உலோக அச்சிடுதல் எவ்வாறு பொருளாதார மேம்பாட்டு செயல்முறைகளை மேம்படுத்துகிறது?

விரைவு முன்னிலை மாதிரிகள் மூலம் புதிய பொருள்களின் செல்லுபடியாக்கத்தை விரைவுபடுத்துதல்

கலவை மேம்பாட்டு நேரத்தை மாதங்களிலிருந்து நாட்களில் குறைத்தல்

உலோக அச்சிடுதல் மூலம் புதிய கலவைகளின் உருவாக்கம் முற்றிலும் மாற்றமடைந்துள்ளது. தயாரிப்பாளர்கள் முழுமையாக ஒருங்கிணைந்த செயல்முறைகளை ஏற்றுக்கொண்டுள்ளனர்; இது மாதங்கள் நீளும் வார்ப்பு, தட்டுதல் மற்றும் பிற செயல்முறைகள் மூலம் சோதனை செய்வதிலிருந்து, மணிநேரங்களில் மட்டுமே நிகழும் செயல்முறைகளின் செல்லுபடியாக்கம் மற்றும் உருவாக்கம் வரை குறைக்கப்பட்டுள்ளது. நிறுவனங்கள் அச்சிடும் ஓட்டங்களுக்கு இடையில் கலவைகளை எளிதில் மாற்றிக்கொள்ளலாம் – எ.கா., சூப்பர் அலாய் தூள்களில் நிக்கல் உள்ளடக்கத்தை மாற்றுதல். வினைத்தன்மை எதிர்ப்பு, இயந்திர வலிமை மற்றும் அதிக வெப்பநிலை நிலைத்தன்மை போன்ற பண்புகளுக்கான பொருள்களின் சோதனைகளும் மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளன. மொத்த R&D நேரம் ஒரு வரிசை அளவில் (order of magnitude) குறைக்கப்பட்டுள்ளது, மேலும் இச்செயல்முறை தரவு முழுமையின் உயர் அளவை பராமரித்துள்ளது.

அச்சிடும் அளவுருக்கள், நுண்கட்டமைப்பு மற்றும் இயந்திர செயல்திறன் ஆகியவற்றின் மூடிய-சுழற்சி ஒருங்கிணைப்பு

மரபு வழி தயாரிப்பு முறைகள், ஒரு தயாரிப்புச் செயல்முறையில் என்ன சேர்க்கப்படுகிறது என்பதையும், அதிலிருந்து என்ன வெளியேறுகிறது என்பதையும், அது நுண்ணிய அளவில் எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதையும், அதன் செயல்திறன் எவ்வளவு நன்றாக உள்ளது என்பதையும் இணைப்பதை கிட்டத்தட்ட சாத்தியமற்றதாக ஆக்கியுள்ளன. இன்றைய உலோக அச்சிடும் தொழில்நுட்பங்கள் இந்த இணைப்பை ஏற்படுத்த முடியும். இன்-சிட்டூ (in situ) நுண்ணோக்கியின் மூலம், லேசர் சக்தி மற்றும் ஸ்கேன் வேகத்தில் ஏற்படும் மாற்றங்களுக்கு ஏற்ப தானிய அமைப்பில் ஏற்படும் மாற்றங்களை இயக்குநர் உண்மை நேரத்தில் கவனித்து, ஆவணப்படுத்த முடியும். இந்த செயல்முறை மாதிரிகளில் எந்த மாற்றமும் செய்யாமலேயே, பொருள்கள் எவ்வளவு வலுவானவை அல்லது எவ்வளவு நெகிழ்வானவை ஆக முடியும் என்பதை முன்கூட்டியே கணிக்கும் திறனை வளர்த்துள்ளது. இந்த செயல்முறையின் ஒரு சிறந்த உதாரணம் டைட்டானியம் ஸ்கேஃபோல்டுகளின் தயாரிப்பில் காணப்படுகிறது. இந்த ஸ்கேஃபோல்டுகள் துல்லியமாக சரிசெய்யப்பட்ட துளைத்தன்மையுடன் வடிவமைக்கப்படலாம்; இதன் விளைவாக, ஸ்கேஃபோல்டுகள் முன்கூட்டியே தீர்மானிக்கப்பட்ட நெகிழ்வுத்தன்மையைக் கொண்டிருக்கும். இந்த தொழில்நுட்பம், வலுவும் எடை சீர்மையும் மிக முக்கியமான விமானப் பொறியியல் பிரேக்கெட்கள் மற்றும் மருத்துவ பிளாண்ட்களுக்கான டைட்டானியம் ஸ்கேஃபோல்டுகளை உற்பத்தி செய்வதை வசதிபடுத்துகிறது. 'வடிவமைப்பின் மூலமான நுண்ணமைப்பு' (Microstructure by design) என்பது, ஃபேஸ் ஃபீல்ட் மாடலிங் (phase field modeling) மற்றும் வெப்ப சிமுலேஷன் (thermal simulation) ஆகியவை ஒருங்கே பயன்படுத்தப்படும் போது நிகழும் நிகழ்வை விளக்கும் சொற்றொடராகும். பொறியாளர்கள் தங்கள் விரும்பிய பண்புகளை உள்ளீடாக அளிக்கலாம்; உதாரணமாக, 650 டிகிரி செல்சியஸ் என்ற பிளாஸ்டிக் விடுபடும் வலு (yield strength) ஐ குறிப்பிடலாம்; இதனை அடிப்படையாகக் கொண்டு, அமைப்பு தானாகவே உற்பத்தி தொகுதிகளின் அனைத்து தொகுதிகளிலும் நம்பகமாக இந்த இலக்குகளை அடைய ஒரு பொருள் செயலாக்க திட்டத்தை உருவாக்கும்.

மேலோடு மற்றும் கூடு வடிவமைப்பு மூலம் செயல்திறன்-அடிப்படையிலான வடிவமைப்புகளை மேம்படுத்துதல்

மரபுசார் அளவுகள் மற்றும் பொருட்களை மீறும் புதுமையான வடிவமைப்பு

உலோக அச்சிடுதலுடன், சாய்வு கோணங்கள், ஒரே சீரான சுவர் தடிமன்கள் மற்றும் கருவிகளுக்கான அணுகல் போன்ற பாரம்பரிய தயாரிப்பு வரம்புகள் இனி பொருந்தாது. வடிவமைப்பாளர்கள் தங்கள் வடிவமைப்புகளில் சமரசம் செய்ய வேண்டிய அவசியம் இல்லை. இதன் விளைவாக, பொறியாளர்கள் சுமைகளுக்கு மிகவும் பதிலளிக்கும் பாகங்களை உருவாக்க உச்ச வடிவமைப்பு (டாப்பாலஜி ஆப்டிமைசேஷன்) முறைகளைப் பயன்படுத்த முடியும். தேவையான இடங்களில் மட்டுமே பொருள்கள் சேர்க்கப்படுகின்றன, மேலும் வலிமை, விறைப்பு அல்லது வெப்பக் கட்டுப்பாடு போன்ற விரும்பிய தேவைகளை நிறைவேற்றுவதற்கு மிக திறமையான வடிவமைப்பைக் கொண்ட கூட்டமைப்பு (ஸ்கெலிடன்) உருவாக்கப்படுகிறது. சில புதிய கூறுகள் விரும்பிய அமைப்புச் செயல்திறன் எதிர்பார்ப்புகளை நிறைவேற்றுகின்றன, மேலும் அவற்றின் எடையை 60-70% வரை குறைக்கின்றன. தொழில்துறையில், மேம்பட்ட குளிரூட்டும் அமைப்புகள், மாறும் அடர்த்தியுடன் கூடிய தனிப்பயன் கூட்டமைப்புகள் (லாட்டிஸ் ஸ்ட்ரக்சர்ஸ்) மற்றும் இயற்கை தண்டுகள் (நேச்சுரல் ஸ்ட்ரட்ஸ்) ஆகியவை வெப்பநிலை கட்டுப்பாடு, அதிர்ச்சி உறிஞ்சுதல் மற்றும் அதிர்வுகளைக் குறைத்தல் ஆகியவற்றில் செயல்திறனை மேம்படுத்துகின்றன. இந்த மேம்பாடுகள், எடை குறைப்பு அவசியமாக உள்ள விண்வெளித் துறையிலும், திறன் மிக முக்கியமாக உள்ள ஆற்றல் துறையிலும், பல அமைப்பு மற்றும் வெப்ப நிலைகளில் நம்பகமான இயக்கத்தை தேவைப்படுத்தும் மருத்துவ கருவிகளிலும் மிக முக்கியமானவை. இப்போது நாம் அமைப்புகளை மிகச் சிறப்பாக வடிவமைக்கிறோம், மேலும் தேவையில்லாத பொருள்களை நீக்குகிறோம்; அதாவது, விரும்பிய செயல்திறனில் அமைப்பு வலுவாக இருக்குமாறு மட்டுமே வடிவமைப்பதை விட மேம்பட்ட வழியில் வடிவமைக்கிறோம்.

தரவு-அடிப்படையிலான கட்டமைப்பு வடிவமைப்பிற்கான கருவிகளாக இடத்திலேயே திசைவேக வரைபடம் மற்றும் கட்டம்-களம் மாதிரியாக்கம்

கடந்த சில ஆண்டுகளில், கூடு அமைப்புகள் (லாட்டிஸ் ஸ்ட்ரக்சர்ஸ்) மிகவும் முன்னேறியுள்ளன. முந்தைய தலைமுறைகளில் உள்ள கூடு அமைப்புகளின் வடிவமைப்புகள் பெரும்பாலும் முறையாக மேம்படுத்தப்படாமல் இருந்தன மற்றும் ஒரே மாதிரியாக கையாளப்பட்டன. இப்போது, பெரிய அளவிலான இயற்பியல் மற்றும் உண்மையான சோதனை தரவுகளின் அடிப்படையில், இடத்திற்கு ஏற்றவாறு மாறும் செயல்பாட்டு வடிவமைப்புகளைக் கொண்ட புத்திசாலித்தனமான அமைப்புகளை நாம் காண்கிறோம். இது கூடு அமைப்புகளின் பொறியியல் வடிவமைப்புடன் இணைந்து செயல்படுகிறது. கூடு அமைப்புகளுக்கான வடிவமைப்பு, தாக்கங்கள் எங்கு உறிஞ்சப்படும் (ஆக்செடிக் அமைப்புகள்), வலுவான/தாங்கும் அமைப்புகள் எங்கு தேவைப்படும் (ஆக்டெட் ட்ரஸ் அமைப்புகள்) மற்றும் சுமைகள் எங்கு செயல்படும் என்பதை அடிப்படையாகக் கொண்டு உருவாக்கப்படலாம். இந்த வடிவமைப்பு முறையானது, பாரம்பரிய ஒரே மாதிரியான வடிவமைப்பை விட 30% அதிக ஆற்றல் உறிஞ்சுதலை வெளிப்படுத்தியுள்ளது. ஒரு டிஜிட்டல் ட்வின் (இலக்கமுறை இணை) என்பது, அது செயல்படுத்தப்படுவதற்கு முன்பாகவே ஒரு வடிவமைப்பை சரிபார்க்கவும், சோதிக்கவும் திறன் பெற்றது. இந்த வடிவமைப்பு முறையின் காரணமாக, 'ஃபீட்பேக் லூப்ஸ்' (திரும்பு வட்டங்கள்) உருவாகின்றன, அங்கு வடிவமைப்புகள் இயந்திர பதிலளிப்பு செயல்முறைகளை அதிக துல்லியத்துடன் முன்கூட்டியே கணிக்க முடிவதால், அவை மேலும் மேம்படுத்தப்பட்டு, துல்லியமானவையாக மாறுகின்றன.

உலோக அச்சிடுதல் மூலம் இலக்கு வைத்த கலவை உருவாக்கம்

கலவை அமைப்புகளுக்குள் பொறியியல் நுண்கட்டமைப்புகள்: Ti-6Al-4V, Inconel 718 மற்றும் AlSi10Mg

தயாரிப்பு முறையால் திடீகரிப்பு மற்றும் வெப்ப பாதைகள் மீதான கட்டுப்பாடு மேம்படுவதால், உலோக அச்சிடுதல் முக்கிய கலவை அமைப்புகளில் நுண்ணமைப்பு பொறியியலை சாத்தியமாக்குகிறது. உதாரணமாக Ti-6Al-4V ஐ எடுத்துக்கொள்ளலாம். அடுக்கு முறையிலான கூட்டு தயாரிப்பு (additive manufacturing) இந்த கலவைக்கு நிலையான ஆல்ஃபா-பீட்டா கட்டம் சமநிலையை ஏற்படுத்துகிறது, இது வெளியேற்றப்பட்ட (wrought) அல்லது வார்ப்பு (cast) பதிப்புகளுடன் ஒப்பிடும்போது இக்கலவையின் உயர் சுழற்சி சோர்வு எதிருத்துத்தன்மையை 40% வரை மேம்படுத்துகிறது. Inconel 718 க்கு, குளிர்விப்பு வேகத்தைக் கட்டுப்படுத்தும் திறன் காரணமாக, காமா பிரைம் (gamma prime) வீழ்படிவுகள் அடிப்படை கலவையில் மிக மெல்லியதாகவும், சீராகவும் பரவுகின்றன, இது 600 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலைக்கு மேலான வெப்பநிலைகளில் இக்கலவையின் சீரழிவு எதிருத்துத்தன்மையை (creep resistance) மேம்படுத்துகிறது. AlSi10Mg க்கும் இந்த வடிவமைப்பு கொள்கை மூலம் மேம்பாடு ஏற்படுகிறது. விரைவான திடீகரிப்பு சிலிக்கான் கட்டம் (silicon phase) இன் வடிவம் மற்றும் பரவலை மாற்றுகிறது, இது இழுவிசைத்தன்மையை (ductility) 25% அதிகரிக்கிறது (இது எடை குறைந்த வடிவமைப்புக்கு மிகவும் முக்கியமான கடினத்தன்மையுடன் சேர்த்து).

அச்சிடக்கூடிய தூள்கள் (Printable Powders) என்ற அடிப்படையில் தொடங்கி, செயல்திறனுக்காக தனிப்பயனாக்கப்பட்ட பொருட்கள் வரை (எ.கா., பொருளில் ஆக்ஸிஜன் அளவைக் கட்டுப்படுத்திய 316L – பிரதியிடுதலுக்கான பொருட்களுக்கு)

உயர் செயல்திறன் முடிவுகளின் பயணம் பொறியியல் முறையில் தயாரிக்கப்பட்ட தூள்களுடன் தொடங்குகிறது: வாயு அணுமாக்கப்பட்ட, கோள வடிவிலான துகள்கள் (15–45 மைக்ரோமீட்டர்) ஓட்டத்தின் ஒழுங்கு, அடர்த்தியான நிரப்புதல் மற்றும் உருகிய குழம்பின் (melt pool) நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றை உறுதிப்படுத்துகின்றன. பிளாண்ட்-தரமான 316L ஸ்டெயின்லெஸ் ஸ்டீலில், உயிரியல் ஒத்திசைவு மற்றும் சுமைத்தாங்கும் ஆயுளை பாதிக்கும் ஆக்ஸைடுகளின் உருவாதலைக் கட்டுப்படுத்துவதற்காக ஆக்ஸிஜன் உள்ளடக்கம் 200 ppm-க்கு கண்டிப்பாக குறைவாக வைக்கப்படுகிறது. மேலும் செயலாக்கம் செய்வதன் மூலம் செயல்திறன் மேம்படுத்தப்படுகிறது:

மன அழுத்தத்தை நீக்கும் வெப்பச் சிகிச்சைகள் வெப்ப சரிவுகளால் ஏற்படும் மீதமுள்ள/சிக்கியுள்ள மன அழுத்தங்கள் என்ற பிரச்சினையைத் தீர்க்கின்றன.

ஹாட் ஐசோஸ்டேட்டிக் பிரெசிங் (HIP) உள் துளைகளை நீக்கி, சுமைத்தாங்கும் தாங்குதிறனை (fatigue threshold) அதிகரிக்கிறது.

பிளாஸ்மா நைட்ரைடிங் அல்லது மின்னணு முறையிலான பாலிஷிங் பற்றிய மேற்பரப்பு வினைத்திறனை காற்றில் உள்ள ஈரப்பதத்தால் ஏற்படும் சீர்கேட்டிற்கு எதிராக மேம்படுத்துகிறது.

முழு செயல்முறையின் கட்டுப்பாடும் பாரம்பரியமாக செயலாக்கப்பட்ட 316L ஐ விட 50% சிறந்த எலும்பு ஒருங்கிணைப்புடன் முன்கூட்டிய ஆய்வுகளில் பொருட்கள் அளிக்கிறது, இது விரும்பிய மருத்துவ முடிவுக்கு தூள் பண்புக்கூறு, செயல்முறை செயல்திறன் மற்றும் பிந்தைய சிகிச்சையின் முக்கியத்துவத்தை எடுத்துக்காட்டுகிறது.

உலோக அச்சிடலில் செயல்முறைகளின் மூலோபாயத் தேர்வின் மூலம் நுண் கட்டமைப்பு மற்றும் பண்புகளின் கட்டுப்பாடு

தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட லேசர் உருக்குதல் (SLM) மற்றும் திசையில் ஆற்றல் வீச்சு (DED) போன்ற அச்சிடும் முறைகளின் வளர்ச்சியுடன், உலோக அச்சிடும் துறையில் பெரிய மாற்றம் ஏற்பட உள்ளது. இந்த தொழில்நுட்பங்கள் பயனர்களுக்கு, அச்சிடப்படும் பொருள்களின் நுண்ணமைப்பை தனிப்பயனாக்கும் திறனை வழங்குகின்றன; இதில் உலோகங்களின் திட நிலைகள் மற்றும் கட்டமைப்புகளின் பரவல் மீது கவனம் செலுத்தப்படுகிறது. DED மற்றும் SLM செயல்முறைகளுக்கு வழங்கப்படும் உள்ளீடுகள், இறுதி பொருளில் பல்வேறு மற்றும் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட விளைவுகளை உருவாக்குகின்றன. இந்த உள்ளீடுகள் லேசர் சக்தி, ஸ்கேன் வேகம் மற்றும் அடுக்கு தடிமன் ஆகியவையாகும்; இவற்றின் சக்தி உள்ளீடுகள் 200 முதல் 1000 W வரை, வேகம் 0.5 - 15 m/s வரை, தடிமன் 20 - 100 μm வரை ஆகும். இந்த கட்டுப்படுத்தப்பட்ட விளைவுகள், அமைப்பின் நுண்ணமைப்பு துகள்களின் அளவு, கட்டமைப்புகள் மற்றும் குறைபாடுகள் ஆகியவற்றை உள்ளடக்கியவையாகும். SLM என்பது விமான இயந்திரங்களின் கடத்தும் பொருள்களுக்கு தேவையான உயர் தரத்தின் மற்றும் ஒழுங்குமுறைகளின் படி மிக நுண்ணிய நுண்ணமைப்பு பொருள்களை உருவாக்குவதில் பிரபலமானது; இங்கு சோர்வு பண்புகள் மிக முக்கியமானவையாகும். DED என்பது FAST-இல் முற்றிலும் வேறுபட்டது. DED என்பது, அச்சிடும் போது ஆற்றலை கையாளுவதன் மூலம் பல உலோகங்களை ஒரே சமயத்தில் வார்ப்பு செய்வதன் மூலம், சிறியதில் இருந்து பெரிய தொழில்துறை தரத்திலான அமைப்புகளை உருவாக்க முடியும். இந்த செயல்முறைகள் குறித்து மிக தரமான தகவல்களின்படி, பயனர்கள் பொருள்களின் பண்புகளுக்கும் பயன்படுத்தப்படும் செயல்முறைகளுக்கும் இதுவரை இல்லாத தொடர்புகளை நிறுவ முடியும்; மேலும் மிக தரமான தகவல்கள், இந்த செயல்முறைகள் அச்சிடப்பட்ட பாகங்களை இயந்திர சான்றிதழ் பெறுவதற்கான நேரத்தை 2/3 ஆகக் குறைக்கின்றன என்கின்றன. இந்த கூற்று உண்மையாகும், ஆனால் அந்த பாகங்கள் ISO/ASTM மற்றும் இழுவிசை வலிமை, சோர்வு பண்புகள் மற்றும் பிளவு எதிர்ப்பு போன்ற இயந்திர பண்புகளை சோதிக்கும் தர வழிகாட்டுதல்களுக்கு ஏற்ப பயனர்களால் வடிவமைக்கப்பட்டிருக்க வேண்டும்.

கேள்விகளுக்கு பதில்கள்

உலோக அச்சிடுதல் என்றால் என்ன மற்றும் அது பொருள் செல்லுபடியாக்கத்தை எவ்வளவு வேகமாக வழங்குகிறது?

வேகமான முன்மாதிரி உருவாக்குதலுக்காக முக்கியமாகப் பயன்படுத்தப்படும் உலோக அச்சிடுதல், தயாரிப்பாளர்கள் புதிய உலோகக் கலவைகளை ஒரே நேரத்தில் உருவாக்கவும் மதிப்பீடு செய்யவும் அனுமதிக்கிறது; இது மேலும் செயல்முறைகள் மூலம் மேம்படுத்தப்பட்டு, வளர்ச்சிக் காலத்தை மாதங்களிலிருந்து நாட்களில் குறைக்கிறது.

Ti-6Al-4V போன்ற குறிப்பிட்ட உலோகக் கலவைகளுக்கான வளர்ச்சியை உலோக அச்சிடுதல் எவ்வாறு மேம்படுத்துகிறது?

உலோக அச்சிடுதல், பதிவு செய்யப்பட்ட வெப்ப வரலாறு மற்றும் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட திண்மமாக்கம் மூலம் இலக்கு வைத்த நுண்ணமைப்பு பொறியியலை சாத்தியமாக்குகிறது, இது நுண்ணமைப்பை மேம்படுத்துகிறது மற்றும் சோர்வு எதிர்ப்பு போன்ற பண்புகளை குறிப்பிடத்தக்க அளவில் மேம்படுத்துகிறது.

உலோக அச்சிடுதலில் தொபாலஜி மற்றும் கூடார மேம்படுத்தலை பயன்படுத்துவதன் நன்மைகள் யாவை?

உலோக அச்சிடுதல், தொபாலஜி மேம்படுத்தல் மற்றும் கூடார அமைப்புகளைப் பயன்படுத்துவதை சாத்தியமாக்குகிறது, இதன் விளைவாக எடை குறைந்த மற்றும் திறன் மிகுந்த பாகங்கள் உருவாகின்றன, இது விமான வடிவமைப்பு, ஆற்றல் மற்றும் மருத்துவம் போன்ற துறைகளில் செயல்திறனை மேம்படுத்துகிறது.

உலோக அச்சிடுதல் செயல்முறைகளில் மூடிய வளைய ஒருங்கிணைப்பின் நன்மைகள் யாவை?

மூடிய-சுழற்சி ஒருங்கிணைப்பு பொருளின் நுண்கட்டமைப்பு மற்றும் இயந்திரவியல் செயல்திறனை முன்கூட்டியே கணிக்க வழிவகுக்கிறது, இதனால் உடல் சோதனைகளை நிகழ்த்தாமலேயே பொருளின் வலிமை மற்றும் நெகிழ்வுத்தன்மையை மதிப்பிட முடிகிறது.