থ্রিডি প্রিন্টিং উপকরণে অ্যালুমিনা পাউডারের যুগান্তকারী ব্যবহার
নর্থওয়েস্টার্ন পলিটেকনিক্যাল ইউনিভার্সিটির গবেষণাগারে প্রবেশ করে, একটি লাইট-কিউরিং3D প্রিন্টার যন্ত্রটি মৃদু গুঞ্জন করছে এবং লেজার রশ্মিটি সিরামিক স্লারির মধ্যে নিখুঁতভাবে চলাচল করছে। মাত্র কয়েক ঘণ্টা পরেই, গোলকধাঁধার মতো জটিল কাঠামোযুক্ত একটি সিরামিক কোর সম্পূর্ণরূপে প্রস্তুত হয়ে যায় – এটি উড়োজাহাজের ইঞ্জিনের টারবাইন ব্লেড ঢালাই করতে ব্যবহৃত হবে। এই প্রকল্পের দায়িত্বে থাকা অধ্যাপক সু হাইজুন সূক্ষ্ম উপাদানটির দিকে ইঙ্গিত করে বলেন: “তিন বছর আগে, আমরা এত সূক্ষ্মতার কথা ভাবতেও সাহস করিনি। এই আপাত নিরীহ অ্যালুমিনা পাউডারের মধ্যেই সাফল্যের মূল চাবিকাঠিটি লুকিয়ে আছে।”
একদা, অ্যালুমিনা সিরামিকস এই ক্ষেত্রে এক “সমস্যা সৃষ্টিকারী ছাত্রের” মতো ছিল।3D প্রিন্টিং– উচ্চ শক্তি, উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধ ক্ষমতা, ভালো তাপ নিরোধক, কিন্তু একবার প্রিন্ট করার পর এতে অনেক সমস্যা দেখা দিত। প্রচলিত পদ্ধতিতে, অ্যালুমিনা পাউডারের প্রবাহ ক্ষমতা কম থাকে এবং এটি প্রায়শই প্রিন্ট হেড আটকে দেয়; সিন্টারিংয়ের সময় সংকোচনের হার ১৫%-২০% পর্যন্ত হতে পারে, এবং অনেক কষ্টে প্রিন্ট করা অংশগুলো পোড়ানোর সাথে সাথেই বিকৃত হয়ে ফেটে যায়; আর জটিল কাঠামো? তা তো আরও বেশি ব্যয়বহুল। প্রকৌশলীরা চিন্তিত: “এই জিনিসটা যেন একগুঁয়ে শিল্পী, যার মাথায় উদ্ভট সব ধারণা, কিন্তু লোকবল যথেষ্ট নয়।”
১. রুশ ফর্মুলা: “সিরামিক বর্ম” স্থাপন করাঅ্যালুমিনিয়ামম্যাট্রিক্স
উপাদানের নকশার বিপ্লব থেকেই প্রথম যুগান্তকারী পরিবর্তনটি আসে। ২০২০ সালে, রাশিয়ার ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটি অফ সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি (NUST MISIS)-এর উপাদান বিজ্ঞানীরা একটি যুগান্তকারী প্রযুক্তির ঘোষণা দেন। তারা শুধু অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড পাউডার মেশানোর পরিবর্তে, উচ্চ-বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম পাউডারকে একটি অটোক্লেভে রেখে হাইড্রোথার্মাল অক্সিডেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে প্রতিটি অ্যালুমিনিয়াম কণার পৃষ্ঠে একটি সুনির্দিষ্টভাবে নিয়ন্ত্রণযোগ্য পুরুত্বের অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড ফিল্মের স্তর "তৈরি" করেন, যা অনেকটা অ্যালুমিনিয়ামের গোলকের উপর ন্যানো-স্তরের বর্ম পরানোর মতো। এই "কোর-শেল কাঠামো" যুক্ত পাউডারটি লেজার থ্রিডি প্রিন্টিং (SLM প্রযুক্তি)-এর সময় আশ্চর্যজনক কার্যকারিতা দেখায়: এর কাঠিন্য বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম উপাদানের চেয়ে ৪০% বেশি এবং উচ্চ-তাপমাত্রার স্থিতিশীলতা ব্যাপকভাবে উন্নত হয়, যা সরাসরি বিমান-গ্রেডের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে।
প্রকল্পটির প্রধান, অধ্যাপক আলেকজান্ডার গ্রোমভ, একটি চমৎকার উপমা দিয়েছেন: “অতীতে, কম্পোজিট উপাদানগুলো ছিল সালাদের মতো – প্রতিটি উপাদান ছিল তার নিজের দায়িত্বে; আমাদের পাউডারগুলো স্যান্ডউইচের মতো – অ্যালুমিনিয়াম এবং অ্যালুমিনা একে অপরকে স্তরে স্তরে আঁকড়ে ধরে, এবং একটি ছাড়া অন্যটি চলতে পারে না।” এই শক্তিশালী সংযোগ উপাদানটিকে উড়োজাহাজের ইঞ্জিনের যন্ত্রাংশ এবং অতি-হালকা বডি ফ্রেমে তার দক্ষতা প্রদর্শনের সুযোগ করে দেয়, এবং এমনকি টাইটানিয়াম অ্যালয়ের ক্ষেত্রকেও চ্যালেঞ্জ জানাতে শুরু করে।
২. চীনা প্রজ্ঞা: সিরামিক ‘সেট’ করার জাদু
অ্যালুমিনা সিরামিক প্রিন্টিংয়ের সবচেয়ে বড় সমস্যা হলো সিন্টারিং সংকোচন – কল্পনা করুন, আপনি খুব যত্ন করে একটি মাটির মূর্তি মেখেছেন, এবং ওভেনে ঢোকানোর সাথে সাথেই সেটি একটি আলুর আকারে সংকুচিত হয়ে গেল। এটি কতটা ভেঙে পড়বে? ২০২৪ সালের শুরুর দিকে, নর্থওয়েস্টার্ন পলিটেকনিক্যাল ইউনিভার্সিটির অধ্যাপক সু হাইজুনের দলের ‘জার্নাল অফ মেটেরিয়ালস সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি’-তে প্রকাশিত ফলাফল শিল্পজগতে আলোড়ন সৃষ্টি করে: তারা মাত্র ০.৩% সংকোচন হার সহ প্রায় শূন্য-সংকোচনশীল একটি অ্যালুমিনা সিরামিক কোর তৈরি করতে সক্ষম হন।
রহস্যটি হলো যোগ করাঅ্যালুমিনিয়াম পাউডারঅ্যালুমিনার দিকে এবং তারপর একটি নিখুঁত "পরিবেশগত জাদু" প্রদর্শন করুন।
অ্যালুমিনিয়াম পাউডার যোগ করুন: সিরামিক স্লারিতে ১৫% মিহি অ্যালুমিনিয়াম পাউডার মেশান।
পরিবেশ নিয়ন্ত্রণ করুন: অ্যালুমিনিয়াম পাউডারের জারণ রোধ করতে সিন্টারিংয়ের শুরুতে আর্গন গ্যাস সুরক্ষা ব্যবহার করুন।
স্মার্ট সুইচিং: যখন তাপমাত্রা ১৪০০°C-এ পৌঁছায়, তখন হঠাৎ করে পরিবেশকে বাতাসে পরিবর্তন করে দেয়।
স্বস্থানিক জারণ: অ্যালুমিনিয়ামের গুঁড়ো তাৎক্ষণিকভাবে গলে ফোঁটায় পরিণত হয় এবং জারিত হয়ে অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইডে রূপান্তরিত হয়, এবং আয়তন প্রসারণ সংকোচনকে প্রতিহত করে।
৩. বাইন্ডার বিপ্লব: অ্যালুমিনিয়াম পাউডার ‘অদৃশ্য আঠা’-তে পরিণত হয়।
রাশিয়ান এবং চীনা দলগুলো যখন পাউডারের পরিবর্তন নিয়ে কঠোর পরিশ্রম করছে, তখন নীরবে আরেকটি প্রযুক্তিগত পথ পরিপক্ক হয়েছে – বাইন্ডার হিসেবে অ্যালুমিনিয়াম পাউডার ব্যবহার করা। ঐতিহ্যবাহী সিরামিক3D প্রিন্টিংবাইন্ডারগুলো বেশিরভাগই জৈব রেজিন, যা ডিগ্ৰিজিংয়ের সময় পোড়ালে গহ্বর তৈরি করে। একটি দেশীয় দলের ২০২৩ সালের পেটেন্ট একটি ভিন্ন পদ্ধতি গ্রহণ করেছে: অ্যালুমিনিয়াম পাউডারকে জল-ভিত্তিক বাইন্ডারে পরিণত করা।
প্রিন্টিংয়ের সময়, নজলটি অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড পাউডার স্তরের উপর ৫০-৭০% অ্যালুমিনিয়াম পাউডারযুক্ত "আঠা" নির্ভুলভাবে স্প্রে করে। ডিগ্ৰিজিং পর্যায়ে, ভ্যাকুয়াম তৈরি করে অক্সিজেন চালনা করা হয় এবং ২০০-৮০০° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় অ্যালুমিনিয়াম পাউডার জারিত হয়ে অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইডে পরিণত হয়। এর ২০%-এর বেশি আয়তন প্রসারণের বৈশিষ্ট্য এটিকে সক্রিয়ভাবে ছিদ্রগুলো পূরণ করতে এবং সংকোচনের হার ৫%-এর কমিয়ে আনতে সাহায্য করে। একজন প্রকৌশলী এটিকে এভাবে বর্ণনা করেছেন, “এটি একই সাথে পুরনো কাঠামো ভেঙে নতুন দেয়াল তৈরি করার এবং নিজের তৈরি করা গর্তগুলো ভরাট করার সমতুল্য!”
৪. কণার শিল্পকলা: গোলাকার গুঁড়োর বিজয়
অ্যালুমিনা পাউডারের “বাহ্যিক রূপ” অপ্রত্যাশিতভাবে যুগান্তকারী সাফল্যের চাবিকাঠি হয়ে উঠেছে – এই বাহ্যিক রূপ বলতে এর কণার আকৃতিকে বোঝায়। ২০২৪ সালে “ওপেন সিরামিকস” জার্নালে প্রকাশিত একটি গবেষণায় ফিউজড ডিপোজিশন (CF³) প্রিন্টিং-এ গোলাকার এবং অনিয়মিত আকৃতির অ্যালুমিনা পাউডারের কর্মক্ষমতার তুলনা করা হয়েছে৫:
গোলাকার পাউডার: মিহি বালির মতো প্রবাহিত হয়, ফিলিঙ রেট ৬০% এর বেশি এবং প্রিন্টিং মসৃণ ও রেশমি হয়।
অনিয়মিত পাউডার: মোটা চিনির মতো জমাট বাঁধা, এর সান্দ্রতা ৪০ গুণ বেশি, এবং নজলটি এমনভাবে আটকে যায় যে এর কার্যকারিতা নিয়ে সন্দেহ জাগে।
আরও ভালো ব্যাপার হলো, গোলাকার পাউডার দিয়ে প্রিন্ট করা অংশগুলোর ঘনত্ব সিন্টারিংয়ের পর সহজেই ৮৯% ছাড়িয়ে যায় এবং এর পৃষ্ঠতলের মসৃণতা সরাসরি মান পূরণ করে। “এখন আর ‘বাজে’ পাউডার কে ব্যবহার করে? সাবলীলতাই হলো আসল কার্যকারিতা!” একজন টেকনিশিয়ান হেসে উপসংহার টানলেন৫।
ভবিষ্যৎ: নক্ষত্র ও সমুদ্র ছোট ও সুন্দর কিছুর সাথে সহাবস্থান করে
অ্যালুমিনা পাউডারের থ্রিডি প্রিন্টিং বিপ্লব এখনও শেষ হয়নি। সামরিক শিল্প টার্বোফ্যান ব্লেড তৈরির জন্য প্রায়-শূন্য সংকোচনশীল কোর প্রয়োগে অগ্রণী ভূমিকা নিয়েছে; বায়োমেডিকেল ক্ষেত্র এর জৈব-সামঞ্জস্যতার প্রতি আকৃষ্ট হয়ে কাস্টমাইজড হাড়ের ইমপ্লান্ট প্রিন্ট করা শুরু করেছে; ইলেকট্রনিক্স শিল্প তাপ অপসরণকারী সাবস্ট্রেটকে লক্ষ্যবস্তু করেছে – সর্বোপরি, অ্যালুমিনার তাপীয় পরিবাহিতা এবং অ-বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা অপরিবর্তনীয়।