મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ

લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (AM) ટેકનોલોજી, ઉચ્ચ ઉત્પાદન ચોકસાઈ, મજબૂત સુગમતા અને ઉચ્ચ ડિગ્રી ઓટોમેશનના ફાયદાઓ સાથે, ઓટોમોટિવ, મેડિકલ, એરોસ્પેસ વગેરે ક્ષેત્રોમાં મુખ્ય ઘટકોના ઉત્પાદનમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે (જેમ કે રોકેટ ફ્યુઅલ નોઝલ, સેટેલાઇટ એન્ટેના બ્રેકેટ, માનવ ઇમ્પ્લાન્ટ, વગેરે). આ ટેકનોલોજી સામગ્રીની રચના અને કામગીરીના સંકલિત ઉત્પાદન દ્વારા છાપેલા ભાગોના સંયોજન પ્રદર્શનમાં ઘણો સુધારો કરી શકે છે. હાલમાં, લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજી સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ કેન્દ્ર અને નીચી ધાર ઊર્જા વિતરણ સાથે કેન્દ્રિત ગૌસીયન બીમ અપનાવે છે. જો કે, તે ઘણીવાર ઓગળવામાં ઉચ્ચ થર્મલ ગ્રેડિયન્ટ્સ ઉત્પન્ન કરે છે, જે પછીથી છિદ્રો અને બરછટ અનાજની રચના તરફ દોરી જાય છે. બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજી આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે એક નવી પદ્ધતિ છે, જે લેસર બીમ ઊર્જાના વિતરણને સમાયોજિત કરીને છાપકામ કાર્યક્ષમતા અને ગુણવત્તામાં સુધારો કરે છે.

પરંપરાગત બાદબાકી અને સમકક્ષ ઉત્પાદનની તુલનામાં, મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીના ફાયદા છે જેમ કે ટૂંકા ઉત્પાદન ચક્ર સમય, ઉચ્ચ પ્રક્રિયા ચોકસાઈ, ઉચ્ચ સામગ્રી ઉપયોગ દર અને ભાગોનું સારું એકંદર પ્રદર્શન. તેથી, એરોસ્પેસ, શસ્ત્રો અને સાધનો, પરમાણુ શક્તિ, બાયોફાર્માસ્યુટિકલ્સ અને ઓટોમોબાઇલ્સ જેવા ઉદ્યોગોમાં મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. ડિસ્ક્રીટ સ્ટેકીંગના સિદ્ધાંત પર આધારિત, મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ પાવડર અથવા વાયરને ઓગાળવા માટે ઉર્જા 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 ટેકનોલોજીના નાના બેચ, જટિલ માળખાં અથવા વ્યક્તિગત ભાગોના ઉત્પાદનમાં નોંધપાત્ર ફાયદા છે. પરંપરાગત તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને પ્રક્રિયા કરી શકાતી નથી અથવા મુશ્કેલ હોય તેવી સામગ્રી પણ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને તૈયારી માટે યોગ્ય છે. ઉપરોક્ત ફાયદાઓને કારણે, એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીએ સ્થાનિક અને આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરે વિદ્વાનોનું વ્યાપક ધ્યાન ખેંચ્યું છે. છેલ્લા કેટલાક દાયકાઓમાં, એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીએ ઝડપી પ્રગતિ કરી છે. લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ સાધનોના ઓટોમેશન અને લવચીકતાને કારણે, તેમજ ઉચ્ચ લેસર ઉર્જા ઘનતા અને ઉચ્ચ પ્રક્રિયા ચોકસાઈના વ્યાપક ફાયદાઓને કારણે, લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીએ ઉપરોક્ત ત્રણ મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીઓમાં સૌથી ઝડપી વિકાસ કર્યો છે.

લેસર મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીને વધુ LPBF અને DED માં વિભાજિત કરી શકાય છે. આકૃતિ 1 LPBF અને DED પ્રક્રિયાઓનો લાક્ષણિક યોજનાકીય આકૃતિ દર્શાવે છે. LPBF પ્રક્રિયા, જેને સિલેક્ટિવ લેસર મેલ્ટિંગ (SLM) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે પાવડર બેડની સપાટી પર નિશ્ચિત માર્ગ પર ઉચ્ચ-ઊર્જા લેસર બીમ સ્કેન કરીને જટિલ ધાતુના ઘટકોનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. પછી, પાવડર સ્તર દ્વારા સ્તર પીગળે છે અને ઘન બને છે. DED પ્રક્રિયામાં મુખ્યત્વે બે પ્રિન્ટિંગ પ્રક્રિયાઓ શામેલ છે: લેસર મેલ્ટિંગ ડિપોઝિશન અને લેસર વાયર ફીડિંગ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ. આ બંને તકનીકો મેટલ પાવડર અથવા વાયરને સિંક્રનસલી ફીડ કરીને મેટલ ભાગોનું સીધા ઉત્પાદન અને સમારકામ કરી શકે છે. LPBF ની તુલનામાં, DED માં ઉચ્ચ ઉત્પાદકતા અને મોટો ઉત્પાદન ક્ષેત્ર છે. વધુમાં, આ પદ્ધતિ સંયુક્ત સામગ્રી અને કાર્યાત્મક રીતે ગ્રેડ કરેલ સામગ્રી પણ સરળતાથી તૈયાર કરી શકે છે. જો કે, DED દ્વારા છાપવામાં આવેલા ભાગોની સપાટીની ગુણવત્તા હંમેશા નબળી હોય છે, અને લક્ષ્ય ઘટકની પરિમાણીય ચોકસાઈ સુધારવા માટે અનુગામી પ્રક્રિયાની જરૂર પડે છે.

વર્તમાન લેસર એડિટિવ ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં, કેન્દ્રિત ગૌસીયન બીમ સામાન્ય રીતે ઉર્જા સ્ત્રોત હોય છે. જો કે, તેના અનન્ય ઉર્જા વિતરણ (ઉચ્ચ કેન્દ્ર, નીચી ધાર) ને કારણે, તે ઉચ્ચ થર્મલ ગ્રેડિયન્ટ્સ અને મેલ્ટ પૂલની અસ્થિરતાનું કારણ બને છે. જેના પરિણામે છાપેલા ભાગોની ગુણવત્તા નબળી પડે છે. વધુમાં, જો પીગળેલા પૂલનું કેન્દ્ર તાપમાન ખૂબ ઊંચું હોય, તો તે નીચા ગલનબિંદુવાળા ધાતુ તત્વોનું બાષ્પીભવન કરશે, જે LBPF પ્રક્રિયાની અસ્થિરતાને વધુ તીવ્ર બનાવશે. તેથી, છિદ્રાળુતામાં વધારો થવા સાથે, છાપેલા ભાગોના યાંત્રિક ગુણધર્મો અને થાક જીવનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે. ગૌસીયન બીમનું અસમાન ઉર્જા વિતરણ પણ ઓછી લેસર ઉર્જા ઉપયોગ કાર્યક્ષમતા અને વધુ પડતી ઉર્જા કચરો તરફ દોરી જાય છે. સારી પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તા પ્રાપ્ત કરવા માટે, વિદ્વાનોએ ઉર્જા ઇનપુટની શક્યતાને નિયંત્રિત કરવા માટે, લેસર પાવર, સ્કેનિંગ સ્પીડ, પાવડર લેયર જાડાઈ અને સ્કેનિંગ વ્યૂહરચના જેવા પ્રક્રિયા પરિમાણોમાં ફેરફાર કરીને ગૌસીયન બીમની ખામીઓને વળતર આપવાનું શરૂ કર્યું છે. આ પદ્ધતિની ખૂબ જ સાંકડી પ્રોસેસિંગ વિંડોને કારણે, નિશ્ચિત ભૌતિક મર્યાદાઓ વધુ ઑપ્ટિમાઇઝેશનની શક્યતાને મર્યાદિત કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લેસર પાવર અને સ્કેનિંગ ઝડપ વધારવાથી ઉચ્ચ ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત થઈ શકે છે, પરંતુ ઘણીવાર પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તાને બલિદાન આપવાની કિંમત ચૂકવવી પડે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, બીમ શેપિંગ વ્યૂહરચના દ્વારા લેસર ઉર્જા વિતરણમાં ફેરફાર કરવાથી ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો થઈ શકે છે, જે લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીની ભાવિ વિકાસ દિશા બની શકે છે. બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજી સામાન્ય રીતે ઇચ્છિત તીવ્રતા વિતરણ અને પ્રચાર લાક્ષણિકતાઓ મેળવવા માટે ઇનપુટ બીમના વેવફ્રન્ટ વિતરણને સમાયોજિત કરવાનો સંદર્ભ આપે છે. મેટલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીમાં બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ આકૃતિ 2 માં બતાવવામાં આવ્યો છે.

લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ

પરંપરાગત ગૌસીયન બીમ પ્રિન્ટીંગની ખામીઓ

મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીમાં, લેસર બીમના ઉર્જા વિતરણનો છાપેલા ભાગોની ગુણવત્તા પર નોંધપાત્ર પ્રભાવ પડે છે. જોકે ગૌસીયન બીમનો ઉપયોગ મેટલ લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ સાધનોમાં વ્યાપકપણે કરવામાં આવ્યો છે, તેઓ અસ્થિર પ્રિન્ટિંગ ગુણવત્તા, ઓછી ઉર્જા ઉપયોગ અને એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ પ્રક્રિયામાં સાંકડી પ્રક્રિયા બારીઓ જેવી ગંભીર ખામીઓથી પીડાય છે. તેમાંથી, મેટલ લેસર એડિટિવ પ્રક્રિયા દરમિયાન પાવડરની ગલન પ્રક્રિયા અને પીગળેલા પૂલની ગતિશીલતા પાવડર સ્તરની જાડાઈ સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે. પાવડર સ્પ્લેશિંગ અને ઇરોશન ઝોનની હાજરીને કારણે, પાવડર સ્તરની વાસ્તવિક જાડાઈ સૈદ્ધાંતિક અપેક્ષા કરતા વધારે છે. બીજું, સ્ટીમ કોલમ મુખ્ય પાછળની દિવાલ સાથે અથડાઈને છાંટા બનાવે છે, જે પીગળેલા પૂલના અંતર્મુખ વિસ્તારને લંબરૂપ આગળની દિવાલ સાથે છાંટવામાં આવે છે (આકૃતિ 3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે). લેસર બીમ અને સ્પ્લેશ વચ્ચેની જટિલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે, બહાર નીકળેલા છાંટા પછીના પાવડર સ્તરોની છાપવાની ગુણવત્તાને ગંભીર અસર કરી શકે છે. વધુમાં, પીગળેલા પૂલમાં કીહોલ્સનું નિર્માણ પણ છાપેલા ભાગોની ગુણવત્તાને ગંભીર રીતે અસર કરે છે. છાપેલા ભાગના આંતરિક છિદ્રો મુખ્યત્વે અસ્થિર લોકીંગ છિદ્રોને કારણે થાય છે.

બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજીમાં ખામીઓની રચના પદ્ધતિ

બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજી એકસાથે અનેક પરિમાણોમાં કામગીરીમાં સુધારો હાંસલ કરી શકે છે, જે ગૌસીયન બીમથી અલગ છે જે અન્ય પરિમાણોને બલિદાન આપવાના ખર્ચે એક પરિમાણમાં કામગીરીમાં સુધારો કરે છે. બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજી મેલ્ટ પૂલના તાપમાન વિતરણ અને પ્રવાહ લાક્ષણિકતાઓને સચોટ રીતે સમાયોજિત કરી શકે છે. લેસર ઉર્જાના વિતરણને નિયંત્રિત કરીને, નાના તાપમાન ઢાળ સાથે પ્રમાણમાં સ્થિર પીગળેલા પૂલ મેળવવામાં આવે છે. યોગ્ય લેસર ઉર્જા વિતરણ છિદ્રાળુતા અને સ્પટરિંગ ખામીઓને દબાવવા અને ધાતુના ભાગો પર લેસર પ્રિન્ટિંગની ગુણવત્તા સુધારવા માટે ફાયદાકારક છે. તે ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા અને પાવડર ઉપયોગમાં વિવિધ સુધારાઓ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. તે જ સમયે, બીમ શેપિંગ ટેકનોલોજી આપણને વધુ પ્રક્રિયા વ્યૂહરચનાઓ પ્રદાન કરે છે, જે પ્રક્રિયા ડિઝાઇનની સ્વતંત્રતાને મોટા પ્રમાણમાં મુક્ત કરે છે, જે લેસર એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજીમાં એક ક્રાંતિકારી પ્રગતિ છે.