प्रकृति से प्रेरित 3 डी-प्रिंटिंग विधि बांस की तुलना में तेजी से शूट करती है

बेकमैन के ऑटोनॉमस मटेरियल सिस्टम्स ग्रुप के शोधकर्ताओं ने “ग्रोथ प्रिंटिंग” का निर्माण किया, जो कि मोल्ड और महंगे उपकरणों के बिना आमतौर पर 3 डी प्रिंटिंग के साथ जुड़े हुए मोल्ड और महंगे उपकरणों के बिना, बहुलक भागों को जल्दी और कुशलता से प्रिंट करने के लिए ट्री ट्रंक के बाहरी विस्तार की नकल करता है। उनका काम जर्नल में दिखाई देता है उन्नत सामग्री।

इलिनोइस उरबाना-शैंपेन और प्रोजेक्ट लीड विश्वविद्यालय में मैकेनिकल साइंस एंड इंजीनियरिंग के प्रोफेसर एकह तवफिक ने कहा, “मनुष्य अविश्वसनीय रूप से प्रतिभाशाली हैं। पूरी तरह से नई विनिर्माण प्रक्रियाओं को खोजने के लिए मुश्किल है। विकास मुद्रण पूरी तरह से नया है, जो रोमांचकारी है,” इलिनोइस उरबाना-शैंपेन और प्रोजेक्ट लीड में मैकेनिकल साइंस एंड इंजीनियरिंग के एक प्रोफेसर एकह तवफिक ने कहा।

ताव्फिक ने कहा कि सबसे आम औद्योगिक विनिर्माण तकनीक इंजेक्शन मोल्डिंग है, जहां पिघले हुए पॉलिमर एक धातु के मोल्ड में आकार लेते हैं। हालांकि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रभावी, मोल्ड्स को बनाए रखना और ओवन को ठीक करना (जहां प्लास्टिक हार्डेंस) लागत-निषेधात्मक और अनजाने हो सकते हैं-विशेष रूप से नाव के पतवार या प्रशंसक ब्लेड जैसी बड़ी वस्तुओं के लिए। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, जो एक लेयर केक की तरह 3 डी ऑब्जेक्ट्स को प्रिंट करता है, प्रोस्थेटिक्स जैसे कस्टम भागों के लिए मोल्ड-लेस और आदर्श है।

“पॉलिमर 3 डी प्रिंटिंग उपकरण परिपक्व हो गए हैं, लेकिन अभी भी ऐसे पहलू हैं जो इसे महंगा और बहुत धीमा कर देते हैं,” तौफिक ने कहा। “हमारा लक्ष्य कम लागत को बनाए रखते हुए विनिर्माण गति, आकार और सामग्री की गुणवत्ता को बढ़ाना था। यह प्रक्रिया जो हम साथ आए थे, वह वास्तव में तेज और सस्ती है।”

सबसे पहले, समान और उनके सहयोगियों ने बर्फ के पानी में डूबे हुए एक खुले ग्लास कंटेनर में डाइसिलोप्लोपेंटाडीन, या डीसीपीडी नामक एम्बर-रंगीन तरल राल डाला। वे राल में एक केंद्र बिंदु को 70C तक गर्म करते हैं। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया होती है, गर्मी 1 मिमी/एस पर संपर्क के मूल बिंदु से बाहर की ओर होती है, घर के उपयोग के लिए उपलब्ध डेस्कटॉप 3 डी प्रिंटर की तुलना में 100 गुना अधिक तेजी से और बांस की दुनिया की सबसे तेजी से बढ़ती प्रजातियों की तुलना में 60 गुना तेजी से। सब कुछ गर्मी एक बढ़ते क्षेत्र में कठोर हो जाती है, जैसे कि अगर पौराणिक राजा मिडास ने पृथ्वी के कोर को जब्त कर लिया हो। हीट की स्थिर रिलीज द्वारा स्व-स्थिर, प्रतिक्रिया-जिसे ललाट रिंग-ओपनिंग मेटाथेसिस पोलीमराइजेशन कहा जाता है और उपनाम सेम-राल को अपने ठोस रूप में सख्त करने के लिए न्यूनतम ऊर्जा का उपयोग करता है: पॉली-डाइसाइक्लोपेंटैडीन, या पी-डीसीपीडी।

जैसे -जैसे कठोर गोला बढ़ता है, शोधकर्ताओं ने इसे राल से बाहर निकालकर अपने आकार को बदल दिया, जैसे कि गोय कारमेल से बाहर एक सेब। चूंकि लिक्विड-टू-सॉलिड प्रतिक्रिया केवल सतह के नीचे होती है, इसलिए शोधकर्ता अपने आकार और आकार में हेरफेर करने के लिए उड़ाए हुए कांच की तरह ठोस भाग को उठा सकते हैं, डुबो सकते हैं या स्पिन कर सकते हैं। उदाहरण के लिए: एक नालीदार, या लहराती, किनारे बनाने के लिए, शोधकर्ता राल को थोड़ा उठाते हैं, इसे अभी भी पकड़ते हैं, और दोहराते हैं।

शोधकर्ताओं ने अपनी प्रक्रिया को इस बात की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया कि कैसे एक पेड़ लगातार बाहर की ओर फैलता है, रिंग द्वारा रिंग। प्रकृति में, गुरुत्वाकर्षण, हवा और तापमान जैसे तत्व सममित रूप से बढ़ने के लिए एक पेड़ की प्रवृत्ति को जटिल करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप पेड़ जो हवा में झुकते हैं या जंगल की छतरी में सूर्य के प्रकाश के एक पैच की ओर पहुंचते हैं।

तौफिक जीवित जीवों के विकास पैटर्न और परिणामस्वरूप आकृतियों के लिए आसक्त हो गया – जिसे मॉर्फोजेनेसिस के रूप में भी जाना जाता है – डी’आर्सी वेंटवर्थ थॉम्पसन की पुस्तक, “ऑन ग्रोथ एंड फॉर्म” पढ़ने पर। पिछले अगस्त में, जब तौफिक को एसोसिएट प्रोफेसर से पूर्ण प्रोफेसर के रूप में पदोन्नत किया गया था, तो उन्होंने पुस्तक को यूनिवर्सिटी लाइब्रेरी को समर्पित किया।

अपनी नई विधि का उपयोग करते हुए, तवफिक और उनके सहयोगियों ने रोजमर्रा की वस्तुओं जैसे कि पिनकॉन, एक रास्पबेरी और एक स्क्वैश को गढ़ा। ये सभी अक्षीय आकार, या एक ऊर्ध्वाधर अक्ष के चारों ओर सममित हैं। गैर-सममित आकार अधिक कठिन हैं, लेकिन संभव है; उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने एक कीवी पक्षी को गोलाकार शरीर को सतह के नीचे विस्तारित करने की अनुमति देकर इसे समय पर खींचने से पहले एक कम सिर और मिनट की चोंच बनाने की अनुमति दी।

“यह एक प्रतिक्रिया-प्रसार प्रक्रिया का एक सुंदर और सरल अनुप्रयोग है, जो कई प्राकृतिक प्रणालियों में पाया जाता है। विकास-प्रिंटिंग प्रक्रिया की गति और ऊर्जा दक्षता इस प्रक्रिया को विशेष रूप से आकर्षक बनाती है। इस सहयोगी परियोजना के मॉडलिंग पक्ष पर, हमने एक कम्प्यूटेशनल उपकरण विकसित किया, जो कि निर्माण की वस्तु के एक लक्ष्य आकार को प्राप्त करने के लिए आवश्यक रॉड की ऊपर की ओर गति की भविष्यवाणी करता है।”

इस विधि की सीमाएं प्रकृति में पाई जाने वाली समान हैं। केले की तरह घुमावदार वस्तुओं को छपाते हुए, सैद्धांतिक रूप से संभव है, लेकिन गणितीय रूप से कार्यक्रम करना मुश्किल है, जैसा कि जटिल आकार “एक गुलाब में एक कांटा की तरह है,” तविक ने कहा।

उन्होंने कहा, “प्रकृति में एक आदर्श घन ढूंढना मुश्किल है। मुझे किसी भी पौधे या जीव के बारे में पता नहीं है जो एक आदर्श घन की तरह दिखता है। इसी तरह, हमारी प्रक्रिया एक आदर्श घन नहीं बना सकती है। यह प्रकृति का एक दिलचस्प दर्पण है,” उन्होंने कहा।

तविक का कहना है कि यह प्रक्रिया “सरल और अत्यधिक विपणन योग्य” है और उम्मीद है कि यह एक दिन का उपयोग पवन टरबाइन ब्लेड जैसे बड़े बहुलक-आधारित उत्पादों को बनाने के लिए किया जा सकता है। इस परियोजना को यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ऑफिस ऑफ साइंस बेसिक एनर्जी साइंसेज प्रोग्राम के माध्यम से वित्त पोषित किया गया है।

“बुनियादी ऊर्जा विज्ञान परिवर्तनकारी विनिर्माण को जन्म दे सकता है, जिसका अर्थ है कि हमारी अर्थव्यवस्था पर एक परिवर्तनकारी प्रभाव के साथ कुछ है। यह एक सफल उदाहरण है और बेकमैन इंस्टीट्यूट में विशेषज्ञता के सभी क्षेत्रों के लोगों के साथ यहां सहयोग के माध्यम से संभव बनाया गया था।”

पहले लेखक और इलिनोइस स्नातक छात्र यूं सेओंग किम ने कहा कि परियोजना ने सच्ची टीम वर्क का प्रदर्शन किया:

“यह वास्तव में सच्ची टीम वर्क का काम था, क्योंकि इसे विभिन्न पृष्ठभूमि में विशेषज्ञता की आवश्यकता थी और हम सभी इसे बनाने के लिए एक साथ आए,” उन्होंने कहा।

कोथोर रैंडी इवोल्ड, इलिनोइस में मैकेनिकल साइंस एंड इंजीनियरिंग के अलेक्जेंडर रैंकिन प्रोफेसर कहते हैं: “इस काम के कई प्रगति उत्कृष्ट टीमवर्क के कारण हुईं। सहयोगी उत्कृष्टता की इलिनोइस संस्कृति चमकती है।”