Deformation Mechanisms of Three-Dimensional Angle-Interlock Preforms

कल्पना कीजिए कि आप कागज की एक सपाट शीट को बास्केटबॉल के चारों ओर पूरी तरह से लपेटने की कोशिश कर रहे हैं। कागज विरोध करता है; वह सपाट रहना चाहता है, और यदि आप उसे मजबूर करते हैं, तो वह मुड़ जाता है या फट जाता है। अब कल्पना कीजिए कि वह कागज नहीं, बल्कि हजारों आपस में बुने हुए कार्बन फाइबर से बना एक मोटा, भारी कपड़ा है, जिसे जेट इंजन या अंतरिक्ष यान का कंकाल बनने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत है, लेकिन इसे बिना विफल हुए जटिल, घुमावदार आकार लेना सिखाना आधुनिक इंजीनियरिंग की सबसे कठिन चुनौतियों में से एक है। यह कपड़ा एक एकल ठोस टुकड़ा नहीं है; यह धागों का एक ग्रिड है जो फिसल सकता है, घूम सकता है और मुड़ सकता है, लेकिन केवल विशिष्ट तरीकों से। यदि धागे फंस जाते हैं या किसी ऐसे आकार में मजबूर किए जाते हैं जिसे वे झेल नहीं सकते, तो अंतिम भाग कमजोर या खराब हो जाएगा। इंजीनियरों को यह जानना आवश्यक है कि सामग्री को काटने से पहले वह वास्तव में कैसे व्यवहार करेगी, लेकिन उसकी गति का पूर्वानुमान लगाना किसी तूफान में रेत के एक अकेले कण के लिए मौसम का पूर्वानुमान लगाने जैसा है।

तियांगोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम और चीन के कई उद्योग भागीदारों ने इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के कपड़े पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'थ्री-डायमेंशनल एंगल-इंटरलॉक प्रीफॉर्म' कहा जाता है। साधारण कपड़े के विपरीत, जो सपाट होता है, यह सामग्री इस तरह बुनी जाती है कि धागे न केवल बाएं-से-दाएं और आगे-से-पीछे, बल्कि कपड़े की मोटाई के माध्यम से ऊपर और नीचे भी चलते हैं। यह एक ठोस, आपस में जुड़े हुए ढांचे का निर्माण करता है जो मानक स्तरित सामग्रियों की तुलना में बिखरने के प्रति कहीं अधिक प्रतिरोधी है। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि जब इस मोटे, तीन-आयामी कपड़े को एक घुमावदार सतह पर दबाया जाता है, तो यह ठीक से कैसे विकृत होता है, इस प्रक्रिया को 'फॉर्मिंग' (आकार देना) कहा जाता है। इसके लिए, उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया या सरल नियमों पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक परिष्कृत डिजिटल मॉडल बनाया जो कपड़े के भौतिक विज्ञान की नकल करता है, जो इसे एक एकल, निरंतर सामग्री के रूप में मानता है जो जटिल तरीकों से खिंच सकती है, दब सकती है और मुड़ सकती है।

टीम ने प्रयोगशाला में वास्तविक कपड़े का परीक्षण करना शुरू किया ताकि यह देखा जा सके कि विभिन्न बलों के प्रति इसकी प्रतिक्रिया क्या होती है। उन्होंने इसे खींचकर देखा कि यह कितना खिंचता है, इसे ऊपर से दबाकर देखा कि यह कितना संकुचित होता है, और इसे मरोड़कर देखा कि धागे एक-दूसरे के विरुद्ध कैसे घूमते हैं। उन्होंने पाया कि बल की दिशा के आधार पर कपड़े का व्यवहार बहुत अलग होता है। जब इसे खींचा जाता है, तो धागे सीधे हो जाते हैं और सख्त हो जाते हैं। जब इसे दबाया जाता है, तो धागों के बीच के सूक्ष्म अंतराल बंद हो जाते हैं, और सामग्री को दबाना कठिन हो जाता है। जब इसे मरोड़ा जाता है, तो धागे एक-दूसरे के पास से फिसलते हैं, लेकिन केवल एक बिंदु तक, जिसके बाद वे आपस में लॉक हो जाते हैं और आगे की गति का विरोध करते हैं। इन प्रतिक्रियाओं को सावधानीपूर्वक मापकर, शोधकर्ताओं ने कपड़े के व्यवहार का वर्णन करने के लिए आवश्यक विशिष्ट संख्याएँ पहचान लीं। फिर उन्होंने इन संख्याओं को एक कंप्यूटर प्रोग्राम में डाला, जिससे कपड़े का एक आभासी संस्करण तैयार हुआ जिसे सिम्युलेटेड वातावरण में परखा जा सकता था।

अपने डिजिटल मॉडल की सटीकता की जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक वास्तविक दुनिया का प्रयोग किया। उन्होंने कार्बन फाइबर कपड़े के एक वर्गाकार टुकड़े को लिया और उसे एक अर्धगोलाकार गुंबद (हेमिस्फेरिक डोम) के विरुद्ध दबाया, ठीक वैसे ही जैसे किसी कटोरे के ऊपर सपाट कपड़े को दबाया जाता है। उन्होंने बारीकी से देखा कि कपड़ा कैसे हिलता है, इसे दबाने के लिए कितने बल की आवश्यकता होती है, और धागे कैसे स्थानांतरित होते हैं। उन्होंने अपने वास्तविक दुनिया के अवलोकनों की तुलना अपने कंप्यूटर सिमुलेशन के परिणामों से की। मिलान उल्लेखनीय रूप से सटीक था। मॉडल ने आकार बनाने के लिए आवश्यक बल की मात्रा का सही अनुमान लगाया, जिसमें शिखर बल (पीक फोर्स) में केवल लगभग 15 प्रतिशत का अंतर था। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने सटीक रूप से दिखाया कि कपड़ा कहाँ मुड़ेगा और धागे कैसे घूमेंगे। वास्तविक प्रयोग में, कपड़े ने उस क्षेत्र में सबसे अधिक मरोड़ (ट्विस्ट) पैदा की जहाँ सपाट किनारा घुमावदार गुंबद से मिलता है, जहाँ मरोड़ का अधिकतम कोण लगभग 37 डिग्री तक पहुँच गया। कंप्यूटर मॉडल ने उसी स्थान पर 34 डिग्री का शिखर दर्ज किया, जिससे पुष्टि हुई कि डिजिटल टूल सामग्री के भीतर क्या हो रहा है, उसे देख सकता है।

अध्ययन से पता चला कि इस कपड़े के घुमावदार आकार के अनुकूल होने का मुख्य तरीका यह है कि धागे कपड़े के तल के भीतर एक-दूसरे के सापेक्ष घूमते हैं। इसे 'इन-प्लेन शीयर' कहा जाता है। जैसे ही कपड़े को वक्र के ऊपर दबाया जाता है, धागों का वर्गाकार ग्रिड हीरे के आकार में बदल जाता है, जिससे सामग्री धागों को खींचे बिना सतह को कवर कर पाती है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने एक माध्यमिक, त्रि-आयामी गति की भी खोज की। उस संक्रमण क्षेत्र (ट्रांजिशन ज़ोन) में जहाँ वक्र सबसे अधिक तीव्र होता है, धागे कपड़े की मोटाई के माध्यम से थोड़ा ऊपर और नीचे भी झुकते हैं। यह 'आउट-ऑफ-प्लेन' गति कपड़े को सबसे तंग हिस्सों में ढलने में मदद करती है, जो एक हिंज (कब्जे) की तरह कार्य करती है ताकि सामग्री सुचारू रूप से आकार में बैठ सके। इस सूक्ष्म झुकाव के बिना, कपड़े में झुर्रियां पड़ सकती थीं या वह टूल की सतह तक पहुँचने में विफल हो सकता था।

टीम ने यह भी परीक्षण किया कि क्या होगा यदि वे धागों को एक अलग दिशा में उन्मुख (ओरिएंटेड) करके शुरुआत करें। उन्होंने पाया कि धागों के प्रारंभिक कोण को बदलने से इस बात पर कोई फर्क नहीं पड़ा कि कपड़ा कुल मिलाकर कितना मुड़ सकता है, लेकिन इसने यह बदल दिया कि मरोड़ कहाँ होती है। यदि धागे सांचे के किनारों के साथ संरेखित थे, तो मरोड़ कोनों में केंद्रित थी। यदि धागों को घुमाया गया था, तो अधिकतम मरोड़ का क्षेत्र धागों की नई दिशा के अनुसार बदल गया। इसका अर्थ है कि इंजीनियरों के रूप में, वे सामग्री को दबाने से पहले उसे रखने के तरीके को बदलकर यह नियंत्रित कर सकते हैं कि कपड़ा कहाँ सबसे अधिक विकृत होगा। यह अंतर्दृष्टि उन भागों को डिजाइन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जिन्हें विशिष्ट दिशाओं में मजबूत होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि उनका नया मॉडल इन जटिल फॉर्मिंग प्रक्रियाओं को सिम्युलेट करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, जो अगली पीढ़ी के उच्च-प्रदर्शन वाले विमानों और वाहनों के लिए इन उन्नत सामग्रियों को आकार देने के अनुकूलन हेतु एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।