Comprehensive Characterization of SLA-Printed SOMOS Watershed XC 11122 and the Effect of UV Post-Curing on Mechanical, Tribological, Spectroscopic and Morphological Properties
यह अध्ययन SLA-प्रिंटेड SOMOS Watershed XC 11122 रेज़िन को अभिलक्षणित करता है और प्रदर्शित करता है कि जबकि 10 मिनट का UV पोस्ट-क्योर तन्य शक्ति (tensile strength) को अधिकतम करता है, एक 30 मिनट का क्योर घिसाव प्रतिरोध (wear resistance) को अनुकूलित करता है, जो क्यूरिंग समय और यांत्रिक या ट्राइबोलॉजिकल प्रदर्शन के बीच एक गैर-एकदिष्ट (non-monotonic) संबंध को प्रकट करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक मूर्तिकार हैं, लेकिन पत्थर को तराशने के बजाय, आप तरल प्रकाश से एक मूर्ति बना रहे हैं। यह 3D प्रिंटिंग की दुनिया है, विशेष रूप से एक उच्च-तकनीकी विधि जिसे स्टेरियोलिथोग्राफी (SLA) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, एक लेजर एक जादू की छड़ी की तरह काम करता है, जो तरल रेजिन के एक कुंड पर पैटर्न बनाता है। जहाँ भी लेजर स्पर्श करता है, तरल तुरंत ठोस प्लास्टिक में बदल जाता है, परत दर परत, जब तक कि एक 3D वस्तु बाहर न निकल आए। लेकिन यहाँ एक पेंच है: प्रिंटर से जो वस्तु बाहर आती है वह पूरी तरह से "तैयार" नहीं होती है। यह एक ऐसे केक की तरह है जो अभी-अभी बेक हुआ है लेकिन उस पर फ्रॉस्टिंग नहीं लगाई गई है या उसे जमने के लिए पर्याप्त समय तक ओवन में नहीं रखा गया है। यह अंदर से थोड़ा चिपचिपा होता है, जिसमें इसके कुछ रासायनिक निर्माण खंड (building blocks) अभी भी आपस में जुड़े नहीं होते हैं। भाग को मजबूत और टिकाऊ बनाने के लिए, इंजीनियरों को इसे "पोस्ट-क्योर" (post-cure) उपचार देना पड़ता है, जिसमें आमतौर पर इसे अधिक पराबैंगनी (UV) प्रकाश और गर्मी के संपर्क में रखा जाता है। यह अंतिम बेकिंग है जो संरचना को आपस में मजबूती से जोड़ देती है।
बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक अक्सर पूछते हैं: कितना काफी है? यदि आप इसे बहुत कम बेक करते हैं, तो यह कमजोर रहता है। यदि आप इसे बहुत लंबे समय तक बेक करते हैं, तो आप अनजाने में इसे जला सकते हैं या इसमें आंतरिक तनाव पैदा कर सकते हैं जो इसे भंगुर (brittle) बना देता है। यह एक नाजुक संतुलन है, बिल्कुल एक सूफ़ले (soufflé) को ओवन से बाहर निकालने के सही क्षण को खोजने जैसा। यह अध्ययन ठीक इसी पहेली की गहराई में उतरता है और एक विशिष्ट, लोकप्रिय तरल प्लास्टिक जिसका नाम SOMOS Watershed XC 11122 है, का उपयोग करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि इस "अंतिम बेकिंग" की अलग-अलग अवधि ने सामग्री की मजबूती, सतहों के बीच रगड़ (जैसे सड़क पर जूते के तलवे का घर्षण) के प्रति प्रतिरोध, और इसके आंतरिक आणविक ढांचे में क्या बदलाव किए।
प्रयोग: समय के विरुद्ध एक दौड़
R.V. कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग की टीम ने अपने लेजर प्रिंटर का उपयोग करके कई समान भाग प्रिंट किए, जिसमें लेयर की मोटाई केवल 50 माइक्रोमीटर (जो एक मानव बाल से भी पतली है) रखी गई थी। प्रिंट होने के बाद, उन्होंने परीक्षण के लिए भागों को तीन समूहों में विभाजित किया। एक समूह को बिना किसी अतिरिक्त उपचार के छोड़ दिया गया ("अनक्योरड" समूह)। दूसरे समूह को 75°C पर 10 मिनट तक UV प्रकाश की बौछार दी गई। तीसरे समूह को समान परिस्थितियों में 30 मिनट की लंबी बौछार दी गई। फिर, उन्होंने इन प्लास्टिक भागों को यह देखने के लिए परीक्षणों के दौर से गुजारा कि कौन सा समूह विजेता है।
परिणाम: सही बिंदु और अति-पका हुआ
जब भागों को खींचकर तोड़ने (tensile strength) की बात आई, तो 10 मिनट वाला समूह स्पष्ट विजेता था। ये भाग टूटने से पहले 61.1 ± 2.3 MPa का बल सह सकते थे, जो बिना अतिरिक्त बेकिंग वाले भागों की तुलना में लगभग 17.7% अधिक मजबूत है। वे अधिक सख्त भी थे, जिनका "मॉड्यूलस" (कठोरता का माप) 1408 ± 75 MPa था, जो अनक्योरड समूह से 35.9% की वृद्धि है।
हालाँकि, 30 मिनट वाला समूह विजेता नहीं रहा। वास्तव में, वे 10 मिनट वाले समूह से नीचे रहे, लेकिन अनक्योरड वालों से अधिक मजबूत थे। यह सुझाव देता है कि जबकि 10 मिनट वह "स्वीट स्पॉट" है जहाँ रासायनिक बंधन पूरी तरह से जुड़ जाते हैं, 30 मिनट तक जाने से वास्तव में कुछ नुकसान हो सकता है। यह एक स्टेक (steak) को बहुत अधिक पकाने जैसा है; अतिरिक्त समय इसे बेहतर नहीं बनाता, बल्कि यह इसकी संरचना को तोड़ने लगता है, जिसे शोधकर्ता "फोटो-ऑक्सीडेटिव चेन स्किशन" (photo-oxidative chain scission) कहते हैं।
दिलचस्प बात यह है कि जब उन्होंने भागों को टूटने तक मोड़ने की कोशिश की, तो उनमें से कोई भी टूटा नहीं! चाहे उन्हें कितनी भी देर तक बेक किया गया हो, प्लास्टिक इतना लचीला और सहनशील था कि वह बस मुड़ता गया और मुड़ता गया जब तक कि परीक्षण मशीन के पास हिलने की जगह ही नहीं बची। यह हमें बताता है कि सामग्री अविश्वसनीय रूप से डक्टाइल (ductile) है, जिसका अर्थ है कि यह बिना टूटे खिंच सकती है और अपना आकार बदल सकती है।
रगड़ और घिसाव
शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि उनके भाग एक घूमती हुई धातु की डिस्क के साथ रगड़ खाकर घिसावट का कितना विरोध करते हैं, जो यह दर्शाता है कि वास्तविक जीवन में कोई भाग कैसे घिस सकता है। परिणाम यहाँ नाटकीय थे। अनक्योरड भाग एक आपदा थे; वे तेजी से घिस गए, जिससे भारी दबाव के तहत कुछ भागों ने 1943 µm तक सामग्री खो दी। यह एक नरम मक्खन के टुकड़े को सैंडपेपर (रेगमाल) पर रगड़ने जैसा था।
10 मिनट बेक किए गए भाग बहुत बेहतर थे, लेकिन 30 मिनट बेक किए गए भाग स्थायित्व के चैंपियन थे। एक विशिष्ट परीक्षण स्थिति (एक भार 15 N और गति 318 RPM) पर, 30 मिनट वाले भागों ने केवल 32.4 µm सामग्री खोई, जबकि 10 मिनट वाले भागों ने 96.8 µm और अनक्योरड भागों ने भारी 851.8 µm खो दी। भले ही 30 मिनट वाले भागों का "घर्षण गुणांक" (friction coefficient) थोड़ा अधिक था (जिसका अर्थ है कि फिसलते समय वे थोड़े अधिक "ग्रिपी" या खुरदरे महसूस हुए), उनकी अत्यधिक सघन आणविक संरचना ने उन्हें घिसने के प्रति अविश्वसनीय रूप से कठोर बना दिया। ऐसा लगता है कि जिन भागों को चीजों के साथ फिसलना होता है, उनके लिए अतिरिक्त 20 मिनट की बेकिंग एक मजबूत कवच बनाती है, भले ही यह चरम खींचने वाली शक्ति को थोड़ा कम कर दे।
अंदर झाँकना: आणविक जासूसी
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हो रहा था, टीम ने प्लास्टिक की आणविक संरचना के भीतर झाँकने के लिए उच्च-तकनीकी सूक्ष्मदर्शी और लाइट स्कैनर (FTIR और Raman spectroscopy) का उपयोग किया। वे विशिष्ट रासायनिक संकेतों की तलाश कर रहे थे, जैसे कि एक "C=C" बॉन्ड जो तरल रेजिन में मौजूद होता है लेकिन ठोस प्लास्टिक में बदलने पर गायब हो जाता है।
उन्होंने पाया कि केवल 10 मिनट की बेकिंग के बाद, वे तरल-जैसे बंधन लगभग पूरी तरह से गायब हो गए थे, जिसका अर्थ था कि प्लास्टिक पूरी तरह से परिवर्तित हो चुका था। 30 मिनट तक, मुख्य परिवर्तन पूरा हो गया था, लेकिन संरचना के गहरे हिस्सों में अन्य सूक्ष्म परिवर्तन अभी भी हो रहे थे, जिससे पुष्टि हुई कि अतिरिक्त समय वास्तव में सामग्री को एक ऐसे तरीके से बदल रहा था जो केवल "पहले जैसा ही अधिक" नहीं था।
उन्होंने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) के साथ सतह का भी निरीक्षण किया। अनक्योरड भाग ऐसे दिख रहे थे जैसे उन्हें किसी बारूदी सुरंग के मैदान से खींचा गया हो, जिनमें गहरे, चौड़े निशान और फटे हुए प्लास्टिक के ढेर थे। हालाँकि, 30 मिनट वाले भागों में बहुत महीन, चिकने निशान थे, जो दिखाते हैं कि सामग्री इतनी मजबूत थी कि उसने धातु की डिस्क के हमले का बहुत बेहतर प्रतिरोध किया।
निष्कर्ष
यह अध्ययन इस विशिष्ट 3D प्रिंटिंग रेजिन का उपयोग करने के लिए हमें एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है। यदि आपको एक ऐसा भाग चाहिए जो खींचने पर यथासंभव मजबूत हो, तो उसे 10 मिनट तक बेक करें। अधिकतम मजबूती के लिए यही जादुई संख्या है। लेकिन यदि आप एक ऐसा भाग बना रहे हैं जो रगड़ेगा, फिसलेगा या घर्षण से घिसेगा, तो आपको अतिरिक्त प्रयास करना चाहिए और उसे 30 मिनट तक बेक करना चाहिए। अतिरिक्त समय एक अधिक सघन, अधिक कठोर कवच बनाता है जो घिसावट का बहुत बेहतर प्रतिरोध करता है, भले ही यह भाग को खींचने की शक्ति में थोड़ा कम कर दे।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि अनक्योरड भाग आकार में थोड़े अप्रत्याशित थे, जो कुछ दिशाओं में 14.8% तक फैल या सिकुड़ सकते थे, जबकि बेक किए गए भाग अधिक स्थिर थे। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि जबकि 10 मिनट मजबूती के लिए बेहतरीन है, 30 मिनट स्थायित्व का गुप्त हथियार है, जो यह साबित करता है कि 3D प्रिंटिंग की दुनिया में, कभी-कभी अतिरिक्त समय वास्तव में एक ऐसे भाग के बीच का अंतर होता है जो टिक जाता है और वह जो घिसकर खत्म हो जाता है।
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