জিরকোনিয়া সিরামিকের নয়টি নির্ভুল ছাঁচনির্মাণ প্রক্রিয়া

জিরকোনিয়া সিরামিকের নয়টি নির্ভুল ছাঁচনির্মাণ প্রক্রিয়া
সিরামিক উপকরণ তৈরির সমগ্র প্রক্রিয়ায় ছাঁচনির্মাণ প্রক্রিয়াটি একটি সংযোগকারী ভূমিকা পালন করে এবং এটি সিরামিক উপকরণ ও উপাদানগুলির কার্যক্ষমতার নির্ভরযোগ্যতা এবং উৎপাদনের পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা নিশ্চিত করার মূল চাবিকাঠি।
সমাজের বিকাশের সাথে সাথে, ঐতিহ্যবাহী সিরামিকের প্রচলিত হাতে মাখার পদ্ধতি, চাকা দিয়ে আকার দেওয়ার পদ্ধতি, গ্রাউটিং পদ্ধতি ইত্যাদি আধুনিক সমাজের উৎপাদন ও পরিশোধনের চাহিদা আর মেটাতে পারছিল না, তাই একটি নতুন ছাঁচনির্মাণ প্রক্রিয়ার জন্ম হয়। ZrO2 সূক্ষ্ম সিরামিক উপাদান নিম্নলিখিত ৯ ধরনের ছাঁচনির্মাণ প্রক্রিয়ায় (২ ধরনের শুষ্ক পদ্ধতি এবং ৭ ধরনের আর্দ্র পদ্ধতি) ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়:

১. শুষ্ক ছাঁচনির্মাণ

১.১ শুষ্ক চাপ

ড্রাই প্রেসিং পদ্ধতিতে চাপ প্রয়োগ করে সিরামিক পাউডারকে একটি নির্দিষ্ট আকৃতির বস্তুতে রূপ দেওয়া হয়। এর মূল বিষয় হলো, বাহ্যিক শক্তির প্রভাবে ছাঁচের ভেতরে পাউডারের কণাগুলো একে অপরের কাছাকাছি আসে এবং অভ্যন্তরীণ ঘর্ষণের মাধ্যমে দৃঢ়ভাবে সংযুক্ত হয়ে একটি নির্দিষ্ট আকৃতি বজায় রাখে। ড্রাই-প্রেস করা কাঁচা বস্তুর প্রধান ত্রুটি হলো স্প্যালেশন, যা পাউডারগুলোর নিজেদের মধ্যকার অভ্যন্তরীণ ঘর্ষণ এবং পাউডার ও ছাঁচের দেয়ালের মধ্যকার ঘর্ষণের কারণে ঘটে থাকে, যার ফলে বস্তুর অভ্যন্তরে চাপ কমে যায়।

ড্রাই প্রেসিংয়ের সুবিধাগুলো হলো, এর কাঁচা বস্তুর আকার নির্ভুল হয়, প্রক্রিয়াটি সহজ এবং যান্ত্রিকভাবে এটি পরিচালনা করা সুবিধাজনক; কাঁচা ড্রাই প্রেসিংয়ে আর্দ্রতা ও বাইন্ডারের পরিমাণ কম থাকে এবং শুকানো ও পোড়ানোর ফলে সংকোচনও কম হয়। এটি প্রধানত সরল আকৃতির এবং কম আকৃতি-অনুপাতের পণ্য তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়। ড্রাই প্রেসিংয়ের অসুবিধা হলো, মোল্ডের ক্ষয়ের কারণে উৎপাদন খরচ বেড়ে যায়।

১.২ আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং

আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং হলো প্রচলিত ড্রাই প্রেসিং-এর উপর ভিত্তি করে উদ্ভাবিত একটি বিশেষ গঠন পদ্ধতি। এটি স্থিতিস্থাপক ছাঁচের ভিতরে থাকা পাউডারের উপর সব দিক থেকে সুষমভাবে চাপ প্রয়োগ করার জন্য তরল সঞ্চালন চাপ ব্যবহার করে। তরলের অভ্যন্তরীণ চাপের সামঞ্জস্যতার কারণে, পাউডারটি সব দিকে একই চাপ বহন করে, ফলে গ্রিন বডির ঘনত্বের পার্থক্য এড়ানো যায়।

আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিংকে ওয়েট ব্যাগ আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং এবং ড্রাই ব্যাগ আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং-এ ভাগ করা হয়। ওয়েট ব্যাগ আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং-এর মাধ্যমে জটিল আকৃতির পণ্য তৈরি করা যায়, কিন্তু এটি কেবল বিরতি দিয়ে কাজ করতে পারে। ড্রাই ব্যাগ আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং স্বয়ংক্রিয়ভাবে অবিচ্ছিন্নভাবে কাজ করতে পারে, কিন্তু এটি দিয়ে কেবল বর্গাকার, গোলাকার এবং নলাকার প্রস্থচ্ছেদের মতো সরল আকৃতির পণ্য তৈরি করা যায়। আইসোস্ট্যাটিক প্রেসিং-এর মাধ্যমে একটি অভিন্ন ও ঘন গ্রিন বডি পাওয়া যায়, যেখানে পোড়ানোর ফলে সংকোচন কম হয় এবং সব দিকে সংকোচন সমান থাকে, কিন্তু এর সরঞ্জাম জটিল ও ব্যয়বহুল এবং উৎপাদন দক্ষতা বেশি নয়, এবং এটি কেবল বিশেষ প্রয়োজনীয়তা সম্পন্ন উপকরণ উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত।

২. ভেজা গঠন

২.১ গ্রাউটিং
গ্রাউটিং মোল্ডিং প্রক্রিয়াটি টেপ কাস্টিং-এর অনুরূপ, তবে পার্থক্য হলো এই মোল্ডিং প্রক্রিয়ায় ভৌত ডিহাইড্রেশন প্রক্রিয়া এবং রাসায়নিক কোয়াগুলেশন প্রক্রিয়া অন্তর্ভুক্ত থাকে। ভৌত ডিহাইড্রেশন প্রক্রিয়ায় ছিদ্রযুক্ত জিপসাম মোল্ডের কৈশিক ক্রিয়ার মাধ্যমে স্লারি থেকে পানি অপসারিত হয়। পৃষ্ঠের CaSO4 দ্রবীভূত হওয়ার ফলে উৎপন্ন Ca2+ স্লারির আয়নিক শক্তি বৃদ্ধি করে, যার ফলে স্লারিটি ফ্লোকুলেশন বা জমাটবদ্ধ হয়।
ভৌত পানিশূন্যকরণ এবং রাসায়নিক জমাটবদ্ধকরণের প্রভাবে সিরামিক পাউডারের কণাগুলো জিপসাম ছাঁচের দেয়ালে জমা হয়। গ্রাউটিং জটিল আকৃতির বৃহৎ আকারের সিরামিক যন্ত্রাংশ তৈরির জন্য উপযুক্ত, কিন্তু এর কাঁচা অংশের (গ্রিন বডি) গুণমান, যেমন আকৃতি, ঘনত্ব, শক্তি ইত্যাদি, নিম্নমানের হয়, শ্রমিকদের শ্রমসাধ্যতা বেশি এবং এটি স্বয়ংক্রিয় কার্যক্রমের জন্য উপযুক্ত নয়।

২.২ হট ডাই কাস্টিং
হট ডাই কাস্টিং হলো সিরামিক পাউডারকে বাইন্ডারের (প্যারাফিন) সাথে তুলনামূলকভাবে উচ্চ তাপমাত্রায় (৬০~১০০℃) মিশিয়ে স্লারি তৈরি করা। সংকুচিত বায়ুর প্রভাবে স্লারিটি ধাতব ছাঁচে প্রবেশ করানো হয় এবং চাপ বজায় রাখা হয়। শীতল করার পর, ছাঁচ থেকে বের করে একটি মোমের ব্ল্যাঙ্ক পাওয়া যায়। একটি নিষ্ক্রিয় পাউডারের সুরক্ষায় মোমের ব্ল্যাঙ্কটির মোম অপসারণ করে একটি গ্রিন বডি তৈরি করা হয় এবং এই গ্রিন বডিকে উচ্চ তাপমাত্রায় সিন্টারিং করে পোর্সেলিনে পরিণত করা হয়।

হট ডাই কাস্টিং পদ্ধতিতে তৈরি গ্রিন বডির মাত্রা সুনির্দিষ্ট, অভ্যন্তরীণ কাঠামো সুষম, ছাঁচের ক্ষয় কম এবং উৎপাদন দক্ষতা বেশি, এবং এটি বিভিন্ন কাঁচামালের জন্য উপযুক্ত। মোমের স্লারি এবং ছাঁচের তাপমাত্রা কঠোরভাবে নিয়ন্ত্রণ করা প্রয়োজন, অন্যথায় এটি আন্ডার ইনজেকশন বা বিকৃতির কারণ হতে পারে, তাই এটি বড় অংশ তৈরির জন্য উপযুক্ত নয়, এবং দুই-ধাপের ফায়ারিং প্রক্রিয়াটি জটিল ও শক্তি খরচ বেশি।

২.৩ টেপ কাস্টিং
টেপ কাস্টিং পদ্ধতিতে সিরামিক পাউডারের সাথে প্রচুর পরিমাণে জৈব বাইন্ডার, প্লাস্টিসাইজার, ডিসপারসেন্ট ইত্যাদি ভালোভাবে মিশিয়ে একটি প্রবাহযোগ্য ও সান্দ্র স্লারি তৈরি করা হয়। এরপর সেই স্লারি কাস্টিং মেশিনের হপারে যোগ করা হয় এবং একটি স্ক্র্যাপার ব্যবহার করে এর ঘনত্ব নিয়ন্ত্রণ করা হয়। এটি ফিডিং নজলের মাধ্যমে কনভেয়র বেল্টে প্রবাহিত হয় এবং শুকানোর পর ফিল্ম ব্ল্যাঙ্কটি পাওয়া যায়।

এই প্রক্রিয়াটি ফিল্ম উপাদান তৈরির জন্য উপযুক্ত। আরও ভালো নমনীয়তা পাওয়ার জন্য, প্রচুর পরিমাণে জৈব পদার্থ যোগ করা হয় এবং প্রক্রিয়ার প্যারামিটারগুলো কঠোরভাবে নিয়ন্ত্রণ করা প্রয়োজন, অন্যথায় এটি সহজেই খোসা ওঠা, দাগ, ফিল্মের কম শক্তি বা সহজে খোসা না ওঠার মতো ত্রুটি সৃষ্টি করবে। ব্যবহৃত জৈব পদার্থ বিষাক্ত এবং পরিবেশ দূষণ ঘটায়, তাই পরিবেশ দূষণ কমাতে যথাসম্ভব একটি অ-বিষাক্ত বা কম বিষাক্ত সিস্টেম ব্যবহার করা উচিত।

২.৪ জেল ইনজেকশন মোল্ডিং
জেল ইনজেকশন মোল্ডিং প্রযুক্তি হলো একটি নতুন কলয়েডাল র‍্যাপিড প্রোটোটাইপিং প্রক্রিয়া, যা ১৯৯০-এর দশকের গোড়ার দিকে ওক রিজ ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির গবেষকরা প্রথম আবিষ্কার করেন। এর মূল ভিত্তি হলো জৈব মনোমার দ্রবণের ব্যবহার, যা পলিমারাইজ হয়ে উচ্চ-শক্তিসম্পন্ন ও পার্শ্বীয়ভাবে সংযুক্ত পলিমার-দ্রাবক জেল তৈরি করে।

জৈব মনোমারের দ্রবণে দ্রবীভূত সিরামিক পাউডারের একটি স্লারি একটি ছাঁচে ঢালা হয় এবং মনোমার মিশ্রণটি পলিমারাইজড হয়ে একটি জেল-সদৃশ অংশ গঠন করে। যেহেতু পার্শ্বীয়ভাবে সংযুক্ত পলিমার-দ্রাবকটিতে মাত্র ১০%-২০% (ভর ভগ্নাংশ) পলিমার থাকে, তাই শুকানোর ধাপের মাধ্যমে জেল অংশটি থেকে দ্রাবক অপসারণ করা সহজ। একই সাথে, পলিমারগুলোর পার্শ্বীয় সংযোগের কারণে, শুকানোর প্রক্রিয়ার সময় পলিমারগুলো দ্রাবকের সাথে স্থানান্তরিত হতে পারে না।

এই পদ্ধতিটি একক-দশা এবং যৌগিক সিরামিক অংশ তৈরি করতে ব্যবহার করা যেতে পারে, যা জটিল-আকৃতির, প্রায়-নেট-আকারের সিরামিক অংশ তৈরি করতে পারে এবং এর কাঁচা শক্তি ২০-৩০ এমপিএ বা তারও বেশি হতে পারে, যা পুনরায় প্রক্রিয়াজাত করা যায়। এই পদ্ধতির প্রধান সমস্যা হলো, ঘনীভবন প্রক্রিয়ার সময় ভ্রূণদেহের সংকোচনের হার তুলনামূলকভাবে বেশি থাকে, যা সহজেই ভ্রূণদেহের বিকৃতির কারণ হয়; কিছু জৈব মনোমারের অক্সিজেন বাধা থাকে, যার ফলে পৃষ্ঠতল উঠে যায় এবং খসে পড়ে; তাপমাত্রা-প্ররোচিত জৈব মনোমার পলিমারাইজেশন প্রক্রিয়ার কারণে তাপমাত্রা শেভিং ঘটে, যা অভ্যন্তরীণ চাপের সৃষ্টি করে এবং এর ফলে ফাঁকা অংশ ভেঙে যায় ইত্যাদি।

২.৫ সরাসরি কঠিনীভবন ইনজেকশন ছাঁচনির্মাণ
ডাইরেক্ট সলিডিফিকেশন ইনজেকশন মোল্ডিং হলো ইটিএইচ জুরিখ কর্তৃক উদ্ভাবিত একটি মোল্ডিং প্রযুক্তি: এতে দ্রাবক পানি, সিরামিক পাউডার এবং জৈব অ্যাডিটিভ ভালোভাবে মিশিয়ে স্থিরতড়িৎ-স্থিতিশীল, কম সান্দ্রতা ও উচ্চ কঠিন-উপাদানযুক্ত স্লারি তৈরি করা হয়, যা স্লারির পিএইচ অথবা ইলেকট্রোলাইটের ঘনত্ব বৃদ্ধি করে এমন রাসায়নিক পদার্থ যোগ করে পরিবর্তন করা যায়, এবং তারপর এই স্লারি একটি ছিদ্রহীন ছাঁচে ইনজেক্ট করা হয়।

প্রক্রিয়া চলাকালীন রাসায়নিক বিক্রিয়ার অগ্রগতি নিয়ন্ত্রণ করা হয়। ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের আগে বিক্রিয়াটি ধীরে ধীরে সম্পন্ন করা হয়, স্লারির সান্দ্রতা কম রাখা হয় এবং ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের পরে বিক্রিয়াটি ত্বরান্বিত করা হয়, স্লারিটি জমাট বাঁধে এবং তরল স্লারি একটি কঠিন বস্তুতে রূপান্তরিত হয়। প্রাপ্ত গ্রিন বডিটির যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য ভালো থাকে এবং এর শক্তি ৫ কিলোপ্যাসকেল (kPa) পর্যন্ত হতে পারে। গ্রিন বডিটিকে ডিমোল্ড করে, শুকিয়ে এবং সিন্টারিং করার মাধ্যমে কাঙ্ক্ষিত আকৃতির একটি সিরামিক অংশ তৈরি করা হয়।

এর সুবিধাগুলো হলো, এতে জৈব সংযোজকের প্রয়োজন হয় না বা খুব অল্প পরিমাণে (১%-এর কম) প্রয়োজন হয়, গ্রিন বডিকে ডিগ্ৰিজ করার প্রয়োজন হয় না, গ্রিন বডির ঘনত্ব সুষম থাকে, আপেক্ষিক ঘনত্ব বেশি (৫৫%~৭০%), এবং এটি দিয়ে বড় আকারের ও জটিল আকৃতির সিরামিক অংশ তৈরি করা যায়। এর অসুবিধা হলো, সংযোজকগুলো ব্যয়বহুল এবং বিক্রিয়ার সময় সাধারণত গ্যাস নির্গত হয়।

২.৬ ইনজেকশন মোল্ডিং
ইনজেকশন মোল্ডিং দীর্ঘদিন ধরে প্লাস্টিক পণ্য এবং ধাতব ছাঁচ তৈরিতে ব্যবহৃত হয়ে আসছে। এই প্রক্রিয়ায় থার্মোপ্লাস্টিক জৈব পদার্থের নিম্ন তাপমাত্রায় কিউরিং অথবা থার্মোসেটিং জৈব পদার্থের উচ্চ তাপমাত্রায় কিউরিং করা হয়। পাউডার এবং জৈব বাহক একটি বিশেষ মিশ্রণ যন্ত্রে মেশানো হয় এবং তারপর উচ্চ চাপে (কয়েক দশ থেকে কয়েকশ মেগাপ্যাসকেল) ছাঁচে ইনজেক্ট করা হয়। উচ্চ মোল্ডিং চাপের কারণে, প্রাপ্ত ব্ল্যাঙ্কগুলোর সুনির্দিষ্ট মাত্রা, উচ্চ মসৃণতা এবং নিরেট গঠন থাকে; বিশেষ মোল্ডিং যন্ত্রপাতির ব্যবহার উৎপাদন দক্ষতা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করে।

১৯৭০-এর দশকের শেষের দিকে এবং ১৯৮০-এর দশকের শুরুতে, সিরামিক যন্ত্রাংশ ছাঁচনির্মাণের জন্য ইনজেকশন মোল্ডিং প্রক্রিয়া প্রয়োগ করা হতো। এই প্রক্রিয়ায় প্রচুর পরিমাণে জৈব পদার্থ যোগ করে অনুর্বর উপাদানের প্লাস্টিক মোল্ডিং করা হয়, যা একটি প্রচলিত সিরামিক প্লাস্টিক মোল্ডিং প্রক্রিয়া। ইনজেকশন মোল্ডিং প্রযুক্তিতে, প্রধান বাইন্ডার হিসেবে থার্মোপ্লাস্টিক জৈব পদার্থ (যেমন পলিইথিলিন, পলিস্টাইরিন), থার্মোসেটিং জৈব পদার্থ (যেমন ইপোক্সি রেজিন, ফেনোলিক রেজিন), বা জলে দ্রবণীয় পলিমার ব্যবহারের পাশাপাশি, সিরামিক ইনজেকশন সাসপেনশনের তরলতা উন্নত করতে এবং ইনজেকশন মোল্ডেড বস্তুর গুণমান নিশ্চিত করার জন্য প্লাস্টিসাইজার, লুব্রিকেন্ট এবং কাপলিং এজেন্টের মতো নির্দিষ্ট পরিমাণে প্রসেস এইড যোগ করা প্রয়োজন।

ইনজেকশন মোল্ডিং প্রক্রিয়ার সুবিধা হলো এর উচ্চ মাত্রার স্বয়ংক্রিয়তা এবং মোল্ডিং ব্ল্যাঙ্কের সুনির্দিষ্ট আকার। তবে, ইনজেকশন-মোল্ডেড সিরামিক যন্ত্রাংশের গ্রিন বডিতে জৈব পদার্থের পরিমাণ ৫০ ভলিউম শতাংশ পর্যন্ত হতে পারে। পরবর্তী সিন্টারিং প্রক্রিয়ায় এই জৈব পদার্থগুলো দূর করতে অনেক সময় লাগে, এমনকি কয়েক দিন থেকে কয়েক ডজন দিন পর্যন্ত, এবং এর ফলে সহজেই গুণগত ত্রুটি দেখা দিতে পারে।

২.৭ কলয়েডাল ইনজেকশন মোল্ডিং
প্রচলিত ইনজেকশন মোল্ডিং প্রক্রিয়ায় যুক্ত হওয়া বিপুল পরিমাণ জৈব পদার্থের সমস্যা এবং প্রতিবন্ধকতা দূর করার অসুবিধা সমাধানের লক্ষ্যে, সিংহুয়া বিশ্ববিদ্যালয় সিরামিকের কলোয়েডাল ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের জন্য একটি নতুন উদ্ভাবনী প্রক্রিয়া প্রস্তাব করেছে এবং পৃথকভাবে একটি কলোয়েডাল ইনজেকশন মোল্ডিং প্রোটোটাইপ তৈরি করেছে, যা জৈব পদার্থবিহীন সিরামিক স্লারি ইনজেকশনের মাধ্যমে মোল্ডিং বাস্তবায়ন করতে সক্ষম।

এর মূল ধারণাটি হলো কলোয়েডাল মোল্ডিং এবং ইনজেকশন মোল্ডিং-এর সমন্বয় করা, যার জন্য কলোয়েডাল ইন-সিটু সলিডিফিকেশন মোল্ডিং প্রক্রিয়া দ্বারা সরবরাহকৃত নিজস্ব ইনজেকশন সরঞ্জাম এবং নতুন কিউরিং প্রযুক্তি ব্যবহার করা হয়। এই নতুন প্রক্রিয়ায় ৪% (ওজন শতাংশ)-এরও কম জৈব পদার্থ ব্যবহৃত হয়। জল-ভিত্তিক সাসপেনশনে থাকা অল্প পরিমাণ জৈব মনোমার বা জৈব যৌগ ব্যবহার করে ছাঁচে ইনজেকশনের পর দ্রুত জৈব মনোমারের পলিমারাইজেশন ঘটানো হয়, যা একটি জৈব নেটওয়ার্ক কাঠামো তৈরি করে এবং সিরামিক পাউডারকে সুষমভাবে আবৃত করে রাখে। এর ফলে শুধু যে ডিগামিং-এর সময় ব্যাপকভাবে কমে আসে তাই নয়, বরং ডিগামিং-এর কারণে ফাটল ধরার সম্ভাবনাও অনেকাংশে হ্রাস পায়।

সিরামিকের ইনজেকশন মোল্ডিং এবং কলোয়েডাল মোল্ডিংয়ের মধ্যে বিশাল পার্থক্য রয়েছে। প্রধান পার্থক্য হলো, প্রথমটি প্লাস্টিক মোল্ডিংয়ের শ্রেণীভুক্ত, এবং দ্বিতীয়টি স্লারি মোল্ডিংয়ের শ্রেণীভুক্ত, অর্থাৎ স্লারির কোনো প্লাস্টিকতা নেই এবং এটি একটি নিরেট উপাদান। যেহেতু কলোয়েডাল মোল্ডিংয়ে স্লারির কোনো প্লাস্টিকতা নেই, তাই সিরামিক ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের প্রচলিত ধারণাটি গ্রহণ করা যায় না। যদি ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের সাথে কলোয়েডাল মোল্ডিংকে একত্রিত করা হয়, তবে কলোয়েডাল ইন-সিটু মোল্ডিং প্রক্রিয়া দ্বারা সরবরাহকৃত স্বত্বাধিকারযুক্ত ইনজেকশন সরঞ্জাম এবং নতুন কিউরিং প্রযুক্তি ব্যবহার করে সিরামিক উপাদানের কলোয়েডাল ইনজেকশন মোল্ডিং বাস্তবায়িত হয়।

সিরামিকের কলোয়েডাল ইনজেকশন মোল্ডিংয়ের নতুন প্রক্রিয়াটি সাধারণ কলোয়েডাল মোল্ডিং এবং প্রচলিত ইনজেকশন মোল্ডিং থেকে ভিন্ন। উচ্চ মাত্রার মোল্ডিং অটোমেশনের সুবিধা হলো কলোয়েডাল মোল্ডিং প্রক্রিয়ার গুণগত উন্নতি, যা উচ্চ প্রযুক্তির সিরামিকের শিল্পায়নের আশা হয়ে উঠবে।