Study on Flow Characteristics in Confined Spaces during Water-Jet Guided Laser Micro-Grooving of RB-SiC

उन्नत विनिर्माण की दुनिया में, कठोर सामग्रियों में सूक्ष्म, सटीक चैनल बनाना एक निरंतर चुनौती है। एक शक्तिशाली विधि में प्रकाश की एक केंद्रित किरण का उपयोग करके सामग्री को पिघलाना या वाष्पीकृत करना शामिल है, जिसे लेजर मशीनिंग के रूप में जाना जाता है। इस प्रक्रिया को बेहतर बनाने के लिए, इंजीनियर अक्सर क्षेत्र को ठंडा करने और मलबे को धोने के लिए पानी की एक धारा जोड़ते हैं। जब इन दो बलों को मिला दिया जाता है, तो पानी को लेजर बीम के ठीक बगल में बहने के लिए निर्देशित किया जाता है, जिससे एक हाइब्रिड टूल बनता है जो गर्मी से काटता है और साथ ही कटाई को साफ भी करता है। यह तकनीक विशेष रूप से रिएक्शन-बॉन्डेड सिलिकॉन कार्बाइड के साथ काम करने के लिए मूल्यवान है, जो उच्च प्रदर्शन वाले ऑप्टिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाने वाला एक अत्यंत कठोर सिरेमिक है। हालांकि, जब लेजर एक बहुत ही संकीर्ण चैनल काटता है, तो उसके अंदर की जगह इतनी तंग हो जाती है कि पानी और प्रकाश खुले वातावरण की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करते हैं। पानी कैसे चलता है और यह गति लेजर की काटने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है, इसे सटीक रूप से समझना इन सूक्ष्म खांचों को चिकना और सटीक बनाने के लिए आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने रिएक्शन-बॉन्डेड सिलिकॉन कार्बाइड में काटे गए पचास माइक्रोमीटर चौड़े खांचे के भीतर इस छिपे हुए व्यवहार की जांच करने का निर्णय लिया। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन को भौतिक मशीनिंग प्रयोगों के साथ जोड़ा ताकि यह देखा जा सके कि जब एक लेजर और एक वॉटर जेट एक सीमित स्थान में एक साथ काम करते हैं तो क्या होता है। उनके कार्य से पता चला कि पानी केवल चैनल में सीधे नीचे की ओर नहीं बहता है। इसके बजाय, यह त्रि-आयामी सर्पिल (स्पाइरल्स) बनाता है, और चलते समय घूमता है। जब पानी के जेट का दबाव बीस मेगापास्कल से बढ़ाकर पैंतीस मेगापास्कल किया गया, तो ये सर्पिल अधिक हिंसक हो गए, जिससे खांचे की दीवारों के विरुद्ध भंवर और विक्षोभ (टर्बुलेंस) पैदा हुआ। इस विक्षोभ के कारण पानी का घनत्व भी असमान हो गया, जिसने बदले में प्रकाश के संचरण के तरीके को उतार-चढ़ाव भरा बना दिया। परिणामस्वरूप, लेजर बीम बिखर गई, और खांचे के तल तक पहुँचाई गई ऊर्जा निरंतर होने के बजाय असमान हो गई।

तैयार खांचे के तल की गुणवत्ता लेजर ऊर्जा के समान वितरण और वॉटर जेट द्वारा पिघली हुई सामग्री को कितनी अच्छी तरह से साफ करने की क्षमता के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। अध्ययन में पाया गया कि जैसे-जैसे परीक्षण की गई सीमा के भीतर पानी का दबाव बढ़ा, खांचे के तल की खुरदरापन लगातार सुधरा नहीं। इसके बजाय, यह पहले अधिक खुरदरा हुआ और फिर अंततः फिर से चिकना हो गया। इन परिवर्तनों के साथ-साथ, मशीनीकृत क्षेत्र में ऑक्सीकरण की डिग्री, यानी ऑक्सीजन के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया, बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि लेजर पल्स के लिए उपयोग की जाने वाली सेटिंग्स बहुत मायने रखती थीं। लेजर के चलने की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) बढ़ाने से सतह अधिक खुरदरी हो गई, जबकि लेजर को सामग्री के ऊपर तेजी से चलाने से इन सतह दोषों को कम करने में मदद मिली।

घूमते हुए पानी, बिखरे हुए प्रकाश और हटाई जा रही सामग्री के बीच के जटिल संबंध का मानचित्रण करके, यह कार्य वहां काम कर रहे भौतिक बलों की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। निष्कर्ष उन इंजीनियरों को व्यावहारिक मार्गदर्शन प्रदान करते हैं जिन्हें इन कठिन सामग्रियों को काटने के लिए प्रक्रिया को अनुकूलित करने की आवश्यकता है। सही सेटिंग्स का अनुमान लगाने के बजाय, वे अब समझ सकते हैं कि सूक्ष्म चैनल के भीतर पानी का प्रवाह एक महत्वपूर्ण कारक है जिसे प्रबंधित किया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि लेजर ऊर्जा केंद्रित रहे और परिणामी सतह चिकनी हो।