3डी-प्रिंटेड सूक्ष्म कण चिकित्सा और इलेक्ट्रॉनिक्स को बदल सकते हैं

3डी प्रिंटिंग की दुनिया में क्रांतियां तेज़ गति से हो रही हैं। इस महीने की शुरुआत में, जर्मनी की एक कंपनी ने बनाया Wave House को 3डी प्रिंटिंग का उपयोग करके बनाया। यह यूरोप का सबसे बड़ा 3डी-प्रिंटेड इमारत है, जिसका आकार 600 वर्ग मीटर (6,600 वर्ग फुट) है, और इसका रूप असामान्य है क्योंकि इसमें लहर जैसा डिज़ाइन है जिसे पारंपरिक निर्माण विधियों से नहीं बनाया जा सकता था। 3डी निर्माण प्रिंटिंग तकनीक ने डिज़ाइन की स्वतंत्रता प्रदान की और इसे बनाने में लगभग 140 घंटे लगे।

सिर्फ पिछले हफ्ते, दुनिया की पहली बार की 3डी-प्रिंटेड मस्जिद, जिसका क्षेत्रफल 5,600 वर्ग मीटर है, जेद्दा, सऊदी अरब में खुली। मस्जिद के निर्माण को पूरा करने में छह महीने लगे।

3डी प्रिंटिंग तकनीक की बात करें तो, टेक्सास स्थित ICON ने हाल ही में प्रकट किया अपने रोबोटिक-आर्म-माउंटेड 3डी प्रिंटर को Phoenix नाम दिया। यह प्रिंटर कम-कार्बन मिश्रण से पूरी तरह बंद सिस्टम के साथ बहु-स्तरीय संरचनाएं बना सकता है। 70 फीट ऊँचा, Phoenix ICON के वर्तमान प्रिंटर Vulcan की तुलना में अधिक ऊँची निर्माण (अधिकतम 27 फीट) की अनुमति देता है, जिसका गैंट्री सिस्टम चेसिस को जमीन के करीब रखता है।

कंपनी ने CarbonX नामक नई सामग्री मिश्रण के विकास की घोषणा भी की है, जिसे “विस्तार में उपयोग के लिए तैयार सबसे कम कार्बन वाला आवासीय निर्माण प्रणाली” कहा गया है। इसके अलावा, ICON ने अपने सिस्टम में AI को एकीकृत किया है ताकि कोई भी उसके Vitruvius प्लेटफ़ॉर्म के माध्यम से 3डी-प्रिंट योग्य घर की योजनाएं डिज़ाइन कर सके।

लेकिन यह सब नहीं है। पिछले महीने, 3डी प्रिंटिंग ने सक्षम किया केवल 90 मिनट में अत्यंत वास्तविक दिखने वाली कृत्रिम आँखों का निर्माण, जबकि एक कुशल तकनीशियन को इसे मैन्युअल रूप से बनाने में सामान्यतः 8 घंटे लगते हैं। फिर ड्रोन, प्रोपेलेंट और विस्फोटकों की 3डी प्रिंटिंग भी है।

जैसा कि हमने ऊपर बताया, 3डी प्रिंटिंग स्पष्ट रूप से तेज़ गति से आगे बढ़ रही है, जो समझ में आता है क्योंकि इस क्षेत्र में रुचि बहुत तेजी से बढ़ रही है। बढ़ती रुचि इस तकनीक की कस्टम आकार बनाने और एक ही भाग में कई प्रकार की सामग्री प्रिंट करने की क्षमता के कारण है, जिससे पैसे और सामग्री की बचत होती है और यह पर्यावरण के अनुकूल भी है।

ऐडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के नाम से भी जाना जाता है, 3डी प्रिंटिंग में प्रिंटर का उपयोग करके सामग्री को परत दर परत जमा करके वस्तु बनाना शामिल है। हालांकि, इसमें चुनौतियां भी हैं, विशेष रूप से सीमित सामग्री, कुछ सामग्रियों को आकार देने में कठिनाई, आकार की प्रतिबंध, डिजाइन में असटीकताएं आदि।

इसलिए, वैज्ञानिक इन चुनौतियों को पार करने और 3डी प्रिंटिंग को बड़े पैमाने पर और अधिक प्रभावी तथा कार्यक्षम बनाने के तरीकों की खोज में लगे हुए हैं।

हाल ही में, एक अध्ययन ने माइक्रोस्केल पर 3डी प्रिंटिंग की एक नई प्रक्रिया विकसित की जो प्रतिदिन 1 मिलियन तक कण बनाती है, निर्माण, चिकित्सा और अनुसंधान में उपयोग के लिए लगभग किसी भी आकार में, चिकित्सा और अनुसंधान में।

3डी-प्रिंटिंग सूक्ष्म कण

Nature में प्रकाशित, यह अध्ययन को “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” कहा गया है और यह स्टैनफ़ोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था।

इस अध्ययन में शामिल लोग जेसन एम. क्रोनेनफ़ेल्ड, स्टैनफ़ोर्ड के रसायन विज्ञान विभाग के पीएच.डी. स्नातक छात्र, साथ ही लुकास रोथर और मारिया टी. डुले दोनों रेडियोलॉजी विभाग में कार्यरत हैं। मैक्स ए. सैक्कोने और जोसेफ एम. डीसीमोन भी रेडियोलॉजी विभाग और रासायनिक अभियांत्रिकी विभाग दोनों से संबंधित हैं।

अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने बताया कि कण निर्माण माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, घर्षण सामग्री, ग्रैन्यूलर सिस्टम, माइक्रोफ्लूडिक्स, बायोइंजीनियरिंग, और दवा तथा वैक्सीन वितरण में विविध अनुप्रयोगों के कारण लोकप्रिय हो रहा है।

इन अत्यंत छोटे 3डी-प्रिंटेड कणों के व्यापक अनुप्रयोग होते हुए भी, उन्हें स्टेज की गति, प्रकाश वितरण, और रेज़िन (एक अत्यधिक चिपचिपा पदार्थ) की विशेषताओं के बीच सटीक समन्वय की आवश्यकता होती है। इससे ऐसे कस्टम माइक्रोस्केल कणों का स्केलेबल निर्माण कठिन हो जाता है।

इसलिए, स्टैनफ़ोर्ड के शोधकर्ताओं ने एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3डी प्रिंटिंग तकनीक पेश की, जो आकार-विशिष्ट कणों के निर्माण के लिए स्केलेबल है। यह प्रक्रिया तकनीक, जो रोल-टू-रोल निरंतर लिक्विड इंटरफ़ेस प्रोडक्शन (r2rCLIP) पर आधारित है, प्रतिदिन बड़ी मात्रा में कस्टमाइज़ेबल और अत्यधिक विस्तृत माइक्रोस्केल कणों को प्रिंट करने में बहुत अधिक कुशल है।

अध्ययन के मुख्य लेखक, क्रोनेनफ़ेल्ड, जो डीसीमोन लैब में पीएच.डी. उम्मीदवार हैं, के अनुसार, यह तकनीक विभिन्न सामग्रियों से माइक्रोस्कोपिक स्केल पर अधिक जटिल आकार बनाने की अनुमति देती है, और ऐसी गति से जो कण निर्माण में पहले कभी नहीं देखी गई थी।

यह शोध प्रिंटिंग तकनीक निरंतर लिक्विड इंटरफ़ेस प्रोडक्शन (CLIP) पर आधारित है, जिसे लगभग एक दशक पहले, 2015 में, डीसीमोन और उनके सहयोगियों ने प्रस्तुत किया था।

CLIP यूवी प्रकाश का उपयोग करता है और इसे स्लाइस में प्रोजेक्ट करके रेज़िन को तेज़ी से वांछित आकार में क्योर करता है। इस तकनीक की विशिष्टता यह है कि यूवी लाइट प्रोजेक्टर के ऊपर एक विंडो होती है जो ऑक्सीजन को प्रवेश करने देती है। यह ऑक्सीजन-परमीएबल विंडो रेज़िन को चिपकने से रोकती है, जिससे एक “डेड ज़ोन” बनता है। इस प्रकार, हम विंडो से प्रत्येक परत को खींचे बिना नाज़ुक विशेषताओं को क्योर कर सकते हैं, जिससे कण प्रिंटिंग तेज़ हो जाती है।

सह-लेखक डीसीमोन, जो स्टैनफ़ोर्ड में ट्रांसलेशनल मेडिसिन के संजीव सैम गैंभीर प्रोफ़ेसर हैं और मेडिकल डिवाइस, नैनोमेडिसिन और 3डी प्रिंटिंग के क्षेत्रों में विभिन्न breakthroughs के लिए जिम्मेदार रहे हैं, ने कहा:

“मोल्ड के बिना वस्तुओं को प्रकाश से बनाना कण जगत में एक पूरी नई दिशा खोलता है।”

इसे स्केलेबल स्तर पर लागू करने से इन कणों का उपयोग “भविष्य के उद्योगों को चलाने” के लिए अवसर प्रदान किए जा सकते हैं, उन्होंने जोड़ा।

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r2rCLIP द्वारा बड़े पैमाने पर उत्पादन सक्षम करना

CLIP पर आधारित, शोधकर्ताओं ने अनोखे आकार के नैनोस्केल कण को बड़े पैमाने पर बनाने के लिए एक नई प्रक्रिया बनाई। पहले, उन्होंने सावधानीपूर्वक एक फिल्म को तनाव दिया और उसे CLIP प्रिंटर में भेजा, जहाँ सैकड़ों आकार एक साथ फिल्म पर प्रिंट किए गए।

फिर इसे धोने, क्योर करने और आकारों को हटाने की प्रक्रिया में ले जाया जाता है। इन सभी चरणों को उपयोग की गई सामग्री और आकार के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है। अंत में खाली फिल्म को फिर से रोल किया जाता है, इसलिए इसे रोल-टू-रोल CLIP, या r2rCLIP कहा जाता है।

एकल-अंकीय, माइक्रोन-रिज़ॉल्यूशन ऑप्टिक्स के उपयोग के साथ, स्थिर प्लेटफ़ॉर्म के बजाय निरंतर रोल फिल्म का उपयोग करने से शोधकर्ताओं को तेज़ परिवर्तनशील निर्माण और विभिन्न सामग्रियों से कणों को उठाने तथा अधिक जटिल ज्यामितियों को प्राप्त करने में सक्षम बनाया।

अध्ययन के अनुसार, ज्यामितियों में वे भी शामिल थीं जिन्हें उन्नत मोल्ड-आधारित तकनीकों से हासिल नहीं किया जा सकता था, जिससे टीम के दृष्टिकोण की अनोखी क्षमताओं का प्रदर्शन होता है।

r2rCLIP के दोनों, मोल्डेबल और नॉन-मोल्डेबल रूपों को 2.0 × 2.0 µm² प्रिंट आकार वाले वोक्सेल (नियमित अंतराल वाले 3D ग्रिड पर एकल नमूना) और 1.1 ± 0.3 µm की असहाय मोटाई के साथ दिखाया गया।

रोल-टू-रोल CLIP से पहले, प्रिंट किए गए कणों के एक बैच को मैन्युअल रूप से प्रोसेस करना पड़ता था, जो धीमी प्रक्रिया है और बड़ी शारीरिक मेहनत की मांग करती है। r2rCLIP का स्वचालन अब अभूतपूर्व स्तर पर निर्माण की अनुमति देता है, यानी प्रतिदिन 1,000,000 कण तक।

कण-प्रिंटिंग प्रक्रिया ने CLIP प्रिंटर की स्थिर बिल्ड प्लेट को निरंतर-फ़िल्म, मॉड्यूलर, रोल-टू-रोल सिस्टम से बदलकर पूर्ण स्वचालन हासिल किया। इससे स्वचालित इन-लाइन पोस्ट-प्रोसेसिंग संभव हुई, जिसमें सफाई, पोस्ट-क्योरिंग और कण उठाना (हर्वेस्टिंग) शामिल है।

अपने पेपर में, टीम ने बताया कि रोल-टू-रोल CLIP तकनीक का उपयोग करके कण निर्माण का एक बड़ा लाभ इसका स्वाभाविक मोल्डलेस प्रक्रिया है। यह लेआउट बदलने की आवश्यकता के बिना विस्तृत श्रेणी के कण ज्यामितियों के उत्पादन को सक्षम बनाता है।

कण निर्माण के मामले में, विभिन्न दृष्टिकोण स्केलेबिलिटी, गति, समानता, सामग्री गुण और ज्यामितीय नियंत्रण के बीच समझौते शामिल करते हैं। उदाहरण के लिए, जबकि कुछ प्रक्रियाएं नैनोमीटर स्केल पर प्रिंट कर सकती हैं, वे आमतौर पर धीमी होती हैं।

“हम गति और रिज़ॉल्यूशन के बीच एक सटीक संतुलन बनाए रखने की कोशिश कर रहे हैं,” क्रोनेनफ़ेल्ड ने कहा। उनका तकनीक, उन्होंने बताया, “विशिष्ट रूप से सक्षम” है उच्च-रिज़ॉल्यूशन आउटपुट बनाने में, लेकिन यह विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक कण उत्पादन मात्रा को पूरा करने के लिए आवश्यक गति को भी बनाए रख सकता है।

उन्होंने जोड़ा:

“अनुवादात्मक प्रभाव की संभावना वाली तकनीकों को अनुसंधान लैब स्केल से औद्योगिक उत्पादन के स्तर तक व्यावहारिक रूप से अनुकूलित किया जा सके।”

व्यापक अनुप्रयोग

यह शोध, जो नेशनल साइंस फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फेलोशिप प्रोग्राम और बिल एवं मेलिंडा गेट्स फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित है, का लक्ष्य अन्य शोधकर्ताओं और उद्योग द्वारा व्यापक रूप से अपनाया जाना है।

3डी प्रिंटिंग के तेज़ी से विकसित होने के साथ, r2rCLIP को यहाँ “एक बुनियादी तकनीक” कहा गया है, डीसीमोन ने कहा, जो स्टैनफ़ोर्ड के सेंटर फॉर STEMM मेंटरशिप के संस्थापक फैकल्टी डायरेक्टर, कैंसर अर्ली डिटेक्शन के लिए कैनरी सेंटर के सह-डायरेक्टर, और साराफ़न ChEM-H के फैकल्टी फेलो हैं।

हालांकि, डीसीमोन के अनुसार, उद्योग इन प्रक्रियाओं की बजाय 3डी उत्पादों पर ध्यान देना शुरू कर रहा है, जो “स्पष्ट रूप से मूल्यवान और उपयोगी” बन रहे हैं। तो अब सवाल यह है:

“उच्च-मूल्य वाले अनुप्रयोग क्या हैं?”

अध्ययन के अनुसार, जटिल डिज़ाइन वाले सूक्ष्म कण विश्लेषणात्मक, बायोमेडिकल और उन्नत सामग्री अनुप्रयोगों में सीधे एकीकरण को सक्षम बनाते हैं।

शोधकर्ता स्वयं नरम और कठोर दोनों प्रकार के कणों का उत्पादन कर रहे हैं, जो हाइड्रोजेल से बने होते हैं और शरीर में दवा वितरण में उपयोग हो सकते हैं, तथा सिरेमिक जो माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में उपयोग किए जा सकते हैं।

हाइड्रोजेल कणों के उत्पादन में उनका उपयोग करके, इन कणों को भरकर एक ही इंजेक्शन में समायोज्य, ग्रेडिएंट या पल्सेटाइल-रिलीज़ प्रोफ़ाइल प्राप्त करना संभव हो जाता है। कई पूर्व अध्ययन ने उपयुक्त फोटोपॉलिमर रेज़िन सिस्टम के निर्माण का अन्वेषण किया और सामग्री के आकार, आकार और बायोकम्पैटिबिलिटी के स्थानीयकरण और वितरण पर प्रभाव की जांच की। इससे बायोस्कैफ़ोल्ड और डिलीवरी मैनिफोल्ड का निर्माण हुआ, जिसने स्केलेबल, परिवर्तनशील निर्माण प्रक्रिया के बिना भी दवा वितरण के लिए हाइड्रोजेल कणों के निर्माण के कई संभावनाओं को खोला।

यहाँ, टीम ने 400 µm इकाई आकार के हाइड्रोजेल क्यूब बनाए और प्रिंटिंग के बाद लगभग आठ nl प्रतिनिधि कार्गो से मैन्युअल रूप से भरा, उसके बाद हाइड्रोजेल कैप से टॉप किया। अध्ययन ने भविष्य के शोध के माध्यम से कार्गो रिलीज़ के प्रोग्रामेबल पैलेट की संभावनाओं को उजागर किया, जो दवा-डिलीवरी वाहन काइनेटिक्स पर पिछले अध्ययनों पर आधारित है और अणु भार और दीवार मोटाई की समायोज्य विशेषताओं का उपयोग करता है।

सिरेमिक से हाइड्रोजेल तक की सामग्री और यांत्रिक बहुमुखीता स्मार्ट सामग्री के निर्माण में भी मदद कर सकती है। इसलिए, इतनी विस्तृत श्रेणी में निर्माण क्षमता प्रदर्शित करके, यह स्केलेबल कण उत्पादन दृष्टिकोण माइक्रो टूल्स और इलेक्ट्रॉनिक्स में संभावित अनुप्रयोग रखता है, उन्होंने कहा।

तकनीक (r2rCLIP) की उच्च थ्रूपुट, इस बीच, माइक्रोरोबोट और कार्गो डिलीवरी सिस्टम जैसे माइक्रो डिवाइसों के औद्योगिक-स्तर उत्पादन के लिए सीधे प्रभाव रखती है। यह विशेष रूप से सिरेमिक सामग्री के उत्पादन के लिए सहायक है।

प्रीसेरामिक रेज़िन का उपयोग करके तकनीकी सिरेमिक कणों को बड़े पैमाने पर बनाने से, अध्ययन के अनुसार, माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम, मैकेनिकल प्लेनराइज़ेशन तकनीकें स्लरी घटकों के रूप में, और कंडक्टिव कण जो टेलीकॉम्यूनिकेशन्स और हेल्थकेयर जैसी औद्योगिक अनुप्रयोगों को संभव बनाते हैं, में संभावित अनुप्रयोग हो सकते हैं।

डुले के अनुसार, एक वरिष्ठ शोध वैज्ञानिक:

“ऐप्लिकेशन की एक विस्तृत श्रृंखला है, और हम अभी उन्हें खोजना शुरू कर रहे हैं। इस तकनीक के साथ हमारी स्थिति काफी असाधारण है।”

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में नवाचारी दृष्टिकोण अपनाने वाली कंपनियां

अब, आइए कुछ कंपनियों पर नज़र डालते हैं जो 3डी प्रिंटिंग में अग्रणी हैं:

#1. HP Inc.

परम्परागत प्रिंटिंग उद्योग में एक प्रसिद्ध नाम, HP Inc. (HPQ ) ने 3डी प्रिंटिंग में कई कदम उठाए हैं, जिसमें इसकी मल्टी जेट फ्यूजन (MJF) तकनीक शामिल है, जो औद्योगिक उत्पादन के लिए डिज़ाइन की गई है। यह उच्च गति वाली 3डी प्रिंटिंग और प्रत्येक व्यक्तिगत वोक्सेल की विशेषताओं को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान करती है। कंपनी की जेट फ्यूजन औद्योगिक उत्पादन और प्रोटोटाइपिंग में 5600 सीरीज़ शामिल है जो बड़े पैमाने पर लचीले उत्पादन के लिए अनुप्रयोगों को अनुकूलित करती है, 5400 सीरीज़ गुणवत्ता वाले सफेद अनुप्रयोगों के लिए, 5200 सीरीज़ उच्च-मूल्य वाले अंतिम 3डी भाग उत्पादन के लिए, और 4200 उत्पादकता और लागत को अनुकूलित करने के लिए।

इस सप्ताह, HP बर्लिन में वार्षिक AM फ़ोरम कॉन्फ़्रेंस में अपने नए सामग्री PA 12 S का उपयोग करके 3डी-प्रिंटेड भागों को प्रदर्शित करने की योजना बना रहा है। यह सामग्री कंपनी के उद्योगों में उपयोग किए जाने वाले 3डी पॉलिमर समाधान के लिए कस्टम-निर्मित है और लागत में कमी और उत्कृष्ट सतह सौंदर्य जैसे लाभ प्रदान करती है।

29.83 बिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, कंपनी के शेयर $30.66 पर ट्रेड हो रहे हैं, जो वर्ष-से-आज (YTD) 1.1% बढ़े हैं। कंपनी ने राजस्व (TTM) $53.1 बिलियन, EPS (TTM) 3.41, और P/E (TTM) 8.91 दर्ज किया है। यह 3.62% का डिविडेंड यील्ड देती है।.

#2. Materialise NV

यह बेल्जियम-आधारित कंपनी धातु और पॉलिमर प्रिंटिंग सहित 3डी प्रिंटिंग सेवाओं की विस्तृत श्रृंखला प्रदान करती है। कंपनी विशेष रूप से स्वास्थ्य देखभाल क्षेत्र में अपनी विशेषज्ञता के लिए जानी जाती है, जहाँ यह इम्प्लांट, सर्जिकल गाइड और शारीरिक मॉडल के लिए 3डी प्रिंटिंग का उपयोग करती है।

पिछले साल के अंत में, जापानी इमेजिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स कंपनी Ricoh ने Materialise के साथ साझेदारी की ताकि यूएस अस्पतालों में पॉइंट-ऑफ़-केयर 3डी प्रिंटिंग लाई जा सके, जिससे रोगी की शारीरिक मॉडल का उत्पादन संभव होगा। और पिछले महीने, Materialise ने एक व्यक्तिगत 3डी-प्रिंटेड टेम्पोरोमैंडिबुलर जॉइंट (TMJ) उपचार लॉन्च किया।

293.56 मिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, कंपनी के शेयर $5.36 पर ट्रेड हो रहे हैं, जो YTD में 24% से अधिक गिरावट दर्शाते हैं। कंपनी ने राजस्व (TTM) $278.69 मिलियन, EPS (TTM) 0.13, और P/E (TTM) 39.57 दर्ज किया है।

हाल ही में, कंपनी ने Q4 और पूरे 2023 के वित्तीय परिणामों की घोषणा की, जिसमें उसके राजस्व में क्रमशः 4.1% की वृद्धि होकर €65.3 मिलियन और 10.4% की वृद्धि होकर €256.1 मिलियन हुआ, जबकि “अस्थिर मैक्रोइकॉनॉमिक और भू-राजनीतिक स्थितियों” के बावजूद।

Materialise ने €128 मिलियन नकद और नकद समकक्ष भी रिपोर्ट किए, जिसे उसकी CEO ब्रिजिट डि वेट-वेइथेन ने कहा, अतिरिक्त वित्तपोषण के साथ, यह कंपनी को “अच्छी स्थिति” में रखता है ताकि वह नवाचारी 3डी उत्पाद और सॉफ़्टवेयर समाधान प्रदान करना जारी रख सके।

निष्कर्ष

जैसा कि हमने ऊपर उल्लेख किया, 3डी प्रिंटिंग के कई उद्योगों में कुछ बड़े लाभ हैं, जिसमें मेडिकल, ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस, उपभोक्ता वस्त्र, आभूषण, और रक्षा एवं सैन्य शामिल हैं। जबकि यह पहले से ही बढ़ती जिज्ञासा और उपयोग देख रहा है, अधिक शोध के साथ वस्तुओं का बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव होने से इसका अपनाना आने वाले वर्षों में और बढ़ेगा। 3डी प्रिंटिंग का भविष्य बस उज्ज्वल है, जो निर्माण में क्रांति लाने और अधिक लचीले भविष्य बनाने का वादा दर्शाता है।