३डी प्रिंटिंग साहित्यामध्ये ॲल्युमिना पावडरचा महत्त्वपूर्ण शोध
नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल युनिव्हर्सिटीच्या प्रयोगशाळेत प्रवेश केल्यावर, एक प्रकाश-उपचार करणारी३डी प्रिंटर यंत्र मंदपणे गुणगुणत आहे आणि लेझर किरण सिरॅमिक स्लरीमध्ये अचूकपणे फिरत आहे. अवघ्या काही तासांनंतर, भुलभुलैयासारखी गुंतागुंतीची रचना असलेला एक सिरॅमिक कोर पूर्णपणे सादर झाला – त्याचा उपयोग विमानांच्या इंजिनांची टर्बाइन पाती तयार करण्यासाठी केला जाईल. या प्रकल्पाचे प्रमुख असलेले प्राध्यापक सु हायजून यांनी त्या नाजूक घटकाकडे बोट दाखवून म्हटले: “तीन वर्षांपूर्वी, आम्ही इतक्या अचूकतेचा विचार करण्याचे धाडससुद्धा केले नव्हते. यातील मुख्य यश या सहजासहजी नजरेस न पडणाऱ्या ॲल्युमिना पावडरमध्ये दडलेले आहे.”
एके काळी, ॲल्युमिना सिरॅमिक्स हे या क्षेत्रातील एखाद्या ‘समस्याग्रस्त विद्यार्थ्या’सारखे होते.३डी प्रिंटिंग– उच्च मजबुती, उच्च तापमान प्रतिरोध, उत्तम उष्णतारोधन, पण एकदा प्रिंट झाल्यावर त्यात बऱ्याच समस्या येत होत्या. पारंपरिक प्रक्रियांमध्ये, ॲल्युमिना पावडरचा प्रवाहीपणा कमी असतो आणि त्यामुळे अनेकदा प्रिंट हेड अडकते; सिंटरिंग दरम्यान आकुंचनाचा दर १५%-२०% पर्यंत असू शकतो, आणि खूप प्रयत्नांनी प्रिंट केलेले भाग भाजताच विकृत होऊन त्यांना तडे जातात; गुंतागुंतीच्या रचना? ती तर एक मोठी चैनच आहे. अभियंते चिंतेत आहेत: “ही वस्तू एका हट्टी कलाकारासारखी आहे, ज्याच्याकडे अफाट कल्पना आहेत पण पुरेसे हात नाहीत.”
१. रशियन सूत्र: “सिरेमिकचे कवच” घालणेॲल्युमिनियममॅट्रिक्स
हा महत्त्वाचा टप्पा सर्वप्रथम मटेरियल डिझाइनमधील क्रांतीमुळे आला. २०२० मध्ये, रशियाच्या नॅशनल युनिव्हर्सिटी ऑफ सायन्स अँड टेक्नॉलॉजी (NUST MISIS) मधील मटेरियल शास्त्रज्ञांनी एका क्रांतिकारक तंत्रज्ञानाची घोषणा केली. केवळ ॲल्युमिनियम ऑक्साईड पावडर मिसळण्याऐवजी, त्यांनी उच्च-शुद्धतेची ॲल्युमिनियम पावडर एका ऑटोक्लेव्हमध्ये टाकली आणि हायड्रोथर्मल ऑक्सिडेशनचा वापर करून प्रत्येक ॲल्युमिनियम कणाच्या पृष्ठभागावर अचूकपणे नियंत्रित करता येण्याजोग्या जाडीचा ॲल्युमिनियम ऑक्साईड फिल्मचा थर 'वाढवला', जणू काही ॲल्युमिनियमच्या गोळ्यावर नॅनो-स्तरीय चिलखताचा थर चढवला आहे. ही "कोअर-शेल स्ट्रक्चर" पावडर लेझर ३डी प्रिंटिंग (SLM तंत्रज्ञान) दरम्यान आश्चर्यकारक कामगिरी दाखवते: तिची कडकपणा शुद्ध ॲल्युमिनियम मटेरियलपेक्षा ४०% जास्त आहे, आणि उच्च-तापमान स्थिरता मोठ्या प्रमाणात सुधारली आहे, ज्यामुळे ती थेट विमानचालन-दर्जाच्या आवश्यकता पूर्ण करते.
प्रकल्पाचे प्रमुख, प्राध्यापक अलेक्झांडर ग्रोमोव्ह यांनी एक समर्पक उपमा दिली: “पूर्वी, संमिश्र पदार्थ हे सॅलडसारखे होते – त्यातील प्रत्येक घटक आपापले काम करत असे; तर आमची पावडर सँडविचसारखी आहे – ॲल्युमिनियम आणि ॲल्युमिना एकमेकांना थराथराने चिकटतात आणि दोघांपैकी कोणीही एकमेकांशिवाय राहू शकत नाही.” या मजबूत जोडणीमुळे हा पदार्थ विमानांच्या इंजिनच्या भागांमध्ये आणि अति-हलक्या बॉडी फ्रेम्समध्ये आपली क्षमता दाखवू शकतो, आणि टायटॅनियम मिश्रधातूंच्या क्षेत्रालाही आव्हान देऊ लागतो.
२. चिनी ज्ञान: सिरॅमिक्सला आकार देण्याची जादू
ॲल्युमिना सिरेमिक प्रिंटिंगमधील सर्वात मोठी अडचण म्हणजे सिंटरिंगमुळे होणारे आकुंचन – कल्पना करा की तुम्ही मातीची एक आकृती काळजीपूर्वक मळली आणि ओव्हनमध्ये ठेवताच ती बटाट्याच्या आकाराएवढी आकुंचन पावली. ती किती कोसळेल? २०२४ च्या सुरुवातीला, नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल युनिव्हर्सिटीमधील प्रोफेसर सु हायजून यांच्या टीमने 'जर्नल ऑफ मटेरियल्स सायन्स अँड टेक्नॉलॉजी'मध्ये प्रकाशित केलेल्या निष्कर्षांनी उद्योगात खळबळ उडवून दिली: त्यांना केवळ ०.३% आकुंचन दर असलेला, जवळजवळ शून्य-आकुंचन होणारा ॲल्युमिना सिरेमिक कोर मिळाला होता.
रहस्य हे आहे की त्यात भर घालावीॲल्युमिनियम पावडरॲल्युमिनाकडे आणि मग अचूक “वातावरणाची जादू” करा.
ॲल्युमिनियम पावडर घाला: सिरॅमिक स्लरीमध्ये १५% बारीक ॲल्युमिनियम पावडर मिसळा.
वातावरण नियंत्रित करा: ॲल्युमिनियम पावडरचे ऑक्सिडीकरण रोखण्यासाठी सिंटरिंगच्या सुरुवातीला आर्गॉन वायूचे संरक्षण वापरा.
स्मार्ट स्विचिंग: जेव्हा तापमान १४००°C पर्यंत वाढते, तेव्हा वातावरण अचानक हवेमध्ये बदलले जाते.
इन-सिटू ऑक्सिडेशन: ॲल्युमिनियम पावडर त्वरित थेंबांमध्ये वितळते आणि ॲल्युमिनियम ऑक्साईडमध्ये ऑक्सिडाइज होते, आणि आकारमानातील विस्तार आकुंचनाची भरपाई करतो.
३. बाईंडर क्रांती: ॲल्युमिनियम पावडरचे “अदृश्य गोंद” मध्ये रूपांतर
रशियन आणि चीनी संघ पावडर सुधारणेवर कठोर परिश्रम करत असताना, आणखी एक तांत्रिक मार्ग शांतपणे विकसित झाला आहे – तो म्हणजे ॲल्युमिनियम पावडरचा बंधक म्हणून वापर करणे. पारंपरिक सिरॅमिक३डी प्रिंटिंगबाईंडर हे बहुतेक सेंद्रिय रेझिन असतात, जे डीग्रीसिंग दरम्यान जाळल्यावर पोकळ्या तयार करतात. एका देशांतर्गत टीमचे २०२३ चे पेटंट एक वेगळा दृष्टिकोन स्वीकारते: ॲल्युमिनियम पावडरपासून पाणी-आधारित बाईंडर बनवणे४७.
छपाईच्या वेळी, नोझल ॲल्युमिनियम ऑक्साईड पावडरच्या थरावर ५०-७०% ॲल्युमिनियम पावडर असलेला 'ग्लू' अचूकपणे फवारते. जेव्हा डीग्रेसिंगचा टप्पा येतो, तेव्हा व्हॅक्यूम तयार केला जातो आणि ऑक्सिजन प्रवाहित केला जातो, आणि २००-८००°C तापमानावर ॲल्युमिनियम पावडरचे ॲल्युमिनियम ऑक्साईडमध्ये ऑक्सिडीकरण होते. २०% पेक्षा जास्त आकारमान विस्तारण्याच्या वैशिष्ट्यामुळे ते छिद्रे सक्रियपणे भरते आणि आकुंचनाचा दर ५% पेक्षा कमी करते. "हे म्हणजे एकाच वेळी मचान काढून नवीन भिंत बांधण्यासारखे आहे, आणि स्वतःचीच छिद्रे भरण्यासारखे आहे!" असे एका अभियंत्याने त्याचे वर्णन केले.
४. कणांची कला: गोलाकार पावडरचा विजय
ॲल्युमिना पावडरचे "स्वरूप" अनपेक्षितपणे महत्त्वपूर्ण प्रगतीची गुरुकिल्ली ठरले आहे – हे स्वरूप कणांच्या आकाराशी संबंधित आहे. २०२४ मध्ये "ओपन सिरेमिक्स" या जर्नलमध्ये प्रकाशित झालेल्या एका अभ्यासात फ्यूज्ड डिपॉझिशन (CF³) प्रिंटिंगमध्ये गोलाकार आणि अनियमित ॲल्युमिना पावडरच्या कामगिरीची तुलना करण्यात आली आहे⁵:
गोलाकार पावडर: बारीक वाळूप्रमाणे वाहते, भरण्याचे प्रमाण ६०% पेक्षा जास्त आहे आणि छपाई गुळगुळीत व मुलायम होते.
अनियमित पावडर: जाडसर साखरेसारखी चिकटलेली, तिची घनता ४० पट जास्त आहे आणि नोझल इतके बंद झाले आहे की पुढे काय होईल याबद्दल शंका वाटते.
त्याहूनही उत्तम म्हणजे, गोलाकार पावडरने प्रिंट केलेल्या भागांची घनता सिंटरिंगनंतर सहजपणे ८९% पेक्षा जास्त होते आणि पृष्ठभागाची फिनिशिंग थेट मानकांनुसार असते. “आता ‘कुरूप’ पावडर कोण वापरतं? प्रवाहीपणा हीच खरी ताकद आहे!” एक तंत्रज्ञ हसून म्हणाला.
भविष्य: तारे आणि समुद्र लहान आणि सुंदर गोष्टींसोबत सहअस्तित्व साधतात.
ॲल्युमिना पावडरची ३डी प्रिंटिंग क्रांती अजून संपलेली नाही. लष्करी उद्योगाने टर्बोफॅन ब्लेड बनवण्यासाठी जवळजवळ शून्य आकुंचन होणाऱ्या कोअरचा वापर करण्यात पुढाकार घेतला आहे; जैववैद्यकीय क्षेत्राला त्याच्या जैवसुसंगततेचे आकर्षण वाटले आहे आणि त्यांनी सानुकूलित हाडांचे रोपण (इम्प्लांट) प्रिंट करण्यास सुरुवात केली आहे; इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगाने उष्णता शमन करणाऱ्या सब्सट्रेट्सना लक्ष्य केले आहे – कारण, ॲल्युमिनाची औष्णिक वाहकता आणि गैर-विद्युत वाहकता अतुलनीय आहेत.