3डी प्रिंटिंग सामग्री में एल्यूमिना पाउडर की अभूतपूर्व उपलब्धि
नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी की प्रयोगशाला में प्रवेश करते ही, एक लाइट-क्योरिंग3डी प्रिंटर मशीन हल्की-हल्की गुनगुना रही है और लेजर किरण सिरेमिक घोल में सटीक रूप से चल रही है। कुछ ही घंटों बाद, भूलभुलैया जैसी जटिल संरचना वाला एक सिरेमिक कोर पूरी तरह से तैयार हो जाता है – इसका उपयोग विमान इंजनों के टरबाइन ब्लेड बनाने में किया जाएगा। परियोजना के प्रभारी प्रोफेसर सु हाइजुन ने इस नाजुक घटक की ओर इशारा करते हुए कहा: “तीन साल पहले, हम इतनी सटीकता के बारे में सोच भी नहीं सकते थे। यह महत्वपूर्ण सफलता इस साधारण से दिखने वाले एल्यूमिना पाउडर में छिपी है।”
एक समय था जब एल्यूमिना सिरेमिक को इस क्षेत्र में एक "समस्याग्रस्त छात्र" की तरह माना जाता था।3डी प्रिंटिंग– उच्च मजबूती, उच्च तापमान प्रतिरोध, अच्छा इन्सुलेशन, लेकिन छपाई के बाद इसमें कई समस्याएं थीं। पारंपरिक प्रक्रियाओं में, एल्यूमिना पाउडर की तरलता कम होती है और अक्सर प्रिंट हेड को अवरुद्ध कर देती है; सिंटरिंग के दौरान सिकुड़न दर 15%-20% तक हो सकती है, और बड़ी मेहनत से छपे हुए हिस्से जलने के तुरंत बाद विकृत होकर टूट जाते हैं; जटिल संरचनाओं की बात करें तो, यह और भी मुश्किल हो जाता है। इंजीनियर परेशान हैं: "यह एक जिद्दी कलाकार की तरह है, जिसके पास बेतहाशा विचार तो हैं लेकिन पर्याप्त कारीगर नहीं हैं।"
1. रूसी सूत्र: "सिरेमिक कवच" लगानाअल्युमीनियममैट्रिक्स
सामग्री डिजाइन में आए क्रांतिकारी बदलाव से सबसे पहले महत्वपूर्ण मोड़ आया। 2020 में, रूस के राष्ट्रीय विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय (NUST MISIS) के सामग्री वैज्ञानिकों ने एक क्रांतिकारी तकनीक की घोषणा की। उन्होंने एल्यूमीनियम ऑक्साइड पाउडर को साधारण रूप से मिलाने के बजाय, उच्च शुद्धता वाले एल्यूमीनियम पाउडर को एक ऑटोक्लेव में डाला और हाइड्रोथर्मल ऑक्सीकरण का उपयोग करके प्रत्येक एल्यूमीनियम कण की सतह पर सटीक रूप से नियंत्रित मोटाई वाली एल्यूमीनियम ऑक्साइड फिल्म की एक परत "विकसित" की, ठीक वैसे ही जैसे एल्यूमीनियम गेंद पर नैनो-स्तरीय कवच की परत चढ़ाई जाती है। यह "कोर-शेल संरचना" वाला पाउडर लेजर 3D प्रिंटिंग (SLM तकनीक) के दौरान अद्भुत प्रदर्शन दिखाता है: इसकी कठोरता शुद्ध एल्यूमीनियम सामग्री की तुलना में 40% अधिक है, और उच्च तापमान स्थिरता में काफी सुधार हुआ है, जो सीधे विमानन-स्तरीय आवश्यकताओं को पूरा करता है।
परियोजना के प्रमुख प्रोफेसर अलेक्जेंडर ग्रोमोव ने एक सजीव उदाहरण देते हुए कहा: “पहले, मिश्रित सामग्रियां सलाद की तरह होती थीं – हर एक का अपना काम होता था; हमारे पाउडर सैंडविच की तरह हैं – एल्युमीनियम और एल्युमिना एक दूसरे को परत दर परत काटते हैं, और एक दूसरे के बिना काम नहीं चल सकता।” यह मजबूत जुड़ाव इस सामग्री को विमान के इंजन के पुर्जों और अति-हल्के बॉडी फ्रेम में अपनी क्षमता दिखाने में सक्षम बनाता है, और यहां तक कि टाइटेनियम मिश्र धातुओं के क्षेत्र को भी चुनौती देना शुरू कर देता है।
2. चीनी ज्ञान: मिट्टी के बर्तनों को "सेट" करने का जादू
एल्यूमिना सिरेमिक प्रिंटिंग की सबसे बड़ी समस्या सिंटरिंग के दौरान होने वाला संकुचन है – कल्पना कीजिए कि आपने मिट्टी की एक आकृति को सावधानीपूर्वक गूंथा, और ओवन में डालते ही वह आलू के आकार की हो गई। वह कितनी सिकुड़ जाएगी? 2024 की शुरुआत में, नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर सु हाइजुन की टीम द्वारा जर्नल ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड टेक्नोलॉजी में प्रकाशित परिणामों ने उद्योग जगत में हलचल मचा दी: उन्होंने लगभग शून्य संकुचन वाला एल्यूमिना सिरेमिक कोर प्राप्त किया, जिसकी संकुचन दर केवल 0.3% थी।
इसका रहस्य यह है कि इसमें जोड़ेंएल्युमीनियम पाउडरएल्यूमिना में और फिर एक सटीक "वायुमंडलीय जादू" का प्रदर्शन करना।
एल्युमीनियम पाउडर मिलाएं: सिरेमिक घोल में 15% बारीक एल्युमीनियम पाउडर मिलाएं।
वातावरण को नियंत्रित करें: एल्यूमीनियम पाउडर को ऑक्सीकरण से बचाने के लिए सिंटरिंग की शुरुआत में आर्गन गैस का उपयोग करें।
स्मार्ट स्विचिंग: तापमान 1400°C तक पहुँचने पर, वातावरण को अचानक वायु में बदल दें।
आंतरिक ऑक्सीकरण: एल्युमीनियम पाउडर तुरंत बूंदों में पिघल जाता है और एल्युमीनियम ऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाता है, और आयतन विस्तार संकुचन को संतुलित करता है।
3. बाइंडर क्रांति: एल्युमीनियम पाउडर "अदृश्य गोंद" में बदल गया
रूसी और चीनी टीमें पाउडर संशोधन पर कड़ी मेहनत कर रही हैं, वहीं एक अन्य तकनीकी मार्ग चुपचाप विकसित हो रहा है - एल्यूमीनियम पाउडर का उपयोग बाइंडर के रूप में करना। पारंपरिक सिरेमिक3डी प्रिंटिंगबाइंडर अधिकतर कार्बनिक रेजिन होते हैं, जो डीग्रीसिंग के दौरान जलने पर गुहाएँ छोड़ देते हैं। एक घरेलू टीम का 2023 का पेटेंट एक अलग दृष्टिकोण अपनाता है: एल्यूमीनियम पाउडर को पानी आधारित बाइंडर47 में बदलना।
प्रिंटिंग के दौरान, नोजल एल्युमीनियम ऑक्साइड पाउडर की परत पर 50-70% एल्युमीनियम पाउडर युक्त "गोंद" का सटीक छिड़काव करता है। डीग्रीसिंग के चरण में, वैक्यूम बनाया जाता है और ऑक्सीजन प्रवाहित की जाती है, जिससे एल्युमीनियम पाउडर 200-800°C तापमान पर ऑक्सीकृत होकर एल्युमीनियम ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है। 20% से अधिक आयतन विस्तार की विशेषता के कारण यह छिद्रों को सक्रिय रूप से भर देता है और संकुचन दर को 5% से कम कर देता है। एक इंजीनियर ने इसका वर्णन करते हुए कहा, "यह ऐसा है जैसे मचान को हटाकर एक ही समय में नई दीवार बनाना और अपने ही छेदों को भरना!"
4. कणों की कला: गोलाकार पाउडर की विजय
एल्यूमिना पाउडर की "रूपता" अप्रत्याशित रूप से महत्वपूर्ण खोजों की कुंजी बन गई है - यह रूपता कण के आकार को संदर्भित करती है। 2024 में "ओपन सिरेमिक्स" पत्रिका में प्रकाशित एक अध्ययन में फ्यूज्ड डिपोजिशन (CF³) प्रिंटिंग5 में गोलाकार और अनियमित एल्यूमिना पाउडर के प्रदर्शन की तुलना की गई:
गोलाकार पाउडर: महीन रेत की तरह बहता है, भरने की दर 60% से अधिक है, और प्रिंटिंग चिकनी और रेशमी होती है।
अनियमित पाउडर: दानेदार चीनी की तरह चिपकता है, चिपचिपाहट 40 गुना अधिक है, और नोजल जाम हो गया है जिससे इसकी उपयोगिता पर संदेह होता है।
इससे भी बेहतर, गोलाकार पाउडर से मुद्रित भागों का घनत्व सिंटरिंग के बाद आसानी से 89% से अधिक हो जाता है, और सतह की फिनिश सीधे मानक को पूरा करती है। “अब भद्दा पाउडर कौन इस्तेमाल करता है? तरलता ही युद्धक क्षमता है!” एक तकनीशियन ने मुस्कुराते हुए कहा और निष्कर्ष निकाला।
भविष्य: तारे और समुद्र छोटे और सुंदर जीवों के साथ सहअस्तित्व में रहेंगे
एल्यूमिना पाउडर की 3D प्रिंटिंग क्रांति अभी खत्म नहीं हुई है। सैन्य उद्योग ने टर्बोफैन ब्लेड के निर्माण में लगभग शून्य संकुचन वाले कोर का उपयोग करने में अग्रणी भूमिका निभाई है; जैव चिकित्सा क्षेत्र ने इसकी जैव अनुकूलता को देखते हुए अनुकूलित अस्थि प्रत्यारोपण शुरू कर दिए हैं; इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग ने ऊष्मा अपव्यय सब्सट्रेट्स को लक्षित किया है - आखिरकार, एल्यूमिना की तापीय चालकता और गैर-विद्युत चालकता अद्वितीय हैं।