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परिचय
कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (सीएफआरपी) में मैट्रिक्स चरण सामग्री के रूप में कार्य करने वाला एक राल और सुदृढीकरण चरण सामग्री के रूप में कार्य करने वाले कार्बन फाइबर शामिल होते हैं। राल मैट्रिक्स और कार्बन फाइबर सुदृढीकरण दोनों के भौतिक गुणों को मिलाकर, सीएफआरपी हल्के वजन, संक्षारण प्रतिरोध, पहनने के प्रतिरोध और उच्च कठोरता जैसी विशेषताओं को प्रदर्शित करता है। नतीजतन, एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव उद्योग, नौसैनिक जहाज निर्माण, पवन ऊर्जा उत्पादन और सिविल इंजीनियरिंग जैसे संरचनात्मक हल्केपन की मजबूत मांग वाले क्षेत्रों में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सीएफआरपी सामग्रियों के लिए प्राथमिक विनिर्माण विधियों में रेज़िन ट्रांसफर मोल्डिंग (आरटीएम), आटोक्लेव मोल्डिंग, वैक्यूम बैग मोल्डिंग और फिलामेंट वाइंडिंग शामिल हैं; ये विधियाँ सीएफआरपी संरचनाओं को निकट {{4}नेट-आकार प्रसंस्करण के माध्यम से उत्पादित करने में सक्षम बनाती हैं। हालाँकि, व्यावहारिक औद्योगिक अनुप्रयोगों में, सीएफआरपी के द्वितीयक प्रसंस्करण को आम तौर पर वांछित भाग ज्यामिति को प्राप्त करने के लिए आवश्यक होता है {{7}जिसमें छेद, स्लॉट और असेंबली ग्रूव्स जैसी सुविधाएं शामिल होती हैं और भाग डिजाइन में निर्दिष्ट आयामी सटीकता और फॉर्म सहनशीलता को पूरा करने के लिए। सीएफआरपी के भीतर मजबूत कार्बन फाइबर और मैट्रिक्स रेजिन के बीच थर्मल और यांत्रिक गुणों में महत्वपूर्ण असमानताओं के कारण, यह माध्यमिक प्रसंस्करण काफी चुनौतियां पेश करता है और विभिन्न दोषों से ग्रस्त है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर प्रसंस्करण गुणवत्ता से समझौता होता है। इसलिए, अंतिम घटकों की आयामी और प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, सीएफआरपी सामग्रियों के लिए प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों की जांच करना और उच्च गुणवत्ता, उच्च दक्षता प्रसंस्करण विधियों का पता लगाना अत्यंत महत्वपूर्ण है।
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लेजर प्रसंस्करण में सामग्री हटाने के तंत्र
कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (सीएफआरपी) जैसे जटिल भौतिक गुणों वाले उन्नत इंजीनियरिंग सामग्रियों के उद्भव के साथ, पारंपरिक यांत्रिक मशीनिंग, वॉटरजेट मशीनिंग और इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज मशीनिंग की प्रतिस्पर्धात्मकता धीरे-धीरे कम हो गई है। लेजर प्रसंस्करण में, सामग्री हटाने में मूल रूप से सामग्री के भीतर लेजर ऊर्जा का अवशोषण, प्रतिक्रिया और स्थानांतरण शामिल होता है। इस प्रक्रिया के दौरान, लेजर सामग्री की सतह को विकिरणित करता है, और इलेक्ट्रॉन फोटॉन ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। इसके बाद, इलेक्ट्रॉनों के टकराव के माध्यम से ऊर्जा हस्तांतरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप जाली के तापमान में वृद्धि होती है और इलेक्ट्रॉन तापमान में कमी आती है जब तक कि इलेक्ट्रॉनों और जाली के बीच थर्मल संतुलन स्थापित नहीं हो जाता। हालाँकि, क्योंकि कार्बन फाइबर का ऊर्ध्वपातन तापमान (~3600 K) रेजिन मैट्रिक्स (~800 K) का लगभग पांच गुना है, कार्बन फाइबर को हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा इनपुट रेजिन के लिए आवश्यक ऊर्जा इनपुट से काफी अधिक है। इसके अलावा, कार्बन फाइबर की अनिसोट्रोपिक थर्मल चालकता के कारण, कार्बन फाइबर उर्ध्वपातन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न गर्मी अधिमानतः राल मैट्रिक्स में फैलती है, जिससे राल का अपघटन होता है और हानिकारक पदार्थों का निर्माण होता है। शोधकर्ताओं ने सीएफआरपी के लिए दो चरण हटाने का तंत्र प्रस्तावित किया है: लेजर प्रेरित पायरोलिसिस और थर्मोमैकेनिकल एक्सफोलिएशन। सामग्री उच्छेदन के प्रारंभिक चरण के दौरान उत्पन्न प्लाज्मा गर्मी को अवशोषित करता है और दिशात्मक थर्मल शॉकवेव उत्पन्न करता है। प्रसंस्करण के दौरान उजागर कार्बन फाइबर रेडियल कतरनी बलों के अधीन होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप भंगुर फ्रैक्चर और सामग्री अलग हो जाती है।
जब लेज़र पल्स अवधि 10 पीएस से कम हो जाती है, तो पल्स अवधि इलेक्ट्रॉन {{1}जाली विश्राम समय से कम हो जाती है, जिससे सामग्री हटाने की व्यवस्था पारंपरिक थर्मल एब्लेशन से अलग हो जाती है। प्रसंस्करण तंत्र को चित्र 2 में दर्शाया गया है: राल सामग्री खराब विद्युत चालकता और सीमित संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्रदर्शित करती है, जिसमें 2-4 ईवी का ऊर्जा बैंडगैप होता है; इसके विपरीत, कार्बन फाइबर में अच्छी विद्युत चालकता होती है और इसमें एक निश्चित मात्रा में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। लेजर विकिरण के दौरान, कार्बन फाइबर के भीतर मुक्त इलेक्ट्रॉन सीधे लेजर ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन प्रणाली के तापमान में वृद्धि होती है। जब एकल फोटॉन की ऊर्जा राल के बैंडगैप से कम होती है, तो मल्टीफोटोन आयनीकरण (एमपीआई) तंत्र के माध्यम से मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं, जैसा कि चित्र 2 (बी) में दिखाया गया है। जब एकल फोटॉन की ऊर्जा बैंडगैप से अधिक हो जाती है, तो एकल फोटॉन आयनीकरण इलेक्ट्रॉन उत्तेजना तंत्र पर हावी हो जाता है। उत्पन्न मुक्त इलेक्ट्रॉन बाध्य इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं, प्रभाव आयनीकरण के माध्यम से ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं; यह हिमस्खलन आयनीकरण को ट्रिगर करता है {{12} जैसा कि चित्र 2 (सी) में दर्शाया गया है {{14} जो मुक्त इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को काफी बढ़ाता है। अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेजर विकिरण चरण के दौरान, थर्मल जड़त्व के कारण जाली का तापमान धीरे-धीरे बदलता है, जबकि इलेक्ट्रॉन प्रणाली का तापमान तेजी से बढ़ता है। इसमें शामिल चरण संक्रमणों में गैर-थर्मल और थर्मल चरण संक्रमण दोनों शामिल हैं। यदि लेज़र फोटॉन ऊर्जा पर्याप्त रूप से अधिक है, तो इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के कूलम्ब बंधनकारी बलों पर काबू पाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, जिससे थर्मल आयनीकरण होता है और बड़ी संख्या में सकारात्मक आयन पीछे छूट जाते हैं। ये धनात्मक आयन कूलम्ब बलों के कारण एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप "कूलम्ब विस्फोट" और इलेक्ट्रोस्टैटिक एब्लेशन होता है, जिसे "कोल्ड एब्लेशन" के रूप में जाना जाता है। जैसा कि चित्र 2(डी) में दिखाया गया है। चूंकि इलेक्ट्रॉन -जालक ऊर्जा का प्रकीर्णन लगातार होता रहता है, जाली का तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है, और कार्बन फाइबर और राल के बीच ताप संचालन होता है, जैसा कि चित्र 2(ई) में दिखाया गया है। नतीजतन, जब तापमान एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, तो वाष्पीकरण और चरण विस्फोट जैसे थर्मल चरण संक्रमण होते हैं, जिससे उच्च तापमान, उच्च दबाव और उच्च घनत्व वाला प्लाज्मा उत्पन्न होता है, जो सतह से बाहर निकलता है, गर्मी को दूर ले जाता है और मलबे को संसाधित करता है।
गर्मी से प्रभावित क्षेत्र (एचएजेड) के भीतर दोष सीएफआरपी के भीतर के क्षेत्रों को संदर्भित करते हैं जहां लेजर सामग्री इंटरैक्शन के परिणामस्वरूप स्थानीय संपत्ति परिवर्तन होते हैं, साथ ही सामग्री की अंतर्निहित विविधता और अनिसोट्रॉपी भी होती है। इन परिवर्तनों में मैट्रिक्स रेजिन के गैर-समान वाष्पीकरण और थर्मल गिरावट के साथ-साथ कार्बन फाइबर का जोखिम भी शामिल है। एक गॉसियन लेजर बीम एक गैर-समान स्थानिक ऊर्जा वितरण उत्पन्न करता है, और थर्मल प्रसार प्रभाव सीएफआरपी सामग्री को प्रसंस्करण क्षेत्र के आसपास गर्म करने का कारण बनता है। इस विशिष्ट क्षेत्र में, थर्मल ऊर्जा राल मैट्रिक्स के अपघटन के लिए आवश्यक सीमा से अधिक है लेकिन कार्बन फाइबर को हटाने के लिए आवश्यक सीमा से नीचे रहती है। इससे राल के गुणों में गिरावट आती है और कार्बन फाइबर का स्थानीयकृत जोखिम होता है। इस क्षेत्र के भीतर, ऊष्मा चालन राल और कार्बन फाइबर दोनों को गर्म करता है। राल और कार्बन फाइबर के वाष्पीकरण तापमान के बीच महत्वपूर्ण असमानता के कारण, इस क्षेत्र में राल वाष्पित हो जाता है जबकि कार्बन फाइबर अपने वाष्पीकरण तापमान तक पहुंचने में विफल रहता है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बन फाइबर का संपर्क होता है।
