एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग प्रकृति की नकल करती है, अर्धचालकों के लिए नई संभावनाएँ खोलती है

निर्माताओं ने पिछले पाँच वर्षों में अपनी एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग विधियों में सुधार किया है। फिर भी, एक सीमा बनी हुई है जिसे कोई समाप्त नहीं कर पाया है – प्रकृति में पाए जाने वाले अल्ट्रा-पतले संरचनाओं को तेज़ी से प्रिंट करने की क्षमता। इनके सूक्ष्म गुणों के कारण, इन संरचनाओं को अत्यंत मजबूत और लचीला बनाया जा सकता है, जिससे वे आज के उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनती हैं।

सौभाग्य से, शोधकर्ताओं की एक नवाचारी टीम ने संभवतः एक नई 3डी प्रिंटिंग विधि को अनलॉक कर ली है जो प्रकृति की नकल करती है, जिससे नई संभावनाओं के द्वार खुलते हैं, संभावित रूप से एम्बेडेड अर्धचालकों के निर्माण सहित। यहाँ वह सब कुछ है जो आपको जानना चाहिए।

प्रकृति की नकल

प्रकृति में पतली रेशेदार संरचनाओं जैसे बाल या पतली रक्त वाहिकाओं के कई उपयोग होते हैं, जो आपके मांसपेशियों को रक्त प्रवाह के माध्यम से ऑक्सीजन प्राप्त करने में मदद करती हैं। कुछ जानवरों के लिए, ये पतले बाल सेंसर के रूप में काम कर सकते हैं, जैसे कि व्हिस्कर्स। अन्य प्रजातियों में, जैसे कि मकड़ियों में, इन्हें जाल बनाने या घर बनाने के साधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

छिपकलियों और कई अन्य जानवरों में बाल जैसी विशेषताओं का उपयोग करके वे ऊर्ध्वाधर दीवारों पर चढ़ते हैं। यहाँ तक कि ऐसे मामले भी हैं जहाँ पतली बाल जैसी संरचनाओं को रक्षा तंत्र के रूप में उपयोग किया जाता है। हैगफ़िश अपने शिकारियों पर रेशेदार जेल फेंकता है जो उनके गल्स और आँखों को ढँक देता है, जिससे संभावित शिकारियों को घुटन और अंधा कर देता है।

इंजीनियरों ने लंबे समय से इन प्राकृतिक घटनाओं की प्रतिकृति बनाने की इच्छा रखी है, लेकिन आज की निर्माण प्रक्रियाओं की सीमाओं के कारण यह असंभव रहा है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग तकनीक में हालिया प्रगति ने कुछ समस्याओं को हल करने में मदद की है, लेकिन कई चुनौतियां अभी भी बनी हुई हैं। अब, 3डी प्रिंटिंग की एक नई विधि पहेली के गायब टुकड़े प्रदान करने का वादा करती है, जिससे अल्ट्रा-फाइन डिज़ाइन संरचनाओं की नई लहर संभव हो सकेगी।

पारंपरिक 3डी-प्रिंटिंग विधियाँ

पारंपरिक 3डी प्रिंटिंग एक नोजल और सॉल्वेंट का उपयोग करती है जो खुले वातावरण में परत दर परत निकाला जाता है। सामग्री को फिर समय, गर्मी या यहाँ तक कि लेज़र द्वारा सूखा जाता है। हालिया प्रगति ने पारंपरिक 3डी प्रिंटिंग को पतली एक्सट्रूड्स बनाने की क्षमता दी है, लेकिन प्रकृति की प्रतिकृति बनाने में अभी भी बहुत कमी है।

कमियां

पारंपरिक 3डी प्रिंटिंग विधियों की मुख्य कमियों में प्रिंट की समग्र अभिविन्यास जैसी समस्याएँ शामिल हैं। प्रिंट को इस तरह स्थित होना चाहिए कि प्रत्येक परत अगले परत को समर्थन दे सके। कई मामलों में, प्रिंट के सूखने के बाद समर्थन संरचनाओं को जोड़ना और हटाना पड़ता है, जिससे कुल कार्यभार और समय बढ़ जाता है।

इंजीनियरों द्वारा बनवाने की चाही गई बारीक बाल जैसी प्रिंट की पतलापन खुले हवा में पुनरुत्पादित करना असंभव साबित हुआ है। संरचनात्मक स्थिरता, गुरुत्वाकर्षण और अन्य बल माइक्रो-पतली समर्थन को मुड़ने का कारण बनते हैं। एक समाधान यह है कि हवा के बजाय किसी पदार्थ में प्रिंट किया जाए।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग एक अन्य माध्यम का उपयोग करती है जो क्योर और कठोर होते समय संरचना को समर्थन प्रदान करता है। एम्बेडेड प्रिंटिंग सिस्टम हाइड्रोजेल का उपयोग कर सकते हैं जो प्रिंटिंग नोजल को स्वतंत्र रूप से चलने देता है, लेकिन सूखते समय प्रिंट को जगह पर रखता है। यह दृष्टिकोण सीधे इंक लेखन के दौरान प्रिंटेड संरचनाओं के गुरुत्वाकर्षण-प्रेरित विकृति से संबंधित समस्याओं को हल करता है।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग के कुछ अतिरिक्त लाभ भी हैं। एक तो, हाइड्रोजेल मिश्रण पुन: उपयोग योग्य है, जिसका अर्थ है कि प्रिंटरों को प्रत्येक प्रिंट के लिए नया खरीदने की आवश्यकता नहीं होती। वे विभिन्न प्रकार के फ़िलामेंट का उपयोग करके जटिल संरचनाएँ बना सकते हैं क्योंकि प्रक्रिया क्योरिंग के दौरान समर्थन प्रदान करती है।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग कमियां

यह एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग विधि कुछ डिज़ाइनों और पतली एक्सट्रूड्स, जैसे हेलिकल स्प्रिंग्स, को प्रिंट करने में अधिक प्रभावी साबित हुई है। हालांकि, प्रकृति जैसी फाइबरों को प्रिंट करने की इसकी क्षमता सतह तनाव के कारण फ़िलामेंट के कैपिलरी टूटने से सीमित रहती है। परीक्षण दर्शाते हैं कि सोलह माइक्रोन व्यास से कम किसी भी चीज़ को वर्तमान एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग विधियों की सीमा से बाहर माना जाता है, क्योंकि सतह तनाव से फ़िलामेंट टूट जाता है।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग अध्ययन

प्रकृति से प्रेरित होकर, दक्षिण कोरिया के डंकुक विश्वविद्यालय के इंजीनियरों और अन्य लोगों ने एम्बेडेड सॉल्वेंट एक्सचेंज पर आधारित एक नई एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग विधि प्रस्तुत की। यह बायो-प्रेरित दृष्टिकोण जर्नल नेचर कम्युनिकेशन्स में अध्ययन एम्बेडेड सॉल्वेंट एक्सचेंज द्वारा बारीक, निरंतर और नरम फाइबरों की तेज़ 3डी प्रिंटिंग के रूप में प्रकाशित हुआ। यह तेज़ प्रिंटिंग, मल्टी-नोजल प्रक्रिया 3DPX (3D printing by solvent exchange) को दर्शाता है।

नॉन-न्यूटनियन जेल

3DPX विधि नॉन-न्यूटनियन जेलों के उपयोग को नई प्रिंटर डिजाइन के साथ मिलाकर माइक्रोन-पतली फ़िलामेंटस संरचनाओं को प्रिंट करती है। उल्लेखनीय रूप से, जेल सॉल्वेंट एक्सचेंज का उपयोग करके सतह तनाव से कैपिलरी टूटने को रोकती है। इस प्रकार, यह प्रिंट नोजल को अतिरिक्त टॉर्क के कारण स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति देती है, लेकिन पतली फाइबर जेल को ठोस के रूप में देखती हैं, जिससे आवश्यक समर्थन मिलता है।

3D प्रिंटिंग प्रकृति की नकल करती है

इसके अतिरिक्त, जेल ने माइक्रोन-स्केल थ्रेड बंडल के उपयोग के कारण उत्कृष्ट यांत्रिक प्रदर्शन प्रदान किया। माइक्रोजेल कणों की अंतर-परत सतह की खुरदरापन के कारण उत्पन्न सीमाओं को कम किया।

तुरंत क्योरिंग

इंजीनियरों ने जेल को विभिन्न सॉल्वेंट्स के मिश्रण से बनाया जिससे इंक उसके संपर्क में आते ही ठोस हो जाता है। तुरंत क्योरिंग ने प्रिंटिंग प्रक्रिया को जटिल सुपर-पतली संरचनाओं को समर्थन देने में मदद की, जो पूर्व विधियों और सामग्रियों से असंभव होतीं।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग परीक्षण

अपनी सिद्धांत की जांच के लिए, टीम ने एक कस्टम-निर्मित 3डी प्रिंटर बनाया। यह उपकरण एक सटीक मोशन स्टेज सिस्टम, डिस्पेंसिंग सिस्टम और कंट्रोल कंप्यूटर को एकीकृत करता है, जो अधिकांश व्यावसायिक इकाइयों के समान है। मुख्य अंतर यह है कि यह समर्थन जेल के भीतर वीसकोप्लास्टिक यील्ड-स्ट्रेस फ्लुइड रिओलॉजी के साथ प्रिंट करता है।

विशेष रूप से, टीम ने सर्वश्रेष्ठ विकल्प खोजने के लिए 7 विभिन्न इंक का परीक्षण किया। चयन में थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर से लेकर पॉलीस्टाइरीन और पीवीसी तक की विभिन्न सामग्रियों को शामिल किया गया। अतिरिक्त परीक्षण में स्टाइरीन एथिलीन ब्यूटिलीन स्टाइरीन ब्लॉक कोपॉलिमर, SEBS, और टॉल्यूीन को सॉल्वेंट विकल्प के रूप में उपयोग की समीक्षा की गई।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग परिणाम

परीक्षण परिणामों ने प्रभावशाली क्षमताओं को प्रदर्शित किया। उन्होंने पाया कि निकाली गई इंक के बीच सॉल्वेंट एक्सचेंज ने तेज़ ठोसकरण को सुविधाजनक बनाया, जिससे अधिक जटिल और जटिल प्रिंट्स को समर्थन मिला। टीम के प्रिंटर ने कांच के नोजल का उपयोग करके प्रिंट्स पर 5 µm का आंतरिक व्यास प्राप्त किया। वही उपकरण मुक्त-रूप पथों का अनुसरण करते हुए 1.5 माइक्रोन की पतलापन रेज़ोल्यूशन हासिल कर सका।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग लाभ

एक माइक्रोन तक छोटे व्यास वाले नरम सामग्री का उपयोग करके संरचनाओं को प्रिंट करने की क्षमता सामग्री विज्ञान में क्रांति का द्वार खोलती है। पतली बाल जैसी संरचनाओं का उपयोग करने वाली सामग्री और संरचनाएँ संरचनात्मक अखंडता का नया स्तर प्रदान कर सकती हैं।

तेज़

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग की यह विधि तुरंत क्योरिंग विशेषता के कारण पारंपरिक विधियों से तेज़ है। विशेष रूप से, टीम ने निकाली गई पॉलीमर फ़िलामेंट के ठोसकरण को 2.33 μm/s की दर से दर्ज किया। प्रभावशाली रूप से, यह डेटा प्रतिस्पर्धी विधियों से 5,00,000 गुना तेज़ दर्ज करता है।

तेज़ निर्माण

इसके अलावा, समानांतर कई नोज़लों के माध्यम से प्रिंट करने की क्षमता बड़े पैमाने पर निर्माण अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है। कई नोज़लों को असेंबली लाइन की तरह प्रिंट करने या जटिल संरचना बनाने के लिए सेट किया जा सकता है। ये संरचनाएँ विभिन्न सामग्रियों को एकीकृत कर सकती हैं। इस प्रकार, वे इलेक्ट्रिकल सर्किट, स्विच और बहुत कुछ प्रिंट कर सकते हैं।

लचीलापन

शोध दर्शाता है कि 3DPX कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पॉलीमर, सॉल्वेंट और नॉन-सॉल्वेंट घटकों सहित विस्तृत सामग्री रेंज को समर्थन दे सकता है। यह लचीलापन इस प्रक्रिया को वर्तमान निर्माण प्रक्रियाओं में एकीकृत करना आसान बनाता है।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग तकनीक का अर्धचालकों के लिए क्या अर्थ है

यह नवीनतम दृष्टिकोण इंजीनियरों को पूरी तरह सक्रिय 3डी-प्रिंटेड अर्धचालकों को बनाने की अनुमति देगा, जिसमें हालिया प्रगति जैसे पूरी तरह 3डी-प्रिंटेड रीसेटेबल फ्यूज़ शामिल हैं। यह तकनीकी प्रगति अर्धचालक उद्योग पर गहरा प्रभाव डाल सकती है। अंततः यह वैज्ञानिकों को इन उपकरणों के निर्माण को अधिक किफायती, कुशल और सक्षम बनाने में मदद करेगी।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग शोधकर्ता

दक्षिण कोरिया के डंकुक विश्वविद्यालय के फाइबर कंवर्ज़न मैटेरियल इंजीनियरिंग विभाग के डॉ. वोंसिक ईओम ने मेकएसई प्रोफेसर समेह तावफिक और रैंडी इवोल्ड सहित इंजीनियरों की टीम के साथ मिलकर इस नई 3डी प्रिंटिंग अध्ययन को सार्वजनिक किया। भविष्य में, वे अधिक सामग्री और जेलों की जांच के लिए परीक्षण का विस्तार करने की योजना बना रहे हैं।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग उद्योग में अग्रणी कंपनियां

पिछले दशक में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग ने काफी प्रगति की है। आज, विभिन्न प्रकार की प्रिंटिंग विधाएँ स्पेसक्राफ्ट के लिए कंपोजिट सामग्री बनाने से लेकर मानव अंगों की प्रिंटिंग तक, और बीच की सभी चीज़ों तक फैली हुई हैं। यहाँ एक कंपनी है जो किसी भी 3डी प्रिंटिंग प्रगति को अधिकतम करने के लिए तैयार है।

Materialise

बेल्जियम स्थित 3डी प्रिंटिंग सॉफ़्टवेयर और निर्माण फर्म, Materialise (MTLS ) बाजार में एक अग्रणी भावना बनी हुई है। इसे 1990 में विल्फ्रेड वैनक्रेन और हिल्डे इन्गेलाएरे ने तेज़ प्रोटोटाइपिंग विकल्प निर्माताओं को प्रदान करने के लिए स्थापित किया था। प्रभावशाली रूप से, इस फर्म ने पिछले तीन दशकों में कई प्रथम प्रस्तुत किए हैं।

आज, Materialise का 3डी प्रिंटिंग सॉफ़्टवेयर मॉड्यूल के उपयोग के कारण निर्माताओं में लोकप्रिय है। विशेष रूप से, लैटिस निर्माण और पार्ट नेस्टिंग के लिए मॉड्यूल उपलब्ध हैं। ये विकल्प डेवलपर्स को हल्के और मजबूत डिज़ाइन बनाने में मदद करते हैं और माइक्रोन-पतली संरचनाओं के निर्माण में आदर्श हो सकते हैं।

Materialise के उत्पाद कई उद्योगों में उपलब्ध हैं, जो चिकित्सा क्षेत्र से लेकर औद्योगिक उपयोग मामलों तक फैले हैं। इसे ट्रेडरों के लिए प्रमुख 3डी प्रिंटिंग स्टॉक विकल्पों में से एक माना जाता है। इस प्रकार, यह उन लोगों के पोर्टफ़ोलियो में एक समझदारी भरा जोड़ हो सकता है जो दशकों के अनुभव वाले विश्वसनीय 3डी प्रिंटिंग स्टॉक की तलाश में हैं।

एम्बेडेड 3डी प्रिंटिंग – तेज़ और हल्के कंप्यूटर

अल्ट्रा-पतली 3डी पैटर्न वाली संरचनाओं के कई उपयोग हैं। जब आप हार्डवेयर डेवलपर्स की इच्छा को देखते हैं कि वे एक ही प्रक्रिया में पूरे चिप को प्रिंट कर सकें, तो इस टीम द्वारा किया गया शोध आगे एक मूल्यवान संसाधन साबित होगा। एक बात यह है कि यह शोध सामग्री विज्ञान और अन्य क्षेत्रों में कई प्रगति के द्वार खोलता है।

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अध्ययन संदर्भ:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). एम्बेडेड सॉल्वेंट एक्सचेंज द्वारा बारीक, निरंतर और नरम फाइबरों की तेज़ 3डी प्रिंटिंग. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}