ধাতু ৩ডি প্রিন্টিং-এ ফাইবার লেজারের প্রয়োগের অন্বেষণ

দ্য অ্যাডিটিভ ম্যানুবিমান, মহাকাশ, নৌচলাচল, যানবাহন, ছাঁচ নির্মাণ, চিকিৎসা সরঞ্জাম ইত্যাদি ক্ষেত্রে ধাতব পদার্থের অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং (থ্রিডি প্রিন্টিং) প্রক্রিয়ার ব্যাপক চাহিদা রয়েছে। বর্তমানে, মেটাল অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত তাপ উৎসগুলোর মধ্যে রয়েছে তিনটি উচ্চ-শক্তির রশ্মি, যথা লেজার রশ্মি, ইলেকট্রন রশ্মি এবং মাইক্রো-বিম প্লাজমা, সেইসাথে সিন্টারিং তাপ ইনপুট। এদের মধ্যে, মেটাল অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং ক্ষেত্রে লেজার রশ্মি হলো সবচেয়ে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত উচ্চ-শক্তির তাপ উৎস। ইলেকট্রন রশ্মি এবং মাইক্রো-বিম প্লাজমা তাপ উৎসের তুলনায়, লেজার রশ্মির সুবিধা হলো এর সূক্ষ্ম স্পট, স্বল্প ব্যয় এবং এটিকে পদার্থের নির্দিষ্ট অবস্থানে নির্দেশিত করা যায়। এটি ধাতব পদার্থের তাৎক্ষণিক গলন ঘটাতে পারে এবং গলিত চ্যানেলের ওভারল্যাপ ও যন্ত্রাংশ গঠনের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে।

লেজার থ্রিডি প্রিন্টিংয়ের মৌলিক নীতিসমূহ

লেজার থ্রিডি প্রিন্টিং-এ ব্যবহৃত লেজারগুলোর মধ্যে রয়েছে ফাইবার লেজার, সেমিকন্ডাক্টর লেজার, এনডি:ওয়াইএজি (Nd:YAG) লেজার এবং সিও২ (CO2) লেজার। বিভিন্ন পদার্থ ভিন্ন ভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের লেজার রশ্মিকে ভিন্ন ভিন্নভাবে শোষণ করে। সাধারণত, পলিমার প্রিন্ট করার জন্য সিও২ (CO2) লেজার এবং ধাতব গুঁড়া প্রিন্ট করার জন্য ফাইবার লেজার ব্যবহার করা হয়।

বিভিন্ন প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতি অনুসারে, লেজার অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিংকে সিলেক্টিভ লেজার সিন্টারিং, সিলেক্টিভ লেজার মেল্টিং, ডাইরেক্ট মেটাল লেজার সিন্টারিং, লেজার পাউডার ডিপোজিশন, ডাইরেক্ট মেটাল ডিপোজিশন ইত্যাদিতে ভাগ করা যায়। এদের মধ্যে, সিলেক্টিভ লেজার মেল্টিং (SLM) হলো সবচেয়ে বহুল ব্যবহৃত মেটাল লেজার থ্রিডি প্রিন্টিং প্রযুক্তিগুলোর মধ্যে অন্যতম।

সিলেক্টিভ লেজার মেল্টিং (SLM) প্রিন্টিং ডিভাইসের মৌলিক কাঠামো চিত্রে দেখানো হয়েছে। প্রিন্ট করার আগে, 3D মডেলটিকে অবশ্যই স্তরে স্তরে সাজাতে হবে এবং তারপর স্ক্যানিং ট্র্যাজেক্টরি নির্ধারণ করতে হবে। প্রথম ধাপ হলো একটি স্ক্র্যাপার দিয়ে ওয়ার্কবেঞ্চটি সমানভাবে ঘষে তার উপর পাউডারের একটি স্তর বিছিয়ে দেওয়া; দ্বিতীয় ধাপ হলো লেজার দিয়ে এই পাউডারের স্তরের উপর একটি নির্দিষ্ট ট্র্যাজেক্টরি স্ক্যান করে এটিকে গলিয়ে একটি স্তর প্রিন্ট করা; তৃতীয় ধাপ হলো ওয়ার্কবেঞ্চটিকে এক স্তর নিচে নামানো, এবং তারপর নিচ থেকে উপরে প্রিন্টিং স্তরগুলো স্তূপ করার জন্য উপরের প্রক্রিয়াটি পুনরাবৃত্তি করা, যার ফলে প্রিন্ট করার জন্য 3D অংশটি তৈরি হয়। জারণ রোধ করার জন্য, পুরো প্রক্রিয়া চলাকালীন ওয়ার্কিং চেম্বারটি অবশ্যই বায়ুশূন্য করে নিষ্ক্রিয় গ্যাস দিয়ে পূর্ণ রাখতে হবে।

লেজার থ্রিডি প্রিন্টিংয়ে লেজারের চাহিদা
লেজার থ্রিডি প্রিন্টিং-এ লেজারের চাহিদা মূলত দুটি দিকে প্রতিফলিত হয়: একদিকে শক্তি ও শক্তির স্থিতিশীলতা এবং অন্যদিকে বিম কোয়ালিটি ও স্পট সাইজ।

০১ শক্তি এবং শক্তির স্থিতিশীলতা

থ্রিডি প্রিন্টিং প্রক্রিয়াটি মূলত লেজারের তাপীয় প্রভাবের উপর নির্ভর করে। উপাদানটিকে গলানোর জন্য লেজারের তীব্রতাকে অবশ্যই একটি নির্দিষ্ট শক্তির সীমা অতিক্রম করতে হয়। তাই, এক্ষেত্রে লেজারের গড় আউটপুট পাওয়ারের উপর বেশি মনোযোগ দেওয়া হয় এবং লেজারের পালস মোডের প্রতি সংবেদনশীল থাকা হয় না। এই কারণে, সাধারণত কন্টিনিউয়াস ফাইবার লেজার ব্যবহার করা হয় এবং এর পাওয়ার মোটামুটি ১০০W থেকে ১০০০W-এর মধ্যে থাকে।
মডেল যত বড় এবং লেয়ার যত বেশি হবে, প্রিন্টিংয়ের সময়ও তত বেশি লাগবে। এই সময়কাল সাধারণত কয়েক ঘণ্টা থেকে কয়েক ডজন ঘণ্টা পর্যন্ত হয়ে থাকে। তাই, লেজারের দীর্ঘমেয়াদী স্থিতিশীল কার্যকারিতার উপর উচ্চ চাহিদা থাকে। তাপমাত্রা খুব বেশি হলে, ধাতব গুঁড়ো অতিরিক্ত পুড়ে যেতে পারে এবং এমনকি অন্যান্য গঠিত অংশও পুনরায় গলে যেতে পারে; আবার তাপমাত্রা খুব কম হলে, ধাতব গুঁড়ো পুরোপুরি গলে না, বন্ধন শক্তি অপর্যাপ্ত হয় এবং গঠিত উপাদানটির আকৃতি বজায় নাও থাকতে পারে। সুতরাং, প্রিন্টিংয়ের গুণমানের জন্য লেজারের শক্তির স্থিতিশীলতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

০২ বিমের গুণমান এবং স্পট সাইজ

বিমের গুণমান এবং স্পট সাইজ হলো অন্যতম প্রধান প্যারামিটার যা প্রিন্টিংয়ের নির্ভুলতা নির্দেশ করে। লেজার বিম স্ক্যানিংয়ের মাধ্যমে থ্রিডি প্রিন্টিং করা হয়। লেজার স্পট যত ছোট হয়, স্ক্যানিংয়ের নির্ভুলতা তত বেশি হয়, প্রিন্ট করা মডেলের রেজোলিউশন তত উন্নত হয় এবং প্রিন্ট করা অংশের পৃষ্ঠ তত বেশি মসৃণ হয়।
বিমের গুণমান সাধারণত BPP বা M2 দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। M2-এর মান ১-এর যত কাছাকাছি হবে, বিমের গুণমান তত ভালো হবে, লেজার শক্তি তত বেশি ঘনীভূত হবে এবং পার্শ্ববর্তী এলাকার উপর তাপীয় প্রভাব তত কম হবে; একই সাথে, বিমের গুণমান যত ভালো হবে, এর সংশ্লিষ্ট অপসরণ কোণ তত ছোট হবে এবং ফোকাসড স্পটও তত ছোট হবে।

০৩ গিগাওয়াট লেজার টেক এবং ফাস্টফর্ম-এর থ্রিডি প্রিন্টিং ক্ষেত্রে অন্বেষণ
উচ্চ-উজ্জ্বলতার ফাইবার লেজারের ক্ষেত্রে বিশ্বের শীর্ষস্থানীয় প্রতিষ্ঠান হিসেবে জিডব্লিউ লেজার টেকও প্রযুক্তির উত্থানের সাথে সাথে এই প্রয়োগ ক্ষেত্রটি সক্রিয়ভাবে অন্বেষণ করেছে। ৩ডি প্রিন্টিং প্রযুক্তিএবং চিকিৎসা সরঞ্জাম, গাড়ির যন্ত্রাংশ, মহাকাশ ও অন্যান্য ক্ষেত্রকে লক্ষ্য করে থ্রিডি প্রিন্টিং অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি ৫০০ ওয়াটের সিঙ্গেল-মোড ১০μm/১৪μm কন্টিনিউয়াস ফাইবার লেজার চালু করেছে।

এগুলোর মধ্যে, ১০μm এবং ১৪μm-এর ভিন্ন ভিন্ন কোর ব্যাস স্পট সাইজ নির্ধারণ করে, যা প্রধানত লেজার পাওয়ার ডেনসিটিকে প্রভাবিত করে, অর্থাৎ প্রতি একক ক্ষেত্রফলে আলোক শক্তির পরিমাণ। একই পাওয়ার পরিস্থিতিতে, স্পট সাইজ যত ছোট হয়, লেজার পাওয়ার ডেনসিটি তত বেশি হয়। উচ্চ গলনাঙ্ক বা উচ্চ প্রতিফলন ক্ষমতাসম্পন্ন ধাতব পাউডার প্রিন্ট করার জন্য উচ্চ-পাওয়ার ডেনসিটির স্পট উপযুক্ত।

পণ্যের সুবিধাসমূহ:

➢ অত্যন্ত পাতলা এবং হালকা ডিজাইন, ১৯-ইঞ্চি ১.৫ইউ উচ্চতার ডিজাইন, ওজন ২০ কেজির কম, সুসংহত গঠন, ছোট আকার ও হালকা ওজন, যা অতুলনীয় সমন্বয়ের সুবিধা এবং নমনীয় বহুমুখিতা প্রদান করে।

➢ পণ্যটির কাঠামোটি একটি বদ্ধ নকশায় তৈরি, যা থ্রিডি প্রিন্টিং পরিবেশের জন্য বিশেষভাবে ডিজাইন করা হয়েছে। এটি লেজারের সার্বিক নির্ভরযোগ্যতা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করে, IP65 সুরক্ষা স্তর সম্পন্ন এবং উচ্চ তাপমাত্রা, উচ্চ আর্দ্রতা ও উচ্চ ধূলিকণার মতো প্রতিকূল পরিবেশে অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করতে পারে।

➢ এর সর্বোচ্চ ক্ষমতা ৫০০ ওয়াট, যা অস্টেনিটিক স্টেইনলেস স্টিল, মার্টেনসিটিক স্টেইনলেস স্টিল, টাইটানিয়াম অ্যালয়, নিকেল-ভিত্তিক উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যালয়, অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়, ম্যাগনেসিয়াম অ্যালয় ইত্যাদির মতো সাধারণ ধাতব পদার্থকে আকার দেওয়ার জন্য যথেষ্ট।

➢ ভালো বিদ্যুৎ স্থিতিশীলতা, প্রতি ঘণ্টায় ওঠানামা ০.৫%-এর কম, যা অত্যন্ত দীর্ঘ প্রিন্টিংয়ের জন্য প্রক্রিয়ার ধারাবাহিকতা নিশ্চিত করে।

➢ ভালো বিম কোয়ালিটি, M2

ফাস্টফর্ম (FastForm) হলো ৩ডি প্রিন্টিং প্রযুক্তি ও সরঞ্জামের গবেষণা ও উন্নয়নে বিশেষায়িত একটি কোম্পানি, যা শীর্ষস্থানীয় র‍্যাপিড প্রোটোটাইপিং পরিষেবা এবং সহায়ক সমাধান প্রদান করতে পারে। আমরা গুয়াংহুই লেজারের (Guanghui Laser) সাথে গভীর সহযোগিতা স্থাপন করেছি এবং ভবিষ্যতে মহাকাশ, অটোমোবাইল মডেল, বায়োমেডিসিন ইত্যাদি ক্ষেত্রের গুরুত্বপূর্ণ যন্ত্রাংশ নিয়ে ৩ডি প্রিন্টিং পরীক্ষা-নিরীক্ষা ও গবেষণা পরিচালনা করব। আমরা FF-M140 সিঙ্গেল লেজার পণ্য, FF-M150 শিক্ষামূলক মডেল, FF-M180D ডুয়াল লেজার ডেন্টাল মডেল, FF-M300H 1000W উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লেজার ইন্ডাস্ট্রিয়াল মডেল, FF-M500 ডুয়াল লেজার মডেল এবং FF-M800 ফোর লেজার পণ্য চালু করেছি, এবং এগুলোর সবগুলোই ব্যাপকভাবে উৎপাদিত হচ্ছে ও কাস্টমাইজড লোকালাইজেশন সমাধান সমর্থন করে। আমরা স্বাধীনভাবে ফাস্টলেয়ার (FastLayer) নামক একটি মাল্টি-লেজার স্লাইসিং এবং পাথ জেনারেশন সফটওয়্যার তৈরি করেছি। এই সরঞ্জামগুলো সম্পূর্ণ স্বয়ংক্রিয় এবং তত্ত্বাবধানহীন।

এই পণ্যটির নিম্নলিখিত উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে:

➢ দ্বিমুখী ও পরিবর্তনশীল গতির পাউডার ছড়ানোর প্রযুক্তি, উচ্চ পাউডার ব্যবহার হার।

➢ এক ক্লিকে স্বয়ংক্রিয় স্লাইসিং ও পাথ প্ল্যানিং সম্পন্ন করার জন্য স্বতন্ত্রভাবে তৈরি সফটওয়্যার।

➢ এর নিজস্ব ক্যামেরা রয়েছে, যার মাধ্যমে দূর থেকে সম্পূর্ণ স্বয়ংক্রিয় নিয়ন্ত্রণ এবং তত্ত্বাবধানহীনভাবে পরিচালনা করা যায়।

➢ এই সরঞ্জামটিতে একটি সমন্বিত ঝালাই কাঠামো ব্যবহার করা হয়েছে, যা অত্যন্ত স্থিতিশীল এবং স্থাপন করা সহজ।

থ্রিডি প্রিন্টিং শিল্পের বর্তমান অবস্থা ও উন্নয়ন সম্ভাবনা
বর্তমানে, থ্রিডি প্রিন্টিং দ্রুত প্রোটোটাইপিংয়ের যুগে প্রবেশ করেছে। চায়না বিজনেস ইন্ডাস্ট্রি রিসার্চ ইনস্টিটিউটের পরিসংখ্যান অনুযায়ী, ২০২১ সালে ডাউনস্ট্রিম অ্যাপ্লিকেশন ক্ষেত্রগুলোর মধ্যে যন্ত্রপাতি শিল্পের অংশ ছিল সর্বাধিক, যা ছিল ১৭.৫%। এর পরেই ছিল কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স (১৬.৬%) এবং অটোমোবাইল (১৬.১%)। কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স এবং অটোমোবাইল শিল্পের দ্রুত বিকাশের সাথে সাথে ভবিষ্যতে এই দুটি ক্ষেত্রে থ্রিডি প্রিন্টিংয়ের প্রয়োগক্ষেত্র আরও প্রসারিত হবে।

শিল্পের পরিধির দিক থেকে, চায়না ইনভেস্টমেন্ট নেটওয়ার্কের পূর্বাভাস অনুযায়ী: ২০২১ থেকে ২০২৫ সাল পর্যন্ত থ্রিডি প্রিন্টিংয়ের গড় বার্ষিক চক্রবৃদ্ধি বৃদ্ধির হার হবে প্রায় ২৬.৫৯%, এবং ২০২৫ সালে এটি ৭০.১ বিলিয়ন ইউয়ানে পৌঁছাবে।

থ্রিডি প্রিন্টিং তিনটি দিককে অন্তর্ভুক্ত করে: সরঞ্জাম, উপকরণ এবং পরিষেবা, যার মধ্যে প্রিন্টিং সরঞ্জামের অংশই সবচেয়ে বড়। সিসিআইডি (CCID) কর্তৃক প্রকাশিত তথ্য অনুসারে, ২০২০ সালে চীনের থ্রিডি প্রিন্টিং সরঞ্জাম শিল্পের আকার ছিল ৯.২৫৪ বিলিয়ন ইউয়ান, যা ছিল মোট শিল্পের বৃহত্তম অংশ।

বর্তমানে, থ্রিডি প্রিন্টিং সরঞ্জামের দাম এখনও তুলনামূলকভাবে বেশি। এর একদিকে কারণ হলো বিদেশি পেটেন্ট এবং একচেটিয়া আধিপত্য। অন্যদিকে, এর কারণ হলো আমাদের দেশের থ্রিডি শিল্পের দেরিতে সূচনা, চাহিদা কম এবং স্বায়ত্তশাসনের মাত্রা স্বল্প। আমাদের দেশের উচ্চ-স্তরের উৎপাদন শিল্পের আধুনিকীকরণ ও বিকাশের সাথে সাথে, প্রযুক্তির উন্নয়ন এবং খরচ কমার ফলে ভবিষ্যতে আমাদের দেশের থ্রিডি প্রিন্টিং শিল্পে স্থানীয়করণের প্রবণতা বৃদ্ধি পাবে। থ্রিডি প্রিন্টিং প্রযুক্তির ব্যাপক উন্নয়নে সরঞ্জাম প্রস্তুতকারকদের মধ্যে ঘনিষ্ঠ সহযোগিতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

গুয়াংহুই লেজার শুধুমাত্র লেজার পণ্য প্রযুক্তির গবেষণা ও উদ্ভাবনের উপরই মনোযোগ দেয় না, বরং লেজার প্রসেসিং প্রযুক্তির ক্ষেত্রেও অন্বেষণ অব্যাহত রেখেছে এবং গ্রাহকদের অ্যাপ্লিকেশন সমস্যা সমাধানে সহায়তা করতে প্রতিশ্রুতিবদ্ধ। দেশের একটি শীর্ষস্থানীয় ৩ডি প্রিন্টিং সরঞ্জাম প্রস্তুতকারক হিসেবে, ফাস্টফর্ম ৩ডি প্রিন্টিংয়ের সমস্ত দিক সম্পর্কে অবগত এবং গ্রাহকদের ৩ডি প্রিন্টিংয়ের ক্ষেত্রে পেশাদার উচ্চমানের পণ্য সরবরাহ করার জন্য তাদের একটি অভিজ্ঞ পরামর্শক দল রয়েছে। ভবিষ্যতে, গুয়াংহুই লেজার চীনে লেজার ৩ডি প্রিন্টিং প্রযুক্তির প্রয়োগ ও উন্নয়নকে উৎসাহিত করতে এবং এই শিল্পের আধুনিকীকরণে সহায়তা করার জন্য ফাস্টফর্মের সাথে কাজ করবে। সূত্র: গুয়াংহুই লেজার লেখক: অ্যাপ্লিকেশন ইঞ্জিনিয়ার গু জিয়াক্সিং