Characterization and Design of 3D Printed Composite Insole Fabricated by Dual-Nozzle 3D Printer Using CB-PLA and Fe-PLA Filaments
यह अध्ययन कार्बन ब्लैक या आयरन-फिल्ड PLA कोर वाले PLA शीथ का उपयोग करके डुअल-नोजल 3D प्रिंटेड स्मार्ट इनसोल्स को विकसित और अभिलक्षणित करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि बड़े कोर व्यास और पतले प्रोफाइल वाले एकीकृत संरचनाएं प्लांटर प्रेशर सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए विद्युत चालकता और चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
तकनीकी सारांश: CB-PLA और Fe-PLA फिलामेंट्स का उपयोग करके डुअल-नोजल 3D प्रिंटर द्वारा निर्मित 3D प्रिंटेड कंपोजिट इनसोल का अभिलक्षणन और डिजाइन
समस्या विवरण
प्लांटर प्रेशर (तलवे के दबाव) और चाल (गैट) मापदंडों की निगरानी के लिए मौजूदा स्मार्ट इनसोल तकनीकें अक्सर बाहरी रूप से लगे सेंसर, वायर्ड इलेक्ट्रॉनिक्स या बहु-परतीय असेंबली पर निर्भर करती हैं। इन पारंपरिक डिजाइनों में अक्सर आराम की कमी, बढ़ती संरचनात्मक जटिलता और बार-बार होने वाले लोडिंग के तहत यांत्रिक विफलता की संवेदनशीलता जैसी समस्याएं होती हैं। हालांकि फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (FDM) जटिल ज्यामिति के लिए एक मार्ग प्रदान करता है, लेकिन पारंपरिक एकल-सामग्री प्रिंटिंग कार्यात्मक एकीकरण को सीमित करती है। इसके अलावा, आसों (adhesives) या मैकेनिकल फास्टनरों के माध्यम से अलग-अलग घटकों को जोड़ने से कमजोर इंटरफेशियल बॉन्ड बनते हैं जो स्थायित्व और प्रदर्शन से समझौता करते हैं। एक एकीकृत इनसोल सिस्टम की आवश्यकता है जहाँ सेंसिंग कार्यात्मकताओं (विद्युत और चुंबकीय) को मजबूती और उपयोगकर्ता अनुभव को बढ़ाने के लिए सीधे संरचनात्मक शरीर में एम्बेडेड किया जा सके।
कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में तीन प्रकार के पॉलीलैक्टिक एसिड (PLA) फिलामेंट्स का उपयोग करके कंपोजिट संरचनाओं और स्मार्ट इनसोलों को बनाने के लिए एक डुअल-नोजल FDM 3D प्रिंटर (Ultimaker S3) का उपयोग किया गया: मानक PLA (शीथ), कार्बन ब्लैक-फिल्ड PLA (CB-PLA, कंडक्टिव कोर), और आयरन-फिल्ड PLA (Fe-PLA, मैग्नेटिक कोर)।
अनुसंधान दो चरणों में आगे बढ़ा:
कंपोजिट संरचना निर्माण: लेखकों ने दो निर्माण रणनीतियों की तुलना की:
- असेंबल की गई संरचनाएं (Assembled Structures): शीथ और कोर घटकों को अलग से प्रिंट किया गया और प्रिंटिंग के बाद उन्हें भौतिक रूप से जोड़ा गया।
- एकीकृत संरचनाएं (Integrated Structures): शीथ और कोर सामग्रियों को एक ही निरंतर प्रक्रिया में एक साथ को-प्रिंट किया गया।
नमूने 1.25, 2.50, 5.00, 7.50, और 10.00 मिमी कोर व्यास और 5.00 मिमी की निश्चित मोटाई के साथ बनाए गए थे।
स्मार्ट इनसोल निर्माण: कंपोजिट संरचनाओं के प्रदर्शन के आधार पर, इनसोल उत्पादन के लिए एकीकृत रणनीति का चयन किया गया। इनसोल को छह सेंसिंग क्षेत्रों के साथ डिज़ाइन किया गया जो प्राथमिक प्लांटर प्रेशर ज़ोन (मेटैटार्सल, मिडफुट, हील) के अनुरूप थे। इन्हें 2.50, 5.00, 7.50, और 10.00 मिमी कोर व्यास और 1.00, 2.50, और 5.00 मिमी की विभिन्न मोटाई के साथ बनाया गया था।
अभिलक्षणन और परीक्षण
निर्मित नमूनों का मूल्यांकन निम्नलिखित के आधार पर किया गया:
- प्रिंटिंग दक्षता: वास्तविक प्रिंटिंग समय और कुल वजन।
- विद्युत गुण: CB-PLA संरचनाओं में चालकता का आकलन करने के लिए सोर्स मीटर (Keithley 2450) का उपयोग करके करंट-वोल्टेज (I-V) लक्षण।
- चुंबकीय गुण: Fe-PLA संरचनाओं के लिए गॉस मीटर (LANDTEK GS-100D2) का उपयोग करके चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति का मापन।
- यांत्रिक गुण: यूनिवर्सल टेस्टिंग मशीन (Instron 5567) के माध्यम से संपीड़न शक्ति (compressive strength) और विरूपण व्यवहार का परीक्षण, जिसमें स्ट्रेस-स्ट्रेन कर्व और पोस्ट-कंप्रेशन आयामी परिवर्तनों का विश्लेषण शामिल है।
मुख्य परिणाम
- निर्माण दक्षता: असेंबल की गई संरचनाओं को घटकों के अलग-अलग निर्माण के कारण एकीकृत संरचनाओं की तुलना में लगभग 1 मिनट कम प्रिंटिंग समय की आवश्यकता थी। हालांकि, एकीकृत संरचनाएं अपने असेंबल समकक्षों की तुलना में लगातार हल्की थीं।
- विद्युत चालकता: केवल PLA/CB-PLA संरचनाओं ने विद्युत चालकता प्रदर्शित की; PLA/Fe-PLA संरचनाएं विद्युत रूप से इंसुलेटिंग थीं। एकीकृत PLA/CB-PLA संरचनाओं में, बड़े कोर व्यास के साथ विद्युत प्रदर्शन में सुधार हुआ। एकीकृत PLA/CB-PLA-10.00 संरचना (1.0 मिमी मोटाई) ने 24 V पर 0.10 A की उच्चतम करंट प्राप्त की। पतले इनसोल आमतौर पर उच्च चालकता प्रदर्शित करते हैं।
- चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति: PLA/Fe-PLA संरचनाओं ने चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न किया, जबकि PLA/CB-PLA संरचनाओं ने नगण्य चुंबकीय प्रतिक्रिया दिखाई। चुंबकीय शक्ति कोर व्यास के साथ बढ़ती है और इनसोल की मोटाई के साथ घटती है क्योंकि चुंबकीय फ्लक्स क्षीणन (attenuation) होता है। एकीकृत PLA/Fe-PLA-10.00 इनसोल (1.0 मिमी मोटाई) ने 351 ± 8.84 Gs की अधिकतम चुंबकीय क्षेत्र शक्ति प्राप्त की।
- यांत्रिक प्रदर्शन: एकीकृत संरचनाओं ने असेंबल की गई संरचनाओं की तुलना में बेहतर यांत्रिक अखंडता प्रदर्शित की। असेंबल किए गए नमूनों में कमजोर इंटरफेशियल बॉन्डिंग देखी गई, जिससे संपीड़न के दौरान अचानक स्ट्रेस ड्रॉप और अनियमित स्ट्रेस-स्ट्रेन कर्व बने। इसके विपरीत, एकीकृत संरचनाओं ने स्थिर S-S कर्व, उच्च भार वहन क्षमता (एकीकृत PLA/Fe-PLA-10.00 के लिए 10.22 kN तक), और समान विरूपण दिखाया। डुअल-नोजल प्रक्रिया में निरंतर बॉन्डिंग ने कुशल स्ट्रेस ट्रांसफर को सुगम बनाया और आंतरिक रिक्तियों (voids) को कम किया।
महत्व और दावे
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि PLA-आधारित कंपोजिट फिलामेंट्स की डुअल-नोजल FDM प्रिंटिंग बहुआयामी इनसोलों के उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक और स्केलेबल विधि प्रदान करती है। इसकी प्राथमिक महत्ता एकीकृत शीथ-कोर डिजाइन में निहित है, जो प्रिंटिंग के बाद असेंबली और एडहेसिव बॉन्डिंग की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे संरचनात्मक जटिलता कम होती है और यांत्रिक स्थायित्व में सुधार होता है।
लेखक दावा करते हैं कि कोर आकार और मोटाई को नियंत्रित करके, विशिष्ट सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए इनसोल के विद्युत और चुंबकीय गुणों को अनुकूलित करना संभव है। एकीकृत दृष्टिकोण ने संरचनात्मक अखंडता को अंतर्निहित सेंसिंग क्षमताओं (CB-PLA के लिए विद्युत, Fe-PLA के लिए चुंबकीय) के साथ सफलतापूर्वक संयोजित किया है, जो बाहरी सेंसर माउंटिंग की सीमाओं के बिना चाल निगरानी और पुनर्वास के लिए पूर्णतः एकीकृत, पहनने योग्य फुटवियर के भविष्य के अनुसंधान के लिए एक आधार स्थापित करता है।
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