3डी प्रिंटिंग में प्रयुक्त धातु पाउडर तैयार करने के लिए गैस परमाणुकरण पर अनुसंधान प्रगति
3डी प्रिंटिंग तकनीक, जिसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के रूप में भी जाना जाता है, 1930 के दशक में उभरी। यह एक ऐसी तकनीक है जो कंप्यूटर द्वारा तैयार किए गए त्रि-आयामी मॉडल के आधार पर भागों को परत-दर-परत (उदाहरण के लिए, धातु पाउडर का उपयोग करके) बनाती है। पारंपरिक घटिया विनिर्माण की तुलना में, 3डी प्रिंटिंग उच्च डिजाइन स्वतंत्रता, उच्च सामग्री उपयोग और जटिल संरचनाओं को बनाने की क्षमता जैसे फायदे प्रदान करती है, जो एयरोस्पेस, चिकित्सा उपकरणों, सटीक विनिर्माण और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं दिखाती है। मेटल 3डी प्रिंटिंग का विकास काफी हद तक उच्च प्रदर्शन वाले मेटल पाउडर पर निर्भर करता है, जिनकी विशेषताएं सीधे मुद्रित भागों की गुणवत्ता और प्रदर्शन को निर्धारित करती हैं। 3डी प्रिंटिंग के लिए आदर्श धातु पाउडर में उच्च गोलाकारता, छोटे कण आकार, संकीर्ण कण आकार वितरण, उच्च शुद्धता और अच्छी प्रवाह क्षमता होनी चाहिए।
धातु पाउडर के उत्पादन के लिए प्राथमिक विधि के रूप में गैस परमाणुकरण (जीए) की शुरुआत 1920 के दशक में हुई थी। यह पिघली हुई धातु की धारा से टकराने के लिए उच्च गति वाले गैस जेट का उपयोग करता है, जो इसे छोटी बूंदों में तोड़ देता है जो ठंडा होने पर गोलाकार पाउडर में जम जाता है। इस विधि द्वारा उत्पादित पाउडर एक समान संरचना, उच्च गोलाकारता और कम अशुद्धता सामग्री प्रदर्शित करते हैं, और वर्तमान में 3 डी प्रिंटिंग के लिए धातु पाउडर के कुल उत्पादन का 30% -50% हिस्सा बनाते हैं। हालाँकि, गैस परमाणुकरण एक जटिल प्रक्रिया है जिसमें गैस-तरल दो चरण प्रवाह का युग्मन शामिल है; प्रक्रिया मापदंडों में सूक्ष्म परिवर्तन से पाउडर विशेषताओं में महत्वपूर्ण अंतर हो सकता है, जिससे मुद्रित भागों का प्रदर्शन प्रभावित हो सकता है। इसलिए, 3डी प्रिंटिंग उद्योग के विकास को बढ़ावा देने के लिए गैस परमाणुकरण प्रौद्योगिकी में अनुसंधान प्रगति की व्यवस्थित समीक्षा बहुत महत्वपूर्ण है।
3डी प्रिंटिंग के लिए धातु पाउडर की प्रदर्शन आवश्यकताएँ
3डी प्रिंटिंग प्रक्रिया में, धातु पाउडर कच्चे माल के रूप में काम करते हैं, और उनका प्रदर्शन सीधे पाउडर प्रसार, सिंटरिंग गुणवत्ता और भागों के अंतिम यांत्रिक गुणों की एकरूपता को प्रभावित करता है। मुख्य प्रदर्शन संकेतकों में पाउडर की शुद्धता, कण आकार, ऑक्सीजन सामग्री और पुनर्चक्रण क्षमता शामिल हैं।
2.1 पाउडर शुद्धता
अशुद्धता तत्वों की उपस्थिति बेस पाउडर के साथ प्रतिक्रिया कर सकती है, जिससे सामग्री की थर्मोडायनामिक स्थिरता और यांत्रिक गुण कम हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, Ti-6Al-4V मिश्र धातु पाउडर गर्म होने पर आसानी से N, O, H और अन्य तत्वों को सोख लेता है, जिससे प्रदर्शन में गिरावट आती है। हालाँकि, कुछ मामलों में, अशुद्धियों का सकारात्मक प्रभाव हो सकता है, जैसे कि Al2O3 सिरेमिक पाउडर में अशुद्धियाँ जो सिंटरिंग तापमान को कम कर सकती हैं और प्रक्रिया को सुविधाजनक बना सकती हैं। इसलिए, पाउडर की शुद्धता को विशिष्ट अनुप्रयोग के अनुसार समायोजित किया जाना चाहिए।
2.2 कण आकार
कण का आकार सीधे पाउडर फैलाने की परत की मोटाई (आमतौर पर 50-100 μm) और सिंटरिंग ड्राइविंग बल को प्रभावित करता है। लेजर बनाने की प्रक्रिया में आमतौर पर 30-50 μm के पाउडर कण आकार का उपयोग किया जाता है, जबकि इलेक्ट्रॉन बीम बनाने में 50-90 μm का उपयोग किया जाता है। जो कण बहुत महीन होते हैं वे असमान प्रसार और "बॉलिंग" घटना का कारण बनते हैं, जबकि अत्यधिक मोटे कण विचलन कोण को बढ़ाते हैं और उपयोग दक्षता को कम करते हैं। आदर्श रूप से, प्रवाह क्षमता और सिंटरिंग प्रदर्शन को संतुलित करने के लिए उचित अनुपात में महीन और मोटे पाउडर के मिश्रण की आवश्यकता होती है।
2.3 ऑक्सीजन सामग्री
ऑक्सीजन सामग्री मुख्य रूप से परमाणुकरण गैस और उपकरण से उत्पन्न होती है। उच्च ऑक्सीजन संदूषण पूर्व कण सीमाएं (पीपीबी) बना सकता है, जिससे मिश्र धातु का प्रदर्शन बिगड़ सकता है। अध्ययनों से पता चला है कि पाउडर की ऑक्सीजन सामग्री कण आकार से संबंधित है; जैसे-जैसे कण का आकार घटता है, ऑक्सीजन की मात्रा बढ़ती है। वैक्यूम हीटिंग या कमी उपचार प्रभावी ढंग से ऑक्सीजन सामग्री को कम कर सकता है।
2.4 पाउडर पुनर्चक्रण क्षमता
3डी प्रिंटिंग पाउडर की लागत अधिक है, और पुनर्चक्रण से कच्चे माल की काफी बचत हो सकती है। उदाहरण के लिए, उपयोग के 21 चक्रों के बाद, Ti-6Al-4V पाउडर में ऑक्सीजन सामग्री में केवल 0.08% से 0.19% की वृद्धि देखी गई, और बिना पिघले कणों का पुन: उपयोग किया जा सकता है। पुनर्चक्रण चक्रों की संख्या बढ़ाने से सूक्ष्म संरचना या यांत्रिक गुणों को प्रभावित किए बिना नल के घनत्व और प्रवाह क्षमता में सुधार हो सकता है।
गैस परमाणुकरण द्वारा पाउडर उत्पादन के बुनियादी सिद्धांत
गैस परमाणुकरण पिघली हुई धातु की एक धारा को बूंदों में तोड़ने के लिए उच्च गति वाले गैस जेट का उपयोग करता है, जो ठंडा होने पर गोलाकार पाउडर में जम जाता है। इस प्रक्रिया में तीन चरण होते हैं: धातु पिघलना, परमाणुकरण टकराव, और ठंडा/ठोसीकरण। अक्रिय गैसों (उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन, आर्गन) का उपयोग आमतौर पर ऑक्सीकरण से बचने के लिए परमाणुकरण माध्यम के रूप में किया जाता है। गैस परमाणुकरण प्रक्रिया को चार क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है:
जोन I (नकारात्मक दबाव अशांति क्षेत्र):परमाणुकरण गैस नोजल निकास पर एक नकारात्मक दबाव बनाती है, जो पिघली हुई धातु की धारा को खींचती है और इसे तरल स्ट्रिप्स में फैला देती है।
जोन II (प्राथमिक बूंद निर्माण क्षेत्र):सतह के तनाव और गैस प्रवाह की क्रियाओं के तहत तरल स्ट्रिप्स शुरू में बूंदों में टूट जाती हैं।
जोन III (प्रभावी परमाणुकरण क्षेत्र):उच्च गति वाला गैस जेट बूंदों को और भी बारीक कणों में तोड़ देता है।
जोन IV (शीतलन और ठोसीकरण क्षेत्र):बूंदें स्वतंत्र रूप से गिरती हैं और ठंडा होने पर गोलाकार पाउडर में बदल जाती हैं।