नई दो-लेज़र तकनीकों के साथ 3D प्रिंटिंग की पहुँच में सुधार, लागत कम करने के लिए तैयार

शोधकर्ताओं ने दो लेज़र का उपयोग करके सूक्ष्म स्तर की 3D प्रिंटिंग में आवश्यक फेम्टोसेकंड लेज़र शक्ति घटाने की विधि विकसित की है। Purdue University की टीम ने अपने निष्कर्षों का विस्तृत अध्ययन वैज्ञानिक पत्रिका Optics Express में प्रकाशित किया। यह अध्ययन दो रंगों वाले लेज़र पर आधारित एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक का वर्णन करता है, जो टू-फोटॉन पॉलिमराइज़ेशन की मौजूदा विधि को बेहतर बनाती है।

आज की एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रियाएँ

इस अध्ययन का महत्व समझने के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के विकास पर एक नज़र डालना उपयोगी है। 3D प्रिंटिंग का विचार कभी विज्ञान-कथा जैसा लगता था। अब इसका उपयोग अनेक क्षेत्रों में होता है और कुछ जटिल संरचनाएँ बनाने के लिए यह विशेष रूप से उपयोगी है।

मैटेरियल एक्सट्रूज़न

मैटेरियल एक्सट्रूज़न विधि में थर्मोप्लास्टिक फ़िलामेंट को गर्म नोज़ल से गुज़ारा जाता है। नरम हुआ पदार्थ परत-दर-परत जमा करके आवश्यक आकार बनाया जाता है। यह आज व्यापक रूप से इस्तेमाल होने वाली अपेक्षाकृत सस्ती 3D प्रिंटिंग विधि है।

पाउडर बेड

पाउडर आधारित 3D प्रिंटिंग से धातु और सिरेमिक की वस्तुएँ बनाई जा सकती हैं। बाइंडर जेटिंग में पाउडर की परत पर बंधनकारी पदार्थ छिड़का जाता है, जबकि पाउडर बेड फ़्यूज़न में ऊर्जा से कणों को जोड़ा जाता है। ये अलग प्रक्रियाएँ जटिल त्रि-आयामी आकृतियाँ बना सकती हैं; इन्हें एक ही विधि नहीं समझना चाहिए।

फ्यूज़्ड डिपोज़िशन

फ्यूज़्ड डिपोज़िशन मॉडलिंग में थर्मोप्लास्टिक फ़िलामेंट को नोज़ल से परतों में जमा किया जाता है और ठंडा होकर वह ठोस हो जाता है। इसमें आकार को स्थिर करने के लिए लेज़र आवश्यक नहीं है। इसके विपरीत, स्टीरियोलिथोग्राफी जैसी अन्य एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग विधियाँ प्रकाश से रेज़िन को कठोर करती हैं।

टू-फोटॉन पॉलिमराइज़ेशन (TPP)

टू-फोटॉन पॉलिमराइज़ेशन (TPP) सूक्ष्म और उप-माइक्रोन स्तर की संरचनाएँ बनाने की एक उन्नत तकनीक है। इसमें केंद्रित फेम्टोसेकंड लेज़र की सहायता से प्रकाश-संवेदी पदार्थ को चुने हुए स्थानों पर ठोस किया जाता है। पारंपरिक व्यवस्था के लिए दो फेम्टोसेकंड लेज़र आवश्यक नहीं होते। यह विधि अत्यंत छोटी और जटिल संरचनाएँ बनाने में उपयोगी है।

इस दृष्टिकोण की समस्याएँ

TPP की कुछ सीमाओं ने शोधकर्ताओं को विकल्प तलाशने के लिए प्रेरित किया। विशेष रूप से, अधिक शक्ति वाले फेम्टोसेकंड लेज़र महँगे होते हैं और उनके संचालन के लिए सटीक समायोजन आवश्यक होता है। इससे तकनीक को व्यापक स्तर पर अपनाना कठिन हो सकता है।

शोधकर्ता

इन सीमाओं को देखते हुए Purdue University के अभियंता Xianfan Xu के नेतृत्व में टीम ने लागत और आवश्यक लेज़र शक्ति घटाने का तरीका विकसित किया। इसके लिए लेज़रों के परस्पर प्रभाव और उनके समायोजन जैसी समस्याओं का समाधान करना पड़ा। यह एक संभावित सुधार है, जिसका औद्योगिक प्रभाव आगे के विकास पर निर्भर करेगा।

दो-लेज़र अध्ययन

अध्ययन “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” में फेम्टोसेकंड लेज़र के साथ कम लागत वाले दृश्य-प्रकाश लेज़र का उपयोग करके आवश्यक फेम्टोसेकंड शक्ति घटाने की जाँच की गई। टीम ने एक विशेष टू-फोटॉन लिथोग्राफी व्यवस्था बनाई, जिसमें प्रिंटिंग तल तक दूसरे लेज़र के लिए अलग प्रकाश-पथ शामिल था। इससे दोनों लेज़रों के प्रभावों का अध्ययन किया जा सका।

चरण 1 – सामग्री की तैयारी

प्रक्रिया में दृश्य-प्रकाश लेज़र पदार्थ के भीतर प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियाएँ उत्पन्न करता है। इससे पॉलिमराइज़ेशन को रोकने वाले अवरोधकों, विशेष रूप से ऑक्सीजन, की सांद्रता घटती है। परिणामस्वरूप संरचना बनाने के लिए फेम्टोसेकंड लेज़र की कम शक्ति पर्याप्त हो सकती है; यह पदार्थ को केवल अधिक लचीला बनाने की प्रक्रिया नहीं है।

कम लागत वाला लेज़र

नई व्यवस्था में कम लागत वाला दृश्य-प्रकाश लेज़र फेम्टोसेकंड लेज़र के साथ काम करता है। इसे इस प्रकार समायोजित किया गया कि वह अवरोधकों की सांद्रता कम करे और फेम्टोसेकंड लेज़र की आवश्यक शक्ति घटाए। यह पारंपरिक व्यवस्था के दो फेम्टोसेकंड लेज़रों में से एक को बदलने का मामला नहीं है।

फेम्टोसेकंड लेज़र

प्रयोग में 800 nm फेम्टोसेकंड लेज़र के साथ MPB Communications Inc. का 532 nm नैनोसेकंड पल्स फ़ाइबर लेज़र इस्तेमाल किया गया। दूसरे लेज़र के लिए टीम ने 80 MHz पुनरावृत्ति दर और 1.2 ns पल्स अवधि चुनी। इसलिए 532 nm वाला लेज़र नैनोसेकंड लेज़र था, फेम्टोसेकंड नहीं।

दो-लेज़र मिरर

प्रकाश को Nikon के 100X तेल-आवेशन ऑब्जेक्टिव लेंस से केंद्रित किया गया, जिसका संख्यात्मक एपर्चर 1.49 था। व्यवस्था में Edmund Optics के फैलाव-क्षतिपूर्ति दर्पण भी शामिल थे। प्रकाश-पथ को दोहराने योग्य और सटीक बनाए रखने के लिए हीलियम-नियॉन (HeNe) लेज़र का उपयोग किया गया।

दो-लेज़र के साथ संतुलन कार्य

नई प्रक्रिया को समझने के लिए अभियंताओं ने एक गणितीय मॉडल तैयार किया। इससे प्रकाश-बहुलकीकरण की अभिक्रियाओं और पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं के बीच संबंधों का अध्ययन किया जा सका। मॉडल ने प्रकाश से उत्तेजना और उसके बाद की पॉलिमराइज़ेशन अभिक्रियाओं को साथ समझने में मदद की।
मॉडल ने टू-फोटॉन और सिंगल-फोटॉन उत्तेजना के संयुक्त प्रभाव को समझने में सहायता की। इसके माध्यम से टीम ने आकलन किया कि प्रिंटिंग का प्रदर्शन बनाए रखते हुए फेम्टोसेकंड लेज़र की शक्ति कितनी कम की जा सकती है।

दो-लेज़र परीक्षण

इसके बाद शोधकर्ताओं ने विभिन्न द्वि-आयामी और त्रि-आयामी संरचनाएँ प्रिंट करके विधि की जाँच की। इन आकृतियों को उनके छोटे आकार और जटिलता के कारण चुना गया। उदाहरणों में 25 × 25 × 10 μm आकार की जालीदार वुडपाइल संरचनाएँ शामिल थीं।

टीम ने वुडपाइल संरचनाओं के अलावा एक सूक्ष्म बकीबॉल, एक काइरल संरचना और एक ट्रेफ़ॉइल गाँठ भी प्रिंट की। इन अलग-अलग आकृतियों से विधि की विभिन्न क्षमताओं का प्रदर्शन किया गया।

परिणाम

परीक्षणों में अकेले फेम्टोसेकंड लेज़र की तुलना में उसकी आवश्यक प्रिंटिंग शक्ति में अधिकतम 50% कमी देखी गई। यह पूरी प्रणाली की कुल ऊर्जा खपत में 50% कमी का दावा नहीं है। 800 nm फेम्टोसेकंड लेज़र को 532 nm लेज़र से बदला नहीं गया; दोनों साथ इस्तेमाल हुए।
दृश्य तरंगदैर्ध्य वाले लेज़र के सिंगल-फोटॉन अवशोषण ने अवरोधकों की सांद्रता घटाई। इससे तुलनीय संरचनाएँ बनाने के लिए फेम्टोसेकंड लेज़र की कम शक्ति आवश्यक हुई। हर प्रयोग में सामग्री और समय दोनों की बचत सिद्ध हुई हो, ऐसा निष्कर्ष नहीं निकालना चाहिए।

आसान एकीकरण

इस विधि की एक संभावित विशेषता यह है कि मौजूदा टू-फोटॉन प्रिंटिंग व्यवस्थाओं में अतिरिक्त लेज़र और आवश्यक प्रकाशीय घटक जोड़कर इसे अपनाया जा सकता है। इससे अधिक शक्ति वाले उपकरण की आवश्यकता घट सकती है। वास्तविक लागत और अनुकूलन की जरूरत संबंधित व्यवस्था पर निर्भर करेगी।

दो-लेज़र अनुप्रयोग

इस तकनीक के कई संभावित अनुप्रयोग हैं। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में लागत घटाने और प्रदर्शन बेहतर करने वाले तरीकों में रुचि बढ़ रही है। नीचे कुछ ऐसे क्षेत्र दिए गए हैं जहाँ यह विधि उपयोगी हो सकती है।

माइक्रो इलेक्ट्रॉनिक्स/रोबोटिक्स

सूक्ष्म स्तर पर प्रिंटिंग की क्षमता माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और रोबोटिक्स के लिए उपयोगी हो सकती है। इन उपकरणों की बहुत छोटी संरचनाएँ बनाना कठिन होता है। नई विधि ऐसे हिस्सों के निर्माण और उनके प्रोटोटाइप तैयार करने में सहायता कर सकती है।

बायोमेडिक्स

स्वास्थ्य-सेवा में भी सूक्ष्म संरचनाओं के संभावित उपयोग हैं। ऊतक अभियांत्रिकी और जैव-रोबोटिक उपकरणों के लिए छोटे ढाँचे बनाए जाते हैं। इस शोध से ऐसी संरचनाओं के निर्माण में मदद मिल सकती है, लेकिन अध्ययन ने रोगियों में उपचार संबंधी लाभ सिद्ध नहीं किए।

आज इस शोध से लाभान्वित हो सकने वाली कंपनियाँ

आने वाले वर्षों में चिकित्सा, औद्योगिक और अन्य क्षेत्रों की कंपनियाँ इस शोध से लाभ उठा सकती हैं। दो रंगों वाली लेज़र प्रिंटिंग सूक्ष्म एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए एक संभावित सुधार है। नीचे दी गई कंपनियों के उपयोग केवल संभावनाएँ हैं; अध्ययन ने उनके द्वारा इस तकनीक को अपनाने की पुष्टि नहीं की है।

1. Medtronic

MDT मूल्य चार्ट

Medtronic चिकित्सा उपकरणों की एक प्रमुख वैश्विक निर्माता है। इसकी शुरुआत 1949 में चिकित्सा उपकरणों की मरम्मत करने वाली कंपनी के रूप में हुई थी। आज इसके पास चिकित्सा तकनीक से जुड़े अनेक पेटेंट और उत्पाद हैं।

Medtronic पेसमेकर उद्योग में अग्रणी थी और प्रत्यारोपण योग्य उपकरण का पेटेंट कराने वाली पहली कंपनियों में से एक थी। तब से यह बाज़ार में प्रमुख बनी हुई है और रोगियों का जीवन बेहतर बनाने के लिए नई तकनीक पेश करती रही है। दो-रंग वाली लेज़र प्रिंटिंग विधि अपनाने से कंपनी अपने उपकरणों का आकार घटाकर अपने उत्पादों में उल्लेखनीय सुधार कर सकती है।

Medtronic ने वित्त वर्ष 2024 में लगभग 32 अरब अमेरिकी डॉलर का राजस्व दर्ज किया। चिकित्सा उपकरणों में इसका अनुसंधान और उत्पाद पोर्टफ़ोलियो इसे इस क्षेत्र की महत्वपूर्ण कंपनी बनाते हैं। इससे किसी भी निवेशक के लिए उपयुक्त निवेश होने की गारंटी नहीं मिलती।

2. Abbott Laboratories

ABT मूल्य चार्ट

Abbott Laboratories (ABT ) की स्थापना 1888 में इलिनॉय में हुई थी। कंपनी चिकित्सा उपकरण, निदान उत्पाद, पोषण उत्पाद और स्थापित औषधीय ब्रांडों सहित कई क्षेत्रों में काम करती है।

Abbott Laboratories के उत्पाद चिकित्सा उद्योग के कई क्षेत्रों में फैले हैं। यह विशेष रूप से हृदय-वाहिका, निदान, मधुमेह और न्यूरोमॉड्यूलेशन संबंधी उत्पादों के लिए जानी जाती है। इसके लोकप्रिय ब्रांडों में Pedialyte और Similac भी शामिल हैं; Similac शिशु फ़ॉर्मूला का एक प्रमुख ब्रांड है।

चिकित्सा उपकरणों और पोषण उत्पादों का संयोजन Abbott Laboratories के कारोबार का महत्वपूर्ण हिस्सा है। कंपनी विश्व स्तर पर हृदय संबंधी चिकित्सा उपकरण भी उपलब्ध कराती है। इसके आधार पर सभी निवेशकों के लिए शेयर को बनाए रखने की सिफ़ारिश नहीं की जा सकती; निवेश का निर्णय मूल्यांकन और जोखिम पर निर्भर करता है।

भविष्य

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में तेजी से नई तकनीकें विकसित हो रही हैं। यह शोध सूक्ष्म रोबोटिक्स, इलेक्ट्रॉनिक्स और पहनने योग्य उपकरणों के छोटे हिस्से बनाने में मदद कर सकता है। भविष्य में सूक्ष्म पहनने योग्य और प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरणों में इसके संभावित उपयोगों की जाँच की जा सकती है।

स्पेस प्रिंटर

अंतरिक्ष में 3D प्रिंटिंग के क्षेत्र में हाल में कई विकास हुए हैं। पृथ्वी पर काम करने वाली प्रणालियों से अलग, अंतरिक्ष की प्रणालियों को सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण में सामग्री जमा करने और उसे नियंत्रित रखने की चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।
इन चुनौतियों से निपटने के लिए शोधकर्ताओं ने नियंत्रण संबंधी गणनाओं और बंद प्रिंटिंग कक्ष का उपयोग किया है। ऐसा कक्ष अंतरिक्ष यात्रियों और अंतरिक्षयान के वातावरण को धुएँ, कणों तथा अन्य संभावित खतरों से अलग रखने में भी मदद करता है।

एआई प्रिंटर

3D प्रिंटिंग में कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग बढ़ रहा है। उन्नत एल्गोरिदम डिज़ाइन और प्रिंटिंग प्रक्रियाओं को बेहतर बनाने में मदद कर सकते हैं। चैट या आवाज़ से प्रिंटिंग निर्देश देना भी भविष्य के संभावित अनुप्रयोगों में शामिल है।
कृत्रिम बुद्धिमत्ता उपयोगकर्ताओं की कुछ तकनीकी बाधाएँ कम कर सकती है। इस कारण इसे 3D प्रिंटिंग में एक उपयोगी विकास माना जाता है। भविष्य में ऐसी सेवाएँ अधिक व्यापक हो सकती हैं, जबकि अभी उनका उपयोग संबंधित प्रणाली की क्षमताओं पर निर्भर है।

स्वयं-मरम्मत करने वाले रोबोट

स्वयं मरम्मत करने वाले रोबोट भी अनुसंधान का एक क्षेत्र हैं। कुछ 3D प्रिंटर अपने अनेक हिस्से स्वयं प्रिंट कर सकते हैं, लेकिन इससे वे पूरी तरह स्वायत्त या अपने सभी घटक बनाने में सक्षम नहीं हो जाते। इसी तरह रोबोटों में स्वयं मरम्मत की क्षमता विकसित करने पर काम हो रहा है, जिससे भविष्य में कठिन कार्यों के दौरान उनकी उपयोगिता बढ़ सकती है।

दो-रंग लेज़र प्रिंटिंग एक बड़ा उन्नयन है

इस शोध ने कम फेम्टोसेकंड लेज़र शक्ति के साथ सूक्ष्म संरचनाएँ बनाने का एक रास्ता दिखाया है। आगे के विकास से माइक्रोरोबोटिक्स और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में इसके उपयोग बढ़ सकते हैं। व्यापक अपनाव इसकी लागत, गति और व्यावहारिक विश्वसनीयता पर निर्भर करेगा।

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