ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ (AM) کی 30 سال سے زائد تاریخ کے باوجود، تھرموپلاسٹکس کی ایکسٹروژن پر مبنی فیوزڈ فلامنٹ فیبریکیشن (FFF) 3D پرنٹنگ زیادہ تر پروٹو ٹائپس یا پروڈکٹس کے ماک اپس بنانے تک محدود رہی ہے۔ صنعتی اینڈ یوز پارٹس کی تیاری کے طریقوں پر غور کیا جائے تو FFF ایک غیر متوقع اور ناقابلِ یقین ٹیکنالوجی معلوم ہوتی ہے۔ اس کی بڑی وجہ نہ صرف مٹیریلز کی حدود ہیں بلکہ ان مٹیریلز کے لیے پراسیسز میں جدت کی کمی بھی ہے۔
حالیہ برسوں میں ہائی پرفارمنس پولیمرز (HPP) کو FFF 3D پرنٹرز کے لیے فلامنٹس کے طور پر متعارف کرایا گیا ہے۔ یہ مٹیریلز دنیا کے سخت ترین ماحول، جیسے زیادہ درجۂ حرارت، زیادہ دباؤ اور زنگ آلود کرنے والے کیمیکلز میں بھی شاندار مکینیکل، حرارتی اور کیمیائی خصوصیات برقرار رکھتے ہیں۔ ان غیر معمولی پلاسٹکس میں سے PEEK (پولی ایتھر ایتھر کیٹون) اپنی سیمی کرسٹلائن نوعیت کی وجہ سے سب سے نمایاں خصوصیات رکھتا ہے۔ PEEK کو انتہائی مشکل ایپلی کیشنز کے پارٹس بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسے انجن کے اندر پسٹن کے اجزاء، ایرو اسپیس میں الٹرا ہائی ویکیوم ایپلی کیشنز، اور یہاں تک کہ کرینیئل پلیٹ جیسے میڈیکل امپلانٹس۔
PEEK کرینیئل امپلانٹ
ماخذ: Evonik
تاہم، PEEK جیسے مٹیریلز سے اجزاء بنانے کے لیے 3D پرنٹرز کا استعمال ان کے زیادہ پراسیسنگ درجۂ حرارت کی وجہ سے زیادہ تر ناممکن یا ناقابلِ عمل رہا ہے۔ مارکیٹ میں موجود PEEK پرنٹ کرنے کا دعویٰ کرنے والے زیادہ تر 3D پرنٹرز کے ہیٹڈ چیمبرز زیادہ سے زیادہ 150°C تک پہنچتے ہیں، جو PEEK کے گلاس ٹرانزیشن ٹمپریچر تک پہنچنے کے لیے تو کافی ہے لیکن اس کا نتیجہ کمزور انٹر لیئر بانڈنگ اور کم کرسٹلینیٹی کی صورت میں نکلتا ہے۔ خصوصیات بہتر بنانے کی کوشش میں مینوفیکچررز تجویز کرتے ہیں کہ بھورے، ایمورفس پرنٹ شدہ پارٹس کو اینیل کیا جائے تاکہ زیادہ کرسٹلینیٹی والا ہلکا بیج رنگ کا پارٹ حاصل ہو۔ اگرچہ اینیل شدہ پارٹس دیکھنے میں زیادہ کرسٹلائن لگتے ہیں، لیکن کرسٹلائن ساختیں صرف ہر لیئر کے اندر موجود ہوتی ہیں اور لیئرز کے درمیان نہیں بنتیں، جس کے نتیجے میں پرنٹس Z-اورینٹیشن میں کمزور رہتے ہیں۔ کم درجۂ حرارت والے پراسیسز میں خلا کی مقدار بھی زیادہ ہوتی ہے کیونکہ پرنٹ شدہ بیڈ لائنز آپس میں اچھی طرح نہیں جڑتیں، جس سے پرنٹ شدہ پارٹس مزید کمزور ہو جاتے ہیں۔
بہت سے اندرونی خلا والے FFF پرنٹڈ پارٹس
ماخذ: Dr. Achala de Mel
ایمورفس PEEK سے 3D پرنٹ شدہ پارٹس۔
ماخذ: Challa et al. (2022).
لہٰذا کسی 3D پرنٹر کو HPP سے پارٹ بنانے کے لیے نہ صرف اپنے ایکسٹروڈر کو فلامنٹ پگھلانے کے لیے زیادہ درجۂ حرارت تک پہنچانا ہوتا ہے، بلکہ پہلے سے جمع شدہ مٹیریل کو بھی اتنے زیادہ درجۂ حرارت پر برقرار رکھنا ہوتا ہے کہ پرنٹ لائنز اور لیئرز کے درمیان بانڈنگ ہو سکے۔ یہی دوسرا حصہ HPP سے ساختی طور پر مضبوط پارٹس بنانے میں 3D پرنٹرز کے لیے سب سے اہم رکاوٹ ہے۔ اگر یہ حاصل ہو جائے تو دونوں لیئرز دو الگ الگ لیئرز کی طرح برتاؤ نہیں کریں گی بلکہ ایک ہی، 100% ٹھوس پارٹ کی طرح جو پوری طرح مضبوط اور یکساں ہو۔ پارٹس کی اینیلنگ نہ تو کثافت بہتر کرتی ہے اور نہ ہی کمزور انٹر لیئر بانڈنگ کا مسئلہ حل کرتی ہے۔
PEEK کی 3D پرنٹنگ کے لیے Orion AM کا طریقۂ کار
Orion Additive Manufacturing GmbH نے FFF ایکسٹروژن پر مبنی تحقیق و ترقی کے 9 سال سے زائد تجربے کو بروئے کار لا کر سب سے جدید صنعتی 3D پرنٹنگ سسٹمز میں سے ایک تیار کیا ہے۔ پیٹنٹ کے زیرِ التوا اس عمل میں ہوا کو کنویکشن کے ذریعے گرم کرنے کے بجائے تھرمل ریڈی ایشن کے ذریعے حرارت براہِ راست مٹیریل پر لگائی جاتی ہے۔ تھرمل ریڈی ایشن کو کم توانائی درکار ہوتی ہے کیونکہ حرارت پارٹ کی طرف شعاعوں کی صورت میں جاتی ہے، جبکہ کنویکشن سسٹمز میں ہوا کو گرم کر کے گردش دی جاتی ہے، جس سے حرارت کا بڑا ضیاع ہوتا ہے اور گرم ہوا کے سسٹم میں بہتے ہوئے ٹھنڈا ہونے سے درجۂ حرارت میں فرق پیدا ہوتا ہے۔
“یہ اب تک کے سب سے بہترین نتائج ہیں جو ہم نے دیکھے ہیں۔”
PEEK جیسے سیمی کرسٹلائن پولیمرز کو اس سے بہت فائدہ ہوتا ہے کیونکہ کرسٹلائن ساختیں زیادہ درجۂ حرارت پر آہستہ آہستہ بنتی ہیں۔ اگر PEEK کو اس کے میلٹنگ پوائنٹ سے بہت جلدی ٹھنڈا کیا جائے تو مٹیریل ایمورفس اور اپنی سیمی کرسٹلائن حالت سے کمزور ہوگا۔ Orion AM کا تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ (TRH) عمل نہ صرف لیئرز کو آپس میں جوڑتا ہے بلکہ ہائی ٹمپریچر پرنٹنگ کے دوران ہی اِن سیٹو PEEK کی سیمی کرسٹلائن ساختوں کی تشکیل کو بھی ممکن بناتا ہے۔
Orion AM کا تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ (TRH) عمل
ماخذ: Orion AM
Orion AM کا عمل نہ صرف PEEK جیسے سیمی کرسٹلائن پولیمرز کے لیے مفید ہے بلکہ درحقیقت اسے عملاً تمام تھرموپلاسٹکس، جیسے PEKK، PAEK، PPSU، PEI (ULTEM) اور یہاں تک کہ TPI (تھرموپلاسٹک پولی امائیڈ، جو عام طور پر DuPont کے رجسٹرڈ ٹریڈ مارک Kapton کے نام سے جانا جاتا ہے) کے لیے FFF عمل میں انٹر لیئر بانڈنگ بہتر بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ Orion AM کا مقصد نہ صرف انٹر لیئر بانڈنگ بلکہ مساموں (porosity) کو بھی بہتر بنانا ہے، جس سے آؤٹ گیسنگ کم کرنے اور خلا میں ممکنہ اینڈ یوز ایپلی کیشنز کو ممکن بنانے میں مدد ملے گی۔ TRH ٹیکنالوجی کا نتیجہ یہ ہے کہ اسے آن کرنے پر اندرونی خلا مکمل طور پر ختم ہو جاتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ مکینیکل خصوصیات انجیکشن مولڈنگ کے برابر ہوں گی، اور اس کے علاوہ آؤٹ گیسنگ کی خصوصیات بھی محفوظ رہیں گی۔
مساموں پر Orion AM کے تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ (TRH) عمل کا اثر
ماخذ: Orion AM
PEEK 3D پرنٹ میں انجیکشن مولڈنگ جیسی مضبوطی اور کثافت کا حصول
Orion AM کے پراسیس ڈیولپمنٹ کے آغاز ہی سے ہدف ایسی مکینیکل خصوصیات حاصل کرنا تھا جو انجیکشن مولڈنگ کا مقابلہ کر سکیں۔ یہ ہدف ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ کی اس صلاحیت کو کھول دیتا جس سے میڈیکل شعبے اور ایرو اسپیس انڈسٹری میں ایپلی کیشنز کی وسیع رینج کے لیے اینڈ یوز پارٹس کی تیاری ممکن ہوتی۔
بہت سے تجربات اور xT کے مشین لرننگ پلیٹ فارم کی مدد سے، Orion AM کی ٹیکنالوجی نے ایسی مکینیکل خصوصیات حاصل کیں جن میں 99.9% کثافت تھی اور جو انجیکشن مولڈنگ کی مضبوطی سے بھی بڑھ گئیں۔
Orion AM کے TRH عمل کا موازنہ
ماخذ: Orion AM
Warsaw University of Technology کی ایک آزادانہ تحقیق میں ثابت ہوا کہ Orion AM کے TRH عمل نے PEEK سے 3D پرنٹ شدہ اسپیسیمنز میں 99.95%-99.98% کثافت حاصل کی۔ یہ اسپیسیمنز Solvay کی فراہم کردہ KetaSpire® PEEK AM Filament MS NT1 (نیچرل PEEK) اور KetaSpire® PEEK AM Filament CF10 LS1 (کاربن فائبر PEEK) سے فلیٹ اور عمودی اورینٹیشنز میں پرنٹ کیے گئے۔
Orion AM کے TRH اور دیگر پراسیسز سے تیار PEEK اسپیسیمنز میں کثافت کا موازنہ
ماخذ: Orion AM
اپنے PEEK فلامنٹس کے ساتھ 3D پرنٹنگ کے لیے بہترین ٹیکنالوجیز کا جائزہ لینے کی غرض سے Solvay نے Solvay Printer Evaluation Program (S-PEP) شروع کیا تاکہ مختلف صنعتی 3D پرنٹنگ سسٹمز کے پرنٹس سے حاصل ہونے والی مکینیکل خصوصیات کا جائزہ لیا جا سکے۔ ان مطالعات کے لیے PEEK ٹینسائل ٹیسٹ بارز Solvay کے KetaSpire® PEEK AM Filament MS NT1 سے اور DIN EN ISO 527-2 1BA اسٹینڈرڈ کے مطابق مختلف اورینٹیشنز میں تیار کیے جاتے ہیں۔ پھر Solvay ان اسپیسیمنز کی ٹیسٹنگ کرتا ہے اور نتائج کا موازنہ PEEK کی انجیکشن مولڈنگ خصوصیات سے کیا جاتا ہے۔ ٹینسائل ٹیسٹس سے ظاہر ہوا کہ Orion AM کا عمل ایسی مکینیکل خصوصیات پیدا کرنے کے قابل ہے جو انجیکشن مولڈنگ کی مضبوطی سے بڑھ کر ہیں، حتیٰ کہ Z-اورینٹیشن میں بھی، جو عموماً کمزور انٹر لیئر بانڈنگ سے سب سے زیادہ متاثر ہوتی ہے۔ ٹینسائل اسٹرینتھ 95.4MPa سے 100MPa تک رہی، جو Orion کے عمل سے حاصل ہونے والی آئسوٹروپک اور یکساں مضبوطی کو نمایاں کرتی ہے۔ ٹینسائل ماڈیولس 3.80GPa سے 4.10GPa تک رہا، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ اضافی اینیلنگ کے بغیر پرنٹنگ کے دوران ہی زیادہ کرسٹلائزیشن حاصل ہو گئی۔ “یہ اس پروگرام میں اب تک کے سب سے بہترین نتائج ہیں جو ہم نے دیکھے ہیں”، بقول Brian Alexander، جو Solvay Specialty Polymers میں پولیمر سائنٹسٹ اور PEEK کی 3D پرنٹنگ کے ماہر ہیں۔
Orion AM کے S-PEP ٹیسٹ کے نتائج نیچے دی گئی جدول میں دکھائے گئے ہیں:
نیچے دیا گیا چارٹ ان ٹینسائل اسٹرینتھ نتائج کی بصری تصویر پیش کرتا ہے جو Orion AM A150 پرنٹر سے حاصل کیے گئے۔
3D پرنٹڈ PEEK پر نتائج
کئی برسوں سے انجینئرز پروڈکشن پارٹس کے لیے ہائی پرفارمنس پولیمرز کی 3D پرنٹنگ استعمال کرنے سے گریز کرتے رہے ہیں، جس کی وجوہات اینائسوٹروپک خصوصیات، کمزور انٹر لیئر بانڈنگ اور موجودہ جدید ترین ٹیکنالوجی سے حاصل ہونے والی خلا کی زیادہ مقدار بتائی جاتی ہیں۔ Orion AM کے حاصل کردہ نتائج ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ انڈسٹری کے لیے ایک انقلابی سنگِ میل ہیں، کیونکہ یہ انجیکشن مولڈنگ کے ہم پلہ مکینیکل خصوصیات حاصل کر کے اس ٹیکنالوجی کی سب سے بڑی رکاوٹیں دور کرتے ہیں۔
کیے گئے ٹیسٹس اس بات کی تصدیق کرتے ہیں کہ Orion AM کا ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ عمل کم از کم 95.4MPa ٹینسائل اسٹرینتھ اور کم از کم 3.80GPa ایلاسٹک ماڈیولس والے PEEK پارٹس تیار کرنے کے قابل ہے، جو انجیکشن مولڈنگ کی مکینیکل خصوصیات سے زیادہ ہیں۔ ٹیسٹس یہ بھی تصدیق کرتے ہیں کہ Orion AM کا عمل کم خلا والے پارٹس تیار کر سکتا ہے، جن کی کم از کم کثافت 99.97% تک پہنچتی ہے۔ اگرچہ FFF 3D پرنٹنگ ابھی تک انجیکشن مولڈنگ جیسی ہموار سطحی فنشنگ حاصل کرنے کے لیے کوشاں ہے، لیکن حاصل شدہ نتائج اس بات کا ثبوت ہیں کہ Orion AM کا عمل ایسے اینڈ یوز پارٹس تیار کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے جن کی مکینیکل خصوصیات انجیکشن مولڈنگ کے برابر بلکہ اس سے بہتر ہوں۔ آج دنیا کو عالمی سپلائی چینز اور لاجسٹکس میں رکاوٹوں کے جن چیلنجز کا سامنا ہے، ان کے پیشِ نظر Orion AM کی ٹیکنالوجی ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ کے ذریعے حقیقی اینڈ یوز ایپلی کیشنز کو حقیقت بناتی ہے، اور میڈیکل ڈیوائسز یا ایرو اسپیس اجزاء کی تیاری جیسے شعبوں میں مزید امکانات کھولتی ہے۔
ہم سے رابطے میں رہیں
Orion AM کے حل اور یہ کہ وہ آپ کے پراجیکٹس میں کیسے مدد کر سکتے ہیں، اس بارے میں مزید جاننے کے لیے ہمارے کسی ماہر سے رابطہ کریں۔
