala kald rma analizlerinde, malzemelerin plastik ak ve k r lmalar n n atomik boyutta olu mas nedeniyle sürekli ortamlar mekani i ilkeleri kullan lamamaktad r [19]. Moleküler dinamik (MD) teknikleri, yüksek hassasiyette, elmas kesici tak mlarla donat lm yüksek maliyette tezgahlar kullanmadan, nano ölçekte tala kald rman n modellenmesini, simüle edilmesini sa lar. Çal ma bölgesinin bilgisayar kapasitesine ba l olarak s n rl oldu u modelleme çal malar nda, tak m-i parças etkile imleri gözlenebilmekte, yüksek çözünürlükte analiz yap labilmekte, uç yar çap , tala aç s gibi tak m geometrisi ve kesme derinli i gibi i leme etki eden de i kenler kolayl kla ve etkin olarak de i tirilebilmekte, malzemenin kristal yap s n n i leme esnas ndaki etkileri gözlenebilmektedir.
Moleküler dinamik, temel olarak Newton fizi ine ve istatistiksel mekani in atomik uygulamalar na dayan r. Dengedeki ya da denge d Hamiltonian sistemlerle ifade edilebilen nano ölçekte tala kald rmada moleküler dinamik uygulamalar , 1990'lar n ba nda LLNL'de Belak v.d. çal malar ile ba lam t r [20, 21]. Moleküler dinamik modellemelerde, atomlar birbirleriyle etkile im halinde ve belli bir termodinamik dengededir. N adet atomun V sabit hacimdeki izole sistemlerde , dengesi söz konusudur [22].
U
E
H
k (1)Burada, atomlar n pozisyonlar , potansiyel enerjilerini (U), h zlar ise kinetik enerjilerini (Ek) belirlemektedir. H,
Hamiltonian sistemi simgeler. Atomlararas etkile imlerin, yani potansiyellerin, atomlar n pozisyonlar n n fonksiyonu olarak veren deneye dayal denklemlerle belirlenmesi mümkündür. Atomlararas potansiyelleri bilmekle, birbirinden ba ms z olan atomlara etkiyen kuvvetler belirlenebilmekte, böylece zaman içindeki hareketler de belirlenebilmektedir.
1990'lar n ba nda LLNL'de Belak v.d. önerdi i moleküler dinamik modellemede ortogonal nanometrik tala kald rma simüle edilmi tir. Bu çal may , Osaka Üniversitesi'nden Shimada v.d. kesme derinli i, kesme derinli i/uç yar çap oran , minimum kesme derinli i, yüzey pürüzlülü ü, kesmede deformasyon bölgesi, gerinim enerjisi ve kristal yap s konular nda modellemeleri [23 - 26] ve Inamura v.d. atomlar n minimim enerji pozisyonlar n de i tirerek quasi-statik artlarda moleküler dinamik simülasyonlar ile kesme kuvvetleri, kesme yönüne ba l kristal oryantasyonu, enerji analizi, gerilim/ gerinim analizi konular nda modellemeleri [27 - 29] takip etmi tir. Itoh ve Maekawa'n n yapt çal mada, alan s n rl bir moleküler dinamik model kullan larak tak m a nmas incelenmi tir [19].
Rentsch ve Inasaki'nin yapt klar çal malarda [16, 30, 31], abrazif prosesler için MD uygulamalar yap lm , abrazif i lemede malzeme y lmas üzerinde durulmu , sünek i lemede yüzey olu umu ve dislokasyon olu umu, y lma ve dislokasyon olu umu, gevrek malzemelerde dalma, 2 boyutta monokristalin metallerde tala kald rma ve polikristalin metallerde tala kald rma konular nda uygulamalar yap lm t r. ekil 5'te Rentsh ve Inasaki'nin tane s n rlar n n nano ölçekte tala kald rma i lemine etkilerini inceledikleri moleküler dinamik simülasyonu görülmektedir.
Komanduri v.d. [32 - 37], tak m geometrisinin ve tala kald rma parametrelerinin tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rmaya etkisi, i parças kristal yap s n n ve kesme yönünün tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rmaya etkisi, atomik boyutta sürtünme, dalma, çizme ve tak m ç k etkileri konular nda MD simülasyonlar olu turarak çal malar yapm lard r. Ayr ca, Komanduri v.d. , Toensoff potansiyeli kullanarak geli tirdikleri modelde, silisyum malzemenin nano ölçekte tala kald r lmas n incelemi tirler [38]. Han v.d. yapt modellemede [39], tak m geometrisinin tek kesen a zl tak mla nano ölçekte tala kald rmaya etkileri gözlenmi tir. Shimizu v.d., aluminyum malzemenin deformasyonu ve tala olu um prosesi ile ta lama kuvveti ve tak m-i parças temas boyu konular nda modellemeler yapm lard r [40]. Lin v.d. yapt çal mada, nano ölçekte ta lama modellenmi , a nd r c tanenin etki bölgesinin
yak nlar ndaki mikroskopik bölgedeki tala kald rma ve yüzey olu umu incelenmi tir [41]. Cheng v.d. taraf ndan geli tirilen teknikle, tala kald rmada olu an s s n n etkileri simülasyona dahil edilerek nano ölçekte tala kald rmada tak m a nmas incelenmi tir [42].
Moleküler dinamik, bilgisayar kapasitesine ba l olarak çal ma bölgesinin s n rl olmas , kesme h zlar n n çok yüksek olmas (200-500 m/s) durumunda ve atom-atom etkile imlerinin sapmalar gösterdi i çal ma bölgesinin fazla büyük seçilmesi durumunda dezavantajlara sahiptir. Fakat moleküler dinamik, sonlu elemanlar yöntemlerinden farkl olarak, tak m-i parças etkile imlerinin incelenebilmesi, yüksek çözünürlükte analiz yap labilmesi, tak m geometrisi ve kesme derinli i gibi i leme etki eden de i kenlerin kolayl kla ve etkin olarak de i tirilebilmesi ve metal malzemenin kristal yap s n n i leme esnas ndaki etkilerinin gözlenebilmesi gibi önemli avantajlara sahiptir.
SONUÇ
Günümüzde, nano ölçekte tala kald rma i lemlerinde, uygulama aç s ndan sadece elmas tak mlara ba l kal nmaktad r. Nanoteknolojinin geli mesiyle, yeni, s l dayan mlar ve sertlikleri nano ölçekte tala kald rma artlar nda kararl olan tak mlar n geli tirilmesi devam etmekte ve nanometrik konum do rulu u ve tekrarlanabilirlik sa layan tezgahlar n geli mesiyle beraber, nano ölçekte tala kald rma teknikleri de geli mektedir. Moleküler dinamik modelleme ile bilgisayar ortam nda nano boyutta mekanizmalar n ve etkilerin anla lmas na
yönelik çal malar yo unlukla devam etmektedir. Nano boyutta mekanizmalar n ve etkilerin tam olarak anla lmas yla nano öçekte tala kald rma i lemlerinde yüksek verimlilik ve faydalar sa lanacak ve dolay s yla uygulama alanlar da geni leyecektir.
KAYNAKÇA
1 . R. P. Feynman, "There's Plenty of Room at the Bottom - An
Innovation to Enter a New Field of Physics" Ann. Meeting of the APS, California Institute of Technology, December 1959
2 . N. Taniguchi, et. al., "On the Basic Concept of
Nanotechnology" Proceedings of ICPE, Tokyo, 1974
3 . N. Taniguchi, et al., "Nanotechnology: Integrated Processing
Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products", Oxford University Press, 1996
4 . J. Corbett, P.A. McKeown, G.N. Peggs, R. Whatmore,
"Nanotechnology: International Developments and Emerging Prod-ucts", Annals of CIRP vol. 49/2/2000, Keynote Papers sf. 523
5 . E. Drexler, "Unbounding the Future: the Nanotechnology
Revo-lution", Willam Morrow and Company, Inc. New York 1991
6 . H. Shinno, H. Hashizume, Y. Ito, "Structural Configuration
and Performances of Machining Environment-Controlled Ultraprecision Diamond Turning Machine 'Capsule' ", Annals of CIRP 41/1/1992, sf. 425
7 . J. Corbett, et. al, "An Ultra Precision Machine Tool
Demon-strating a Novel Vibration, Resistant, Structure", Precision Engi-neering - Nanotechnology, Proceedings fo the 1st International Euspen Conference, Shaker Verlag, Aachen, 1999, sf. 159
8 . http://www.upm.pi.titech.ac.jp/capsule_eng.html
9 . http://www.cranfield.ac.uk/sims/mem/dave_s/tetraform.html
10. H. Eda, E. Ohmura, M. Sahashi, T. Kobayashi, N. Ikawa,
"Ultraprecise Machine Tool Equipped with a Giant Magneto-striction Actuator - Development of New Materials, TbxDy1-ekil 5. Retsch ve Inasaki nin Nano Ölçekte Tala Kald rma leminde Tane S n rlar n n Etkilerini nceledikleri Moleküler Dinamik Modeli
m a ka le
x(FeyMn1-y)n, and Their Appication", Annals of CIRP 41/1/ 1992, sf. 421
11. W. Gao, R. J. Hocken, J. A. Patten, J. Lovingood,
"Experi-ments Using a Nano-Machining Instrument for Nano-Cutting Brittle Materials", Annals of CIRP 49/1/2000, sf. 439
12. Wei Gao, R. J. Hocken, J. A. Patten, J. Lovingood, D. A. Lucca, "Construction and Testing of a Nanomachining
Istrument", Precision Engineering, Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nnotechnology, 24 (2000), 320-328
13. N. Taniguchi, "Nano-machining or processing systems with
nanometre accuracies and sub- nanometre scattering widths or processing resolutions", Nanotechnology, Integrated Process-ing Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products, ed. N. Taniguchi, Oxford University Press, 1996, sf.15
14. P.S. Sreejith, B.K.A. Ngoi, "Material Removal Mechanisms
In Precision Machining Of New Materials", IJMT&M 41, 2001
15. T. Sata, Y. Takeuchi, "Ultraprecision 3D Machining of Glass",
Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996
16. R. Rentsch, I. Inasaki, E. Brinksmeier, W. Preuss, O. Riemer, "Influence of Material Characteristics on the
Micromachining Process", Materials Issues in Machining III and the Phsiscs of Machining III, 1996, sf. 65
17. S. Takashima, "Electron beam measuring systems: SEM and
TEM", Nanotechnology, Intedrated Processing Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products, ed. N. Taniguchi, Ox-ford University Press, 1996, sf. 79
18. T.V. Vorburger, J.A. Dagata, G. Wilkening, K. Iizuka, E.G. Thwaite, P. Lonardo, "Industrial Uses of STM and AFM",
Annals of CIRP 46/2/1997, sf. 597
19. K. Maekawa, A. Itoh, "Friction and Tool Wear in Nano-scale
Machining - a Molecular Dynamics Approach", Wear 188 (1995) 115
20. J. Belak, L. F. Stowers, "A Molecular Dynamics Model of the
Orthogonal Cutting Process", Proceedings of ASPE Annual Conf., Rochester NY, 1990, sf. 76
21. W. G. Hoover, A. J. De Groot, C. G. Hoover, L. F. Stowers, T. Kawai, B. L. Holian, T. Boku, S. Ihara, J. Belak, "Large
Scale Elastic-Plastic Indentation Simulation via Non-equilibrium Molecular Dynamics", Phys. Rev. A. 42 (10) (1990), sf. 5844
22. J. M. Haile, "Molecular Dynamics Simulation, Elementary
Methods", John Wiley & Sons Inc., 1992
23. N. Ikawa, S. Shimada, H. Tanaka, G. Ohmori, "An
atom-istic analysis of nanometric chip removal as affected by tool-work interaction in diamond turning", Annals of CIRP 40/1/ 1991, sf. 551
24. S. Shimada, N. Ikawa, G. Ohmori, H. Tanaka, "Molecular
synamic analysis as compared with experimental results of micromachining", Annals of CIRP 41/1/1992, sf. 117
25. S. Shimada, N. Ikawa, H. Tanaka, J. Uchikoshi, H. Yoshinaga, "Feasibility study on ultimate accuracy in
microcutting using molecular dynamics simulation", Annals of CIRP 42/1/1993, sf. 91
26. S. Shimada, N. Ikawa, H. Tanaka, J. Uchikoshi, "Structure
of micromachined surface simulated by molecular dynamics analysis", Annals of CIRP 43/1/1994, sf. 51
27. T. Inamura, N. Takezawa, N. Taniguchi, "Atomic scale
cut-ting in a computer using crystal models of copper and diamond" Annals of CIRP 41/1/1992, sf. 121
28. T. Inamura, N. Takezawa, Y. Kumaki, "Mechanics and
en-ergy dissipation in nanoscale cutting", Annals of CIRP 42/1/ 1993, sf. 79
29. T. Inamura, N. Takezawa, Y. Kumaki, T. Sata, "On a
pos-sible mechanism of shear deformation in nanoscale cutting", Annals of CIRP 43/1/1994, sf. 47
30. R. Rentsch, I. Inasaki, "Molecular dynamics simulation for
abrasive processes", Annals of CIRP 43/1/1994, sf. 327
31. R. Rentsch, I. Inasaki, "Investigation of surface integrity by
molecular dynamics simulation", Annals of CIRP 44/1/1995, sf. 295
32. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L. M. Raff, "Effect of
tool geometry in nanometric cutting: a molecular dynamics simulation approach", Wear 219 (1998) sf. 84
33. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L. M. Raff,
"Orienta-tion effects in nanometric cutting of single crystal materials: an MD simulation approach", Annals of CIRP 48/1/1999, sf. 67
34. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L. M. Raff, "MD
simu-lation of nanometric cutting of single crystal aluminum - effect of crystal orientation and direction of cutting", Wear 242 (2000), sf. 60
35. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L. M. Raff, "MD
simu-lation of exit failure in nanometric cutting", Mat. Sci. and Eng. A311 (2001), sf. 1
36. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, L. M. Raff, "MD
simu-lation of indentation and scratching of single crystal alumi-num", Wear 240 (2000), sf. 113
37. R. Komanduri, N. Chandrasekaran, "MD simulation of
atomic scale friction", Phys. Rev. B Vol. 61 (2000), af. 14007
38. Komanduri R., Chandrasekaran N., Raff L.M.,
"Molecu-lar Dynamics Simulation of the Nanometric Cutting of Sili-con", Phys. Rev. B vol. 81, no. 12, 2001
39. X. S. Han, B. Lin, S. Y. Yu, S. X. Wang, "Investigation of
tool geometry in nanometric cutting by molecular dynamics simulation", Journal of Mat. Proc. Tech. 129 (2002) sf. 105
40. J. Shimizu, L.B. Zhou, H. Eda, "Simulation and
experimen-tal analysis of super high-speed grinding of ductile material", Journal of Mat. Proc. Tech. 129 (2002), sf. 19
41. B. Lin, S. Y. Yu, S. X. Wang, "An experimental study on
molecular dynamics simulation in nanometer grinding", Journal of Materials Processing Technology 138 (2003) 484-488
42. K. Cheng, X. Luo, R. Ward, R. Holt, "Modeling and
simu-lation of the tool wear in nanometric cutting", Wear 255 (2003), 1427-1432
