3डी प्रिंटिंग कैसे काम करती है?

एक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग विधि 3D प्रिंटिंग है। यह "एडिटिव" है क्योंकि इसमें सामग्री के किसी ब्लॉक या साँचे की बजाय, सामग्री की परतों को एक साथ जोड़कर वास्तविक वस्तुएँ बनाई जाती हैं। यह "पारंपरिक" तकनीकों की तुलना में अधिक जटिल ज्यामितियाँ बना सकती है, अक्सर तेज़ होती है, इसकी स्थापना लागत कम होती है, और यह लगातार बढ़ती हुई सामग्रियों के साथ काम करती है। इंजीनियरिंग क्षेत्र इसका व्यापक उपयोग करता है, खासकर हल्के ज्यामिति के प्रोटोटाइप और विकास में।

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग और 3D प्रिंटिंग

"3D प्रिंटिंग" शब्द को अक्सर निर्माता संस्कृति, शौकीनों और उत्साही लोगों, डेस्कटॉप प्रिंटरों, एफडीएम जैसी सुलभ प्रिंटिंग तकनीकों और ABS व PLA जैसी सस्ती सामग्रियों से जोड़ा जाता है। यह आंशिक रूप से रेपरैप आंदोलन से उभरे किफायती डेस्कटॉप प्रिंटरों, जैसे कि मूल मेकरबॉट और अल्टीमेकर, के कारण है, जिन्होंने 3D प्रिंटिंग के लोकतंत्रीकरण और 2009 के 3D प्रिंटिंग बूम में योगदान दिया।

3D प्रिंटिंग तकनीक: नवोन्मेषी विनिर्माण का भविष्य

3डी मुद्रण इतिहास

3D प्रिंटिंग कॉन्सेप्ट उत्पादों की शुरुआत 1970 के दशक में हुई। 1981 में, जापानी वैज्ञानिक डॉ. कोडमा, जिन्होंने परत-दर-परत प्रिंटिंग निर्माण विधि का सबसे पहले वर्णन किया था, ने 3D प्रिंटिंग का प्रयोग किया और स्वयं SLA (स्टीरियोलिथोग्राफी) 3D प्रिंटिंग तकनीक विकसित की - पराबैंगनी प्रकाश द्वारा बहुलकित प्रकाश-संवेदी रेज़िन।

कुछ वर्षों बाद, अमेरिकी वैज्ञानिक चार्ल्स हल ने भी SLA की तकनीक पर गहन शोध किया और 1986 में SLA का पहला पेटेंट प्रस्तुत किया। 3D सिस्टम्स की स्थापना की और 1988 में अपना पहला व्यावसायिक उत्पाद, SLA-1, जारी किया। (नीचे चित्र)

एसएलए को सबसे पहले विकसित 3डी प्रिंटिंग तकनीक कहा जा सकता है, तो फिर एसएलएस (सिलेक्टिव लेजर सिंटरिंग) और एफडीएम (फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग) कब विकसित हुए?

1988 में, अमेरिकी कार्ल डेकार्ड ने टेक्सास विश्वविद्यालय में SLS तकनीक का पेटेंट कराया, जो एक और 3D प्रिंटिंग तकनीक है जिसमें एक लेज़र स्थानीय रूप से पाउडर कणों को एक साथ मिलाकर प्रिंट करता है। उसी वर्ष, स्ट्रैटासिस के संस्थापकों में से एक, स्कॉट क्रम्प ने फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (FDM) के लिए पेटेंट के लिए आवेदन किया। 1980 से 1990 तक, 3D प्रिंटिंग की तीनों मुख्य तकनीकों का पेटेंट कराया गया, जिससे इस उद्योग में तेज़ी से विकास का दौर शुरू हुआ।

यूरोप में, EOS GmbH ने 3D प्रिंटिंग के लिए एक डिज़ाइन प्रणाली बनाई: स्टीरियो" प्रणाली। आज, औद्योगिक क्षेत्र में इसके 3D मुद्रित मॉडल का उपयोग दुनिया भर में प्लास्टिक और धातुओं के लिए SLS 3D प्रिंटिंग तकनीक (चयनात्मक लेजर सिंटरिंग) के लिए किया जाता है।

1992 में, एफडीएम (फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग) 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी पेटेंट को स्ट्रैटासिस द्वारा अधिकृत किया गया था, जिसने कई पेशेवरों और व्यक्तियों की विभिन्न आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए 3डी प्रिंटर विकसित किए थे।

1993 से 1999 तक, 3D प्रिंटिंग उद्योग में विभिन्न तकनीकों का उदय हुआ। इसी दौरान, अधिक से अधिक नए CAD सॉफ़्टवेयर और 3D मॉडलिंग सॉफ़्टवेयर विकसित किए गए, उदाहरण के लिए, सैंडर्स प्रोटोटाइप (जिसे अब सॉलिडस्केप कहा जाता है), जो सबसे पहले बनाए गए सॉफ़्टवेयर में से एक था।

3D प्रिंटिंग बहु-क्षेत्रीय अनुप्रयोग

2008 में, पहला 3D-मुद्रित कृत्रिम अंग सामने आया, जिसने मीडिया में 3D मुद्रण की लोकप्रियता को और बढ़ा दिया। लोगों ने पाया कि 3D मुद्रण न केवल पारंपरिक अंगों को मुद्रित कर सकता है, बल्कि मानव शरीर की मरम्मत में भी इसका उपयोग किया जा सकता है। यह अद्भुत चिकित्सा 3D मुद्रण परियोजना एक जैविक अंग के सभी अंगों को जोड़ती है और बिना किसी अतिरिक्त संयोजन के "जैसा है वैसा" मुद्रित किया जा सकता है। आज, 3D स्कैनिंग के साथ, 3D मुद्रित चिकित्सा कृत्रिम अंग और ऑर्थोटिक्स रोगियों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सस्ते और तेज़ होते जा रहे हैं। इसके अलावा, इन कृत्रिम अंगों को रोगी की आकृति विज्ञान के अनुसार तेज़ी से अनुकूलित और अनुकूलित किया जा रहा है। 3D मुद्रण बड़े पैमाने पर निजीकरण के नए अवसर लेकर आया है। (चित्र जोड़ें)

2009 वह वर्ष था जब एफडीएम पेटेंट ने व्यापक उपभोग के क्षेत्र में प्रवेश किया, जिसने एफडीएम 3डी प्रिंटरों के व्यापक नवाचार के लिए एक नया मार्ग प्रशस्त किया। जैसे-जैसे डेस्कटॉप 3डी प्रिंटरों की कीमतें गिरीं, वैसे-वैसे अधिक से अधिक लोग 3डी प्रिंटिंग उद्योग के विकास पर ध्यान देने लगे।

2013 में, अमेरिकी राष्ट्रपति बराक ओबामा ने अपने स्टेट ऑफ़ द यूनियन संबोधन में 3D प्रिंटिंग को भविष्य के उत्पादन के मुख्य साधन के रूप में उल्लेख किया था, जिससे "3D प्रिंटिंग" एक प्रचलित शब्द बन गया। अब, जनता के मन में इसकी जगह बहुत प्रमुख हो गई है। अधिक से अधिक छोटी और मध्यम आकार की कंपनियाँ 3D प्रिंटिंग द्वारा प्रदान की जाने वाली कम लागत वाली प्रोटोटाइपिंग का लाभ उठा रही हैं और इसे अपनी पुनरावृत्ति, नवाचार और उत्पादन प्रक्रियाओं में पूरी तरह से एकीकृत कर रही हैं।

3डी प्रिंटिंग कॉन्सेप्ट कार

जहाँ तक निर्माण अनुप्रयोगों का सवाल है, 3D प्रिंटेड घर अब एक वास्तविकता बन गए हैं। 2018 में पहली बार लोग 3D प्रिंटेड घरों में रहने लगे। इस घर का क्षेत्रफल 1022 वर्ग फुट है, जो रहने लायक है। इसे प्रिंट करने में कुल दो दिन लगे।

विनिर्माण और 3D मुद्रण के बीच समानताओं और अंतरों पर 3D मुद्रण की वर्गीकरण प्रणाली

उदाहरण के लिए, एक खोखली गेंद को ही लीजिए। इसकी सतह पर एक दर्जन से ज़्यादा फूल हैं। अगर इसे पारंपरिक मशीनिंग से संसाधित किया जाए, तो यह बहुत परेशानी भरा होगा, और पैटर्न को एक-एक करके संशोधित करना होगा। और अगर आप 3D प्रिंटिंग चुनते हैं, तो सामग्री की बर्बादी नहीं होती, इसलिए इसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग भी कहा जाता है, यानी भौतिक भागों के निर्माण के लिए धीरे-धीरे सामग्री जमा करने की विधि का उपयोग किया जाता है। पारंपरिक विधि यह है कि पहले भ्रूण बनाया जाए, फिर अतिरिक्त सामग्री को हटा दिया जाए, और शेष सामग्री को आवश्यक आकार दिया जाए। अगर कोई समस्या पाई जाती है, तो एक साँचा खोलकर उसे संशोधित करना आवश्यक है; जबकि 3D प्रिंटिंग में थोड़ी-थोड़ी सामग्री जमा करके, आप तैयार उत्पाद को जल्दी से देख सकते हैं।

3D प्रिंटिंग तकनीक का कार्यान्वयन

3D प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग औद्योगिक उत्पादन में किया जाता है। 3D प्रिंटिंग में भौतिक वस्तु की नहीं, बल्कि डिजिटल मॉडल की आवश्यकता होती है। यदि आप अपने सामने मौजूद किसी वास्तविक वस्तु का 3D प्रिंट बनाना चाहते हैं, तो आपको उसका मॉडल बनाने के लिए कंप्यूटर का उपयोग करना होगा, या वास्तविक वस्तु, यानी 3D मॉडल, को डिजिटल बनाने के लिए 3D स्कैनर का उपयोग करना होगा, और आप केवल पंद्रह मिनट में ही चीज़ें प्रिंट कर सकते हैं। वर्तमान में, 3D प्रिंटिंग तकनीक को चार प्रमुख श्रेणियों में विभाजित किया गया है: FDM, DLP/SLA, और SLS

एसएलएस-- लेजर सिंटरिंग मोल्डिंग प्रक्रिया

एसएलएस एक अपेक्षाकृत उच्च तकनीक वाला पाउडर है जो लेज़र विकिरण की उच्च तापमान स्थितियों में पिघलता है। कार्यक्षेत्र पर पतले पाउडर की एक परत बिछाएँ, और लेज़र बीम से परत के अनुप्रस्थ काट को स्कैन करके तापमान को गलनांक तक बढ़ाएँ, ताकि सिंटरिंग और बॉन्डिंग हो सके। मॉडल बनने तक पाउडर फैलाने, सिंटरिंग, पीसने और सुखाने की प्रक्रिया दोहराएँ। वास्तव में, 3D प्रिंटिंग बार-बार 2D प्रिंटिंग ही है। यदि आप किसी वस्तु को बहुत पतला काटते हैं, तो आप पाएंगे कि प्रत्येक टुकड़े का एक आकार होता है। यदि आप सभी आकृतियों को एक साथ रखते हैं, तो आपको एक त्रि-आयामी संरचना वाली वस्तु मिलती है। इसलिए हम ग्राफिक्स बनाने के लिए लेज़र का उपयोग करते हैं। एसएलएस मोल्डेड भागों का पर्यावरण (तापमान, आर्द्रता और रासायनिक संक्षारण) के प्रति प्रतिरोध थर्मोप्लास्टिक पदार्थों के समान होता है; जबकि एसएलए मोल्डेड भागों का प्रतिरोध अपेक्षाकृत कम होता है, उदाहरण के लिए, एपॉक्सी रेज़िन से बने एसएलए वर्कपीस नमी और रसायनों के प्रति संवेदनशील होते हैं। संक्षारण, यह 38 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के वातावरण में नरम और विकृत हो जाएगा, लेकिन गठन की सटीकता उच्च है।

एसएलए --स्टीरियोलिथोग्राफी मोल्डिंग प्रक्रिया

एसएलए एक प्रकाश-उपचार तकनीक है, जो वर्तमान में चीन में अपेक्षाकृत विकसित है। "स्टीरियोलिथोग्राफी" वह प्रक्रिया है जिसमें लेज़र बीम तरल रेज़िन की सतह पर वस्तु की पहली परत की आकृति को रेखांकित करती है, और फिर उत्पादन प्लेटफ़ॉर्म को एक निश्चित दूरी (0.05-0.025 मिमी के बीच) तक नीचे उतारा जाता है, और फिर जमी हुई परत को तरल रेज़िन में डुबोया जाता है, इत्यादि। प्रयुक्त रेज़िन एक प्रकाश-संवेदी रेज़िन है, जो लेज़र बीम द्वारा विकिरणित होने के बाद एक ठोस अवस्था का निर्माण करेगा, और मॉडल का निर्माण तेज़ और सटीक होता है।

डीएलपी-- स्टीरियोलिथोग्राफी मोल्डिंग प्रक्रिया

डीएलपी डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग, जिसे लेजर शेपिंग तकनीक के रूप में जाना जाता है। डीएलपी 3डी प्रिंटिंग तकनीक और एसएलए 3डी प्रिंटिंग तकनीक में कई समानताएँ हैं। यदि उत्पादन की तुलना पेंसिल से वृत्त खींचने से की जाए, तो एसएलए तकनीक परत दर परत चित्र बनाने के बराबर है, जबकि डीएलपी सीधे स्टैम्पिंग के बराबर है। हम जिस बड़े पैमाने पर उत्पादन का प्रयास कर रहे हैं, उसके दो बहुत महत्वपूर्ण बिंदु हैं, एक है दक्षता और दूसरा है सामग्री की लागत। एक 3डी प्रिंटर है जो पारंपरिक निर्माण की तुलना में सैकड़ों गुना तेजी से प्रिंट कर सकता है, यानी फेस-टू-फेस तकनीक, जिसे शेन्ज़ेन की एक कंपनी, लाइट प्रिज्म टेक्नोलॉजी ने विकसित किया है। पारंपरिक एफडीएम 3डी प्रिंटिंग से एक खोखली गेंद को प्रिंट करने में 2-5 घंटे लगते हैं, और सबसे तेज़ गति से एक घंटा लगता है, लेकिन नवीनतम फेस-टू-फेस तकनीक से प्रिंट करने में केवल 10 मिनट लगते हैं। प्रिंटिंग की गति अद्भुत है। एक बार जब यह 3डी प्रिंटिंग बाजार में आ जाती है, तो पारंपरिक शिल्प पर इसका प्रभाव अभी भी बहुत अच्छा है।

एफडीएम -- फ्यूज्ड डिपोजिशन मोल्डिंग प्रक्रिया

डीएलपी और एसएलएस प्रौद्योगिकियों की तुलना में, एफडीएम तकनीक अपेक्षाकृत सरल है, इसलिए इसके बड़े दर्शक वर्ग हैं और परिवार में प्रवेश करना आसान है। प्रोटोटाइप का निर्माण 3D सीएडी डेटा से सीधे थर्मोप्लास्टिक सामग्री का उपयोग करके अर्ध-पिघले हुए फिलामेंट में किया जाता है, जिसे परत-दर-परत आधार पर जमा किया जाता है। एफडीएम प्रौद्योगिकी के लाभ सरल यांत्रिक संरचना, आसान डिजाइन, कम विनिर्माण लागत, रखरखाव लागत और सामग्री लागत, और पर्यावरण के लिए कोई प्रदूषण नहीं है। इसलिए, एफडीएम घरेलू डेस्कटॉप 3 डी प्रिंटर में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीक भी है। यह एक अपेक्षाकृत पारंपरिक मुद्रण विधि है, जो लेजर का उपयोग नहीं करती है और इसकी लागत कम है, लेकिन सटीकता अधिक नहीं है और मुद्रण की गति बहुत धीमी है। यह सभी के लिए सबसे सुलभ तरीका है, और इसका उपयोग आमतौर पर शिक्षा बाजार में किया जाता है।

विनिर्माण और पारंपरिक शिल्प कौशल पर 3D प्रिंटिंग का प्रभाव

3D प्रिंटिंग के लाभ

(1) अनुकूलन

दंत चिकित्सा को उदाहरण के रूप में लें, तो हर किसी के दांत अलग-अलग होते हैं, लेकिन 3डी प्रिंटिंग अनुकूलित उत्पादन और बड़े पैमाने पर उत्पादन के बीच विरोधाभास को हल कर सकती है, और बड़े पैमाने पर अनुकूलित प्रत्यारोपण, ब्रेसिज़ आदि का उत्पादन कर सकती है।

(2) नमूना वास्तविक समय

3डी प्रिंटिंग की तेज़ गति के कारण, डिज़ाइनर सुबह उत्पाद का एक संस्करण डिज़ाइन करता है, और लीडर दोपहर में तैयार उत्पाद देख सकता है, फिर शाम 6 बजे दूसरा संस्करण डिज़ाइन करता है, और अगली सुबह तैयार उत्पाद देख सकता है, जिससे नए उत्पादों के विकास की गति बहुत तेज़ हो जाती है। यदि यह विशेष रूप से जटिल नहीं है, तो 3डी प्रिंटिंग 3 घंटे में तैयार उत्पाद तैयार कर सकती है, जबकि पारंपरिक प्रूफिंग में हर बार 4-6 सप्ताह लगते हैं, इसलिए औद्योगिक डिज़ाइन की समग्र गति में भी सुधार होता है।

(3) कोई प्रदूषण नहीं

 चूँकि उत्पादित कच्चे माल पर्यावरण के अनुकूल हैं, इसलिए पूरी उत्पादन प्रक्रिया प्रदूषण मुक्त है। अपशिष्ट गैस और अपशिष्ट जल का कोई प्रदूषण नहीं होता, और न ही बची हुई सामग्री की कोई बर्बादी होती है।

(4) डेटाकरण

जब डिजिटल दंत चिकित्सा विकसित हो जाएगी, तो डॉक्टरों की तकनीकी ज़रूरतें बहुत कम हो जाएँगी। मरीज़ों को अस्पताल में सिर्फ़ दो मिनट स्कैन करने के लिए उपकरण का इस्तेमाल करना होगा, और वे सभी दंत समस्याओं के कारण और समाधान जान सकेंगे।

इसके अलावा, 3डी प्रिंटिंग का इस्तेमाल ऑर्थोडॉन्टिक्स के लिए भी किया जा सकता है, जहाँ व्यक्तिगत और अनुकूलित पारदर्शी ब्रेसेस प्रिंट किए जा सकते हैं। प्लास्टिक सर्जरी के दौरान, दांतों को बाईं ओर या आगे की ओर खिसकाना चाहिए? कितने मिलीमीटर खिसकाना चाहिए? पहले, दंत चिकित्सा पूरी तरह से डॉक्टर के व्यक्तिगत अनुभव पर निर्भर करती थी, लेकिन डिजिटल दंत चिकित्सा ने ऑपरेशन की स्थिरता बढ़ा दी है और डॉक्टरों के लिए तकनीकी सीमा को कम कर दिया है।

(5) तेज़

 पारंपरिक औद्योगिक प्रक्रियाओं की तुलना में, 3डी प्रिंटिंग के लिए मानव संसाधन और परिवहन जैसी प्रारंभिक तैयारियों की आवश्यकता नहीं होती है। इसके लिए केवल मशीनों और कच्चे माल की आवश्यकता होती है, और इसे जल्दी से उत्पादन में लगाया जा सकता है।

(6) स्वचालन

 यह कहा जा सकता है कि आभासी कल्पना और वास्तविकता के बीच सिर्फ़ एक 3D प्रिंटर है। 3D प्रिंटिंग के एक-कुंजी उत्पादन से श्रम लागत और मानवीय त्रुटियों की काफ़ी बचत होती है।