01
تعارف
کاربن فائبر ریئنفورسڈ پولیمر (CFRP) ایک رال پر مشتمل ہوتا ہے جو میٹرکس فیز میٹریل کے طور پر کام کرتا ہے اور کاربن ریشوں کو کمک کے مرحلے کے مواد کے طور پر کام کرتا ہے۔ رال میٹرکس اور کاربن فائبر ری انفورسمنٹ دونوں کی مادی خصوصیات کو ملا کر، CFRP ہلکے وزن، سنکنرن مزاحمت، پہننے کی مزاحمت، اور اعلی سختی جیسی خصوصیات کو ظاہر کرتا ہے۔ نتیجتاً، یہ وسیع پیمانے پر ایسے شعبوں میں استعمال کیا جاتا ہے جس میں ساختی ہلکے وزن کے لیے سخت مطالبات ہوتے ہیں-جیسے ایرو اسپیس، آٹوموٹیو انڈسٹری، بحری جہاز سازی، ہوا سے بجلی پیدا کرنا، اور سول انجینئرنگ۔ CFRP مواد کے لیے مینوفیکچرنگ کے بنیادی طریقوں میں رال ٹرانسفر مولڈنگ (RTM)، آٹوکلیو مولڈنگ، ویکیوم بیگ مولڈنگ، اور فلیمینٹ وائنڈنگ شامل ہیں۔ یہ طریقے CFRP ڈھانچے کو قریب-نیٹ-شکل پروسیسنگ کے ذریعے تیار کرنے کے قابل بناتے ہیں۔ تاہم، عملی صنعتی ایپلی کیشنز میں، CFRP کی ثانوی پروسیسنگ عام طور پر مطلوبہ حصے جیومیٹری کو حاصل کرنے کے لیے ضروری ہوتی ہے-بشمول سوراخ، سلاٹ، اور اسمبلی گرووز-اور پارٹ ڈیزائن میں بیان کردہ جہتی درستگی اور شکل کی رواداری کو پورا کرنے کے لیے۔ CFRP کے اندر مضبوط کاربن ریشوں اور میٹرکس رال کے درمیان تھرمل اور مکینیکل خصوصیات میں نمایاں تفاوت کی وجہ سے، یہ ثانوی پروسیسنگ کافی چیلنجز پیش کرتی ہے اور مختلف نقائص کا شکار ہے، جس کے نتیجے میں اکثر پروسیسنگ کے معیار پر سمجھوتہ کیا جاتا ہے۔ لہذا، حتمی اجزاء کی جہتی اور کارکردگی کے تقاضوں کو پورا کرنے کے لیے، CFRP مواد کے لیے پروسیسنگ ٹیکنالوجیز کی چھان بین اور اعلی-معیار، اعلی-کارکردگی کے طریقوں کو تلاش کرنا انتہائی اہمیت کا حامل ہے۔
02
لیزر پروسیسنگ میں مواد کو ہٹانے کا طریقہ کار
پیچیدہ جسمانی خصوصیات کے حامل جدید انجینئرنگ مواد کے ظہور کے ساتھ-جیسے کاربن فائبر ریئنفورسڈ پولیمر (CFRP)-روایتی مکینیکل مشینی، واٹر جیٹ مشیننگ، اور برقی خارج ہونے والی مشینی کی مسابقت بتدریج کم ہو گئی ہے۔ لیزر پروسیسنگ میں، مواد کو ہٹانے میں بنیادی طور پر مواد کے اندر لیزر توانائی کو جذب، ردعمل اور منتقلی شامل ہوتی ہے۔ اس عمل کے دوران، لیزر مواد کی سطح کو شعاع کرتا ہے، اور الیکٹران فوٹوون توانائی کو جذب کرتے ہیں۔ اس کے بعد، توانائی کی منتقلی الیکٹران-جالیوں کے تصادم کے ذریعے ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں جالی کے درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے اور الیکٹران کے درجہ حرارت میں کمی واقع ہوتی ہے جب تک کہ الیکٹران اور جالی کے درمیان تھرمل توازن قائم نہ ہوجائے۔ تاہم، کیونکہ کاربن ریشوں کا درجہ حرارت (~3600 K) رال میٹرکس (~800 K) سے تقریباً پانچ گنا زیادہ ہے، اس لیے کاربن ریشوں کو ہٹانے کے لیے درکار انرجی ان پٹ رال کے لیے درکار اس سے نمایاں طور پر زیادہ ہے۔ مزید برآں، کاربن ریشوں کی انیسوٹروپک تھرمل چالکتا کی وجہ سے، کاربن فائبر سبلیمیشن کے عمل کے دوران پیدا ہونے والی حرارت ترجیحی طور پر رال میٹرکس میں پھیلتی ہے، جس سے رال سڑنے اور نقصان دہ مادوں کی تشکیل ہوتی ہے۔ محققین نے CFRP کے لیے دو-مرحلہ ہٹانے کا طریقہ کار تجویز کیا ہے: لیزر-حوصلہ افزائی پائرولیسس اور تھرمو مکینیکل ایکسفولیئشن۔ مواد کے خاتمے کے ابتدائی مرحلے کے دوران پیدا ہونے والا پلازما گرمی کو جذب کرتا ہے اور دشاتمک تھرمل شاک ویوز پیدا کرتا ہے۔ پروسیسنگ کے دوران سامنے آنے والے کاربن ریشوں کو ریڈیل شیئر فورسز کا نشانہ بنایا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں ٹوٹنے والا فریکچر اور مواد سے لاتعلقی ہوتی ہے۔
جب لیزر پلس کا دورانیہ 10 پی ایس سے کم ہوجاتا ہے، تو نبض کا دورانیہ الیکٹران-جالی کے آرام کے وقت سے کم ہوجاتا ہے، جس کی وجہ سے مواد کو ہٹانے کا طریقہ کار روایتی تھرمل ایبلیشن سے ہٹ جاتا ہے۔ پروسیسنگ میکانزم کو شکل 2 میں دکھایا گیا ہے: رال کا مواد ناقص برقی چالکتا اور 2–4 eV کے انرجی بینڈ گیپ کے ساتھ آزاد الیکٹرانوں کی ایک محدود تعداد کو ظاہر کرتا ہے۔ اس کے برعکس، کاربن فائبر اچھی برقی چالکتا رکھتا ہے اور اس میں مفت الیکٹران کی ایک خاص مقدار ہوتی ہے۔ لیزر شعاع ریزی کے دوران، کاربن فائبر کے اندر موجود مفت الیکٹران لیزر توانائی کو براہ راست جذب کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں الیکٹران سسٹم کے درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے۔ جب ایک فوٹوون کی توانائی رال کے بینڈ گیپ سے کم ہوتی ہے، تو ملٹی فوٹون آئنائزیشن (MPI) میکانزم کے ذریعے مفت الیکٹران پیدا ہوتے ہیں، جیسا کہ شکل 2(b) میں دکھایا گیا ہے۔ جب ایک فوٹوون کی توانائی بینڈ گیپ سے زیادہ ہو جاتی ہے، تو سنگل فوٹوون آئنائزیشن الیکٹران کی حوصلہ افزائی کے طریقہ کار پر حاوی ہو جاتی ہے۔ پیدا شدہ آزاد الیکٹران پابند الیکٹرانوں سے ٹکرا جاتے ہیں، اثر آئنائزیشن کے ذریعے توانائی منتقل کرتے ہیں۔ یہ برفانی تودے کے آئنائزیشن کو متحرک کرتا ہے-جیسا کہ شکل 2(c) میں دکھایا گیا ہے-جو آزاد الیکٹران کی کثافت کو نمایاں طور پر بڑھاتا ہے۔ الٹرا شارٹ-پلس لیزر شعاع ریزی کے مرحلے کے دوران، جالی کا درجہ حرارت تھرمل جڑتا کی وجہ سے آہستہ آہستہ تبدیل ہوتا ہے، جبکہ الیکٹران سسٹم کا درجہ حرارت تیزی سے بڑھتا ہے۔ فیز ٹرانزیشنز میں شامل ہیں نان- تھرمل اور تھرمل فیز ٹرانزیشن۔ اگر لیزر فوٹوون توانائی کافی زیادہ ہے تو، الیکٹران ایٹمی نیوکلی کی کولمب بائنڈنگ قوتوں پر قابو پانے کے لیے کافی توانائی جذب کرتے ہیں، جس سے تھرمل آئنائزیشن ہوتی ہے اور مثبت آئنوں کی ایک بڑی تعداد پیچھے رہ جاتی ہے۔ یہ مثبت آئن کولمب قوتوں کی وجہ سے ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں، جس کے نتیجے میں "کولمب دھماکہ" اور الیکٹرو سٹیٹک ایبلیشن-ایک عمل جسے "کولڈ ایبلیشن" کہا جاتا ہے-جیسا کہ شکل 2(d) میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ الیکٹران-جالی توانائی کا بکھرنا مسلسل ہوتا ہے، جالی کا درجہ حرارت آہستہ آہستہ بڑھتا ہے، اور کاربن فائبر اور رال کے درمیان حرارت کی ترسیل ہوتی ہے، جیسا کہ تصویر 2(e) میں دکھایا گیا ہے۔ نتیجتاً، جب درجہ حرارت ایک خاص حد سے تجاوز کر جاتا ہے، تو تھرمل فیز ٹرانزیشن-جیسے بخارات اور مرحلے کا دھماکہ-ہوتا ہے، جس سے ایک اعلی-درجہ حرارت، زیادہ-دباؤ، اور زیادہ-کثافت والے پلازما پیدا ہوتے ہیں، جو سطح سے حرارت کو دور کرتا ہے۔
گرمی-متاثرہ زون (HAZ) کے اندر موجود نقائص CFRP کے اندر ان علاقوں کا حوالہ دیتے ہیں جہاں لیزر-مادی کے تعامل کے نتیجے میں مقامی خصوصیات میں تبدیلیاں ہوتی ہیں، نیز مادّے کی موروثی متفاوت اور انیسوٹروپی۔ یہ تبدیلیاں میٹرکس رال کے غیر-یونیفارم بخارات اور تھرمل انحطاط کے ساتھ ساتھ کاربن ریشوں کی نمائش کو گھیرے ہوئے ہیں۔ ایک گاوسی لیزر بیم غیر-مقامی توانائی کی تقسیم پیدا کرتی ہے، اور تھرمل بازی اثرات پروسیسنگ زون کے آس پاس CFRP مواد کو گرم کرنے کا سبب بنتے ہیں۔ اس مخصوص علاقے میں، تھرمل انرجی رال میٹرکس کے گلنے کے لیے درکار حد سے زیادہ ہے لیکن کاربن ریشوں کو ہٹانے کے لیے درکار حد سے نیچے رہتی ہے۔ یہ رال کی خصوصیات کے بگاڑ اور کاربن ریشوں کی مقامی نمائش کا باعث بنتا ہے۔ اس زون کے اندر، گرمی کی ترسیل رال اور کاربن ریشوں دونوں کو گرم کرتی ہے۔ رال اور کاربن ریشوں کے بخارات کے درجہ حرارت کے درمیان نمایاں تفاوت کی وجہ سے، اس خطے میں رال بخارات بن جاتی ہے جبکہ کاربن ریشے بخارات کے درجہ حرارت تک پہنچنے میں ناکام رہتے ہیں، جس کے نتیجے میں کاربن ریشوں کی نمائش ہوتی ہے۔
