परिचय

3D प्रिंटिंग, विशेष रूप से फ़्यूज़्ड फ़िलामेंट फ़ैब्रिकेशन (FFF) या फ़्यूज़्ड डिपॉज़िशन मॉडलिंग (FDM), अपनी किफ़ायत, लचीलेपन और विस्तृत सामग्री श्रृंखला को संभालने की क्षमता के कारण विभिन्न उद्योगों में लोकप्रिय हो रही है। पॉली-ईथर-ईथर-कीटोन (PEEK) जैसे हाई-परफ़ॉर्मेंस पॉलिमर अपनी स्ट्रेंथ और टिकाऊपन के कारण विशेष रूप से आकर्षक हैं, और इनका उपयोग मांग वाले क्षेत्रों में होता है, जैसे एयरोस्पेस और मेडिकल डिवाइस का उत्पादन¹,²।

हालाँकि, इन महत्वपूर्ण एप्लिकेशन के लिए 3D प्रिंटिंग को अपनाने में FFF प्रक्रिया की अंतर्निहित कमज़ोरियाँ बाधा बनी हैं। परिणामी संरचनाएँ अक्सर कमज़ोर और छिद्रयुक्त होती हैं, और डीलैमिनेशन से प्रभावित होती हैं जो पार्ट के मैकेनिकल गुणों को प्रभावित करता है³। गुणों में यह असंगति कई एप्लिकेशन के लिए पार्ट्स को प्रमाणित करना कठिन बनाती है, क्योंकि 3D-प्रिंटेड पार्ट्स पारंपरिक रूप से निर्मित पार्ट्स का आसानी से स्थान नहीं ले सकते⁴।

चित्र: कई 3-पॉइंट बेंडिंग परीक्षण, जिनमें स्पेसिमेन (c) कमज़ोर थर्मल मैनेजमेंट के कारण हॉरिज़ॉन्टल प्रिंटिंग नमूने में इंटर-लेयर डीबॉन्डिंग दिखाता है। स्रोत: Zhen, H.

Zhang et al. (2023) का "Effect of 3D Printing Process Parameters and Heat Treatment Conditions on the Mechanical Properties and Microstructure of PEEK Parts" शीर्षक वाला अध्ययन इन चुनौतियों को रेखांकित करता है। कई प्रोसेस पैरामीटर्स और हीट ट्रीटमेंट स्थितियों को अनुकूलित करने के बावजूद, अध्ययन में पाया गया कि 3D प्रिंटेड PEEK पार्ट्स में अभी भी फ़िलामेंट्स के बीच और लेयर्स के बीच अंतराल थे, जिससे इंटर-लेयर डीबॉन्डिंग या डीलैमिनेशन हुआ। इसके अलावा, हीट ट्रीटमेंट के बाद भी पार्ट्स के मैकेनिकल गुण अत्यधिक एनिसोट्रॉपिक थे और प्रिंट रणनीति पर बहुत अधिक निर्भर थे⁵। परिणामों में यह असंगति वास्तविक एप्लिकेशन के लिए एक बड़ी चुनौती है, जहाँ पार्ट्स को उत्पादन के लिए प्रिंट करना होता है और एक क्वालिफ़ाइड प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

Orion की थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH) प्रक्रिया

चित्र: Orion सिस्टम पर 3D प्रिंट किया गया PEEK क्रेनियल इम्प्लांट

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में अग्रणी Orion AM ने एक पेटेंट-लंबित हाई-टेम्परेचर 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया विकसित की है, जो उपयोग करती है थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH)। यह नवीन प्रक्रिया 3D प्रिंटिंग की प्रचलित समस्याओं, जैसे कमज़ोर इंटर-लेयर बॉन्डिंग, पोरोसिटी और एनिसोट्रॉपिक व्यवहार, का समाधान करती है, जो अक्सर FFF 3D प्रिंटिंग में देखी जाती हैं।

चित्र: TRH का उपयोग न किए जाने पर PEEK
3D-प्रिंटेड पार्ट में पोरोसिटी का प्रदर्शन

Orion की TRH प्रक्रिया एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के क्षेत्र में गेम-चेंजर है। TRH प्रक्रिया का उन्नत थर्मल मैनेजमेंट यह सुनिश्चित करता है कि प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान प्रिंट लाइनें और लेयर्स आपस में फ़्यूज़ हो जाएँ, जिससे वॉइड या इंटर-लेयर अंतराल रहित एक समरूप संरचना बनती है और इंजेक्शन मोल्डिंग जैसी स्ट्रेंथ और घनत्व प्राप्त होता है। इससे 3D प्रिंटेड पार्ट्स से सामान्यतः जुड़ा एनिसोट्रॉपिक व्यवहार समाप्त हो जाता है, जिसका अर्थ है कि 3D प्रिंटिंग रणनीतियों का एक सामान्य पैरामीटर, इनफ़िल कोण, प्रिंट्स की स्ट्रेंथ पर कोई प्रभाव नहीं डालता। बनाए गए पार्ट्स 0.05% से कम वॉइड कंटेंट या 99.95% सापेक्ष घनत्व प्राप्त करते हैं, जिसका अर्थ है कि वे इंजेक्शन-मोल्डेड पार्ट्स की तरह व्यवहार करते हैं, जो लगभग आइसोट्रॉपिक व्यवहार में और योगदान देता है।

चित्र: प्रतिस्पर्धी तकनीकों की तुलना में
99.95% सापेक्ष घनत्व प्राप्त करती Orion की TRH प्रक्रिया

इस आइसोट्रॉपिक व्यवहार का पार्ट्स के उत्पादन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इसका अर्थ है कि इष्टतम स्ट्रेंथ के लिए प्रिंटिंग के दौरान पार्ट्स को किसी विशेष ओरिएंटेशन में रखने की आवश्यकता नहीं है, और पार्ट की स्ट्रेंथ में समझौता नहीं करना पड़ता। इससे पार्ट्स का विश्लेषण आसान होता है, जिससे पार्ट्स का क्वालिफ़िकेशन और प्रमाणन आसान हो जाता है, जो एयरोस्पेस और मेडिकल एप्लिकेशन जैसे उद्योगों में एक निर्णायक कारक है।

इसके अलावा, TRH प्रक्रिया पोस्ट-प्रोसेसिंग या हीट ट्रीटमेंट की आवश्यकता के बिना इन-सीटू उच्च क्रिस्टलीयता प्राप्त करने में ही सक्षम नहीं है, बल्कि यह लेयर्स के बीच PEEK के क्रिस्टलाइज़ेशन को भी सुगम बनाती है। Orion की TRH प्रक्रिया की यह उल्लेखनीय उपलब्धि प्रिंटिंग के दौरान उच्च तापमान के सटीक थर्मल मैनेजमेंट का परिणाम है। इस इंटर-लेयर क्रिस्टलाइज़ेशन का प्रमाण ZX ओरिएंटेशन में प्राप्त उच्च टेन्साइल स्ट्रेंथ और मॉड्यूलस में दिखाई देता है, जैसा कि नीचे दी गई सारांश तालिका में दिखाया गया है। यह इंटर-लेयर क्रिस्टलाइज़ेशन 3D प्रिंटेड पार्ट्स के श्रेष्ठ मैकेनिकल गुणों में महत्वपूर्ण योगदान देता है, और Orion की TRH प्रक्रिया की प्रभावशीलता को और प्रमाणित करता है।

तालिका Orion की TRH प्रक्रिया का उपयोग करके विभिन्न प्रकार के PEEK फ़िलामेंट पर किए गए परीक्षणों के परिणाम प्रस्तुत करती है। डेटा प्रक्रिया के प्रदर्शन को दर्शाता है, जिसमें टेन्साइल स्ट्रेंथ, मॉड्यूलस और विस्तार के मान इंजेक्शन मोल्डिंग के तुलनीय हैं।

ये परिणाम Orion की TRH प्रक्रिया की प्रभावशीलता का प्रमाण हैं जो उच्च गुणवत्ता वाले, सुसंगत 3D प्रिंटेड पार्ट्स बनाने में सक्षम है, और 3D प्रिंटिंग के व्यापक औद्योगिक उपयोग का मार्ग प्रशस्त करती है।

क्वालिफ़िकेशन और प्रमाणन का महत्व

चित्र: Orion की TRH प्रक्रिया से प्रिंट किए गए 3D-प्रिंटेड PEEK स्पेसिमेन के टेन्साइल स्ट्रेंथ परीक्षण

3D प्रिंटिंग को औद्योगिक रूप से अपनाने के लिए पार्ट्स का क्वालिफ़िकेशन और प्रमाणन अत्यंत महत्वपूर्ण है। एयरोस्पेस और मेडिकल डिवाइस उत्पादन जैसे क्षेत्रों में, जहाँ आवश्यकताएँ कड़ी हैं, उपयोग किए जाने वाले पार्ट्स को गुणवत्ता और सुसंगतता के उच्च मानकों को पूरा करना चाहिए। Orion की TRH प्रक्रिया से प्राप्त डेटा औद्योगिक उपयोग के लिए किसी 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया के प्री-क्वालिफ़िकेशन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है⁶।

Emirates Lunar Mission में Orion का योगदान

PEEK के साथ 3D प्रिंटिंग में Orion की विशेषज्ञता को मान्यता दी गई European Space Agency (ESA) द्वारा, जब उन्हें Emirates Lunar Mission में योगदान के लिए चुना गया। इस मिशन का हिस्सा Rashid रोवर अपने पहियों के बाहरी किनारों पर छोटे सैंपल पैनल रखता है, ताकि यह परखा जा सके कि विभिन्न सामग्रियाँ चंद्रमा की घर्षणकारी सतह का कैसे सामना करती हैं6। PEEK में 3D प्रिंटिंग में उनकी दक्षता के कारण Orion को चुना गया, जिसने इस प्रयोग के लिए एक उच्च गुणवत्ता वाला नमूना प्रदान किया⁷।

चित्र: Rashid रोवर के पहियों पर लगाए गए प्रयोगात्मक नमूने। स्रोत: ESA

यह सहयोग Orion की TRH प्रक्रिया पर रखे गए भरोसे और अंतरिक्ष की कठोर परिस्थितियों को झेलने वाले पार्ट्स बनाने की इसकी क्षमता का प्रमाण है। जैसा कि ESA की ExPeRT (Exploration Preparation, Research, and Technology) टीम के Aidan Cowley ने कहा, “यह वास्तव में चंद्रमा को छूने का अवसर है, यह देखने का कि जिन सामग्री तकनीकों पर हम पहले से काम कर रहे हैं, वे वास्तविक चंद्र वातावरण में कैसा व्यवहार करती हैं"।

भविष्य की दिशाएँ और निष्कर्ष

3D प्रिंटिंग का भविष्य ऐसे उच्च गुणवत्ता वाले, सुसंगत पार्ट्स बनाने की क्षमता में निहित है जो एयरोस्पेस और मेडिकल डिवाइस उत्पादन जैसे उद्योगों के कठोर मानकों को पूरा कर सकें। PEEK के लिए Orion की पेटेंट-लंबित TRH प्रक्रिया इस दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो कमज़ोर इंटर-लेयर बॉन्डिंग और पोरोसिटी की उन समस्याओं का समाधान प्रदान करती है जिन्होंने पहले 3D-प्रिंटेड PEEK की संभावनाओं को सीमित किया था।

इस प्रक्रिया का विकास न केवल Orion के नवाचार और तकनीकी क्षमताओं का प्रमाण है, बल्कि यह 3D प्रिंटिंग के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति भी है। इंजेक्शन मोल्डिंग से बने पार्ट्स के तुलनीय स्ट्रेंथ और घनत्व वाले पार्ट्स बनाने की क्षमता के साथ, 3D-प्रिंटेड PEEK के एप्लिकेशन की संभावनाएँ तेज़ी से बढ़ रही हैं।

PEEK के साथ 3D प्रिंटिंग का भविष्य आशाजनक दिखता है, जिसमें विभिन्न उद्योगों में महत्वपूर्ण प्रगति की संभावना है। Orion की TRH प्रक्रिया जैसी प्रक्रियाओं के निरंतर विकास और परिष्करण के साथ, इस बहुमुखी सामग्री की पूरी क्षमता को साकार किया जा सकता है।

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संदर्भ:

1. All3DP. (2021). PEEK 3D Printing – The Ultimate Guide. स्रोत: https://all3dp.com/1/peek-3d-printer/
   
2. ESA. (2021). 3D printing for space: the additive revolution. स्रोत: https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Research/3D_printing_for_space_The_Additive_Revolution
   
3. Ziemian, C., Sharma, M., & Ziemian, S. (2019). Effects of the Fused Deposition (FDM) 3D Printing Process on the Physicochemical Properties of PEEK Medical Devices. Polymers, 11(5), 799. स्रोत: https://www.mdpi.com/2073-4360/11/5/799/pdf?version=1556962902
   
4. Sood, A. K., Ohdar, R. K., & Mahapatra, S. S. (2012). Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts. Materials & Design, 31(1), 287–295. स्रोत: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306912000797 ​
5. Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, H.; Zhang, G.; Li, D.; Shi, Y.; Li, Z.; Li, D. Effect of 3D Printing Process Parameters and Heat Treatment Conditions on the Mechanical Properties and Microstructure of PEEK Parts. Polymers 2023, 15, 2209. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/9/2209
   
6. Cantrell, J. T., Rohde, S., Damiani, D., Gurnani, R., DiSandro, L., Anton, J., Young, A., Jerez, A., Steinbach, D., Kroese, C., & Ifju, P. (2017). Experimental characterization of the mechanical properties of 3D-printed ABS and polycarbonate parts. Rapid Prototyping Journal, 23(4), 811–824. स्रोत: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127517301478
   
7. ESA. (2023). ESA to touch Moon from wheels of UAE Rashid rover. स्रोत: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_to_touch_Moon_from_wheels_of_UAE_Rashid_rover