Modular additive manufacturing of ceramics via solvent assisted interfacial joining

कल्पना कीजिए कि आप कांच से एक कैथेड्रल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। आप पिघले हुए पदार्थ को सीधे एक सांचे में नहीं डाल सकते, क्योंकि आकार बहुत जटिल है, जिसमें खोखले कक्ष और घुमावदार मेहराब हैं जो सख्त होने से पहले अपने ही वजन से ढह जाएंगे। दशकों से, वैज्ञानिक इस समस्या को हल करने के लिए 'एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग' नामक तकनीक का उपयोग कर रहे हैं, जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग के रूप में जाना जाता है। वस्तु को परत दर परत बनाकर, वे उन जटिल सिरेमिक आकृतियों को बना सकते हैं जिन्हें बनाना कभी असंभव था। हालाँकि, इस विधि की एक बड़ी सीमा है: वस्तु का आकार मशीन के आकार द्वारा सीमित होता है। यदि आप प्रिंटर के निर्माण कक्ष (build chamber) से बड़ा भाग चाहते हैं, तो आप फंस जाते हैं। आप एक एकल टुकड़ा प्रिंट नहीं कर सकते, और अलग-अलग टुकड़ों को आपस में जोड़ने से आमतौर पर एक कमजोर जोड़ रह जाता है जो दबाव में टूट जाता है।

हारबिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिना मजबूती से समझौता किए इस आकार की सीमा को पार करने का एक तरीका खोज निकाला है। उन्होंने सिरेमिक भागों को छोटे खंडों में प्रिंट करने और फिर उन्हें इतनी सहजता से जोड़ने का तरीका विकसित किया है कि अंतिम वस्तु ऐसी व्यवहार करती है जैसे वह एक ही टुकड़े से बनी हो। टुकड़ों को जोड़ने के लिए गोंद या गर्मी का उपयोग करने के बजाय, वे एक साधारण तरल विलायक (solvent) का उपयोग करते हैं जो प्रिंट किए गए भागों की सतह को अस्थायी रूप से नरम कर देता है, जिससे सिरेमिक कण आपस में मिल जाते हैं और पुन: जुड़ जाते हैं। यह दृष्टिकोण, जिसे वे 'मॉड्यूलर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग' कहते हैं, बड़े, जटिल सिरेमिक ढांचे बनाने की अनुमति देता है जिन्हें कई मशीनों पर प्रिंट किया जा सकता है और एक एकल, ठोस इकाई में जोड़ा जा सकता है।

इस खोज का मूल तत्व प्रिंटिंग के लिए उपयोग किया जाने वाला एक विशेष तरल मिश्रण, या 'स्लरी' (slurry) है। सामान्यतः, जब आप सिरेसे के साथ प्रिंट करते हैं, तो आप महीन सिरेमिक पाउडर को एक तरल रेजिन के साथ मिलाते हैं जो प्रकाश के संपर्क में आने पर कठोर हो जाता है। शोधकर्ताओं ने इस रेसिपी में बदलाव करते हुए एक विशिष्ट प्रकार की पॉलीमर चेन जोड़ी जो एक लंबी, लचीली रस्सी की तरह व्यवहार करती है। जब प्रकाश रेजिन को ठोस परत बनाने के लिए 'क्योर' करता है, तो ये पॉलीमर चेन एक कठोर जाल में नहीं बदलतीं; इसके बजाय, वे ढीले, रैखिक धागों के रूप में रहती हैं। यह सूक्ष्म परिवर्तन अत्यंत महत्वपूर्ण है। जब शोधकर्ता बाद में प्रिंट किए गए सिरेमिक टुकड़े की सतह पर ब्यूटिल एसीटेट जैसा विलायक लगाते हैं, तो ये ढीली पॉलीमर चेन तरल को सोख लेती हैं और सूज जाती हैं। वे सुलझ जाती हैं और फिर से तरल हो जाती हैं, जिससे सिरेमिक भाग की कठोर सतह एक नरम, जेल जैसी परत में बदल जाती है।

यह अस्थायी जेल अवस्था जोड़ने की प्रक्रिया की कुंजी है। जब दो प्रिंट किए गए सिरेमिक टुकड़ों को उनके जेल अवस्था में होने पर एक साथ दबाया जाता है, तो एक टुकड़े की पॉलीमर चेन दूसरे में विसरित (diffuse) हो जाती है। सीमा के पार चलते हुए, वे अपने साथ सिरेमिक पाउडर के कणों को ले जाती हैं, जिससे वे दोनों सतहों को प्रभावी ढंग से आपस में मिला देती हैं। कण अब एक स्पष्ट रेखा द्वारा अलग नहीं होते; वे पॉलीमर नेटवर्क के भीतर आपस में गुंथे होते हैं। एक बार जब विलायक वाष्पित हो जाता है, तो पॉलीमर चेन फिर से उलझ जाती है और कठोर हो जाती है, जिससे सिरेमिक कण अपनी जगह पर लॉक हो जाते हैं। परिणाम एक ऐसा जोड़ है जहाँ दोनों मूल टुकड़ों के बीच का इंटरफेस गायब हो गया है, और उसकी जगह एक निरंतर, एकीकृत संरचना ने ले ली है।

शोधकर्ताओं ने इन जुड़े हुए टुकड़ों को जोड़ने के लिए इस पद्धति का परीक्षण किया। पहले परिदृश्य में, उन्होंने दो ताजे प्रिंट किए गए, बिना पके सिरेमिक टुकड़ों को जोड़ा, जिन्हें 'ग्रीन बॉडीज' कहा जाता है। दूसरे में, उन्होंने एक ताजे प्रिंट किए गए ग्रीन बॉडी को एक ऐसे सिरेमिक टुकड़े से जोड़ा जिसे पहले ही पकाकर सख्त किया जा चुका था। पहले प्रकार के लिए, यह प्रक्रिया बेहद तेज थी; सतह को केवल पंद्रह सेकंड के लिए गीला करना एक मजबूत बंधन बनाने के लिए पर्याप्त था। दूसरे प्रकार के लिए, जहाँ एक टुकड़ा पहले से ही कठोर और छिद्रपूर्ण था, प्रक्रिया में थोड़ी अधिक सावधानी की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे कठोर टुकड़े का पूर्व-उपचार (pre-treat) नहीं करते, तो विलायक इसके छिद्रों में गहराई तक खिंच जाता, जिससे बंधन कमजोर हो जाता। कठोर टुकड़े के छिद्रों को पिघली हुई मोम से सील करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि विलायक सतह पर ही रहे, जिससे लगभग तीस सेकंड में प्रभावी ढंग से बंधन बन सके।

जुड़े हुए टुकड़ों को वास्तव में एक ठोस वस्तु साबित करने के लिए, टीम ने उन्हें कठोर परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने जुड़े हुए सिरेमिक बार को तब तक मोड़ा जब तक कि वे टूट नहीं गए। हर मामले में, जुड़े हुए खंडों ने उतना ही भार वहन किया जितना कि एक निरंतर रूप से प्रिंट किए गए बार ने किया था जिसमें कोई जोड़ नहीं था। बंधन की मजबूती पूरे हिस्से का एक अंश नहीं थी; यह पूरे हिस्से के बराबर थी। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि सिरेमिक को जोड़ने की पिछली विधियों में अक्सर ऐसे कमजोर बिंदु होते थे जहाँ सामग्री सबसे पहले विफल हो जाती थी। यहाँ, इंटरफ़ेस सामग्री के बाकी हिस्से से अलग नहीं था।

शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म स्तर पर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके जुड़े हुए क्षेत्रों के अंदर भी देखा। उन्होंने पाया कि सिरेमिक कण सीमा पर घने और समान रूप से वितरित थे, और वहां कोई अंतराल या दरार नहीं थी। अंतिम ताप प्रक्रिया के बाद, जो पॉलीमर को हटा देती है और सिरेमिक कणों को आपस में जोड़ देती है, क्रिस्टल संरचनाएं सीमा रेखा के पार विकसित हुईं। कुछ मामलों में, क्रिस्टल एक तरफ से दूसरी तरफ तक बढ़े, जिससे वह रेखा पूरी तरह से मिट गई जहाँ दोनों टुकड़े मिले थे। यह सूक्ष्म निरंतरता ही अंतिम वस्तु को मजबूती प्रदान करती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उपयोग का तनाव पूरी संरचना में समान रूप से वितरित हो, न कि किसी कमजोर जोड़ पर केंद्रित हो।

इस विधि की वास्तविक शक्ति तब स्पष्ट होती है जब हम देखते हुए कि क्या बनाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग अनुप्रयोगों का प्रदर्शन किया। पहला, उन्होंने एक 'नेस्टेड स्फीयर' बनाया, एक ऐसी संरचना जहाँ एक छोटा गोला एक बड़े खोखले खोल के अंदर स्थित होता है। पारंपरिक विनिर्माण में, इसके लिए प्रिंटिंग के दौरान आंतरिक गोले को थामे रखने के लिए सपोर्ट की आवश्यकता होती, जिसे बाहरी खोल बंद होने के बाद निकालना असंभव होता। आंतरिक और बाहरी खोलों को अलग-अलग मॉड्यूल के रूप में प्रिंट करके और उन्हें जोड़कर, उन्होंने बिना किसी सपोर्ट के एक स्वतंत्र रूप से घूमने वाला आंतरिक गोला बनाया। दूसरा, उन्होंने एक 'मेटामटेरियल' बनाया, एक जटिल जालीदार संरचना जिसे अद्वितीय भौतिक गुणों के लिए डिज़ाइन किया गया है। छोटी, समान इकाइयों को प्रिंट करके और उन्हें जोड़कर, वे एक बड़े ढांचे को एक साथ प्रिंट करने की तुलना में बहुत तेजी से बना सकते थे, और वे यह काम समानांतर में काम करने वाले कई प्रिंटरों का उपयोग करके कर सकते थे। अंत में, उन्होंने एक 'टेंशनड स्ट्रक्चर' बनाया, जिसमें व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सिरेमिक प्लेटों को उनके तरीके से प्रिंट किए गए एक जटिल, श्रृंखला जैसे केंद्र के साथ जोड़ा गया। इस हाइब्रिड दृष्टिकोण ने उन्हें एक भार वहन करने वाला ढांचा बनाने की अनुमति दी, जिससे पता चला कि डिजाइन की जरूरतों के अनुसार विभिन्न विनिर्माण तकनीकों को मिलाया जा सकता है।

यह कार्य सिरेमिक निर्माण के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। यह इस विचार से दूर जाता है कि एक भाग को एक ही मशीन द्वारा एक बार में बनाया जाना चाहिए। इसके बजाय, यह विनिर्माण प्रक्रिया को एक पहेली (puzzle) को जोड़ने की तरह मानता है, जहाँ प्रत्येक टुकड़े को उसके इष्टतम आकार तक प्रिंट किया जाता है और फिर एक पूर्ण इकाई में मिला दिया जाता है। यह विधि सरल है, जिसमें केवल एक विलायक और प्रतीक्षा के थोड़े समय की आवश्यकता होती है, फिर भी यह आकार और उत्पादन क्षमता की मौलिक सीमाओं को पार कर लेती है। यह सुनिश्चित करके कि जुड़े हुए भाग मूल सामग्री जितने ही मजबूत हैं, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि मॉड्यूलर प्रिंटिंग केवल एक समाधान नहीं है, बल्कि एयरोस्पेस, ऊर्जा और अन्य मांग वाले उद्योगों के लिए बड़े, उच्च-प्रदर्शन वाले सिरेमिक घटकों को बनाने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति है। सिरेमिक विनिर्माण का भविष्य बड़े प्रिंटर बनाने के बारे में नहीं, बल्कि हमारे पास मौजूद टुकड़ों को जोड़ने के स्मार्ट तरीके बनाने के बारे में है।