लेखक: Adam Rumjahn, Orion Additive Manufacturing GmbH & Lennart Zeller, Technische Universität Berlin

परिचय

हाल के वर्षों में 3D प्रिंटिंग के क्षेत्र में उल्लेखनीय प्रगति हुई है, और कंटीन्यूअस कार्बन फ़ाइबर प्रिंटिंग उच्च-स्ट्रेंथ, हल्के कंपोनेंट्स के उत्पादन के लिए एक आशाजनक तकनीक के रूप में उभरी है। Technische Universität Berlin के Lennart Zeller द्वारा Orion Additive Manufacturing GmbH के सहयोग से किए गए एक हालिया अध्ययन ने इस तकनीक की संभावनाओं पर प्रकाश डाला है।

Orion की प्रक्रिया और उपलब्धियाँ

Zeller और Orion द्वारा किए गए शोध में Suprem द्वारा आपूर्ति की गई Filaprem CF/PEEK नामक सामग्री का उपयोग किया गया। Suprem के कस्टमर प्रोजेक्ट इंजीनियर Jacques Stadlin ने परिणामों पर संतोष व्यक्त करते हुए कहा, “हमें यह देखकर बहुत प्रसन्नता है कि Orion प्रिंटिंग सिस्टम हमारे कंटीन्यूअस फ़ाइबर रीइन्फ़ोर्स्ड थर्मोप्लास्टिक्स के साथ उत्कृष्ट परिणाम प्राप्त कर रहा है। यह हमारे इस दृष्टिकोण की पुष्टि करता है कि Filaprem™ 3D प्रिंटिंग तकनीक में योगदान देगा और दोनों तकनीकों द्वारा प्रदान किए जाने वाले कुछ नए रोमांचक अवसर खोलेगा।"

Orion की थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH) तकनीक से प्रोसेस किए जाने पर इस सामग्री ने उल्लेखनीय मैकेनिकल गुण प्रदर्शित किए। नीचे दी गई तालिका विभिन्न परिस्थितियों में Filaprem CF/PEEK के मैकेनिकल गुणों की तुलना, साथ ही Markforged की Carbon सामग्री के गुण प्रस्तुत करती है।

⁽¹⁾ Filaprem CF/PEEK के 80-120 GPa के बीच होने की उम्मीद है
⁽²⁾ मापन में त्रुटियों के कारण टेन्साइल मॉड्यूलस और विस्तार डेटा शामिल नहीं किए गए

TRH चालू होने पर Filaprem CF/PEEK की टेन्साइल स्ट्रेंथ Markforged Carbon की तुलना में 57.6% अधिक है, और फ़्लेक्सुरल मॉड्यूलस 121.6% अधिक है। ये परिणाम प्रिंट की गई सामग्री के मैकेनिकल गुणों को बढ़ाने में Orion की TRH तकनीक की प्रभावशीलता को रेखांकित करते हैं।

चित्र: TRH के साथ Suprem Filaprem™ CFF PEEK प्रिंट करती Orion AM की प्रक्रिया

कंटीन्यूअस कार्बन फ़ाइबर 3D-प्रिंटिंग में चुनौतियाँ और शोध

कंटीन्यूअस कार्बन फ़ाइबर 3D प्रिंटिंग कई चुनौतियाँ प्रस्तुत करती है, जो मुख्य रूप से कार्बन फ़ाइबर के कंसॉलिडेशन और बॉन्डिंग से संबंधित हैं। कंटीन्यूअस फ़िलामेंट फ़ैब्रिकेशन (CFF) प्रक्रिया, जो एक कोल्ड प्रक्रिया है, अक्सर लेयर्स, फ़ाइबर और मैट्रिक्स के बीच कमज़ोर बॉन्डिंग का कारण बनती है। इसके परिणामस्वरूप उच्च स्तर की पोरोसिटी और वॉइड बनते हैं, जो सामग्री के मैकेनिकल गुणों को काफ़ी कम कर सकते हैं। वास्तविक कंपोज़िट के गुण प्राप्त करने के लिए बहुत अधिक प्रोसेसिंग तापमान की आवश्यकता होती है।

चित्र: Orion TRH प्रक्रिया से बनाए गए टेन्साइल टेस्ट स्पेसिमेन

Goh et al. (2020) का एक अध्ययन पॉलिमर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में प्रक्रिया-संरचना-गुण संबंध की जटिलता को रेखांकित करता है¹। यह अध्ययन वांछित परिणाम प्राप्त करने के लिए विभिन्न पैरामीटर्स के सावधानीपूर्वक नियंत्रण की आवश्यकता पर ज़ोर देता है। इसी प्रकार, Li et al. (2019) का एक अध्ययन फ़ाइबर-रीइन्फ़ोर्स्ड पॉलिमर कंपोज़िट्स की एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग की चुनौतियों पर चर्चा करता है²। यह अध्ययन प्रिंटिंग पैरामीटर्स और प्रिंट की गई सामग्री के परिणामी मैकेनिकल गुणों के बीच परस्पर संबंध को समझने के महत्व पर ज़ोर देता है।

Markforged की Carbon सामग्री, उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाने के बावजूद, अन्य सामग्रियों की तुलना में अपेक्षाकृत कमज़ोर मैकेनिकल गुणों वाली पाई गई है। इसका मुख्य कारण सामग्री में उच्च स्तर की पोरोसिटी और वॉइड की उपस्थिति है, जो इसकी स्ट्रेंथ और कठोरता को काफ़ी कम कर सकते हैं। Antonino Squillace (2021) के एक अध्ययन ने Markforged कंटीन्यूअस फ़िलामेंट फ़ैब्रिकेशन (CFF) तकनीक से बने कंपोज़िट्स के मैकेनिकल गुणों पर फ़ाइबर ओरिएंटेशन के प्रभाव की जाँच की³। अध्ययन में पाया गया कि लेयर-दर-लेयर प्रिंट डिपॉज़िशन प्रक्रिया के परिणामस्वरूप अक्सर लेयर्स के बीच वॉइड बन जाते हैं, जो सामग्री की स्ट्रेंथ को काफ़ी कम कर सकते हैं।

Orion का समाधान: थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH)

इन चुनौतियों के लिए Orion का समाधान अपनी कंटीन्यूअस कार्बन फ़ाइबर प्रिंटिंग प्रक्रिया में थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH) का उपयोग है। TRH कार्बन फ़ाइबर के कंसॉलिडेशन और बॉन्डिंग में उल्लेखनीय सुधार करती है, जिससे कहीं अधिक स्ट्रेंथ और कठोरता वाली सामग्री प्राप्त होती है। जैसा कि तालिका में दिखाया गया है, TRH चालू होने पर Filaprem CF/PEEK की टेन्साइल स्ट्रेंथ Markforged Carbon की तुलना में काफ़ी अधिक है, जो 800 MPa की तुलना में 1261 MPa तक पहुँचती है। यह टेन्साइल स्ट्रेंथ में 57.6% की वृद्धि दर्शाता है। इसी प्रकार, TRH चालू होने पर Filaprem CF/PEEK का फ़्लेक्सुरल मॉड्यूलस 113 GPa है, जो Markforged Carbon के 51 GPa के दोगुने से भी अधिक है, यानी कठोरता में 121.6% की वृद्धि।

चित्र: PEEK के लिए Orion का एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सिस्टम

प्रभाव और एप्लिकेशन

TRH के साथ Orion की प्रक्रिया द्वारा प्राप्त श्रेष्ठ मैकेनिकल गुणों के विभिन्न उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण प्रभाव हैं। उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष उद्योग में, इस प्रक्रिया से बनी सामग्रियों की उच्च स्ट्रेंथ और हल्का वज़न उन्हें हल्की संरचनाओं, सैंडविच पैनल, डिप्लॉयेबल सोलर ऐरे और उपग्रह संरचनाओं में उपयोग के लिए आदर्श बनाते हैं।

मेडिकल क्षेत्र में संभावित एप्लिकेशन भी उतने ही रोमांचक हैं। उदाहरण के लिए, ट्रॉमा प्लेट्स इन सामग्रियों की उच्च स्ट्रेंथ और हल्के वज़न से लाभान्वित हो सकती हैं। इसके अलावा, Suprem की सहयोगी कंपनी icotec पहले से ही कार्बन फ़ाइबर का उपयोग करके इम्प्लांट बनाती है। Orion की प्रक्रिया से इन इम्प्लांट्स को 3D प्रिंट करने की क्षमता मेडिकल डिवाइस मैन्युफैक्चरिंग में क्रांति ला सकती है। जैसा कि icotec की वेबसाइट पर बताया गया है, उनके इम्प्लांट एक अनूठी मैन्युफैक्चरिंग तकनीक से बनाए जाते हैं, जो रीढ़ के ट्यूमर रोगों के ऑपरेटिव उपचार के लिए अद्वितीय कंपोज़िट इम्प्लांट प्रदान करते हैं⁴।

निष्कर्ष

Lennart Zeller और Orion Additive Manufacturing GmbH द्वारा किए गए शोध ने कंटीन्यूअस कार्बन फ़ाइबर 3D प्रिंटिंग की, विशेष रूप से थर्मल रेडिएशन हीटिंग (TRH) के साथ संयोजन में, महत्वपूर्ण संभावनाओं को प्रदर्शित किया है। इस प्रक्रिया द्वारा प्राप्त श्रेष्ठ मैकेनिकल गुण अंतरिक्ष से लेकर मेडिकल तक विभिन्न उद्योगों के लिए रोमांचक संभावनाएँ खोलते हैं। जैसे-जैसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का क्षेत्र विकसित होता जा रहा है, Orion का योगदान इसके भविष्य को आकार देने में निर्णायक भूमिका निभाने की संभावना है।

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यह व्हाइट पेपर Lennart Zeller, Technische Universität Berlin और Orion Additive Manufacturing GmbH द्वारा तैयार किया गया है। अधिक जानकारी के लिए कृपया Orion Additive Manufacturing GmbH, Berlin, Germany से info@orion-am.com पर संपर्क करें।

संदर्भ:

1. Goh, G. K. M., Yap, Y. C., Tan, H. H., Sing, S. L., & Yeong, W. Y. (2020). Process–Structure–Properties in Polymer Additive Manufacturing via Material Extrusion: A Review. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 45(2), 113–133. https://doi.org/10.1080/10408436.2018.1549977 ↩
   
2. Li, G., Yap, Y. C., Agarwala, S., & Yeong, W. Y. (2019). Recent Progress in Additive Manufacturing ofFiber Reinforced Polymer Composite. Advanced Materials Technologies, 4(1), 1800271. https://doi.org/10.1002/admt.201800271 ↩
   
3. Squillace, A., Prisco, U., Astarita, A., & Nele, L. (2021). Effect of Fiber Orientation on Mechanical Properties of 3D Printed CF-PEEK Composites. Polymers, 13(15), 2524. https://doi.org/10.3390/polym13152524 ↩
   
4. icotec AG. (2023). Carbon/PEEK Composite Implants. स्रोत: https://www.icotec-medical.com/en/ ↩