ज्यामितीय-आधारित 3D प्रिंटिंग कंपन को समाप्त करती है

मिशिगन विश्वविद्यालय और एयर फ़ोर्स रिसर्च लेबोरेटरी (AFRL) के शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक ऐसी 3D-प्रिंटेड संरचना प्रस्तुत की है जो केवल अपनी ज्यामिति के कारण कंपन को अत्यधिक कम कर सकती है। यह कार्य निर्माण, एयरोस्पेस और स्वास्थ्य सेवा सहित कई उद्योगों पर व्यापक प्रभाव डाल सकता है। इसके बारे में आवश्यक जानकारी यहां दी गई है।

कंप नियंत्रण

कंपन को नियंत्रित करने की क्षमता आज की तकनीक का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। इससे कार के इंजन से लेकर स्मार्टफोन के भीतर मौजूद विद्युत घटकों तक में कंपन कम किया जाता है। पारंपरिक रूप से इंजीनियर रबर पैड जैसी वस्तु लगाकर घटकों के बीच अवरोध बनाते थे, ताकि कंपन को अवशोषित और कम किया जा सके।

समय के साथ कंपन इंजीनियरों ने नियंत्रण तकनीक को बेहतर बनाया और इस काम के लिए विशेष नई सामग्रियां विकसित की गईं। उदाहरण के लिए, डैम्पर और आइसोलेटर गति तथा ऊर्जा को संवेदनशील घटकों तक पहुंचने से रोकते हैं। यह विज्ञान काफी आगे बढ़ा है, लेकिन प्रदर्शन सुधारने के लिए अब भी मुख्यतः कंपन-रोधी रासायनिक संरचनाओं के विकास पर निर्भर करता है।

प्रकृति कंपन को कैसे नियंत्रित करती है

प्रकृति में कंपन कम करने का एक अलग और अधिक प्रभावी तरीका है, जो अरबों वर्षों के विकास से तैयार हुआ है। कठफोड़वा, लकड़ी, हड्डियों और यहां तक कि मकड़ी के रेशम में भी इसके परिष्कृत उदाहरण मिलते हैं। ये सभी अपनी सामग्री के साथ-साथ संरचना का उपयोग करके कंपन को अधिक प्रभावी ढंग से कम या स्थानांतरित करते हैं।

बायो-प्रेरित इंजीनियरिंग दृष्टिकोण

इन क्षमताओं को देखकर वैज्ञानिक कई वर्षों से कंपन पृथक्करण के लिए रासायनिक के बजाय ज्यामितीय दृष्टिकोण की नकल करने का प्रयास कर रहे हैं। उन्होंने पाया है कि पदानुक्रमित संरचनाएं सामग्री की रसायन-सीमाओं से परे प्रदर्शन दे सकती हैं।

मैक्सवेल लैटिस

मैक्सवेल लैटिस इस कार्य का प्रमुख उदाहरण हैं और ज्यामितीय टोपोलॉजी में वर्षों के शोध का परिणाम हैं। ये आकृतियां बिना अतिरिक्त सामग्री या प्रणाली के उत्कृष्ट ध्वनि-अवमंदन क्षमता दिखाती हैं। इनका एक-आयामी ढांचा भार तनाव को प्रभावी रूप से घटाता और कंपन की दिशा बदलता है।

कागोमे ट्यूब्स

मैक्सवेल लैटिस के सबसे सामान्य उदाहरणों में कागोमे ट्यूब शामिल हैं। ‘कागोमे’ शब्द जापानी टोकरी-बुनाई की एक तकनीक से आया है, जिसका पैटर्न इस ट्यूब के डिजाइन जैसा दिखता है। ये संरचनाएं छोटी ट्यूब के रूप में लपेटी गई चेन-लिंक बाड़ जैसी होती हैं।

इनकी भीतरी और बाहरी दोनों परतें भार, तनाव और कंपन को अवशोषित कर उनकी दिशा बदलती हैं। इस डिजाइन में संरचना की दोनों परतें आपस में जुड़ी रहती हैं।

आज के मैक्सवेल लैटिस में समस्याएँ

टोपोलॉजिकल मैक्सवेल लैटिस के कई लाभ हैं, लेकिन कुछ कमियां भी हैं। वे स्वयं को सहारा नहीं दे सकते। कम ऊर्जा के स्थानांतरण को असममित रूप से सीमित करने में वे प्रभावी हैं, पर अस्थिर और नाजुक होने के कारण उनका उपयोग सीमित रहता है।

इनका निर्माण भी महंगा है और इसके लिए विशेष उन्नत उत्पादन तकनीकों की आवश्यकता होती है। कई मामलों में ये आकृतियां नैनो स्तर पर बनाई जाती हैं, जिसके लिए खास उपकरण और प्रक्रियाएं चाहिए।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन

इस महीने APS Physical Review Applied में प्रकाशित अध्ययन Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹ स्वयं को सहारा देने वाली टिकाऊ कागोमे ट्यूब बनाने की नई विधि प्रस्तुत करता है। इसमें उन्नत भौतिकी, आधुनिक निर्माण रणनीतियों और कंप्यूटर आधारित संरचनात्मक मॉडलिंग को जोड़ा गया है।

स्रोत – James McInerney, Air Force Research Laboratory

यह कार्य उद्योग में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि माना जा रहा है, क्योंकि इसमें कंपन-अवमंदन क्षमता सुधारने के लिए सिद्धांत और कंप्यूटर मॉडलिंग सहित कई क्षेत्रों की दशकों की प्रगति का उपयोग किया गया है। नई पद्धति 3D प्रिंटर से प्रकृति की कुछ सबसे प्रभावी संरचनाओं की नकल कर उन्हें बेहतर बनाती है। साथ ही इसमें पॉलिमर, धातु और अगली पीढ़ी के अन्य कंपोजिट सहित अनेक सामग्रियां इस्तेमाल की जा सकती हैं।

3D-प्रिंटेड मेटामटेरियल्स

इंजीनियर आधुनिक 3D प्रिंटर की क्षमताओं का उपयोग करके संरचना के डिजाइन में अधिक नियंत्रण और सटीकता हासिल करते हैं। उन्होंने अपने डिजाइन के लिए उपलब्ध सामग्री, विशेष रूप से नायलॉन, का उपयोग किया। इससे लागत घटती है और यह भी दिखता है कि आज के 3D प्रिंटर कितने जटिल पैटर्न बना सकते हैं।

ये डिजाइन केवल अपनी ज्यामिति से कंपन को पकड़, फैला, स्थानांतरित और कम कर सकते हैं। यह क्षमता उनकी आकृति और कंपन के दौरान किनारों के परस्पर व्यवहार से आती है। वे ऊर्जा को ऐसे चक्र में मोड़ते हैं जो उसे अगले हिस्से तक भेजने के बजाय आकृति के भीतर फैलाए रखता है, इसलिए ये संरचनाएं कंपन पृथक्करण के लिए आदर्श हैं।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन परीक्षण

कागोमे ट्यूब डिजाइन चुनने से पहले इंजीनियरों ने कई जटिल डिजाइनों का परीक्षण किया। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन और वर्षों के टोपोलॉजी शोध से जुटाए गए व्यापक डेटा के आधार पर विशेषताओं का मॉडल बनाकर शुरुआत की।

उन्होंने पाया कि स्वतंत्र इकाई के रूप में काम करने के लिए आवश्यक संरचनात्मक सहारा देने हेतु कागोमे ट्यूबों के सिरों पर कठोर कनेक्टर जोड़ने होंगे। इसके बाद संरचनाओं पर कंपन लागू किए गए और फाइनाइट-एलिमेंट विधियों से प्रभावों की निगरानी की गई।

इस रणनीति से संरचना की विस्थापन-संचरण क्षमता को आवृत्ति फलन में बदला जा सका। यह महत्वपूर्ण कदम था, जिसने इंजीनियरों को प्रिंटिंग से पहले कंप्यूटर मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में डिजाइन का अत्यधिक सटीक परीक्षण करने दिया। फिर उन्होंने विभिन्न भार स्थितियों में नए डिजाइन की कठोरता दर्ज की।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन परीक्षण परिणाम

परीक्षण ने कई रोचक तथ्य सामने रखे। इसने विशेष रूप से दिखाया कि ये संरचनाएं बिना अतिरिक्त सहारे के कंपन कम कर सकती हैं। लैटिस के टोपोलॉजिकल ध्रुवीकरण का उपयोग करके संरचना ने कंपन को पकड़कर अलग कर दिया।

कार्य से वे क्षेत्र भी सामने आए जिन पर इकाइयों को बाजार तक पहुंचाने से पहले और शोध करना होगा। कंपन-दमन और संरचनात्मक अखंडता के बीच सीधा संबंध मिला: इकाई जितनी बेहतर कंपन घटाती थी, उसकी भार वहन क्षमता उतनी ही कमजोर होती थी।
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3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन लाभ

इस कार्य के कई लाभ हैं। यह संवेदनशील घटकों की रक्षा करने वाली हल्की और कम लागत की इलेक्ट्रॉनिक्स के नए युग का रास्ता खोलता है। यह रणनीति अनुकूलित उत्पादन विधियों के बजाय 3D प्रिंटर पर आधारित है, इसलिए रसायन-आधारित वैज्ञानिक तरीकों की तुलना में अधिक लोगों की पहुंच में है।

स्केलेबिलिटी

एक अन्य महत्वपूर्ण लाभ यह है कि यह कंपन पृथक्करण के लिए पूरी तरह विस्तार योग्य तरीका देता है। अध्ययन से प्राप्त डेटा अधिक उन्नत नैनो संरचनाएं बनाने में मदद कर सकता है और संभवतः अधिक मजबूत गगनचुंबी इमारतों के विकास का मार्ग खोल सकता है।

अतिरिक्त दृढ़ता

3D प्रिंटिंग पद्धति इन संरचनाओं को अतिरिक्त कठोरता भी देती है। डिजाइन का सिमुलेशन करके सीधे प्रोटोटाइप प्रिंट करने की क्षमता परीक्षण चरण को छोटा करती है और बड़े पैमाने पर अपनाने का रास्ता खोलती है।

लचीलापन

इस पद्धति से इंजीनियर अधिक सघन और विशिष्ट उद्देश्य वाली संरचनाएं बना सकेंगे। 3D प्रिंटर ऐसे आकार-अनुकूल कंपन-अवमंदन तंत्र बना सकते हैं जो बाद में जोड़ने के बजाय सीधे उपकरण में समाहित हों। बहु-सामग्री प्रिंटिंग की प्रगति के साथ एक ही प्रिंट सत्र में उन्नत इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाना संभव हो सकता है।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन: वास्तविक-विश्व अनुप्रयोग & टाइमलाइन:

यह कार्य संरचनात्मक डिजाइन को नया रूप दे सकता है तथा अधिक उन्नत तकनीक, हल्के विकल्प और यांत्रिक रूप से कार्यशील आवास विकसित कर सकता है। अनेक क्षेत्र इससे बहुत लाभान्वित हो सकते हैं। कुछ प्रमुख उदाहरण निम्न हैं।

परिवहन

परिवहन उद्योग इस तकनीक से अधिक टिकाऊ और हल्के वाहन बना सकता है। भार घटाने और प्रदर्शन बढ़ाने के लिए ठोस इस्पात संरचनाओं के स्थान पर मैक्सवेल लैटिस लगाए जा सकते हैं। इससे वाहन बनाने में आवश्यक सामग्री भी कम होगी।

निर्माण

यही लाभ निर्माण उद्योग के लिए भी बदलावकारी हो सकते हैं। निर्माता मौजूदा तरीकों के बेहतर विकल्प खोज रहे हैं और यह कार्य सामग्री लागत घटाते हुए संरचनात्मक अखंडता सुधार सकता है। पूरे पड़ोस बनाने में सक्षम 3D प्रिंटरों के हालिया प्रदर्शन का अर्थ है कि इस तकनीक का उद्योग में शीघ्र उपयोग हो सकता है।

चिकित्सा

जो संरचना भविष्य के घर या कार्यालय को अधिक स्थिर बना सकती है, वही शरीर के भीतर भी समान काम कर सकती है। स्वास्थ्य विशेषज्ञ दशकों से शरीर के विशिष्ट हिस्सों को पुनर्निर्मित करने में कठिनाई झेल रहे हैं। कृत्रिम शिराएं और धमनियां ऐसा प्रमुख क्षेत्र हैं जहां कागोमे ट्यूब तकनीक को आगे बढ़ाने के लिए आवश्यक अतिरिक्त सहारा दे सकती हैं।

एयरोस्पेस

भविष्य के विमान और अंतरिक्ष यात्री वजन घटाने तथा यान की मजबूती बढ़ाने के लिए इस तकनीक पर निर्भर हो सकते हैं। हल्के प्रिंट योग्य डिजाइन कुल वजन घटाते हुए अतिरिक्त सहारा देंगे। इंजीनियर प्रोटोटाइप प्रिंट करने से पहले कंप्यूटर सिमुलेशन से डिजाइन अनुकूलित कर समय और धन दोनों बचा सकते हैं।

टाइमलाइन

इस तकनीक को रोजमर्रा के उत्पादों तक पहुंचने में पांच से सात वर्ष लग सकते हैं। हल्के और टिकाऊ घटकों की मांग मजबूत है, लेकिन अभी बहुत काम बाकी है। शोध दल को अन्य सामग्रियों, संरचनाओं और आकृतियों का भी अध्ययन करना होगा।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन शोधकर्ता

3D-प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन मिशिगन विश्वविद्यालय और AFRL के इंजीनियरों ने प्रस्तुत किया। शोधपत्र में James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao और Abigail Juhl को योगदानकर्ता बताया गया है।

अध्ययन को Office of Naval Research, DARPA और U.S. National Research (NRC ) Council Research Associateship Program सहित कई सरकारी संस्थाओं से आंशिक वित्तपोषण मिला। शोध दल को National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine से प्रशासनिक सहायता भी मिली।

3D प्रिंटेड कंपन उन्मूलन अध्ययन भविष्य

इस तकनीक का भविष्य उज्ज्वल है। इंजीनियर वजन और मजबूती के संतुलन को बेहतर करने का काम जारी रखेंगे। इसके लिए वे अधिक जटिल ज्यामितियों का अध्ययन करने के साथ विशेष सहायक सामग्री विकसित करेंगे। उनका उद्देश्य इस्पात या प्लास्टिक को बदलना नहीं, बल्कि उनका अधिक अनुकूलित उपयोग करना है।

3D प्रिंटिंग में निवेश

कई कंपनियां बाजार को कंपन-अवमंदन और पृथक्करण सेवाएं देती हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स, सैन्य, चिकित्सा और निर्माण सहित अनेक उद्योगों की उत्पादन प्रक्रिया में इनकी महत्वपूर्ण भूमिका है। निम्न कंपनी लगातार नवाचार के प्रति अपनी प्रतिबद्धता दिखाती है।

3M

3M ने 1902 में Minnesota Mining and Manufacturing Company के रूप में बाजार में प्रवेश किया। कंपनी ने पहले Two Harbors, Minnesota में काम शुरू किया, फिर 1905 में Duluth और 1910 में St. Paul स्थानांतरित हुई। संस्थापक Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan और Hermon W. Cable ने इसे खनन उद्योग की सहायक कंपनी के रूप में परिकल्पित किया था।

कंपनी ने सैंडपेपर आपूर्ति से आगे बढ़कर लगभग हर उद्योग में विस्तार किया और कहीं अधिक उपलब्धियां हासिल कीं। 3M की उपलब्धियों में 1925 में स्कॉच टेप, 1939 में राजमार्ग संकेतों के लिए परावर्तक सामग्री और 1980 में Post-it नोट्स का आविष्कार शामिल है।

सामग्री विज्ञान में लंबे नवाचार इतिहास के अलावा 3M एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में सक्रिय कंपनी बन चुकी है। उसने PTFE जैसे पूर्णतः फ्लोरीनयुक्त पॉलिमर के लिए 3D प्रिंटिंग प्रक्रियाएं विकसित की हैं, जिनसे एयरोस्पेस और औद्योगिक उपयोग के हल्के तथा ताप-रोधी घटक बनते हैं। कंपनी ने उच्च-सटीकता उत्पादन के लिए 3D-प्रिंटेड ग्राइंडिंग व्हील और कस्टम उत्पादन सेवाएं भी पेश की हैं। 3M स्वयं प्रिंटर नहीं बनाती, लेकिन प्रिंट योग्य सामग्रियों और प्रक्रिया अनुकूलन में उसकी अग्रणी स्थिति उसे बढ़ते 3D प्रिंटिंग पारिस्थितिकी तंत्र का रणनीतिक आपूर्तिकर्ता बनाती है।