મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ

લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (એએમ) ટેક્નોલોજી, ઉચ્ચ ઉત્પાદન ચોકસાઈ, મજબૂત સુગમતા અને ઉચ્ચ ડિગ્રી ઓટોમેશનના તેના ફાયદાઓ સાથે, ઓટોમોટિવ, મેડિકલ, એરોસ્પેસ વગેરે (જેમ કે રોકેટ) જેવા ક્ષેત્રોમાં મુખ્ય ઘટકોના ઉત્પાદનમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. ઇંધણ નોઝલ, સેટેલાઇટ એન્ટેના કૌંસ, માનવ પ્રત્યારોપણ, વગેરે). આ ટેક્નોલૉજી મટીરીયલ સ્ટ્રક્ચર અને પર્ફોર્મન્સના એકીકૃત ઉત્પાદન દ્વારા પ્રિન્ટેડ ભાગોના સંયોજન પ્રદર્શનમાં મોટા પ્રમાણમાં સુધારો કરી શકે છે. હાલમાં, લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજી સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ કેન્દ્ર અને નીચી ધાર ઊર્જા વિતરણ સાથે કેન્દ્રિત ગૌસિયન બીમ અપનાવે છે. જો કે, તે ઘણીવાર ઓગળવામાં ઉચ્ચ થર્મલ ગ્રેડિએન્ટ્સ ઉત્પન્ન કરે છે, જે અનુગામી છિદ્રો અને બરછટ અનાજની રચના તરફ દોરી જાય છે. બીમ શેપિંગ ટેક્નોલોજી આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે એક નવી પદ્ધતિ છે, જે લેસર બીમ ઊર્જાના વિતરણને સમાયોજિત કરીને પ્રિન્ટીંગ કાર્યક્ષમતા અને ગુણવત્તામાં સુધારો કરે છે.

પરંપરાગત બાદબાકી અને સમકક્ષ ઉત્પાદનની તુલનામાં, મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીમાં ટૂંકા ઉત્પાદન ચક્ર સમય, ઉચ્ચ પ્રક્રિયાની ચોકસાઈ, ઉચ્ચ સામગ્રીનો ઉપયોગ દર અને ભાગોનું સારું એકંદર પ્રદર્શન જેવા ફાયદા છે. તેથી, એરોસ્પેસ, શસ્ત્રો અને સાધનસામગ્રી, અણુશક્તિ, બાયોફાર્માસ્યુટિકલ્સ અને ઓટોમોબાઈલ જેવા ઉદ્યોગોમાં મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. અલગ સ્ટેકીંગના સિદ્ધાંતના આધારે, મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ પાઉડર અથવા વાયરને ઓગાળવા માટે ઊર્જા સ્ત્રોત (જેમ કે લેસર, આર્ક અથવા ઇલેક્ટ્રોન બીમ) નો ઉપયોગ કરે છે, અને પછી લક્ષ્ય ઘટકનું ઉત્પાદન કરવા માટે તેમને સ્તર દ્વારા સ્ટેક કરે છે. આ ટેક્નોલોજીના નાના બેચ, જટિલ માળખાં અથવા વ્યક્તિગત ભાગોના ઉત્પાદનમાં નોંધપાત્ર ફાયદા છે. પરંપરાગત તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને પ્રક્રિયા કરવી મુશ્કેલ ન હોઈ શકે તેવી સામગ્રી પણ ઉમેરણ ઉત્પાદન પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને તૈયારી માટે યોગ્ય છે. ઉપરોક્ત ફાયદાઓને લીધે, એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીએ સ્થાનિક અને આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરે વિદ્વાનોનું વ્યાપક ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે. છેલ્લા કેટલાક દાયકાઓમાં, એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીએ ઝડપી પ્રગતિ કરી છે. લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ઇક્વિપમેન્ટના ઓટોમેશન અને ફ્લેક્સિબિલિટી તેમજ ઉચ્ચ લેસર એનર્જી ડેન્સિટી અને ઉચ્ચ પ્રોસેસિંગ સચોટતાના વ્યાપક ફાયદાઓને લીધે, લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીએ ઉપર જણાવેલ ત્રણ મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીમાં સૌથી ઝડપી વિકાસ કર્યો છે.

લેસર મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીને આગળ LPBF અને DED માં વિભાજિત કરી શકાય છે. આકૃતિ 1 LPBF અને DED પ્રક્રિયાઓની લાક્ષણિક યોજનાકીય રેખાકૃતિ દર્શાવે છે. LPBF પ્રક્રિયા, જેને સિલેક્ટિવ લેસર મેલ્ટિંગ (SLM) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે પાવડર બેડની સપાટી પર નિશ્ચિત પાથ સાથે ઉચ્ચ-ઊર્જા લેસર બીમને સ્કેન કરીને જટિલ ધાતુના ઘટકોનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. પછી, પાવડર પીગળે છે અને સ્તર દ્વારા સ્તરને મજબૂત બનાવે છે. DED પ્રક્રિયામાં મુખ્યત્વે બે પ્રિન્ટિંગ પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે: લેસર મેલ્ટિંગ ડિપોઝિશન અને લેસર વાયર ફીડિંગ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ. આ બંને તકનીકો ધાતુના પાઉડર અથવા વાયરને સુમેળમાં ખવડાવીને મેટલ ભાગોનું ઉત્પાદન અને સમારકામ કરી શકે છે. LPBF ની તુલનામાં, DED ઉચ્ચ ઉત્પાદકતા અને વિશાળ ઉત્પાદન ક્ષેત્ર ધરાવે છે. વધુમાં, આ પદ્ધતિ સહેલાઇથી સંયુક્ત સામગ્રી અને કાર્યાત્મક રીતે વર્ગીકૃત સામગ્રી પણ તૈયાર કરી શકે છે. જો કે, DED દ્વારા મુદ્રિત ભાગોની સપાટીની ગુણવત્તા હંમેશા નબળી હોય છે, અને લક્ષ્ય ઘટકની પરિમાણીય ચોકસાઈને સુધારવા માટે અનુગામી પ્રક્રિયા જરૂરી છે.

વર્તમાન લેસર એડિટિવ ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં, કેન્દ્રિત ગૌસીયન બીમ સામાન્ય રીતે ઉર્જા સ્ત્રોત છે. જો કે, તેના અનન્ય ઉર્જા વિતરણને કારણે (ઉચ્ચ કેન્દ્ર, નીચી ધાર) તે ઉચ્ચ થર્મલ ગ્રેડિયન્ટ્સ અને મેલ્ટ પૂલની અસ્થિરતાનું કારણ બને છે. પ્રિન્ટેડ ભાગોની નબળી રચના ગુણવત્તામાં પરિણમે છે. વધુમાં, જો પીગળેલા પૂલનું કેન્દ્રનું તાપમાન ખૂબ ઊંચું હોય, તો તે નીચા ગલનબિંદુના ધાતુના તત્વોને બાષ્પીભવન કરવા માટેનું કારણ બનશે, જે LBPF પ્રક્રિયાની અસ્થિરતાને વધુ વધારશે. તેથી, છિદ્રાળુતામાં વધારો સાથે, પ્રિન્ટેડ ભાગોના યાંત્રિક ગુણધર્મો અને થાક જીવન નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે. ગૌસીયન બીમનું અસમાન ઉર્જા વિતરણ પણ લેસર ઉર્જા વપરાશની કાર્યક્ષમતા અને અતિશય ઉર્જા કચરો તરફ દોરી જાય છે. સારી પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તા હાંસલ કરવા માટે, વિદ્વાનોએ ઊર્જા ઇનપુટની શક્યતાને નિયંત્રિત કરવા માટે, લેસર પાવર, સ્કેનિંગ સ્પીડ, પાઉડર લેયરની જાડાઈ અને સ્કેનિંગ વ્યૂહરચના જેવા પ્રક્રિયાના પરિમાણોમાં ફેરફાર કરીને ગૌસિયન બીમની ખામીઓ માટે વળતર શોધવાનું શરૂ કર્યું છે. આ પદ્ધતિની ખૂબ જ સાંકડી પ્રક્રિયા વિંડોને કારણે, નિશ્ચિત ભૌતિક મર્યાદાઓ વધુ ઑપ્ટિમાઇઝેશનની શક્યતાને મર્યાદિત કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લેસર પાવર અને સ્કેનિંગની ઝડપમાં વધારો કરવાથી ઉચ્ચ ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થઈ શકે છે, પરંતુ ઘણીવાર પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તાને બલિદાન આપવાના ખર્ચે આવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, બીમ આકાર આપવાની વ્યૂહરચનાઓ દ્વારા લેસર ઊર્જા વિતરણમાં ફેરફાર કરવાથી ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો થઈ શકે છે, જે લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીની ભાવિ વિકાસની દિશા બની શકે છે. બીમ શેપિંગ ટેક્નોલૉજી સામાન્ય રીતે ઇચ્છિત તીવ્રતાના વિતરણ અને પ્રસારની લાક્ષણિકતાઓ મેળવવા માટે ઇનપુટ બીમના વેવફ્રન્ટ વિતરણને સમાયોજિત કરવાનો સંદર્ભ આપે છે. મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીમાં બીમ શેપિંગ ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ આકૃતિ 2 માં બતાવવામાં આવ્યો છે.

લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ

પરંપરાગત ગૌસીયન બીમ પ્રિન્ટીંગની ખામીઓ

મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીમાં, લેસર બીમનું ઊર્જા વિતરણ પ્રિન્ટેડ ભાગોની ગુણવત્તા પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ સાધનોમાં ગૌસીયન બીમનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હોવા છતાં, તેઓ એડિટિવ ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં અસ્થિર પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તા, ઓછી ઉર્જાનો ઉપયોગ અને સાંકડી પ્રક્રિયા વિન્ડો જેવી ગંભીર ખામીઓથી પીડાય છે. તેમાંથી, પાવડરની ગલન પ્રક્રિયા અને મેટલ લેસર એડિટિવ પ્રક્રિયા દરમિયાન પીગળેલા પૂલની ગતિશીલતા પાવડર સ્તરની જાડાઈ સાથે નજીકથી સંબંધિત છે. પાવડર સ્પ્લેશિંગ અને ઇરોશન ઝોનની હાજરીને કારણે, પાવડર લેયરની વાસ્તવિક જાડાઈ સૈદ્ધાંતિક અપેક્ષા કરતા વધારે છે. બીજું, સ્ટીમ કોલમના કારણે મુખ્ય પછાત જેટ સ્પ્લેશ થાય છે. ધાતુની વરાળ પાછળની દિવાલ સાથે અથડાઈને સ્પ્લેશ બનાવે છે, જે પીગળેલા પૂલના અંતર્મુખ વિસ્તારની આગળની દિવાલ સાથે છાંટવામાં આવે છે (આકૃતિ 3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે). લેસર બીમ અને સ્પ્લેશ વચ્ચેની જટિલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે, બહાર નીકળેલા સ્પ્લેશ અનુગામી પાવડર સ્તરોની પ્રિન્ટીંગ ગુણવત્તાને ગંભીર અસર કરી શકે છે. વધુમાં, મેલ્ટ પૂલમાં કીહોલ્સની રચના પણ પ્રિન્ટેડ ભાગોની ગુણવત્તાને ગંભીર અસર કરે છે. મુદ્રિત ટુકડાના આંતરિક છિદ્રો મુખ્યત્વે અસ્થિર લોકીંગ છિદ્રોને કારણે થાય છે.

બીમ આકાર આપવાની તકનીકમાં ખામીઓની રચનાની પદ્ધતિ

બીમ શેપિંગ ટેક્નોલોજી એકસાથે બહુવિધ પરિમાણોમાં પ્રદર્શન સુધારણા હાંસલ કરી શકે છે, જે ગૌસીયન બીમથી અલગ છે જે અન્ય પરિમાણોને બલિદાન આપવાના ખર્ચે એક પરિમાણમાં પ્રદર્શન સુધારે છે. બીમ શેપિંગ ટેક્નોલોજી તાપમાનના વિતરણ અને મેલ્ટ પૂલના પ્રવાહની લાક્ષણિકતાઓને ચોક્કસ રીતે સમાયોજિત કરી શકે છે. લેસર ઊર્જાના વિતરણને નિયંત્રિત કરીને, નાના તાપમાનના ઢાળ સાથે પ્રમાણમાં સ્થિર પીગળેલા પૂલ મેળવવામાં આવે છે. યોગ્ય લેસર ઊર્જા વિતરણ છિદ્રાળુતા અને સ્પટરિંગ ખામીઓને દબાવવા અને મેટલ ભાગો પર લેસર પ્રિન્ટીંગની ગુણવત્તા સુધારવા માટે ફાયદાકારક છે. તે ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને પાવડરના ઉપયોગમાં વિવિધ સુધારાઓ હાંસલ કરી શકે છે. તે જ સમયે, બીમ શેપિંગ ટેક્નોલોજી અમને વધુ પ્રોસેસિંગ વ્યૂહરચના પૂરી પાડે છે, જે પ્રક્રિયા ડિઝાઇનની સ્વતંત્રતાને મોટા પ્રમાણમાં મુક્ત કરે છે, જે લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેક્નોલોજીમાં ક્રાંતિકારી પ્રગતિ છે.