मेटल लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में बीम शेपिंग तकनीक का अनुप्रयोग

लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) तकनीक, उच्च विनिर्माण सटीकता, मजबूत लचीलेपन और स्वचालन की उच्च डिग्री के फायदे के साथ, ऑटोमोटिव, मेडिकल, एयरोस्पेस इत्यादि (जैसे रॉकेट) जैसे क्षेत्रों में प्रमुख घटकों के निर्माण में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। ईंधन नोजल, उपग्रह एंटीना ब्रैकेट, मानव प्रत्यारोपण, आदि)। यह तकनीक सामग्री संरचना और प्रदर्शन के एकीकृत निर्माण के माध्यम से मुद्रित भागों के संयोजन प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकती है। वर्तमान में, लेजर एडिटिव विनिर्माण तकनीक आम तौर पर एक उच्च केंद्र और कम किनारे ऊर्जा वितरण के साथ एक केंद्रित गाऊसी बीम को अपनाती है। हालाँकि, यह अक्सर पिघल में उच्च तापीय प्रवणता उत्पन्न करता है, जिससे बाद में छिद्र और मोटे दाने बनते हैं। बीम आकार देने की तकनीक इस समस्या को हल करने की एक नई विधि है, जो लेजर बीम ऊर्जा के वितरण को समायोजित करके मुद्रण दक्षता और गुणवत्ता में सुधार करती है।

पारंपरिक घटाव और समकक्ष विनिर्माण की तुलना में, धातु योज्य विनिर्माण तकनीक में कम विनिर्माण चक्र समय, उच्च प्रसंस्करण सटीकता, उच्च सामग्री उपयोग दर और भागों के अच्छे समग्र प्रदर्शन जैसे फायदे हैं। इसलिए, मेटल एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, हथियार और उपकरण, परमाणु ऊर्जा, बायोफार्मास्यूटिकल्स और ऑटोमोबाइल जैसे उद्योगों में उपयोग किया जाता है। असतत स्टैकिंग के सिद्धांत के आधार पर, धातु योजक विनिर्माण पाउडर या तार को पिघलाने के लिए एक ऊर्जा स्रोत (जैसे लेजर, आर्क, या इलेक्ट्रॉन बीम) का उपयोग करता है, और फिर लक्ष्य घटक के निर्माण के लिए उन्हें परत दर परत स्टैक करता है। छोटे बैचों, जटिल संरचनाओं या वैयक्तिकृत भागों के उत्पादन में इस तकनीक के महत्वपूर्ण फायदे हैं। जिन सामग्रियों को पारंपरिक तकनीकों का उपयोग करके संसाधित करना मुश्किल नहीं है या जिन्हें संसाधित करना मुश्किल है, वे भी एडिटिव विनिर्माण विधियों का उपयोग करके तैयार करने के लिए उपयुक्त हैं। उपरोक्त फायदों के कारण, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक ने घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर विद्वानों का व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। पिछले कुछ दशकों में, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक ने तेजी से प्रगति की है। लेजर एडिटिव विनिर्माण उपकरण के स्वचालन और लचीलेपन के साथ-साथ उच्च लेजर ऊर्जा घनत्व और उच्च प्रसंस्करण सटीकता के व्यापक लाभों के कारण, लेजर एडिटिव विनिर्माण तकनीक ऊपर उल्लिखित तीन धातु एडिटिव विनिर्माण प्रौद्योगिकियों के बीच सबसे तेजी से विकसित हुई है।

लेजर मेटल एडिटिव विनिर्माण तकनीक को एलपीबीएफ और डीईडी में विभाजित किया जा सकता है। चित्र 1 एलपीबीएफ और डीईडी प्रक्रियाओं का एक विशिष्ट योजनाबद्ध आरेख दिखाता है। एलपीबीएफ प्रक्रिया, जिसे सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम) के रूप में भी जाना जाता है, पाउडर बेड की सतह पर एक निश्चित पथ के साथ उच्च-ऊर्जा लेजर बीम को स्कैन करके जटिल धातु घटकों का निर्माण कर सकती है। फिर, पाउडर पिघल जाता है और परत दर परत जम जाता है। डीईडी प्रक्रिया में मुख्य रूप से दो मुद्रण प्रक्रियाएं शामिल हैं: लेजर मेल्टिंग डिपोजिशन और लेजर वायर फीडिंग एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग। ये दोनों प्रौद्योगिकियां धातु पाउडर या तार को समकालिक रूप से खिलाकर सीधे धातु भागों का निर्माण और मरम्मत कर सकती हैं। एलपीबीएफ की तुलना में, डीईडी में उच्च उत्पादकता और बड़ा विनिर्माण क्षेत्र है। इसके अलावा, यह विधि मिश्रित सामग्री और कार्यात्मक रूप से वर्गीकृत सामग्री भी आसानी से तैयार कर सकती है। हालाँकि, DED द्वारा मुद्रित भागों की सतह की गुणवत्ता हमेशा खराब होती है, और लक्ष्य घटक की आयामी सटीकता में सुधार के लिए बाद के प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।

वर्तमान लेजर एडिटिव विनिर्माण प्रक्रिया में, केंद्रित गाऊसी बीम आमतौर पर ऊर्जा स्रोत है। हालाँकि, इसके अद्वितीय ऊर्जा वितरण (उच्च केंद्र, निचला किनारा) के कारण, इससे उच्च तापीय प्रवणता और पिघले हुए पूल की अस्थिरता होने की संभावना है। परिणामस्वरूप मुद्रित भागों की गुणवत्ता ख़राब हो गई। इसके अलावा, यदि पिघले हुए पूल का केंद्र तापमान बहुत अधिक है, तो इससे कम पिघलने बिंदु वाले धातु तत्व वाष्पीकृत हो जाएंगे, जिससे एलबीपीएफ प्रक्रिया की अस्थिरता और बढ़ जाएगी। इसलिए, सरंध्रता में वृद्धि के साथ, मुद्रित भागों के यांत्रिक गुण और थकान जीवन काफी कम हो जाते हैं। गॉसियन बीम के असमान ऊर्जा वितरण से लेजर ऊर्जा उपयोग दक्षता कम होती है और अत्यधिक ऊर्जा बर्बाद होती है। बेहतर मुद्रण गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए, विद्वानों ने ऊर्जा इनपुट की संभावना को नियंत्रित करने के लिए लेजर पावर, स्कैनिंग गति, पाउडर परत की मोटाई और स्कैनिंग रणनीति जैसे प्रक्रिया मापदंडों को संशोधित करके गाऊसी बीम के दोषों की भरपाई का पता लगाना शुरू कर दिया है। इस पद्धति की बहुत संकीर्ण प्रसंस्करण विंडो के कारण, निश्चित भौतिक सीमाएँ आगे अनुकूलन की संभावना को सीमित करती हैं। उदाहरण के लिए, लेजर शक्ति और स्कैनिंग गति बढ़ाने से उच्च विनिर्माण दक्षता प्राप्त की जा सकती है, लेकिन अक्सर मुद्रण गुणवत्ता के त्याग की कीमत चुकानी पड़ती है। हाल के वर्षों में, बीम आकार देने की रणनीतियों के माध्यम से लेजर ऊर्जा वितरण को बदलने से विनिर्माण दक्षता और मुद्रण गुणवत्ता में काफी सुधार हो सकता है, जो लेजर एडिटिव विनिर्माण प्रौद्योगिकी के भविष्य के विकास की दिशा बन सकता है। बीम आकार देने की तकनीक आम तौर पर वांछित तीव्रता वितरण और प्रसार विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए इनपुट बीम के वेवफ्रंट वितरण को समायोजित करने को संदर्भित करती है। मेटल एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक में बीम शेपिंग तकनीक का अनुप्रयोग चित्र 2 में दिखाया गया है।

लेजर एडिटिव विनिर्माण में बीम आकार देने की तकनीक का अनुप्रयोग

पारंपरिक गॉसियन बीम प्रिंटिंग की कमियाँ

मेटल लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक में, लेजर बीम के ऊर्जा वितरण का मुद्रित भागों की गुणवत्ता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। हालाँकि गॉसियन बीम का उपयोग धातु लेजर एडिटिव विनिर्माण उपकरण में व्यापक रूप से किया गया है, लेकिन वे एडिटिव विनिर्माण प्रक्रिया में अस्थिर मुद्रण गुणवत्ता, कम ऊर्जा उपयोग और संकीर्ण प्रक्रिया विंडो जैसी गंभीर कमियों से ग्रस्त हैं। उनमें से, पाउडर की पिघलने की प्रक्रिया और धातु लेजर एडिटिव प्रक्रिया के दौरान पिघले हुए पूल की गतिशीलता पाउडर परत की मोटाई से निकटता से संबंधित है। पाउडर के छींटे और कटाव क्षेत्रों की उपस्थिति के कारण, पाउडर परत की वास्तविक मोटाई सैद्धांतिक अपेक्षा से अधिक है। दूसरे, भाप स्तंभ ने मुख्य पिछड़े जेट स्पलैश का कारण बना। धातु वाष्प पीछे की दीवार से टकराकर छींटे बनाती है, जो पिघले हुए पूल के अवतल क्षेत्र के लंबवत सामने की दीवार पर छिड़के जाते हैं (जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है)। लेज़र बीम और छींटों के बीच जटिल अंतःक्रिया के कारण, निकले छींटे बाद की पाउडर परतों की मुद्रण गुणवत्ता को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकते हैं। इसके अलावा, पिघले पूल में कीहोल का निर्माण भी मुद्रित भागों की गुणवत्ता को गंभीर रूप से प्रभावित करता है। मुद्रित टुकड़े के आंतरिक छिद्र मुख्य रूप से अस्थिर लॉकिंग छिद्रों के कारण होते हैं।

बीम आकार देने की तकनीक में दोषों का निर्माण तंत्र

बीम आकार देने की तकनीक एक साथ कई आयामों में प्रदर्शन में सुधार प्राप्त कर सकती है, जो गॉसियन बीम से अलग है जो अन्य आयामों का त्याग करने की कीमत पर एक आयाम में प्रदर्शन में सुधार करती है। बीम आकार देने वाली तकनीक पिघले हुए पूल के तापमान वितरण और प्रवाह विशेषताओं को सटीक रूप से समायोजित कर सकती है। लेज़र ऊर्जा के वितरण को नियंत्रित करके, एक छोटे तापमान प्रवणता के साथ एक अपेक्षाकृत स्थिर पिघला हुआ पूल प्राप्त किया जाता है। उचित लेजर ऊर्जा वितरण सरंध्रता और स्पटरिंग दोषों को दबाने और धातु भागों पर लेजर प्रिंटिंग की गुणवत्ता में सुधार के लिए फायदेमंद है। यह उत्पादन दक्षता और पाउडर उपयोग में विभिन्न सुधार प्राप्त कर सकता है। साथ ही, बीम आकार देने वाली तकनीक हमें अधिक प्रसंस्करण रणनीतियां प्रदान करती है, जो प्रक्रिया डिजाइन की स्वतंत्रता को काफी हद तक मुक्त करती है, जो लेजर एडिटिव विनिर्माण प्रौद्योगिकी में एक क्रांतिकारी प्रगति है।