High Pressure Die Casting (HPDC) with Laser Additively Manufactured (LAM) Lattice Inserts: An Exploratory Study on Densification and Interfacial Microstructure

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ भारी धातु के पुर्जों को हल्के, अधिक मजबूत संस्करणों से बदल दिया जाता है जो अत्यधिक दबाव में भी टिके रहते हैं। यह दो बहुत ही अलग निर्माण तकनीकों को मिलाने का वादा है: हाई-प्रेशर डाई कास्टिंग, एक विधि जिसका उपयोग दशकों से कार इंजन ब्लॉक जैसे जटिल धातु के आकार बनाने के लिए किया जाता रहा है, और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, जो 3D प्रिंटिंग का औद्योगिक शब्द है। जहाँ 3D प्रिंटिंग इंजीनियरों को जटिल आंतरिक संरचनाएं बनाने की अनुमति देती है जो किसी अन्य तरीके से बनाना असंभव है, वहीं हाई-प्रेशर कास्टिंग गति और सतह की फिनिश (surface finish) की चैंपियन है। वर्षों से, शोधकर्ता इन दुनियाओं को मिलाने का प्रयास कर रहे हैं, मुख्य रूप से सांचों के भीतर बेहतर कूलिंग चैनल बनाने के लिए 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके। हालाँकि, एक नया दृष्टिकोण एक साहसी प्रश्न पूछता है: क्या होगा यदि 3D-प्रिंटेड वस्तु केवल भाग बनाने के लिए एक उपकरण नहीं है, बल्कि वास्तव में अंतिम उत्पाद के भीतर एक स्थायी, कार्यात्मक हिस्सा है? यह एक नाजुक, स्पंज जैसी 3D-प्रिंटेड लैटिस (lattice) को सीधे एक ठोस धातु कास्टिंग के भीतर समाहित करने की चुनौती है, एक ऐसा कार्य जिसके लिए आवश्यक है कि पिघली हुई धातु बिना किसी रिक्त स्थान (voids) को छोड़े या जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं वहां कमजोर बिंदु बनाए बिना, सूक्ष्म अंतराल में पूरी तरह से प्रवाहित हो सके।

जर्मनी के RWTH Aachen यूनिवर्सिटी के फाउंड्री इंस्टीट्यूट में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने का बीड़ा उठाया। उन्होंने स्टेनलेस स्टील से बनी 3D-प्रिंटेड संरचनाएं लीं, जिन्हें बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक और केल्विन सेल्स के रूप में जानी जाने वाली दो अलग-अलग दोहराव वाली पैटर्न (repeating patterns) के साथ डिजाइन किया गया था। ये पैटर्न स्ट्रट्स (struts) और नोड्स (nodes) से बने जटिल, ज्यामितीय मचान (scaffolds) की तरह दिखते हैं। टीम ने इन मचानों को उनके स्ट्रट्स के दो अलग-अलग मोटाई के साथ बनाया, एक सेट 0.6 मिलीमीटर पर और दूसरा 1.2 मिलीमीटर पर। फिर उन्होंने इन स्टील इनसर्ट्स को एक सांचे में रखा और खांचे में पिघली हुई एल्युमीनियम मिश्र धातु डाली, इस उम्मीद में कि तरल धातु स्टील लैटिस में भर जाएगी, हर कोने और दरार को भरकर एक एकल, ठोस हाइब्रिड भाग बनाएगी। उन्होंने परीक्षण किया गया महत्वपूर्ण चर (variable) दबाव था। मानक कास्टिंग में, धातु को अंदर धकेला जाता है और ठंडा होने के लिए छोड़ दिया जाता है। इस प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने भरने की प्रक्रिया के बिल्कुल अंत में एक विशाल अतिरिक्त दबाव लगाया, जिसे 'इंटेंसिफिकेशन प्रेशर' (intensification pressure) कहा जाता है, ताकि धातु को स्टील संरचना के भीतर गहराई तक धकेला जा सके। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि धातु को कितनी दूर तक जाना पड़ा, उन नमूनों की तुलना करते हुए जहाँ लैटिस डालने वाले बिंदु (pouring point) के ठीक बगल में था और उन नमूनों के बीच जहाँ धातु को इनसर्ट तक पहुँचने के लिए लंबी दूरी तय करनी पड़ी थी।

परिणामों से पता चला कि अतिरिक्त दबाव न केवल सहायक था, बल्कि अनिवार्य भी था। इंटेंसिफिकेशन प्रेशर के बिना, पिघली हुई एल्युमीनियम स्टील लैटिस में प्रवेश करने के लिए संघर्ष करती है, जिससे संरचना खाली जेबों (empty pockets) और खराब भराई के साथ रह जाती है। धातु इतनी जल्दी ठंडा और सख्त होने से पहले सूक्ष्म चैनलों के माध्यम से अपना रास्ता बनाने में सक्षम नहीं थी। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने चक्र के अंत में उच्च दबाव लगाया, तो डेंसिफिकेशन (densification) नाटकीय रूप से सुधर गया। धातु को लैटिस के भीतर गहराई तक धकेला गया, जिससे लगभग एक ठोस कंपोजिट बन गया। दिलचस्प बात यह है कि धातु द्वारा तय की गई दूरी, स्टील के स्ट्रट्स की मोटाई से अधिक महत्वपूर्ण थी। जब लैटिस को डालने वाले बिंदु से दूर रखा गया, तो उच्च दबाव सबसे अच्छा काम करता है, जो धातु को संरचना के माध्यम से उल्लेखनीय एकरूपता के साथ धकेलता है। जब लैटिस डालने वाले बिंदु के ठीक बगल में था, तो धातु कभी-कभी स्टील से बहुत जोर से टकराती थी और उसके चारों ओर उछलती थी, या दबाव समान रूप से वितरित नहीं होता था, जिससे भराई थोड़ी कम पूर्ण होती थी। अध्ययन ने पाया कि सर्वोत्तम परिणाम उच्च दबाव और लंबे प्रवाह पथ (flow path) के संयोजन से मिले, जिससे धातु को अधिक कोमलता और पूर्णता के साथ लैटिस में बैठने का मौका मिला।

एक बार भाग कास्ट हो जाने के बाद, टीम ने उस सीमा (boundary) का बारीकी से निरीक्षण किया जहाँ स्टील और एल्युमीनियम मिलते हैं। उन्हें एक अस्त-व्यस्त रासायनिक प्रतिक्रिया देखने की उम्मीद थी, जो दो अलग-अलग धातुओं को एक साथ पिघलाने पर होने वाली एक आम समस्या है, जो अक्सर भंगुर परतें (brittle layers) बनाती है जो भाग को विफल कर देती हैं। इसके बजाय, उन्हें एक साफ, स्पष्ट रेखा मिली जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं, जिसमें मोटी, भंगुर प्रतिक्रिया परत के कोई संकेत नहीं थे। बंधन (bond) का निर्माण धातुओं के रासायनिक रूप से एक दूसरे में पिघलने से नहीं हुआ था; बल्कि, एल्युमीनियम ने स्टील की खुरदरी सतह और सूक्ष्म छिद्रों में खुद को भौतिक रूप से लॉक कर लिया था। यह मैकेनिकल इंटरलॉकिंग (mechanical interlocking) दो अलग-अलग सामग्रियों को बिना किसी रासायनिक फ्यूजन ज़ोन की आवश्यकता के एक साथ रखने के लिए पर्याप्त मजबूत थी। हाई-प्रेशर कास्टिंग प्रक्रिया की तीव्र शीतलन (rapid cooling) यहाँ नायक रही, जिसने धातुओं को इतनी जल्दी अपनी जगह पर जमा दिया कि स्टील से आयरन-समृद्ध तत्व एल्युमीनियम में विसरित (diffuse) होकर कमजोर यौगिक बनाने का समय ही नहीं पा सके।

अंतिम भाग न केवल अच्छी तरह से भरे हुए थे, बल्कि संरचनात्मक रूप से भी सुदृढ़ थे। जब शोधकर्ताओं ने सामग्रियों की कठोरता (hardness) को मापा, तो उन्होंने एक स्पष्ट अंतर देखा: 3D-प्रिंटेड स्टील कास्ट एल्युमीनियम की तुलना में काफी कठोर था, और उनके बीच का संक्रमण तीक्ष्ण था, जो इस बात की पुष्टि करता है कि दोनों सामग्रियां एक कमजोर मिश्रण में मिलने के बजाय अलग बनी रहीं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एल्युमीनियम कास्टिंग के भीतर जटिल, 3D-प्रिंटेड स्टील लैटिस को स्थापित करना संभव है ताकि हल्के, उच्च-शक्ति वाले घटक बनाए जा सकें, बशर्ते कास्टिंग प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाए। इसकी कुंजी लैटिस में धातु को धकेलने के लिए उच्च दबाव का उपयोग करना और प्रक्रिया की गति पर भरोसा करना है ताकि दोनों धातुएं इस तरह से प्रतिक्रिया न करें जिससे उनका बंधन कमजोर हो जाए। यह उन उद्योगों के लिए नए रास्ते खोलता है जिन्हें प्रदर्शन से समझौता किए बिना वजन कम करने की आवश्यकता है।