Research on Method and Technology of Dual-Beam Selective Laser Melting Forming of Porous Stainless Steel

कल्पना कीजिए कि आप एक सुपर-हॉट लेजर का उपयोग करके पिघली हुई धातु से एक नाजुक, स्पंज जैसी संरचना वाला महल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। यह सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (SLM) की दुनिया है, जो 3D प्रिंटिंग का एक उच्च-तकनीकी संस्करण है जहाँ धातु के पाउडर की परतों को आपस में जोड़ा जाता है ताकि जटिल आकार बनाए जा सकें। वैज्ञानिक इस विधि को पसंद करते हैं क्योंकि यह हल्के, छिद्रपूर्ण (porous) ढांचे बना सकती है जो फिल्टर, हीट एक्सचेंजर, या यहाँ तक कि मेडिकल इम्प्लांट्स के लिए भी बेहतरीन होते हैं जहाँ हड्डी अंदर विकसित हो सके। लेकिन इसमें एक समस्या है: जब आप लेजर से धातु पर वार करते हैं, तो वह अविश्वसनीय रूप से गर्म हो जाती है, और जब वह ठंडी होती है, तो सिकुड़ जाती है। क्योंकि धातु असमान रूप से ठंडी होती है—बीच में गर्म और किनारों पर ठंडी—यह मुड़ जाती है और उसमें तनाव पैदा हो जाता है, ठीक वैसे ही जैसे एक रबर बैंड जो बहुत कसकर खींचा गया हो। यह "अवशिष्ट तनाव" (residual stress) अंतिम वस्तु में दरारें पैदा कर सकता है या उसे बिगाड़ सकता है, जिससे आपकी सटीक स्पंज संरचना खराब हो सकती है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता गर्मी को नियंत्रित करने के तरीके खोज रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक शेफ ओवन के तापमान को सही ढंग से प्रबंधित करके सूफ़ले (soufflé) को ढहने से बचाने की कोशिश करता है।

इस अध्ययन में, फुआनझेन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक चतुर तरकीब आज़माने का फैसला किया: केवल एक लेजर का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने दो का उपयोग किया। उन्होंने एक "मुख्य" (main) लेजर सेट किया जो धातु के पाउडर को पिघलाता है और एक "सहायक" (helper या auxiliary) लेज़र जो मुख्य बीम के ठीक आगे के क्षेत्र को धीरे से गर्म करता है। इसे ऐसे समझें जैसे एक मुख्य शेफ स्टेक को सीयर (sear) कर रहा है जबकि एक सहायक शेफ एक गर्म तौलिये का उपयोग करके मांस को धीरे से प्रीहीट कर रहा है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि तापमान में बदलाव सुचारू रूप से हो, न कि धातु को झटका लगे। कंप्यूटर पर इस प्रक्रिया का अनुकरण (simulation) करके और वास्तविक दुनिया के प्रयोग चलाकर, टीम ने पाया कि यह दोहरी-लेजर पद्धति एक 'थर्मल बफर' की तरह कार्य करती है। यह तापमान के उन तीव्र अंतरों को कम करती है जो तनाव पैदा करते हैं, प्रभावी रूप से धातु की गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया को "नरम" कर देती है। उनके सिमुलेशन और परीक्षणों ने दिखाया कि इस विधि ने स्टेनलेस स्टील में आंतरिक तनाव को सफलतापूर्वक कम कर दिया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कभी-कभी, सही तरीके से थोड़ी अतिरिक्त गर्मी देना ही चीजों को शांत और स्थिर रखने का सबसे अच्छा तरीका होता है।

प्रयोग: दो लेजर बनाम एक

शोधकर्ताओं ने 316L पोरस स्टेनलेस स्टील बनाने पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसी सामग्री है जो मजबूत होने के साथ-साथ छोटे छेदों से भरी होती है। उन्होंने इस प्रक्रिया का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया, जिसमें धातु के पाउडर को एक निरंतर ब्लॉक माना गया और यह सिम्युलेट किया गया कि गर्मी इसके माध्यम से कैसे चलती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका कंप्यूटर मॉडल सच बोल रहा है, उन्होंने पहले एक वास्तविक दोहरी-बीम मशीन (एक Dimetal-280 सिस्टम) का उपयोग करके एक नमूना प्रिंट किया और उन सूक्ष्म "मेल्ट पूल्स" (पिघले हुए धातु के छोटे गड्ढे) को मापा जो पीछे रह जाते हैं। कंप्यूटर की भविष्यवाणियां अविश्वसनीय रूप से सटीक थीं, जो 5% की त्रुटि सीमा के भीतर वास्तविक माप से मेल खाती थीं। इसने उन्हें महंगे धातु पाउडर को बर्बाद किए बिना सैकड़ों अलग-अलग परिदृश्यों का परीक्षण करने के लिए सिमुलेशन का उपयोग करने का आत्मविश्वास दिया।

गर्मी का "गोल्डिलॉक्स" ज़ोन (Goldilocks Zone)

टीम ने यह देखने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला चलाई कि विभिन्न सेटिंग्स परिणाम को कैसे बदलती हैं। उन्होंने इस प्रक्रिया को एक रेसिपी की तरह माना, जिसमें पांच प्रमुख सामग्रियों को थोड़ा बदला गया: सहायक लेजर की शक्ति, इसके स्पॉट का आकार, लेजर की गति, लेजर लाइनों के बीच की दूरी, और दोनों लेजरों के चलने के बीच का समय अंतराल।

उन्होंने पाया कि इन सेटिंग्स और अंतिम तनाव के बीच का संबंध सरल "अधिक बेहतर है" या "कम बेहतर है" वाली कहानी नहीं थी। इसके बजाय, यह एक नाजुक संतुलन था:

• सहायक लेजर पावर: यदि सहायक लेजर बहुत कमजोर था, तो उसने धातु को पर्याप्त गर्म नहीं किया। यदि यह बहुत शक्तिशाली था, तो इसने धातु को अत्यधिक गर्म कर दिया और इसे बहुत अधिक फैला दिया, जिससे नया तनाव पैदा हुआ। एक "स्वीट स्पॉट" था जहाँ इसने तनाव को पूरी तरह से कम कर दिया।
• स्पॉट साइज: सहायक लेजर का एक छोटा स्पॉट पर्याप्त क्षेत्र को गर्म नहीं कर सका। एक विशाल स्पॉट ने कुछ जगहों पर धातु को बहुत अधिक ठंडा कर दिया। सही आकार ने एक सुचारू, गर्म क्षेत्र बनाया जिसने तापमान में अचानक गिरावट को रोका।
• गति और रिक्ति (Spacing): लेजर को बहुत धीरे चलाने से बहुत अधिक गर्मी जमा हो गई, जबकि बहुत तेज़ी से चलाने या लाइनों के बीच की दूरी को बहुत अधिक रखने से ठंडे अंतराल रह गए। टीम ने पाया कि 1200 mm/s की स्कैनिंग गति और 100 μm की रिक्ति सबसे अच्छी थी।
• समय अंतराल (Time Interval): यह सहायक लेजर द्वारा स्थान को गर्म करने और मुख्य लेजर द्वारा उसे पिघलाने के बीच का समय था। यदि उन्होंने एक ही समय पर फायर किया, तो यह बहुत अराजक था। यदि उन्होंने बहुत लंबा इंतजार किया, तो मुख्य लेजर के आने से पहले ही धातु पूरी तरह से ठंडी हो गई। आदर्श समय मात्र 0.3 ms का अंतराल था, जो मोमेंटम खोए बिना प्रीहीटिंग करने के लिए पर्याप्त था।

जीतने वाली संयोजन (The Winning Combination)

एक "ऑर्थोगोनल टेस्ट" (एक साथ कई संयोजनों का परीक्षण करने का एक स्मार्ट तरीका) के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने न्यूनतम तनाव के लिए अंतिम रेसिपी की पहचान की। आदर्श सेटिंग्स थीं:

• मुख्य लेजर पावर: 150 W
• मुख्य लेजर स्पॉट साइज: 40 μm
• सहायक लेजर पावर: 10 W
• सहायक लेजर स्पॉट साइज: 160 μm
• स्कैनिंग स्पीड: 1200 mm/s
• स्कैनिंग स्पेसिंग: 100 μm
• टाइम इंटरवल: 0.3 ms

जब उन्होंने इस विशिष्ट संयोजन का उपयोग किया, तो धातु में अवशिष्ट तनाव अपने सबसे निचले स्तर पर आ गया। वास्तव में, सबसे अच्छे सेटिंग्स वाले समूह (ग्रुप 3) में तनाव का स्तर 282 MPa था, जो सबसे खराब प्रदर्शन करने वाले समूह (ग्रुप 9) के 384 MPa की तुलना में काफी कम था। इससे सिद्ध हुआ कि तापमान ग्रेडिएंट (तापमान का अंतर)—हॉट मेल्ट पूल और ठंडे परिवेश के बीच का अंतर—तनाव का मुख्य कारण था। उस तापमान अंतर को सुचारू बनाकर, उन्होंने तनाव को भी सुचारू कर दिया।

अंतिम मुकाबला: एक बीम बनाम दो बीम

अपने तर्क को वास्तव में सिद्ध करने के लिए, टीम ने अपने सर्वश्रेष्ठ दोहरी-बीम सेटअप की तुलना एक मानक एकल-बीम सेटअप से की। उन्होंने कुल ऊर्जा को लगभग समान रखा लेकिन दोहरी-बीम संस्करण के लिए इसे दो लेजरों के बीच विभाजित कर दिया। परिणाम स्पष्ट थे:

• सिंगल-बीम (Single-Beam): इसने 1580 ℃ का पीक तापमान, 41,522 ℃/mm का तापमान ग्रेडिएंट, और 293 MPa का अवशिष्ट तनाव उत्पन्न किया।
• ड्यूल-बीम (Dual-Beam): इसने थोड़ा कम पीक तापमान 1525 ℃, एक हल्का तापमान ग्रेडिएंट 39,162 ℃/mm, और कम अवशिष्ट तनाव 282 MPa उत्पन्न किया।

दोहरी-बीम विधि ने अवशिष्ट तनाव को लगभग 3.75% कम कर दिया। हालांकि यह संख्या छोटी लग सकती है, लेकिन सटीक इंजीनियरिंग की दुनिया में, यह एक महत्वपूर्ण सुधार है। इसका कारण यह था कि सहायक लेजर ने एक प्री-हीटर के रूप में कार्य किया, जिससे मुख्य लेजर के आने से पहले पाउडर बेड का तापमान बढ़ गया। इसका मतलब था कि धातु को ठंडा होते समय तापमान के इतने अचानक और झटकेदार बदलाव का सामना नहीं करना पड़ा, जिससे "मुड़ने" की प्रक्रिया रुक गई जो दरारें पैदा करती है।

इसका क्या अर्थ है

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक समन्वित नृत्य की तरह दो लेजरों का उपयोग करना मजबूत, कम तनाव वाले छिद्रपूर्ण धातु के पुर्जे बनाने का एक व्यवहार्य तरीका है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सहायक लेजर की शक्ति, गति और समय को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, आप धातु के थर्मल इतिहास को नियंत्रित कर सकते हैं। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने भौतिकी का अनुकरण किया, वास्तविक प्रयोगों के साथ इसकी पुष्टि की, और उन विशिष्ट नंबरों को खोजा जो सबसे अच्छा काम करते हैं। हालांकि तनाव में कमी मामूली थी, लेकिन यह विधि भविष्य के सुधारों के लिए एक ठोस सैद्धांतिक आधार प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि यदि हम भविष्य में और भी जटिल और विश्वसनीय धातु संरचनाओं को प्रिंट करना चाहते हैं, तो हमें लेजर को केवल "हीट गन" के रूप में देखना बंद करना होगा और उन्हें एक टीम के रूप में सोचना शुरू करना होगा, जहाँ एक मंच तैयार करता है और दूसरा भारी काम करता है।