3D प्रिंटिंग सामग्री में एल्युमिना पाउडर की सफलता
नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी की प्रयोगशाला में प्रवेश करते हुए, एक प्रकाश-उपचार3डी प्रिंटर हल्की सी गूँज रही है, और लेज़र किरण सिरेमिक घोल में सटीक गति कर रही है। कुछ ही घंटों बाद, भूलभुलैया जैसी जटिल संरचना वाला एक सिरेमिक कोर पूरी तरह से तैयार हो जाता है - इसका उपयोग विमान के इंजनों के टरबाइन ब्लेड बनाने में किया जाएगा। इस परियोजना के प्रभारी प्रोफ़ेसर सु हैजुन ने इस नाज़ुक घटक की ओर इशारा करते हुए कहा: "तीन साल पहले, हम इतनी सटीकता के बारे में सोच भी नहीं सकते थे। इस अगोचर एल्यूमिना पाउडर में ही मुख्य सफलता छिपी है।"
एक समय था जब एल्युमिना सिरेमिक के क्षेत्र में एक "समस्याग्रस्त छात्र" की तरह था।3डी प्रिंटिंग- उच्च शक्ति, उच्च तापमान प्रतिरोध, अच्छा इन्सुलेशन, लेकिन एक बार प्रिंट होने के बाद, इसमें कई समस्याएँ आईं। पारंपरिक प्रक्रियाओं में, एल्यूमिना पाउडर की तरलता कम होती है और यह अक्सर प्रिंट हेड को अवरुद्ध कर देता है; सिंटरिंग के दौरान सिकुड़न दर 15%-20% तक हो सकती है, और जिन हिस्सों को बहुत मेहनत से प्रिंट किया गया था, वे जलते ही विकृत और दरार हो जाते हैं; जटिल संरचनाएँ? यह और भी अधिक विलासिता है। इंजीनियर परेशान हैं: "यह चीज़ एक ज़िद्दी कलाकार की तरह है, जिसके पास बेतुके विचार हैं, लेकिन पर्याप्त हाथ नहीं हैं।"
1. रूसी फॉर्मूला: "सिरेमिक कवच" लगानाअल्युमीनियममैट्रिक्स
यह महत्वपूर्ण मोड़ सबसे पहले सामग्री डिज़ाइन में क्रांति से आया। 2020 में, रूस के राष्ट्रीय विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय (NUST MISIS) के सामग्री वैज्ञानिकों ने एक क्रांतिकारी तकनीक की घोषणा की। उन्होंने केवल एल्युमिनियम ऑक्साइड पाउडर मिलाने के बजाय, उच्च शुद्धता वाले एल्युमिनियम पाउडर को एक आटोक्लेव में डाला और हाइड्रोथर्मल ऑक्सीकरण का उपयोग करके प्रत्येक एल्युमिनियम कण की सतह पर एक सटीक रूप से नियंत्रित मोटाई वाली एल्युमिनियम ऑक्साइड फिल्म की एक परत "बढ़ाई", ठीक वैसे ही जैसे एल्युमिनियम बॉल पर नैनो-स्तर के कवच की एक परत चढ़ाई जाती है। यह "कोर-शेल संरचना" पाउडर लेज़र 3D प्रिंटिंग (SLM तकनीक) के दौरान अद्भुत प्रदर्शन दिखाता है: इसकी कठोरता शुद्ध एल्युमिनियम सामग्री की तुलना में 40% अधिक है, और उच्च तापमान स्थिरता में काफी सुधार हुआ है, जो सीधे विमानन-ग्रेड आवश्यकताओं को पूरा करता है।
परियोजना के प्रमुख प्रोफेसर अलेक्जेंडर ग्रोमोव ने एक स्पष्ट उदाहरण दिया: "अतीत में, मिश्रित सामग्रियाँ सलाद की तरह होती थीं - हर एक अपने काम का प्रभारी होता था; हमारे पाउडर सैंडविच की तरह हैं - एल्युमीनियम और एल्युमिना एक-दूसरे को परत दर परत काटते हैं, और दोनों में से कोई भी एक-दूसरे के बिना नहीं रह सकता।" यह मज़बूत युग्मन इस पदार्थ को विमान के इंजन के पुर्जों और अति-हल्के बॉडी फ़्रेमों में अपनी क्षमता दिखाने का अवसर देता है, और यहाँ तक कि टाइटेनियम मिश्रधातुओं के क्षेत्र को भी चुनौती देने लगता है।
2. चीनी ज्ञान: चीनी मिट्टी की वस्तुओं को “सेट” करने का जादू
एल्युमिना सिरेमिक प्रिंटिंग की सबसे बड़ी समस्या सिंटरिंग सिकुड़न है - कल्पना कीजिए कि आपने मिट्टी की एक आकृति को ध्यान से गूँथा, और जैसे ही वह भट्टी में गई, वह सिकुड़कर आलू के आकार की हो गई। यह कितना सिकुड़ेगी? 2024 की शुरुआत में, नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी के प्रोफ़ेसर सु हैजुन की टीम द्वारा जर्नल ऑफ़ मैटेरियल्स साइंस एंड टेक्नोलॉजी में प्रकाशित परिणामों ने उद्योग जगत में हलचल मचा दी: उन्हें लगभग शून्य-सिकुड़न वाला एल्युमिना सिरेमिक कोर मिला, जिसकी सिकुड़न दर केवल 0.3% थी।
रहस्य यह है किएल्यूमीनियम पाउडरएल्युमिना के लिए और फिर एक सटीक "वायुमंडल जादू" खेलें।
एल्युमीनियम पाउडर मिलाएँ: सिरेमिक घोल में 15% महीन एल्युमीनियम पाउडर मिलाएँ
वातावरण को नियंत्रित करें: एल्यूमीनियम पाउडर को ऑक्सीकरण से बचाने के लिए सिंटरिंग की शुरुआत में आर्गन गैस सुरक्षा का उपयोग करें
स्मार्ट स्विचिंग: जब तापमान 1400°C तक बढ़ जाए, तो अचानक वायुमंडल को वायु में बदल दें
इन-सीटू ऑक्सीकरण: एल्युमीनियम पाउडर तुरन्त बूंदों में पिघल जाता है और एल्युमीनियम ऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाता है, तथा आयतन विस्तार संकुचन को संतुलित कर देता है
3. बाइंडर क्रांति: एल्युमीनियम पाउडर "अदृश्य गोंद" में बदल जाता है
जबकि रूसी और चीनी टीमें पाउडर संशोधन पर कड़ी मेहनत कर रही हैं, एक और तकनीकी मार्ग चुपचाप परिपक्व हो गया है - एल्यूमीनियम पाउडर को एक बांधने की मशीन के रूप में उपयोग करना।3डी प्रिंटिंगबाइंडर ज़्यादातर ऑर्गेनिक रेजिन होते हैं, जो डीग्रीज़िंग के दौरान जलने पर कैविटी छोड़ देते हैं। एक घरेलू टीम का 2023 का पेटेंट एक अलग तरीका अपनाता है: एल्युमीनियम पाउडर को पानी आधारित बाइंडर में बदलना47।
छपाई के दौरान, नोजल एल्युमिनियम ऑक्साइड पाउडर की परत पर 50-70% एल्युमिनियम पाउडर युक्त "गोंद" का सटीक छिड़काव करता है। जब यह डीग्रीज़िंग चरण में आता है, तो निर्वात खींचा जाता है और ऑक्सीजन प्रवाहित की जाती है, और एल्युमिनियम पाउडर 200-800°C पर एल्युमिनियम ऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाता है। 20% से अधिक आयतन विस्तार की विशेषता इसे छिद्रों को सक्रिय रूप से भरने और सिकुड़न दर को 5% से कम करने में सक्षम बनाती है। एक इंजीनियर ने इसे इस प्रकार वर्णित किया, "यह मचान को हटाने और एक ही समय में एक नई दीवार बनाने, अपने छिद्रों को भरने के बराबर है!"
4. कणों की कला: गोलाकार पाउडर की विजय
एल्यूमिना पाउडर का "रूप" अप्रत्याशित रूप से सफलताओं की कुंजी बन गया है - यह रूप कण के आकार को दर्शाता है। 2024 में "ओपन सेरामिक्स" पत्रिका में प्रकाशित एक अध्ययन में फ्यूज्ड डिपोजिशन (CF³) प्रिंटिंग में गोलाकार और अनियमित एल्यूमिना पाउडर के प्रदर्शन की तुलना की गई थी5:
गोलाकार पाउडर: महीन रेत की तरह बहता है, भरने की दर 60% से अधिक होती है, और छपाई चिकनी और रेशमी होती है
अनियमित पाउडर: मोटे चीनी की तरह चिपक जाता है, चिपचिपापन 40 गुना अधिक होता है, और नोजल अवरुद्ध होने से जीवन पर संदेह होता है
इससे भी अच्छी बात यह है कि गोलाकार पाउडर से छपे पुर्जों का घनत्व सिंटरिंग के बाद आसानी से 89% से ज़्यादा हो जाता है, और सतह की फिनिश सीधे मानक पर खरी उतरती है। "अब कौन "बदसूरत" पाउडर इस्तेमाल करता है? तरलता ही युद्ध प्रभावशीलता है!" एक तकनीशियन मुस्कुराया और निष्कर्ष निकाला5।
भविष्य: तारे और समुद्र, छोटे और सुंदर के साथ सह-अस्तित्व में
एल्युमिना पाउडर की 3D प्रिंटिंग क्रांति अभी खत्म नहीं हुई है। सैन्य उद्योग ने टर्बोफैन ब्लेड बनाने के लिए लगभग शून्य सिकुड़न कोर लगाने में अग्रणी भूमिका निभाई है; जैव-चिकित्सा क्षेत्र ने इसकी जैव-संगतता को पसंद किया है और अनुकूलित अस्थि प्रत्यारोपण प्रिंट करना शुरू कर दिया है; इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग ने ऊष्मा अपव्यय सब्सट्रेट्स को लक्षित किया है - आखिरकार, एल्युमिना की तापीय चालकता और अविद्युत चालकता अपूरणीय हैं।