Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

धातु के बड़े हिस्सों को परत-दर-परत बनाना एक ऐसी प्रक्रिया है जिसने इंजीनियरों के सोचने के तरीके को बदल दिया है। आर्क-आधारित डायरेक्टेड एनर्जी डिपोजिशन (arc-based directed energy deposition) के रूप में जानी जाने वाली यह तकनीक एक रोबोटिक आर्म का उपयोग करके एक वेल्डिंग टॉर्च के साथ तार को पिघलाती है, और इसे एक ठोस संरचना बनाने के लिए परत-दर-परंत जमा करती है। यह मध्यम से बड़े घटकों को जल्दी और सस्ते में बनाने का एक शक्तिशाली तरीका है, लेकिन इसमें एक छिपा हुआ जोखिम है: ऊष्मा। जैसे ही प्रत्येक नई परत जोड़ी जाती है, नीचे की धातु पिछले दौर से बची हुई गर्मी को बनाए रखती है। यदि इस ऊष्मा को सावधानीपूर्वक प्रबंधित नहीं किया गया, तो यह जमा होती रहती है, जिससे धातु के ठंडा होने और जमने के तरीके में बदलाव आता है। यह थर्मल हिस्ट्री (thermal history) सामग्री की आंतरिक संरचना को निर्धारित करती है, जो बदले में यह तय करती है कि अंतिम हिस्सा किसी पुल को थामने के लिए पर्याप्त मजबूत होगा या तनाव के तहत विफल होने के लिए कमजोर। इसे नियंत्रित करने के लिए, निर्माताओं को धातु के ठंडा होते समय उसके सटीक तापमान को जानने की आवश्यकता होती है। वे अक्सर इन्फ्रारेड कैमरों का उपयोग करते हैं, जो ऊष्मा को प्रकाश के रूप में देखते हैं, ताकि वास्तविक समय में इस प्रक्रिया पर नज़र रखी जा सके। हालाँकि, ये कैमरे 'एमिसिविटी' (emissivity) नामक एक सेटिंग पर निर्भर करते हैं—जो यह मापता है कि कोई सतह कितनी अच्छी तरह ऊष्मा विकिरित करती है—और गर्म, खुरदरी धातु पर इस सेटिंग को सटीक रूप से निर्धारित करना कठिन हो सकता है। यदि इस सेटिंग का गलत अनुमान लगाया जाता है, तो तापमान का माप बहुत अधिक गलत हो सकता है, जिससे भाग बनाने के बारे में गलत निर्णय लिए जा सकते हैं।

कोइम्ब्रा विश्वविद्यालय और पॉलिटेक्निक इंस्टीट्यूट ऑफ कोइम्ब्रा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अनुमान लगाने की इस समस्या को हल करने का बीड़ा उठाया। वे जानना चाहते थे कि एमिसिविटी के बारे में गलत अनुमान लगाने से धातु की थर्मल हिस्ट्री के चित्रण में कितना विरूपण (distortion) होगा और अंततः, उस विरूपण का भाग की मजबूती की समझ पर क्या प्रभाव पड़ेगा। यह पता लगाने के लिए, उन्होंने एक रोबोटिक वेल्डिंग सिस्टम का उपयोग करके कार्बन स्टील से बनी तीन समान दीवारें बनाईं। फिर उन्होंने परतें जोड़ने के बीच प्रतीक्षा करने के लिए तीन अलग-अलग नियम लागू किए। दो दीवारों को एक सख्त तापमान सीमा के साथ बनाया गया था: रोबोट तब तक रुकता और प्रतीक्षा करता जब तक कि धातु अगली परत जोड़ने से पहले या तो 150 डिग्री सेल्सियस या 250 डिग्री सेल्सियस तक ठंडी न हो जाए। तीसरी दीवार को एक सख्त समय सीमा के साथ बनाया गया था: रोबोट धातु वास्तव में कितनी गर्म थी, इसकी परवाह किए बिना, प्रत्येक परत के बीच ठीक 30 सेकंड तक प्रतीक्षा करता था।

शोधकर्ताओं ने इन्फ्रारेड कैमरे का उपयोग करके इन दीवारों को बढ़ते हुए देखा, लेकिन उन्होंने वास्तविक डेटा प्राप्त करने के लिए धातु के भीतर सीधे छोटे तापमान सेंसर भी लगाए। कैमरे के दृश्य की उनके सेंसरों की रीडिंग के साथ तुलना करके, उन्होंने पाया कि धातु की ऊष्मा विकिरित करने की क्षमता एक स्थिर संख्या नहीं थी। इसके बजाय, यह जैसे-जैसे धातु गर्म या ठंडी होती गई, बदलती रही। उन्होंने पाया कि इस सेटिंग के लिए एक एकल, निरंतर अनुमान का उपयोग करने से तापमान माप में भारी त्रुटियां हो सकती हैं, विशेष रूपकर जब धातु बहुत गर्म होती है। इस सेटिंग को वर्तमान तापमान के आधार पर समायोजित करने वाला एक मॉडल बनाकर, उन्होंने अपने मापों में त्रुटि को चार प्रतिशत से भी कम कर दिया। इस अंशांकन (calibration) ने उन्हें प्रत्येक दीवार की वास्तविक थर्मल कहानी देखने में सक्षम बनाया।

परिणामों ने रणनीतियों के बीच एक स्पष्ट अंतर प्रकट किया। तापमान सीमाओं के साथ बनाई गई दीवारों के ठंडा होने की प्रक्रिया एक स्थिर, अनुमानित लय में रही। धातु के पास अपनी ऊष्मा छोड़ने के लिए पर्याप्त समय था, जिसके परिणामस्वरूप एक सूक्ष्म, समान आंतरिक संरचना बनी। इन दीवारों ने एक विशिष्ट कूलिंग टाइम (cooling time) दिखाया, जिसे 800 डिग्री से 500 डिग्री तक गिरने में लगने वाले समय के रूप में मापा गया था, जो लगभग 22 से 27 सेकंड था। इसके विपरीत, 30-सेकंड के टाइमर वाली दीवार गंभीर ऊष्मा संचय (heat accumulation) से ग्रस्त थी। क्योंकि रोबोट ने धातु के ठंडा होने का इंतजार नहीं किया, इसलिए तापमान बढ़ता रहा, और अंततः 730 डिग्री सेल्सियस के भीषण तापमान पर स्थिर हो गया। धातु को ठीक से ठंडा होने का मौका ही नहीं मिला, और शोधकर्ता ऊपरी परतों के लिए मानक कूलिंग टाइम को भी नहीं माप सके क्योंकि धातु कभी 500 डिग्री से नीचे नहीं गिरी।

इस थर्मल हिस्ट्री के अंतर का धातु की मजबूती पर सीधा और मापने योग्य प्रभाव पड़ा। तापमान नियंत्रण के साथ बनाई गई दो दीवारें उल्लेखनीय रूप से समान और मजबूत निकलीं, जिनकी अधिकतम खींचने की शक्ति (pulling strength) लगभग 515 मेगापास्कल थी। उनके आंतरिक कण छोटे और घने थे। हालाँकि, 30-सेकंड के टाइमर वाली दीवार काफी कमजोर थी, जिसकी अधिकतम शक्ति केवल 470 मेगापास्कल थी। इसकी आंतरिक संरचना मोटी और असमान हो गई थी, जिसमें बड़े कण बन गए क्योंकि धातु बहुत लंबे समय तक गर्म रही। हालांकि यह कमजोर दीवार थोड़ी अधिक खिंचने योग्य (stretchable) थी, लेकिन इसमें अन्य दीवारों जैसी मजबूत शक्ति की कमी थी। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि इस सामग्री के लिए 30-सेकंड का टाइमर एक खराब रणनीति थी, क्योंकि इसने गुणवत्ता के उस नुकसान को जन्म दिया जिसे एक साधारण समय-आधारित नियम रोक नहीं सका।

शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज गलत डेटा के खतरे के बारे में थी। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यदि किसी इंजीनियर ने ऊष्मा-विकिरण सेटिंग के लिए एक मानक, बिना अंशांकित अनुमान का उपयोग किया होता, तो उन्होंने कमजोर दीवार के लिए पूरी तरह से अलग थर्मल हिस्ट्री की गणना की होती। उन्होंने शायद यह सोचा होता कि धातु सामान्य दर से ठंडी हो रही है जबकि वह वास्तव में एक खतरनाक, उच्च तापमान पर टिकी हुई थी। इस त्रुटि के कारण वे धातु के गुणों को सामान्य मान लेते, जिससे संभावित रूप से वे एक ऐसे हिस्से को मंजूरी दे देते जो संरचनात्मक रूप से असुरक्षित हो। यह कार्य दर्शाता है कि इस प्रकार के विनिर्माण को विश्वसनीय होने के लिए, इन्फ्रारेड कैमरे को गर्म धातु की बदलती प्रकृति के अनुसार सावधानीपूर्वक ट्यून किया जाना चाहिए। इस सटीक अंशांकन के बिना, मशीन जो ऊष्मा देखती है और भाग जो शक्ति रखता है, उनके बीच का संबंध टूटा हुआ रहता है, जिससे इंजीनियर उन संरचनाओं की सुरक्षा के बारे में केवल अनुमान लगाते रह जाते हैं जिन्हें वे बनाते हैं।