क्वासिक्रिस्टल कैसे एयरोस्पेस-ग्रेड 3D-प्रिंटेड एल्युमिनियम को मजबूत बनाते हैं

सिद्धांत से व्यवहार तक

2011 का रसायन विज्ञान नोबेल पुरस्कार, जिसने “क्वासिक्रिस्टल” की खोज को सम्मानित किया

यह इसलिए है क्योंकि प्रकृति में कई सामग्री, साथ ही मानव निर्मित सामग्री, “सामान्य” क्रिस्टलों में व्यवस्थित होती हैं। इन्हें परिभाषित करने वाला एक सरल 3D संरचना है जो परमाणु स्तर पर मिलियन बार दोहराई जाती है, मैक्रोस्कोपिक स्तर तक। ये संरचनाएँ विभिन्न धातुओं तथा सिलिकॉन जैसे सामग्रियों को उनके गुण प्रदान करती हैं, जो कंप्यूटर चिप्स और सोलर पैनलों में उपयोग होते हैं।

केवल 230 संभावित तरीकों से परमाणु दोहरावदार क्रिस्टल पैटर्न बना सकते हैं, जिसे पहले प्रकृति का कठोर नियम माना जाता था।

स्रोत: Nobel Prize

हालाँकि, यह स्पष्ट हुआ कि अन्य संरचनाएँ भी संभव हैं, जहाँ कुछ बुनियादी आकारों को मिलाकर नियमित आणविक संरचनाएँ बनाई जा सकती हैं, जबकि दोहरावदार पैटर्न नहीं होता। यह खोज मुख्यतः नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) में काम करने वाले एक शोधकर्ता द्वारा की गई थी।

स्रोत: NIST

एंड्रू इयाम्स, NIST के एक शोधकर्ता, ने इन क्वासिक्रिस्टलों के व्यावहारिक अनुप्रयोग खोजे हो सकते हैं, क्योंकि ये एल्युमिनियम के 3D प्रिंटिंग के दौरान बनते हैं। एल्युमिनियम एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में बहुत उपयोगी धातु है, लेकिन इसे 3D प्रिंट करना काफी कठिन है, इसलिए यह एक बड़ी प्रगति हो सकती है।

(आप 3D प्रिंटिंग उद्योग का एक अवलोकन हमारे लेख “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”).

ये परिणाम¹, जो NIST, HRL Laboratories LLC, और L.A. Giannuzzi & Associates LLC के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए, “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing” शीर्षक के तहत Journal of Alloys and Compounds में प्रकाशित हुए।

क्रिस्टल क्यों महत्वपूर्ण हैं?

जबकि एक क्रिस्टलीय संरचना सामग्री को विशेष गुण देती है, यह कुछ कमजोरियों के साथ भी आती है।

चूँकि संरचना अत्यधिक नियमित होती है, परमाणुओं के एक-दूसरे के पास सरकना आसान हो जाता है। बड़े पैमाने पर यह माइक्रोफ्रैक्चर या बड़े दरारें उत्पन्न करता है, जिससे सामग्री सैद्धांतिक रूप से जितनी मजबूत हो सकती थी, उससे कमजोर बन जाती है।

यह समस्या 3D प्रिंटिंग के साथ बढ़ जाती है क्योंकि धातु छोटे‑छोटे हिस्सों में पिघलती है और कई बार ठंडी की जाती है। 3D प्रिंटिंग और पारंपरिक फोर्जिंग दोनों में एल्युमिनियम विशेष रूप से “सॉलिडिफिकेशन क्रैक” या “हॉट टियरिंग” के लिए संवेदनशील होता है।

यह तब होता है जब शेष तरल धातु ठंडा होते हुए पहले से ठोस धातु के संकुचन की भरपाई नहीं कर पाती। ऐसी दरारें एल्युमिनियम भागों की संरचनात्मक अखंडता को कमजोर कर देती हैं, जिससे सामग्री अधिक विफलता के प्रति प्रवण हो जाती है।

बेहतर एल्युमिनियम 3D प्रिंटिंग की आवश्यकता

बहुत अधिक अत्यधिक तापमान

परम्परागत एल्युमिनियम कास्टिंग में, तरल धातु का तापमान 690 °C से 725 °C (1274 °F - 1337 °F) के बीच रहता है, और सॉलिडिफिकेशन कूलिंग रेट आमतौर पर 0.4 °C/s से 10 °C/s के बीच होती है।

इसके विपरीत, धातु सामग्री के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (3D प्रिंटिंग) लेज़र‑पाउडर बेड फ्यूज़न का उपयोग करती है, जहाँ धातु पाउडर को लेज़र द्वारा डिपोज़ और पिघलाया जाता है (वीडियो देखने के लिए लिंक पर जाएँ)।

यह 3000 °C (5430 °F) से अधिक तरल धातु तापमान उत्पन्न करता है, जो धातु के उबलने बिंदु से भी ऊपर है, केवल पिघलाने के बजाय, और 1 मिलियन °C/s से अधिक अल्ट्रा‑फ़ास्ट सॉलिडिफिकेशन कूलिंग रेट देता है।

इन उच्च तापमानों और बहुत तेज़ कूलिंग स्पीड से सॉलिडिफिकेशन क्रैक की समस्या और बढ़ जाती है।

“हाई‑स्ट्रेंथ एल्युमिनियम एलॉय को प्रिंट करना लगभग असंभव है। वे अक्सर दरारें विकसित करते हैं, जिससे वे अनुपयोगी हो जाते हैं।”
Fan Zhang – NIST भौतिक विज्ञानी

3D प्रिंटेड एल्युमिनियम के वादे

तकनीकी कठिनाइयों के बावजूद, एल्युमिनियम का 3D प्रिंटिंग बहुत आशाजनक है, क्योंकि यह ऐसे आकार और भाग बना सकता है जो अन्य फोर्जिंग तकनीकों से संभव नहीं थे।

उदाहरण के लिए, रॉकेट इंजन या हवाई जहाज़ इंजन के ईंधन नोज़ल के भाग अब अक्सर 3D प्रिंटिंग से बनाए जाते हैं, जिससे 20 भागों को असेंबली की आवश्यकता से एक ही भाग में बदला जाता है और वजन घटता है।

2017 में, HRL Laboratories की एक टीम (जिसने यहाँ चर्चा किए गए शोध में योगदान दिया) ने पाया कि एल्युमिनियम पाउडर में जिरकोनियम जोड़ने से 3D‑प्रिंटेड भागों में दरारें नहीं आतीं, जिससे एक मजबूत एलॉय बनता है।

स्रोत: Journal of Alloys and Compounds

हालाँकि, यह क्यों काम करता है, यह अभी तक पूरी तरह समझा नहीं गया था, जब तक कि एटॉमिक धातु संरचना में अजीब संरचनाएँ नहीं देखी गईं।

“इसलिए मैं उत्साहित होना शुरू किया। क्योंकि मुझे लगा कि मैं शायद एक क्वासिक्रिस्टल देख रहा हूँ।”
Andrew Iams, सामग्री अनुसंधान अभियंता at NIST

क्वासिक्रिस्टल की खोज और निर्माण

शोधकर्ताओं को सामग्री का विश्लेषण करने के लिए सबसे छोटी संभव इमेज रिज़ॉल्यूशन पर इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करना पड़ा। इससे पता चला कि परमाणु नई, अजीब पैटर्न में व्यवस्थित थे, जिनमें पाँच‑गुना, तीन‑गुना और दो‑गुना घूर्णन सममिति थी, जो सामान्य एल्युमिनियम एलॉय में पाए जाने वाले क्रिस्टलों द्वारा नहीं हो सकती थी।

“जब मैं यह देख रहा था तो मैं उत्साहित हो गया। क्योंकि मुझे लगा कि मैं शायद एक क्वासिक्रिस्टल देख रहा हूँ।”
Andrew Iams, सामग्री अनुसंधान अभियंता at NIST

एल्युमिनियम‑जिरकोन मिश्र धातु के बारीक दानों के क्षेत्रों के अलावा, शोधकर्ताओं ने 20‑साइड डाइस के आकार में आयकोसाहेड्रल क्वासिक्रिस्टल देखे।

स्रोत: Math Stack Exchange

यह सामान्य क्रिस्टल संरचना को तोड़ता है, जिससे दरारें बनने की संभावना कम हो जाती है। इसलिए क्वासिक्रिस्टल एल्युमिनियम क्रिस्टलों के नियमित पैटर्न को तोड़ते हैं, जिससे ऐसे दोष उत्पन्न होते हैं जो धातु को अधिक मजबूत बनाते हैं।

स्रोत: Journal of Alloys and Compounds

कंप्यूटर सिमुलेशन ने फिर क्वासिक्रिस्टल के निर्माण में अंतर्दृष्टि प्रदान की। यह दिखा कि ठंडा करने की प्रक्रिया के दौरान एक द्वितीयक चरण मौजूद है, जो क्वासिक्रिस्टल निर्माण के अनुकूल है।

क्वासिक्रिस्टल कोर से, धातु में क्वासिक्रिस्टल लाइन‑ब्रेक पैटर्न के विस्तार से, समग्र रूप से अधिक मजबूत बनता है और ठंडा करने या यांत्रिक तनाव के दौरान दरारें बनने की संभावना कम हो जाती है।

स्रोत: NIST

भविष्य विकास

यह नया प्रकार का 3D‑प्रिंटेड एल्युमिनियम एलॉय हार्डनेस में AA7075 (एक स्थापित एल्युमिनियम एलॉय) के पीक‑एज्ड स्तर के बराबर दिखाता है, जो जंग प्रतिरोध में उच्च और विमान संरचनात्मक भागों में व्यापक रूप से उपयोग होता है।

इन प्रारंभिक परीक्षणों से संकेत मिलता है कि प्रीसिपिटेशन‑हार्डनिंग हीट ट्रीटमेंट इस एलॉय को और भी कठोर बना सकता है, हालांकि इसे अभी प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध करना बाकी है।

यह एक ऐसा ढांचा भी बनाता है जिसमें और भी मजबूत एल्युमिनियम का उत्पादन संभव हो सकता है। अब जब सामग्री वैज्ञानिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के दौरान क्वासिक्रिस्टल के निर्माण की आंशिक भविष्यवाणी कर सकते हैं, वे उनके प्रकट होने को बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं ताकि यांत्रिक प्रदर्शन में सुधार हो सके।

3D प्रिंटिंग में निवेश

3D प्रिंटिंग अब तकनीकी परिपक्वता और बाजार एकीकरण के चरण में पहुँच रही है। यह निवेशकों को पहले की तुलना में अधिक दृश्यता देता है और पुष्टि करता है कि यह तकनीक कोई फेड नहीं बल्कि स्थायी है।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से 3D‑प्रिंटिंग‑संबंधित कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और इस वेबसाइट पर हमारे पास संयुक्त राज्य अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, यूनाइटेड किंगडम, और कई अन्य देशों में के लिए सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों की हमारी सिफ़ारिशें पा सकते हैं।

नीचे चर्चा की गई कंपनियों के अलावा, आप हमारे लेख “Top 10 Nanotechnology Stocks” में संभावित निवेश विचार भी पा सकते हैं।

यदि आप विशिष्ट 3D प्रिंटिंग कंपनियों को चुनने में रुचि नहीं रखते, तो आप ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) जैसे ETF में निवेश कर सकते हैं, जिससे आप एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सेक्टर की समग्र वृद्धि से लाभ उठा सकते हैं।

एक नवाचारी उदाहरण

(नीचे चर्चा की गई कंपनियों के अलावा, आप हमारे लेख “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch” में अन्य कंपनियों के बारे में पढ़ सकते हैं।

Nano Dimension

अधिकांश एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कंपनियाँ धातु और प्लास्टिक पर केंद्रित होती हैं, जटिल यांत्रिक भागों पर ध्यान देती हैं। Nano Dimension (NNDM ) इसके बजाय 3D‑प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स पर केंद्रित है। इसमें कंडक्टिव या डाइइलेक्ट्रिक इंक और सिरेमिक जैसी अत्यधिक विशिष्ट तकनीकें शामिल हैं, जो उदाहरण के लिए ऑप्टिकल या रेडियो घटकों के निर्माण में उपयोग की जा सकती हैं।

यह 3D प्रिंटिंग के नैनोस्केल पर संभावित अनुप्रयोगों में से एक है, जिसे हमने “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization” में और अधिक खोजा।

Nano Dimension ने अधिग्रहण और आंतरिक R&D के मिश्रण के माध्यम से विकास किया है।

स्रोत: Nano Dimensions

यह रणनीति 2024 में Desktop Metal के अधिग्रहण की घोषणा की गई और 2025 में पूर्ण हुई। साथ मिलकर, दोनों कंपनियों के पास इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर बड़े औद्योगिक उपकरण और एयरोस्पेस तक सभी स्केल में धातु और सिरेमिक 3D प्रिंटिंग के लिए बहुत मजबूत स्थिति होगी।

यह ग्राहक आधार को मिलाकर स्केल की अर्थव्यवस्थाएँ भी बनाता है, जिसमें SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics आदि शामिल हैं।

अंत में, दोनों कंपनियाँ मुख्यतः अलग‑अलग भौगोलिक क्षेत्रों में सक्रिय थीं, जहाँ Nano Dimension यूरोप में और Desktop Metal यूएस में था, जिससे बिक्री टीमों को मिलाकर सिनर्जी बनती है।

स्रोत: Nano Dimension

कंपनी का दावा है कि वह निर्माण के पर्यावरणीय पदचिह्न को 94 % CO₂ उत्सर्जन में, 100 % जल में, 98 % सामग्री में, और 82 % रसायनों में कमी लाकर घटा सकती है। कुल मिलाकर, हम उम्मीद कर सकते हैं कि Nano Dimension तकनीक के नेताओं में से एक बनकर उभरेगा।

स्रोत: Nano Dimensions

विलीन हुई कंपनियाँ 3D प्रिंटिंग में नई खोजों और अधिक मजबूत एल्युमिनियम एलॉय बनाने के तरीकों को उपयोग करने के लिए बहुत अच्छी स्थिति में हैं, जिससे ये नवाचार संभावित बाजार को विस्तारित कर सकते हैं।

हालाँकि, निवेशकों को यह ध्यान रखना चाहिए कि अधिग्रहण‑पूर्व Nano Dimension और Desktop Metal दोनों ही नकदी प्रवाह में नकारात्मक थे, इसलिए परिणामी कंपनी को भविष्य में लाभ कमाने के लिए लागत घटाने या पर्याप्त वृद्धि करने की आवश्यकता होगी।

Nano Dimension पर नवीनतम

संदर्भित अध्ययन:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). उच्च-परमीटिविटी डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर एक्ट्यूएटर फाइबर्स का तेज़ निर्माण. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 अप्रैल 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}