Investigation of the Focused Ultrasonic Vibration Abrasive Jet Polishing System

कांच या सिलिकॉन जैसी कठोर, भंगुर सामग्रियों को पॉलिश करने की चुनौती को समझने के लिए, सबसे पहले पारंपरिक तरीकों की सीमाओं को समझना आवश्यक है। पारंपरिक अपघर्षक जेट पॉलिशिंग (abrasive jet polishing) काफी हद तक एक उच्च-दबाव वाले सैंडब्लास्टर की तरह काम करती है, जहाँ तरल की एक धारा जिसमें छोटे, कठोर कण होते हैं, सतह को घिसने के लिए उस पर छोड़ी जाती है। हालांकि यह प्रभावी है, लेकिन यह प्रक्रिया अनिश्चित हो सकती है और अक्सर सूक्ष्म खरोंचें या असमान बनावट छोड़ देती है। एक अधिक उन्नत दृष्टिकोण में इस धारा में अल्ट्रासोनिक कंपन (ultrasonic vibration) जोड़ना शामिल है। कल्पना कीजिए कि अपघर्षक कण न केवल आगे बढ़ रहे हैं, बल्कि अविश्वसनीय गति से कंपन भी कर रहे हैं, जो सतह से टकराने के लिए एक तीव्र, लयबद्ध हथौड़े जैसी गति का उपयोग करते हैं, जिससे सामग्री को अधिक कुशलता से तोड़ने में मदद मिलती है। हालांकि, पूरी धारा को केवल कंपन कराना अक्षम है; ऊर्जा फैल जाती है और जल्दी ही कमजोर हो जाती है, ठीक वैसे ही जैसे एक टॉर्च की बीम जिसमें उसे केंद्रित करने के लिए कोई लेंस नहीं होता। वास्तविक सफलता उस कंपन ऊर्जा को एक एकल, तीव्र बिंदु पर केंद्रित करने में निहित है जहाँ पॉलिशिंग की आवश्यकता होती है। यही वह मुख्य समस्या है जिसे सूज़ौ यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और झेजियांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने हल करने का प्रयास किया: एक ऐसा सिस्टम बनाना जो अल्ट्रासोनिक तरंगों को इतनी सटीकता से केंद्रित कर सके कि वे अपघर्षक जेट को ठीक उसी जगह 'सुपरचार्ज' कर दें जहाँ वह वर्कपीस को छूता है।

शोधकर्ताओं ने एक नया उपकरण विकसित किया जिसे ध्वनि के लेंस के रूप में कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो अपघर्षक कणों की एक तरल धारा के माध्यम से अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को एक संकीर्ण बीम में केंद्रित करता है। उनके सिस्टम के केंद्र में सिरेमिक का एक विशेष कटोरे के आकार का टुकड़ा है जो बिजली लागू होने पर कंपन करता है। मानक फ्लैट स्पीकरों के विपरीत जो सभी दिशाओं में ध्वनि भेजते हैं, यह घुमावदार सिरेमिक स्वाभाविक रूप से ध्वनि तरंगों को अपने सामने एक विशिष्ट बिंदु की ओर केंद्रित करता है। इसे प्रभावी ढंग से काम करने के लिए, टीम को कई भौतिक पहेलियों को हल करना पड़ा। सबसे पहले, उन्हें यह सुनिश्चित करना था कि कंपन ऊर्जा सिरेमिक के पीछे से टकराकर नष्ट न हो जाए; उन्होंने इसके पीछे एक परावर्तक (reflector) रखकर इसे हल किया, जो ऊर्जा को प्रभावी रूप से अंदर ही कैद कर लेता है और उसे आगे की ओर धकेलता है। दूसरा, उन्हें सिरेमिक को उस तरल के साथ सुमेलित करना था जिसे वह धकेल रहा है, यह प्रक्रिया रेडियो को सही स्टेशन पर ट्यून करने के समान है ताकि स्पष्ट सिग्नल मिल सके, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि ध्वनि तरंगें ठोस सिरेमिक से तरल में बिना वापस परावर्तित हुए सुचारू रूप से प्रवाहित हों।

उनके डिज़ाइन का सबसे जटिल हिस्सा यह है कि ध्वनि विभिन्न परतों के माध्यम से कैसे यात्रा करती है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि अपघर्षक कणों को सिरेमिक के पास सीधे पानी के साथ मिला दिया जाता, तो ध्वनि बहुत अधिक ऊर्जा खो देती। इसके बजाय, उन्होंने तीन परतों वाला एक 'सैंडविच' बनाया: शुद्ध पानी की एक परत, एक पतली धातु की शीट, और फिर अपघर्षक कणों की धारा। ध्वनि तरंगें पानी के माध्यम से यात्रा करती हैं, धातु की शीट से गुजरती हैं, और अंततः अपघर्षक धारा में प्रवेश करती हैं। धातु की शीट की मोटाई और कंपन करने वाले सिरेमिक तथा नोजल के बीच की दूरी की सावधानीपूर्वक गणना करके, वे यह सुनिश्चित कर सके कि ध्वनि तरंगें अपघर्षक धारा में बिल्कुल तालमेल (sync) में पहुँचें, जिससे ठीक वहीं दबाव बढ़ सके जहाँ इसकी आवश्यकता थी। कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने विभिन्न आकारों और दूरियों का परीक्षण किया, और पाया कि धातु की शीट को सिरेमिक से ध्वनि तरंग की लंबाई के लगभग एक चौथाई हिस्से की दूरी पर रखा जाना चाहिए ताकि दबाव को अधिकतम किया जा सके। उन्होंने यह भी पाया कि नोजल के खुलने का आकार बहुत मायने रखता है; यदि यह बहुत छोटा था, तो ध्वनि तरंगें दीवारों से टकराकर ऊर्जा खो देती थीं, लेकिन यदि यह बहुत बड़ा था, तो दबाव बहुत अधिक फैल जाता था।

एक बार जब सैद्धांतिक डिज़ाइन को अनुकूलित (optimize) कर लिया गया, तो टीम ने अपने विचारों का परीक्षण करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया। उन्होंने 4,30,000 चक्र प्रति सेकंड की आवृत्ति पर कंपन करने वाले एक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग किया और दो बहुत अलग सामग्रियों पर इसका परीक्षण किया: एक नरम एल्युमीनियम मिश्र धातु और एक कठोर, भंगुर सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन। प्रयोगों में, उन्होंने अपने नए केंद्रित अल्ट्रासोनिक सिस्टम की तुलना एक मानक अपघर्षक जेट से की जिसमें कोई कंपन नहीं था। परिणाम आश्चर्यजनक थे। एल्युमीनियम को पॉलिश करते समय, मानक जेट ने सतह की खुरदरापन (roughness) को 0.639 से घटाकर 0.445 कर दिया। हालांकि, केंद्रित अल्ट्रासोनिक प्रणाली ने इसे 0.239 nm तक कम कर दिया, जिससे एक ऐसी सतह बनी जो काफी चिकनी और एकसमान थी। सिलिकॉन पर सुधार और भी नाटकीय था। मानक जेट ने खुरदरापन को 0.636 तक कम किया, जबकि केंद्रित अल्ट्रासोनिक प्रणाली इसे 0.479 nm तक ले आई। जब उन्होंने और भी महीन कणों के साथ पॉलिशिंग जारी रखी, तो सिलिकॉन की सतह अविश्वसनीय रूप से चिकनी हो गई, जो मात्र 36.501 नैनोमीटर की खुरदरापन तक पहुँच गई।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि अपघर्षक जेट में सीधे अल्ट्रासोनिक कंपन को केंद्रित करना उच्च-परिशुद्धता पॉलिशिंग के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली तरीका है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि धातु के अवरोध की दूरी, परतों की मोटाई और नोजल के आकार को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे एक ऐसा सिस्टम बना सकते हैं जो वर्कपीस को तीव्र, स्थानीयकृत ऊर्जा प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण सामग्री को अधिक दक्षता के साथ हटाने की अनुमति देता है और एक ऐसी सतह फिनिश छोड़ता है जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में कहीं बेहतर है। यह कार्य सुझाव देता है कि कठोर, मशीनिंग के लिए कठिन सामग्रियों से निपटने वाले उद्योगों के लिए, यह केंद्रित तकनीक उच्च गुणवत्ता और बेहतर नियंत्रण का मार्ग प्रदान करती है, जो एक व्यापक, बिखरे हुए कंपन को उन्नत विनिर्माण के भविष्य को आकार देने वाले एक सटीक उपकरण में बदल देती है।