Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ एक एकल मशीन एक ऐसा पुर्जा बना सके जो बाहर से कठोर और घिसाव-रोधी हो, फिर भी अंदर से मजबूत और लचीला हो, और वह भी एक निरंतर प्रक्रिया में। यह 'लेजर मेटल डिपोजिशन' नामक तकनीक का वादा है। इस प्रक्रिया में, एक उच्च-शक्ति वाला लेजर धातु के पाउडर को पिघलाता है जब उसे धातु के एक छोटे से पिघले हुए पूल में फूंका जाता है, जिससे एक डिजिटल डिजाइन से सीधे परत-दर-परत एक घटक बनाया जाता है। वर्षों से, इंजीनियरों ने इस विधि का उपयोग एक ही प्रकार की धातु से पुर्जे बनाने के लिए किया है। हालाँकि, वास्तविक दुनिया शायद ही कभी इतनी सरल होती है। एक टरबाइन ब्लेड को अपने सिरे पर अत्यधिक गर्मी सहने की आवश्यकता हो सकती है जबकि अपने आधार के पास लचीला रहना चाहिए; एक मेडिकल इम्प्लांट को ऐसे सतह की आवश्यकता हो सकती है जो हड्डी के साथ अच्छी तरह जुड़ सके लेकिन एक ऐसे कोर की आवश्यकता हो जो भारी भार को सहारा दे सके। इन जरूरतों को पूरा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान विभिन्न धातुओं को मिलाने का प्रयास किया है। चुनौती हमेशा नियंत्रण की रही है: आप दो अलग-अलग पाउडर को इतनी पूर्णता से कैसे मिला सकते हैं कि वे पिघलने से पहले तुरंत और समान रूप से मिल जाएं, बिना इसके कि एक प्रकार का पाउडर अपने रास्ते से भटक जाए या आपस में गुच्छे बना ले?

नांचांग विश्वविद्यालय, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का नोजल (nozzle) डिजाइन करके इस समस्या का समाधान निकाला है, जो वह उपकरण है जो धातु के पाउडर को लेजर बीम की दिशा में निर्देशित करता है। पाउडर को मशीन में प्रवेश करने से पहले हॉपर में एक साथ मिलाने के बजाय, उनके नए डिजाइन ने दो अलग-अलग पाउडर को अंतिम क्षण तक अलग रखा। उन्होंने एक 'डुअल-चैनल कोएक्सियल नोजल' बनाया, जिसका अर्थ है मूल रूप से एक ट्यूब के भीतर दूसरी ट्यूब। आंतरिक ट्यूब एक प्रकार के धातु के पाउडर को ले जाती है, जबकि बाहरी रिंग एक अलग प्रकार को ले जाती है। दोनों धाराओं को एक ही स्थान की ओर एक साथ छोड़ा जाता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये दो अलग-अलग धाराएं, जो अपने वजन और आकार के कारण स्वाभाविक रूप से अलग व्यवहार करती हैं, उन्हें पिघली हुई धातु से टकराने से ठीक पहले एक समान रूप से मिलने के लिए मजबूर किया जा सकता है।

इस नोजल को बनाने का सबसे अच्छा तरीका पता लगाने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने गैस और पाउडर के प्रवाह का एक आभासी मॉडल बनाया ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि विभिन्न आकार और कोण धाराओं को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने पाया कि ट्यूब का आकार और वह कोण जिस पर वे इशारा करते हैं, अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। यदि ट्यूब बहुत चौड़ी हैं, तो पाउडर बहुत अधिक फैल जाता है और अपना फोकस खो देता है। यदि कोण गलत हैं, तो दोनों धाराएं एक-दूसरे को मिस कर सकती हैं या अलग-अलग दूरियों पर मिल सकती हैं, जिससे एक अव्यवस्थित मिश्रण बन सकता है। इन सिमुलेशनों के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि आंतरिक चैनल 70 डिग्री पर और बाहरी चैनल 60 डिग्री पर होना चाहिए, और दोनों ट्यूबों का व्यास 0.8 मिलीमीटर होना चाहिए। उन्होंने यह भी गणना की कि आंतरिक ट्यूब का निकास नोजल के केंद्र से 3 मिलीमीटर की दूरी पर होना चाहिए, और बाहरी ट्यूब को आंतरिक वाली से केवल 1 मिलीमीटर दूर होना चाहिए। उन्होंने पाया कि ये विशिष्ट आयाम सबसे सटीक और केंद्रित बिंदु बनाएंगे जहाँ दोनों पाउडर मिलते हैं।

एक बार जब कंप्यूटर मॉडल को अनुकूलित कर लिया गया, तो टीम ने नोजल का एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया और उसका परीक्षण किया। उन्होंने तीन बहुत अलग धातुओं को चुना ताकि यह देख सकें कि क्या डिजाइन इस चुनौती को संभाल सकता है: एक टाइटेनियम मिश्र धातु जिसे TC4 कहा जाता है, मोलिब्डेनम (molybdenum), और कॉपर (तांबा)। ये सामग्रियां घनत्व और आकार में काफी भिन्न हैं। टाइटेनियम और मोलिब्डेनम पाउडर लगभग पूर्ण गोले थे, जबकि कॉपर पाउडर अनियमित और टेढ़ा-मेढ़ा था। हाई-स्पीड कैमरों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने नोजल से निकलते हुए पाउडर को देखा। फुटेज ने दिखाया कि उनके अंतर के बावजूद, पाउडर की दोनों धाराएं एक साथ चलीं और अंतरिक्ष में बिल्कुल एक ही बिंदु पर मिलीं। जब उन्होंने टाइटेनियम और कॉपर को मिलाया, तो धातुओं के अलग-अलग रंगों ने उन्हें वास्तविक समय में मिश्रण देखने में मदद की। चांदी जैसा धूसर (silvery-grey) टाइटेनियम और लाल-भूरा कॉपर संगम बिंदु पर निर्बाध रूप से मिल गए, जिसमें एक के ऊपर दूसरे की परत बनने या अलग-अलग ढेर बनने के कोई संकेत नहीं थे।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह मिश्रण वास्तविक विनिर्माण सेटिंग में काम करता है, शोधकर्ताओं ने उस नोजल का उपयोग करके एक नमूना भाग बनाया। उन्होंने आंतरिक चैनल के माध्यम से टाइटेनियम मिश्र धातु को और बाहरी चैनल के माध्यम से मोलिब्डेनम को प्रवाहित किया, जिससे दस परतों ऊँचा एक एकल ट्रैक बनाया गया। भाग बनाने के बाद, उन्होंने इसे बीच से काटा और सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे इसके क्रॉस-सेक्शन की जांच की। परिणाम स्पष्ट थे: मोलिब्डेनम पूरे ढांचे में समान रूप से वितरित था, ठीक वैसे ही जैसे टाइटेनियम था। वहां कोई गहरे या चमकीले धब्बे नहीं थे जो यह दर्शाते कि एक धातु नीचे बैठ गई है या ऊपर तैर रही है। इसने पुष्टि की कि पाउडर पिघलने से पहले हवा में पूरी तरह से मिल गए थे, जिससे दो बहुत अलग सामग्रियों का एक समान मिश्रण तैयार हुआ।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पाउडर की धाराओं के मार्ग को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, असमान धातुओं को लेजर बीम तक पहुँचाना और उन्हें पूर्व-मिश्रण के बिना एक आदर्श मिश्रण प्राप्त करना संभव है। यह दृष्टिकोण अनुकूलित गुणों वाले जटिल घटकों के निर्माण के लिए नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सही नोजल ज्यामिति के साथ, भारी, हल्के, गोल या टेढ़े-मेढ़े पाउडर के बीच के प्राकृतिक अंतर बाधा नहीं होने चाहिए। इसके बजाय, उन्हें एक सुसंगत, उच्च-गुणवत्ता वाली सामग्री बनाने के लिए प्रबंधित किया जा सकता है जो अपने अवयवों के सर्वोत्तम गुणों को जोड़ती है, जो भविष्य में अधिक उन्नत और अनुकूलन योग्य धातु भागों के द्वार खोलता है।