Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

अंतरिक्ष यान की अगली पीढ़ी के निर्माण के लिए ऐसे सामग्रियों की आवश्यकता है जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत भी हों और उड़ने के लिए पर्याप्त हल्की भी। दशकों से, इंजीनियर धातु को आकार देने के लिए पारंपरिक तरीकों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये तकनीकें अक्सर ईंधन टैंकों के लिए आवश्यक बड़ी, जटिल वक्रता (curves) बनाने में संघर्ष करती हैं। एक नया दृष्टिकोण, जिसे वायर आर्क एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (wire arc additive manufacturing) के रूप में जाना जाता है, एक अलग रास्ता प्रदान करता है। धातु के एक ब्लॉक को काटकर आकार देने के बजाय, यह विधि एक वस्तु को, परत-दर-परत, ऊपर की ओर बनाती है, जिसमें एक रोबोटिक आर्म का उपयोग किया जाता है जो एक अत्यधिक सटीक वेल्डिंग टॉर्च की तरह कार्य करता है। यह धातु के एक पतले तार को पिघलाता है और उसे एक विशिष्ट पैटर्न में जमा करता है, जिससे वह एक ठोस संरचना में विलीन हो जाता है। हालांकि यह तकनीक विशाल पुर्जों को तेजी से बनाने के लिए बहुत आशाजनक है, लेकिन इसे एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ता है: धातु को पिघलाने के लिए आवश्यक तीव्र ऊष्मा के कारण सामग्री ठंडी होने पर मुड़ जाती है और विकृत हो जाती है। एक बड़ी वस्तु बनाने की प्रक्रिया के दौरान, ये छोटे-छोटे मोड़ जुड़कर एक ऐसा अंतिम आकार दे सकते हैं जो उपयोग के लिए बहुत टेढ़ा या कमजोर हो।

इस समस्या को हल करने के लिए, शिमिज़ु कॉर्पोरेशन (Shimizu Corporation) और जापान एयरोस्पेस एक्सप्लोरेशन एजेंसी (JAXA) के शोधकर्ताओं ने इस वेल्डिंग-आधारित निर्माण पद्धति की गति को पारंपरिक मशीनिंग की सटीकता के साथ जोड़ने का प्रयास किया। उन्होंने एक हाइब्रिड सिस्टम विकसित किया जहाँ एक रोबोट न केवल धातु जोड़ता है, बल्कि उसे हटाता भी है। एक ही रोबोटिक सेल में मिलिंग टूल और लेजर स्कैनर को एकीकृत करके, यह प्रणाली प्रत्येक नई बनी परत की ऊंचाई को माप सकती है और वास्तविक समय में रोबोट के पथ को समायोजित कर सकती है। यदि धातु बहुत अधिक ऊपर जमा हो जाती है या विकृत हो जाती है, तो रोबोट वेल्डिंग को रोक सकता है, अतिरिक्त सामग्री को पीसकर एक बिल्कुल सपाट सतह बना सकता है, और फिर निर्माण जारी रख सकता है। यह प्रक्रिया सुनिश्चित करती है कि अंतिम वस्तु अपना इच्छित आकार बनाए रखे, भले ही ऊष्मा उसे संरेखण से बाहर खींचने की कोशिश करे। टीम ने इस प्रणाली का परीक्षण एक पूर्ण आकार के प्रोपेलेंट टैंक (propellant tank) के मॉडल का निर्माण करके किया, जो कि एक ऐसा पात्र है जो रॉकेट के लिए ईंधन रखेगा, और फिर यह देखने के लिए कि क्या यह दबाव झेल सकता है, इसे अत्यधिक दबाव के अधीन किया।

शोधकर्ताओं ने 1.1 मीटर ऊंचा एक प्रदर्शन टैंक (demonstrator tank) बनाया, जिसका एक चौड़ा हिस्सा एक मीटर व्यास का था और एक संकरा हिस्सा आधा मीटर व्यास का था। इस टैंक की दीवारें एल्युमीनियम मिश्र धातु के तार से बनाई गई थीं, जिन्हें पांच मिलीमीटर की मोटाई तक पहुँचने के लिए परतों में जमा किया गया था। इस लंबी प्रक्रिया के दौरान संरचना को कठोर रखने के लिए, टीम ने टैंक के अंदर रिंग के आकार के स्टिफनर्स (stiffeners) पेश किए, जिन्हें रोबोट के काम फिर से शुरू करने से पहले मैन्युअल रूप से वेल्ड किया गया था। उनकी सफलता का एक महत्वपूर्ण हिस्सा एक लेजर प्रोफाइलर का उपयोग था जिसने रोबोट द्वारा वेल्डिंग करते समय प्रति सेकंड दस बार टैंक की सतह को स्कैन किया। इसने सिस्टम को धातु के जोड़े जा रहे हिस्से की ऊंचाई की लगातार जांच करने और परतों को एकसमान बनाए रखने के लिए रोबोट की गतिविधियों को स्वचालित रूप से समायोजित करने की अनुमति दी। परिणाम एक निर्बाध धातु का खोल था जिसने एक सुसंगत दीवार की मोटाई बनाए रखी, बावजूद इसके कि इतनी बड़ी वस्तु बनाने में उच्च ऊष्मा की चुनौतियाँ मौजूद थीं।

एक बार टैंक पूरा हो जाने के बाद, टीम को यह सत्यापित करने की आवश्यकता थी कि क्या यह एक वास्तविक ईंधन कंटेनर के रूप में कार्य करने के लिए पर्याप्त मजबूत है। उन्होंने शीर्ष को एक धातु के कवर से सील किया और हाइड्रोस्टेटिक दबाव परीक्षण करने के लिए टैंक को पानी से भर दिया। दबाव परीक्षण के लिए पानी का उपयोग करना सुरक्षित और प्रभावी है क्योंकि हवा की तरह पानी को संकुचित नहीं किया जा सकता, जिसका अर्थ है कि विफल होने की स्थिति में टैंक हिंसक रूप से विस्फोट नहीं करेगा। उन्होंने टैंक के भीतर दबाव धीरे-धीरे बढ़ाया, और बारीकी से देखते रहे कि धातु कैसे खिंचती और विकृत होती है। टैंक तब तक स्थिर रहा जब तक कि आंतरिक दबाव 1.7 मेगापास्कल तक नहीं पहुँच गया, जिस बिंदु पर यह अंततः फट गया। हालाँकि, फटना उस जोड़ पर हुआ जहाँ मैन्युअल रूप से वेल्ड किया गया कवर रोबोट द्वारा निर्मित टैंक से मिला था, न कि टैंक के मुख्य शरीर में। यह इंगित करता कि वेल्ड किए गए जोड़ सबसे कमजोर बिंदु थे, न कि एडिटिव प्रक्रिया द्वारा बनाई गई धातु की दीवारें।

टंक के प्रदर्शन का वास्तविक माप उस क्षण के विश्लेषण से आया जब धातु स्थायी रूप से खिंचना शुरू हुई, जिसे 'यील्ड प्रेशर' (yield pressure) कहा जाता है। संवेदनशील गेज के साथ टैंक की सतह पर खिंचाव को मापकर, शोधकर्ताओं ने पाया कि टैंक का बेलनाकार भाग 1.30 मेगापास्कल के दबाव पर झुकना शुरू हुआ, जबकि घुमावदार निचला भाग 1.38 मेगापास्कल पर। ये संख्याएँ उन भविष्यवाणियों के बहुत करीब थीं जो टीम ने उपयोग किए गए एल्युमीनियम तार की ज्ञात मजबूती के आधार पर कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके की थीं। सिमुलेशन ने सिलेंडर के लिए लगभग 1.37 मेगापास्कल और डोम के लिए 1.38 मेगापास्कल का यील्ड प्रेशर अनुमानित किया था। भौतिक परीक्षण और कंप्यूटर मॉडल के बीच करीबी मिलान ने पुष्टि की कि रोबोटिक वेल्डिंग प्रक्रिया द्वारा निर्मित धातु उतनी ही मजबूत थी जितनी कि तार बनाने में उपयोग की गई कच्ची सामग्री।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि क्या आंतरिक रिंग स्टिफनर्स ने दबाव का विरोध करने की टैंक की क्षमता में महत्वपूर्ण अंतर पैदा किया। कंप्यूटर मॉडल ने सुझाव दिया कि इन रिंगों को जोड़ने से दबाव प्रतिरोध में केवल लगभग पांच प्रतिशत का सुधार हुआ, जो एक अपेक्षाकृत कम लाभ है। प्रायोगिक डेटा ने इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि टैंक ने प्राथमिक मजबूती के लिए स्टिफनर्स पर बहुत अधिक निर्भर किए बिना भी अच्छा प्रदर्शन किया। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके अनुमानों और वास्तविक परीक्षण परिणामों के बीच मामूली अंतर संभवतः उनके कंप्यूटर मॉडल की सरलीकरणों के कारण थे, जैसे कि मैन्युअल रूप से वेल्ड किए गए कवर के सटीक आकार या दीवार की मोटाई में मामूली भिन्नताओं को ध्यान में न रखना। फिर भी, मुख्य निष्कर्ष स्पष्ट था: हाइब्रिड निर्माण प्रणाली ने सफलतापूर्वक एक जटिल एल्युमीनियम टैंक बनाया जो सैद्धांतिक मजबूती की आवश्यकताओं को पूरा करता है।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि संरचनात्मक अखंडता से समझौता किए बिना एडिटिव और सबट्रैक्टिव तकनीकों के संयोजन का उपयोग करके मीटर-स्केल के एयरोस्पेस घटकों का निर्माण करना संभव है। इस सफलता की कुंजी त्रुटियों को होते ही सुधारने की क्षमता थी, जिससे उन दोषों के संचय को रोका जा सका जो आमतौर पर बड़े पैमाने की वेल्डिंग परियोजनाओं में देखे जाते हैं। हालांकि टीम ने सुधार के क्षेत्रों की पहचान की, जैसे कि वेल्डिंग प्रक्रिया के फिर से शुरू होने वाले बिंदुओं पर धातु की गुणवत्ता को बढ़ाना, समग्र प्रयोग ने इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता को सिद्ध किया। टैंक दबाव के तहत ठीक वैसे ही टिका रहा जैसा कि भौतिकी के नियम भविष्यवाणी करते हैं, जो यह सुझाव देता है कि यह हाइब्रिड विधि भविष्य के अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए आवश्यक बड़े, हल्के ढांचों के निर्माण के लिए एक विश्वसनीय तरीका बन सकती है।