3D प्रिंटिंग टेक्नोलॉजी का है रैपिड प्रोटोटाइप तकनीकपारंपरिक घटाव विनिर्माण से अलग, 3 डी मुद्रण प्रौद्योगिकी कहा जाता है योगात्मक विनिर्माण प्रौद्योगिकीपारंपरिक भागों के निर्माण में आम तौर पर औजारों और सांचों की आवश्यकता होती है, और जटिल आकृतियों और असमान सतहों वाले भागों को संसाधित करना मुश्किल होता है। 3D प्रिंटिंग तकनीक कंप्यूटर में प्रोसेस किए जाने वाले हिस्से की 3D मॉडल फ़ाइल बनाने के लिए कंप्यूटर, लेजर और सीएनसी जैसे आधुनिक साधनों का उपयोग करती है। मॉडल बनने के बाद, इसे प्रोसेसिंग पैरामीटर, जैसे प्रोसेसिंग स्पीड, लेयर की ऊंचाई आदि सेट करने के लिए स्लाइसिंग सॉफ्टवेयर में इम्पोर्ट किया जाता है। सेटिंग्स पूरी होने के बाद, इसे 3D प्रिंटर में इम्पोर्ट किया जाता है। प्रिंटर प्रोसेसिंग पैरामीटर उठाता है और मैटेरियल की परत दर परत प्रिंट करके ऑब्जेक्ट की प्रोसेसिंग को साकार करता है। साधारण 3D प्रिंटिंग तकनीक में उपयोग की जाने वाली सामग्री आम तौर पर रेजिन, PLA, ABS प्लास्टिक आदि होती हैं, जबकि मेटल 3D प्रिंटिंग तकनीक में उपयोग की जाने वाली सामग्री धातु या मिश्र धातु सामग्री होती है। विभिन्न धातु 3D मुद्रण प्रक्रियाओं के अनुसार, इसे मोटे तौर पर चयनात्मक लेजर सिंटरिंग तकनीक (SLS), चयनात्मक लेजर पिघलने वाली तकनीक (SLM), इलेक्ट्रॉन बीम चयनात्मक पिघलने वाली तकनीक (EBSM), लेजर नियर-नेट शेपिंग तकनीक (LENS), प्रत्यक्ष धातु लेजर सिंटरिंग तकनीक (DMLS) और अन्य नई तकनीकों में विभाजित किया जा सकता है। धातु 3D मुद्रण तकनीक का उपयोग कई क्षेत्रों जैसे कि सटीक विनिर्माण, एयरोस्पेस और चिकित्सा उपकरण में व्यापक रूप से किया गया है क्योंकि यह किसी भी आकार के भागों को संसाधित करने की क्षमता रखता है।

समाज के विकास और विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी की निरंतर उन्नति के साथ, धातु 3डी प्रिंटिंग तकनीक ने अपनी उच्च सामग्री उपयोग दर, लघु विनिर्माण चक्र और उच्च लचीलेपन के साथ धातु निर्माण उद्योग में एक महत्वपूर्ण स्थान पर कब्जा कर लिया है। धातु 3डी प्रिंटिंग तकनीक कुछ छोटे, जटिल और उच्च परिशुद्धता वाले धातु भागों को प्रिंट कर सकती है, इसलिए यह तकनीक पूरे औद्योगिक उत्पादन की गुणवत्ता और दक्षता में सुधार करने, धातु भागों के निर्माण की वर्तमान स्थिति में सुधार करने, धातु भागों के निर्माण की प्रक्रिया में अधिक संभावनाएं प्रदान करने और धातु निर्माण उद्योग के विकास को बढ़ावा देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

1 धातु 3डी मुद्रण प्रौद्योगिकी का अनुप्रयोग

वर्तमान में, धातु भागों के निर्माण के लिए बाजार में सीधे उपयोग की जाने वाली मुख्यधारा धातु 3D मुद्रण प्रौद्योगिकियां हैं: चयनात्मक लेजर सिंटरिंग (SLS), चयनात्मक लेजर गलन (एसएलएम), प्रत्यक्ष धातु लेजर सिंटरिंग (डीएमएलएस), लेजर नियर नेट शेपिंग (लेंस), तथा इलेक्ट्रॉन बीम चयनात्मक गलन (ईबीएसएम).

1.1 चयनात्मक लेजर सिंटरिंग (एसएलएस) प्रौद्योगिकी

चयनात्मक लेजर सिंटरिंग (SLS) तकनीक सबसे प्रारंभिक धातु 3D प्रिंटिंग तकनीक है। प्रयुक्त धातुकर्म तंत्र तरल चरण सिंटरिंग तंत्र है। प्रयुक्त सामग्री उच्च गलनांक धातु और कम गलनांक धातु या बहुलक सामग्री का मिश्रित पाउडर है। पिघलने की प्रक्रिया के दौरान, कम गलनांक धातु या बहुलक सामग्री पाउडर पिघल जाता है, जबकि उच्च गलनांक धातु पाउडर पिघलता नहीं है और संरचनात्मक धातु के रूप में अपने ठोस चरण कोर को बनाए रखता है। पिघला हुआ पदार्थ एक बंधन धातु के रूप में कार्य करता है और पिघलने की प्रक्रिया के दौरान एक तरल चरण उत्पन्न करता है ताकि सिंटरिंग घनत्व प्राप्त करने के लिए ठोस धातु को कवर, गीला और बंधन किया जा सके। संपूर्ण प्रक्रिया उपकरण में दो भाग होते हैं: एक पाउडर सिलेंडर और एक मोल्डिंग सिलेंडर। ऑपरेशन के दौरान, बाईं ओर का पाउडर सिलेंडर एक परत ऊपर उठता है, और फिर पाउडर रोलर मोल्डिंग सिलेंडर में समान रूप से पाउडर की एक परत फैलाता है। कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित लेजर बीम कटे हुए मॉडल के अनुसार पाउडर को स्कैन करता है, ताकि धातु का पाउडर पिघलने बिंदु तक पहुँच जाए और भाग की एक परत को पूरा करने के लिए सिंटरिंग हो। पूरा होने के बाद, मोल्डिंग सिलेंडर एक परत गिराता है, और पाउडर रोलर अगली परत को सिंटर करने के लिए मोल्डिंग सिलेंडर में पाउडर की एक समान परत फैलाएगा। पूरे भाग के उत्पादन को पूरा करने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराया जाता है।

चयनात्मक लेजर सिंटरिंग की विशेषताएं: लाभ: (1) विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है। जिसमें पॉलिमर सामग्री, धातु पाउडर, सिरेमिक पाउडर, नायलॉन पाउडर आदि शामिल हैं, जिनमें मजबूत चयनात्मकता है। (2) किसी सहारे की आवश्यकता नहीं है। क्योंकि बिना सिंटरिंग वाला पाउडर प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न निलंबित परत को सहारा दे सकता है। (3) उच्च सामग्री उपयोग दर। प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान किसी सहारे की आवश्यकता नहीं होती है, और सामग्री की कीमत कम होती है। नुकसान में शामिल हैं: (1) खुरदरी सतह। SLS प्रक्रिया द्वारा निर्मित प्रोटोटाइप की सतह पाउडर और बंधी हुई होती है, और पाउडर कणों के रूप में होती है, इसलिए सतह की गुणवत्ता उच्च नहीं होती है। (2) प्रक्रिया के दौरान एक गंध होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि पॉलिमर सामग्री या पाउडर कण सिंटरिंग के दौरान एक गंध का उत्सर्जन करेंगे।

1.2 चयनात्मक लेजर मेल्टिंग (एसएलएम) प्रौद्योगिकी

चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) तकनीक एसएलएस के आधार पर विकसित की गई है। इसका मूल सिद्धांत एसएलएस के समान है। सबसे पहले, मॉडल बनाने के लिए कंप्यूटर 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जाता है, फिर मापदंडों को समायोजित करने और प्रत्येक परत का डेटा प्राप्त करने के लिए स्लाइस सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जाता है, और फिर कंप्यूटर लेजर बीम को स्कैन करने और परत दर परत पिघलने के लिए नियंत्रित करता है ताकि परत दर परत बन सके। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उच्च तापमान पर धातु को अन्य गैसों के साथ प्रतिक्रिया करने से रोकने के लिए, एसएलएम प्रक्रिया को निष्क्रिय गैस के तहत किया जाना चाहिए। एसएलएस प्रक्रिया के विपरीत, एसएलएम प्रक्रिया के लिए धातु के पाउडर को पूरी तरह से पिघलाने और फिर ठंडा करने की आवश्यकता होती है, इसलिए पाउडर को स्कैन करने के लिए उच्च-शक्ति घनत्व वाले लेजर की आवश्यकता होती है।

चयनात्मक लेजर पिघलने की विशेषताएं: लाभ: (1) प्रसंस्करण के दौरान पाउडर पूरी तरह से पिघल जाता है और किसी भी बंधन सामग्री की आवश्यकता नहीं होती है। इसलिए, प्रसंस्करण द्वारा गठित भागों की सटीकता और यांत्रिक गुण SLS द्वारा गठित भागों की तुलना में बेहतर हैं। (2) उच्च घनत्व। लेजर बीम स्पॉट व्यास ठीक है और घनत्व 100% के करीब है, जो धातु विज्ञान के लगभग बराबर है। (3) यह जटिल आकृतियों वाले धातु भागों का सरल और सीधे निर्माण कर सकता है। नुकसान में शामिल हैं: (1) महंगे उपकरण और जटिल संचालन। पेशेवरों को संचालित करने की आवश्यकता है। (2) जटिल पोस्ट-प्रोसेसिंग। एसएलएम प्रक्रिया के लिए समर्थन को जोड़ने की आवश्यकता होती है, और ढाले गए भागों को समर्थन को हटाने के लिए पोस्ट-प्रोसेसिंग की आवश्यकता होती है।

1.3 इलेक्ट्रॉन बीम चयनात्मक गलन (ईबीएसएम) प्रौद्योगिकी

ईबीएसएम उपकरण के दो सबसे महत्वपूर्ण भागों में इलेक्ट्रॉन गन और वैक्यूम चैंबर शामिल हैं। इलेक्ट्रॉन गन में एनोड, कैथोड, ग्रिड, फिलामेंट, डिफ्लेक्शन कॉइल और फोकसिंग कॉइल शामिल हैं। वैक्यूम चैंबर में पाउडर स्प्रेडर, पिस्टन और पाउडर स्टोरेज बॉक्स शामिल हैं। कार्य सिद्धांत यह है कि इलेक्ट्रॉन गन के शीर्ष पर फिलामेंट (आमतौर पर एक टंगस्टन फिलामेंट) उच्च तापमान की स्थिति में अपनी सतह पर बड़ी संख्या में गर्म इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है और उन्हें कैथोड के माध्यम से उत्सर्जित करता है। ग्रिड के शीर्ष पर एक छोटा सा छेद होता है। कैथोड के साथ सापेक्ष स्थिति इलेक्ट्रॉन बीम की मात्रा को नियंत्रित कर सकती है। एनोड के त्वरण के तहत, यह बहुत अधिक गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है, जिसे प्रकाश की गति के लगभग आधे से एक तिहाई तक त्वरित किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन बीम को फोकसिंग कॉइल द्वारा केंद्रित किया जाता है और फिर डिफ्लेक्शन कॉइल में प्रवेश करता है। इलेक्ट्रॉन बीम को डिफ्लेक्शन कॉइल द्वारा विक्षेपित किया जा सकता है और पाउडर को कंप्यूटर के नियंत्रण में चुनिंदा रूप से स्कैन किया जाता है। पाउडर को पाउडर स्टोरेज बॉक्स में रखा जाता है। ऑपरेशन के दौरान, पाउडर स्प्रेडर द्वारा पाउडर बेड पर पाउडर की एक परत समान रूप से फैलाई जाती है। पाउडर बेड को कम ऊर्जा, कम स्कैनिंग गति वाले इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा पहले से गरम किया जाता है ताकि तापमान को धातु पाउडर के पिघलने बिंदु से नीचे रखा जा सके। फिर, पाउडर को पिघलाने के लिए अधिक ऊर्जा और स्कैनिंग गति का उपयोग किया जाता है। जब इलेक्ट्रॉन बीम धातु पाउडर से टकराता है, तो इसकी गतिज ऊर्जा धातु पाउडर को पिघलाने के लिए ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। स्कैनिंग की एक परत पूरी करने के बाद, पिस्टन एक परत नीचे उतरता है, और पाउडर स्प्रेडर नए पाउडर परत को पहले से गरम करने और पिघलाने के लिए पाउडर को फिर से फैलाता है। यह प्रक्रिया तब तक दोहराई जाती है जब तक कि धातु का हिस्सा पूरी तरह से नहीं बन जाता। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि EBSM प्रक्रिया को वैक्यूम स्थितियों के तहत किया जाना चाहिए। भाग बनने के बाद, अंतिम प्रिंट प्राप्त करने के लिए संपीड़ित गैस को उड़ाकर आसपास के पाउडर को हटाने के लिए डिवाइस को पोस्ट-प्रोसेसिंग उपकरण में ले जाने की आवश्यकता होती है, और शेष पाउडर का पुन: उपयोग किया जा सकता है।

इलेक्ट्रॉन बीम चयनात्मक पिघलने की विशेषताएँ: लाभ: (1) EBSM तकनीक में वैक्यूम स्थितियों के तहत उच्च प्रीहीटिंग तापमान होता है, जो उच्च-पिघलने-बिंदु धातुओं को पिघला सकता है, थर्मल तनाव एकाग्रता को कम कर सकता है, और मोल्ड किए गए भागों के झुकने और विरूपण से बच सकता है। (2) मोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान किसी सहारे की आवश्यकता नहीं होती है। अनसिंटर किए गए पाउडर को सहारे के रूप में उपयोग किया जाता है, और उत्पादन पूरा होने के बाद, केवल पाउडर को उड़ाने की आवश्यकता होती है। नुकसान: (1) "पाउडर उड़ाने" की घटना। पाउडर स्प्रेडर द्वारा पाउडर बिस्तर पर फैलाया गया पाउडर इलेक्ट्रॉन बीम की क्रिया के तहत पहले से रखी स्थिति को छोड़ देता है। इसका कारण यह है कि इलेक्ट्रॉन बीम खराब चालकता वाले पाउडर को स्थैतिक बिजली ले जाने का कारण बनता है, और स्थैतिक बिजली के प्रतिकारक बल के कारण पाउडर ढह जाता है। (2) "गोलाकारीकरण" घटना। यह धातु के पूरी तरह से पिघले नहीं होने और एक दूसरे से अलग धातु की गेंदों का एक समूह बनाने को संदर्भित करता है। (3) उपकरण को वैक्यूम स्थितियों के तहत पूरा करने की आवश्यकता है, उच्च रखरखाव लागत के साथ, और इलेक्ट्रॉन बीम जमाव प्रक्रिया के दौरान गामा किरणें उत्पन्न होंगी, जो रिसाव का कारण बन सकती हैं और पर्यावरण को प्रदूषित कर सकती हैं।

1.4 लेजर नियर नेट शेप (LENS) तकनीक

इस तकनीक को पहली बार पिछली सदी में संयुक्त राज्य अमेरिका में सैंडिया नेशनल लेबोरेटरी द्वारा पेश किया गया था। यह प्रक्रिया लेजर क्लैडिंग तकनीक को चयनात्मक लेजर सिंटरिंग (SLS) तकनीक के साथ जोड़ती है। यह लेजर के साथ पिघला हुआ पूल बनाने के लिए एक समाक्षीय पाउडर खिलाने की विधि का उपयोग करता है। पिघले हुए पूल में पाउडर पिघलता है और भागों के उत्पादन को प्राप्त करने के लिए जम जाता है।

लेजर नियर नेट शेप की विशेषताएं: फायदे: (1) लेंस तकनीक तेजी से धातु पिघलने और जमने का उपयोग करती है, और मोल्डिंग द्वारा प्राप्त भागों में उच्च घनत्व और अच्छे यांत्रिक गुण होते हैं। (2) मोल्ड की आवश्यकता नहीं होती है, जो लागत बचाता है और विषम सामग्रियों के प्रसंस्करण का एहसास कर सकता है। नुकसान: (1) मोल्ड किए गए भागों की सतह की गुणवत्ता उच्च नहीं है, सतह खुरदरी है, मोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान थर्मल तनाव बड़ा है, और दरारें आना आसान है। (2) मोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान सुरक्षात्मक गैस की आवश्यकता होती है। उसी समय, टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर के उपयोग के कारण, लागत अपेक्षाकृत अधिक है।

1.5 डायरेक्ट मेटल लेजर सिंटरिंग (डीएमएलएस) तकनीक

डीएमएलएस तकनीक एसएलएस तकनीक की एक शाखा है। यह 1990 के दशक में आकार लेने लगी थी। डीएमएलएस तकनीक सिंटरिंग के लिए सीधे धातु पाउडर का उपयोग करती है। एसएलएम तकनीक से अंतर यह है कि एसएलएम तकनीक के लिए धातु पाउडर को पूरी तरह से पिघलाना आवश्यक है, जबकि डीएमएलएस को केवल सिंटरिंग प्राप्त करने की आवश्यकता है।

प्रत्यक्ष धातु लेजर सिंटरिंग की विशेषताएं: लाभ: (1) धातु के हिस्सों को सीधे सिंटर किया जा सकता है (2) विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, स्टेनलेस स्टील, कोबाल्ट-आधारित, निकल-आधारित, आदि। (3) प्रसंस्करण द्वारा गठित वर्कपीस में एक सघन संरचना और उच्च बंधन शक्ति होती है। नुकसान: (1) "गोलाकारीकरण" घटना। (2) सिंटर और विकृत करना आसान है, और घनत्व अधिक नहीं है।

1.6 नई प्रौद्योगिकियाँ

उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक आर्क एडिटिव मैन्यूफैक्चरिंग (WAAM), नैनोपार्टिकल जेट मेटल फॉर्मिंग (NPJ) और अल्ट्रासोनिक कॉन्सोलिडेशन (UAM), आदि, इन प्रौद्योगिकियों में भविष्य में विकास की काफी गुंजाइश है।

2 धातु 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी की विकास संभावनाएं

2.1 आवेदन क्षेत्रों का विस्तार

आज, धातु 3D मुद्रण अब यांत्रिक मोल्ड प्रसंस्करण और विनिर्माण के क्षेत्रों तक सीमित नहीं है, बल्कि इसे अन्य क्षेत्रों में भी लागू किया जा सकता है। इसे एयरोस्पेस क्षेत्र में लागू किया जा सकता है। धातु 3D मुद्रण तकनीक का उपयोग कुछ क्षतिग्रस्त भागों को बदलने के लिए किया जा सकता है, जिससे पूरी मशीन के उच्च-लागत प्रतिस्थापन से बचा जा सकता है और इसकी सेवा जीवन का विस्तार किया जा सकता है। यह विमान के प्रमुख घटकों को भी प्रिंट कर सकता है। उदाहरण के लिए, नवंबर 2018 में, GE द्वारा विकसित धातु 3D मुद्रित इंजन ब्रैकेट को विमान निर्माण में उपयोग के लिए अनुमोदित किया गया था [7]। इसे शिक्षा और शिक्षण के क्षेत्र में लागू किया जा सकता है। धातु 3D मुद्रण का उपयोग छात्रों को इस तकनीक को समझने के लिए मार्गदर्शन करने के लिए एक शिक्षण उपकरण के रूप में किया जा सकता है। यह छात्रों को मॉडल को अधिक सहजता से समझने और शिक्षण की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए मार्गदर्शन करने के लिए शिक्षण मॉडल भी प्रिंट कर सकता है। इसे ऑटोमोटिव क्षेत्र में लागू किया जा सकता है। 2017 में, वोक्सवैगन द्वारा मुद्रित ब्रेक कैलीपर ने पेशेवर परीक्षण पास किए और न्यूनतम वजन और उच्चतम शक्ति के लक्ष्यों को पूरा किया। इसका उपयोग ऑटोमोटिव पार्ट्स की मरम्मत के लिए भी किया जा सकता है। इसके अलावा, इसका उपयोग चिकित्सा क्षेत्र में भी किया जा सकता है। टाइटेनियम मिश्र धातु दंत प्रत्यारोपण के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली सामग्री है। पारंपरिक विनिर्माण विधि न केवल महंगी है, बल्कि आकार में भी एकल है और इसे वैयक्तिकृत नहीं किया जा सकता है। अब इसका उपयोग सीधे रोगी के मुंह को स्कैन करके, एक दंत प्रत्यारोपण मॉडल स्थापित करके और फिर धातु सिंटरिंग तकनीक का उपयोग करके सीधे प्रिंट करके किया जा सकता है, जो प्रसंस्करण की लागत और चरणों को बहुत कम करता है। कुछ घरेलू सामान, खिलौने और एनीमेशन मॉडल बनाने जैसे संभावित अनुप्रयोग क्षेत्र भी हैं।

2.2 प्रिंटर उपकरण और सामग्री विशेषज्ञता

धातु 3डी प्रिंटिंग तकनीक अभी अपने शुरुआती दौर में है, प्रिंटिंग उपकरण कम और अपूर्ण हैं, और इसका विकास एक अड़चन में है। यदि इस स्थिति को सुधारने की आवश्यकता है, तो लागत प्रभावी उपकरण बनाना और प्रिंटिंग तंत्र का विस्तार जारी रखना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, समानांतर प्रिंटिंग, मल्टी-मटेरियल प्रिंटिंग, मल्टी-नोजल प्रिंटिंग, लार्ज-पीस प्रिंटिंग और निरंतर प्रिंटिंग जैसे धातु 3डी प्रिंटिंग तंत्रों पर गहन शोध करना और इसके आधार पर उत्पाद निर्माण में उन्हें लागू करना आवश्यक है। प्रिंटिंग सामग्री की सीमाएँ भी एक निश्चित सीमा तक धातु 3डी प्रिंटिंग के विकास को प्रतिबंधित करती हैं। प्रिंटिंग सामग्री के संदर्भ में, विभिन्न सामग्रियों को प्रिंट करना और विभिन्न स्थानों के लिए अलग-अलग सामग्रियों को प्रिंट करना संभव होना चाहिए। उदाहरण के लिए, कोबाल्ट सामग्री का उपयोग गैस टर्बाइनों में किया जा सकता है; निकल सामग्री का उपयोग दहन कक्षों में किया जा सकता है; कीमती धातुओं का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरण एकीकरण में किया जा सकता है, साथ ही टंगस्टन जैसी कुछ दुर्दम्य धातु सामग्री का भी उपयोग किया जा सकता है। भविष्य में नई मुद्रण पद्धतियां और नई धातु सामग्री की छपाई अनुसंधान का मुख्य केंद्र और केंद्र बिंदु होगी, जिसका लक्ष्य विभिन्न परिदृश्यों और स्थितियों में उत्पादन को पूरा करने के लिए धातु 3डी मुद्रण की गुणवत्ता और आउटपुट में सुधार करना होगा।