Multi-Objective Optimization of Gating System Design in Castings for Yield and Sustainability Improvement

विनिर्माण की दुनिया में, कास्टिंग (ढलाई) जितनी प्राचीन और महत्वपूर्ण प्रक्रियाएं बहुत कम हैं। यह वह विधि है जिसके द्वारा पिघली हुई धातु को एक खोखले सांचे में डाला जाता है, उसे ठंडा होने दिया जाता है, और फिर एक ठोस वस्तु के रूप में प्रकट किया जाता है, जो छोटे इंजन के पुर्जों से लेकर विशाल जहाज के घटकों तक हो सकती है। सदियों से, फाउंड्रीज़ (ढलाई कारखाने) उन अनुभवी श्रमिकों के कौशल पर निर्भर रहे हैं जो उन चैनलों को डिजाइन करते हैं जो गर्म धातु को सांचे के भीतर निर्देशित करते हैं और उन जलाशयों (reservoirs) को जो ठंडा होते समय धातु के सिकुड़ने पर उसकी आपूर्ति करते हैं। ये चैनल, जिन्हें 'गेटिंग सिस्टम' कहा जाता है, अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। यदि वे बहुत छोटे या खराब तरीके से रखे गए हों, तो धातु का प्रवाह अशांत हो जाता है, जिससे हवा फंस जाती है या कमजोर स्थान बन जाते हैं। यदि फीडिंग जलाशय बहुत बड़े हैं, तो वे कीमती धातु को बर्बाद करते हैं; यदि बहुत छोटे हैं, तो जमने के दौरान अंतिम भाग टूट सकता है या बिखर सकता है। लक्ष्य हमेशा एक नाजुक संतुलन रहा है: कम से कम अतिरिक्त धातु का उपयोग करते हुए एक दोषरहित, पूर्ण भाग का उत्पादन करना, क्योंकि बर्बाद हुई धातु की हर बूंद को फिर से पिघलाना पड़ता है, जिसमें ऊर्जा और संसाधनों की खपत होती है।

भारत के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट औद्योगिक भाग के डिजाइन के लिए आधुनिक कंप्यूटर सिमुलेशन को लागू करके इस चिरस्थायी चुनौती का समाधान किया है: भारी मशीनरी में उपयोग किया जाने वाला एक ग्रे आयरन रोटर। केवल परीक्षण और त्रुटि (trial and error) पर निर्भर रहने के बजाय, जिसमें धातु डालना, खामियों की जांच के लिए पुर्जों को काटना और फिर से शुरू करना शामिल है, टीम ने कास्टिंग प्रक्रिया का एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया। उन्होंने FG260 ग्रे कास्ट आयरन नामक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक मजबूत और टिकाऊ धातु है और जिसका उपयोग ब्रेक रोटर और संरचनात्मक घटकों के लिए आमतौर पर किया जाता है। शोधकर्ताओं ने रोटर के चारों ओर चैनलों और फीडिंग जलाशयों के तीन अलग-अलग डिजाइन बनाए। शक्तिशाली सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए, उन्होंने सिम्युलेट किया कि पिघली हुई धातु सांचे में कैसे प्रवाहित होगी, यह कैसे ठंडी होगी, और तरल से ठोस में बदलते समय कहाँ सिकुड़ सकती है या छेद बना सकती है। इसने उन्हें वास्तविक कारखाने में धातु की एक भी बूंद डालने से पहले प्रत्येक डिजाइन के परिणाम की भविष्यवाणी करने की अनुमति दी।

अध्ययन ने एक स्पष्ट 'ट्रेड-ऑफ' (समझौता) को उजागर किया है जिससे फाउंड्री इंजीनियर लंबे समय से जूझ रहे हैं। उनके द्वारा परीक्षण किए गए डिजाइनों में से एक, जिसमें अतिरिक्त धातु की सबसे कम मात्रा का उपयोग किया गया था, ने उच्चतम यील्ड (yield) यानी उपयोगी भाग और डाली गई कुल धातु के अनुपात को प्राप्त किया। हालांकि, सिमुलेशन ने दिखाया कि यह डिजाइन रोटर के मोटे केंद्र को ठीक से फीड करने में विफल रहा, जिससे इसमें आंतरिक संकुचन दोष (shrinkage defects) रह गए जो भाग को कमजोर कर देते। एक अन्य डिजाइन में धातु के प्रवाह को पूर्ण बनाने और भाग को ठोस बनाए रखने के लिए बड़े फीडिंग जलाशयों का उपयोग किया गया था, लेकिन इस दृष्टिकोण ने काफी मात्रा में सामग्री बर्बाद की, जिससे यील्ड कम हो गई। तीसरा डिजाइन, जिसे शोधकर्ताओं ने अंततः चुना, एक सटीक संतुलन बनाता है। इसमें बिना किसी आंतरिक दोष के भाग को सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त फीडिंग धातु का उपयोग किया गया और साथ ही बर्बादी को भी न्यूनतम रखा गया। कंप्यूटर सिमुलेशन में, इस अनुकूलित लेआउट ने 88.39 प्रतिशत की यील्ड प्राप्त की, जिसका अर्थ है कि डाली गई धातु का लगभग 89 प्रतिशत हिस्सा अंतिम उत्पाद में समाप्त हुआ, बाकी आवश्यक चैनल और जलाशय थे। यह मौजूदा फैक्ट्री पद्धति की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार था, जिसकी यील्ड केवल 82.78 प्रतिशत थी।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये डिजिटल भविष्यवाणियां केवल सैद्धांतिक न हों, शोधकर्ताओं ने अपने सर्वश्रेष्ठ डिजाइन को एक वास्तविक फाउंड्री में ले जाकर परीक्षण किया। उन्होंने नए गेटिंग सिस्टम के साथ बने सांचों में वास्तविक धातु डाली और परिणामों की तुलना कंप्यूटर मॉडल से की। भौतिक परीक्षणों ने सिमुलेशन की सटीकता की पुष्टि की। वास्तविक कास्टिंग ने भी वही सॉलिडिफिकेशन (जमने का पैटर्न) और दोषों की कमी दिखाई जो वर्चुअल मॉडलों में देखी गई थी। प्रायोगिक यील्ड 87.33 प्रतिशत रही, जो सिमुलेटेड 88.39 प्रतिशत के बहुत करीब है, जिससे सिद्ध हुआ कि कंप्यूटर मॉडल वास्तविक उत्पादन का मार्गदर्शन विश्वसनीय रूप से कर सकता है। पुराने और नए तरीके के बीच का अंतर प्रतिशत अंकों में छोटा लग सकता है, लेकिन बड़े पैमाने पर इसका प्रभाव व्यापक है। एक फैक्ट्री जो सालाना इन रोटरों की 50,000 इकाइयां बनाती है, उसके लिए बेहतर डिजाइन 32.5 मीट्रिक टन धातु बचाता है। सामग्री के उपयोग में यह कमी सीधे ऊर्जा बचत में बदल जाती है, क्योंकि कम धातु को पिघलाने की आवश्यकता होती है, और इससे वार्षिक रूप से लगभग 14.6 मीट्रिक टन कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में भी कमी आती है।

वित्तीय लाभ भी उतने ही प्रत्यक्ष हैं। हर साल 32,500 किलोग्राम धातु बचाकर, फैक्ट्री उस सामग्री को खरीदने और पिघलाने की लागत से बचती है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 24.37 लाख रुपये की सीधी वार्षिक बचत होती है। धन के अलावा, यह प्रक्रिया अधिक स्वच्छ और कुशल हो जाती है, जिससे कम कचरा प्रबंधन होता है और भट्टियों पर कम दबाव पड़ता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इन चैनलों के डिजाइन को एक बहु-उद्देश्यीय समस्या (multi-objective problem) के रूप में मानकर—जहाँ भाग की गुणवत्ता और सामग्री के उपयोग की दक्षता दोनों को एक साथ अनुकूलित किया जाना चाहिए—फाउंड्रीज़ अनुमान लगाने के बजाय वैज्ञानिक दृष्टिकोण अपना सकती हैं। उन्होंने दिखाया कि विस्तृत कंप्यूटर विश्लेषण और वास्तविक दुनिया के परीक्षण को मिलाकर एक व्यवस्थित दृष्टिकोण, एक ऐसा विन्यास (configuration) पहचान सकता है जो पारंपरिक तरीकों से बेहतर है। यह कार्य केवल एक विशिष्ट रोटर को बेहतर बनाने का तरीका नहीं है; यह एक पुनरुत्पादक ढांचा प्रदान करता है जिसे अन्य फाउंड्रीज़ अपनी प्रक्रियाओं में सुधार के लिए उपयोग कर सकती हैं, जिससे एक नियमित विनिर्माण चरण को धन, ऊर्जा और पर्यावरण को बचाने वाले एक सटीक विज्ञान में बदला जा सकता है।