Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

एक ऐसी दुनिया की कल्पना कीजिए जहाँ डॉक्टरों द्वारा उपचार के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण कारखानों में बड़े पैमाने पर उत्पादित नहीं किए जाते, बल्कि एक-एक करके, रोगी के शरीर के अनूठे आकार के अनुसार पूरी तरह से तैयार किए जाते हैं। यह एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का वादा है, जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग कहा जाता है। पारंपरिक तरीकों के विपरीत जो एक ठोस ब्लॉक से सामग्री को काटकर निकालते हैं, यह तकनीक वस्तुओं को परत दर परत बनाती है, जैसे कि पतली परतों को तब तक एक के ऊपर एक रखा जाए जब तक कि एक लोफ (पाव) का आकार न ले ले। इस प्रक्रिया के लिए सबसे लोकप्रिय सामग्रियों में से एक मक्के के स्टार्च या गन्ने से प्राप्त प्लास्टिक है, जिसे पॉलीलैक्टिक एसिड या PLA के रूपزالة जाता है। इसे इसलिए पसंद किया जाता है क्योंकि यह मानव शरीर के लिए सुरक्षित है, समय के साथ प्राकृतिक रूप से विघटित हो जाता है, और इसे प्रिंट करना अपेक्षाकृत आसान है। हालाँकि, इन प्रिंटेड वस्तुओं को चिकित्सा उपकरणों, जैसे कि सर्जिकल गाइड या कस्टम इम्प्लांट्स के रूप में उपयोग करने के लिए, उन्हें बिना टूटे या मुड़े मानव शरीर के बलों को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत होना चाहिए। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि जिस तरह से एक 3D प्रिंटर इस प्लास्टिक को बिछाता है, वह सामग्री के भीतर सूक्ष्म कमजोरियाँ पैदा करता है, जिससे यह इस आधार पर अलग व्यवहार करता है कि आप इसे किस दिशा में खींचते या धकेलते हैं।

ट्यूनिस अल मनार विश्वविद्यालय और मोनास्टिर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया को एक सटीक रेसिपी की तरह मानकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। वे यह समझना चाहते थे कि तीन विशिष्ट सेटिंग्स—प्लास्टिक की प्रत्येक परत कितनी मोटी है, प्रिंटर कितनी तेजी से चलता है, और नोजल के माध्यम से कितना अतिरिक्त प्लास्टिक धकेला जाता है—कैसे अंतिम वस्तु की मजबूती को बदल देती हैं। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि परत की मोटाई और गति मायने रखती है, लेकिन बाहर निकाली जाने वाली प्लास्टिक की मात्रा, जिसे एक्सट्रूज़न अनुपात (extrusion ratio) कहा जाता है, एक रहस्य बना हुआ था। शोधकर्ताओं को संदेह था कि मानक सेटिंग की तुलना में थोड़ा अधिक प्लास्टिक धकेलने से परतों के बीच के छोटे अंतराल भर सकते हैं, जिससे एक सघन और मजबूत हिस्सा बन सकता है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने केवल अनुमान पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने सैकड़ों छोटे परीक्षण पीस प्रिंट किए, जिनमें से प्रत्येक में इन तीन सेटिंग्स का अलग-अलग संयोजन था, और फिर उन्हें कठोर भौतिक परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने टुकड़ों को खींचकर उनकी तन्य शक्ति (tensile strength) को मापा, जो उन्हें तोड़ने के लिए आवश्यक बल है, और उन्हें मोड़कर उनकी फ्लेक्सरल स्ट्रेंथ (flexural strength) को मापा, जो दबाव में टूटने के प्रति उनके प्रतिरोध को दर्शाता है।

परिणामों ने इन प्रिंटेड हिस्सों के आपस में जुड़ने के बारे में एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक सच्चाई का खुलासा किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि नोजल के माध्यम से धकेली जाने वाली प्लास्टिक की मात्रा, मजबूती निर्धारित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक था। जब उन्होंने एक्सट्रूज़न अनुपात को 110 प्रतिशत तक बढ़ा दिया, जिसका अर्थ है कि उन्होंने मानक सेटिंग से दस प्रतिशत अधिक सामग्री को बाहर धकेला, तो प्लास्टिक के भीतर के आंतरिक अंतराल और सूक्ष्म छेद लगभग पूरी तरह से गायब हो गए। इस सरल समायोजन ने सामग्री को बदल दिया, जिससे यह काफी अधिक मजबूत हो गई। उन्होंने पाया कि प्रिंटेड हिस्से स्वाभाविक रूप से एनिसोट्रोपिक (anisotropic) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे कुछ दिशाओं में अन्य दिशाओं की तुलना में अधिक मजबूत होते हैं। मोड़ने के परीक्षण में, टुकड़े 34 से 51 मेगापास्कल के बल को सहन कर सके, लेकिन सीधे खींचने पर, वे केवल 12 से 24 मेगापास्कल के तहत टिक पाए। यह अंतर इसलिए होता है क्योंकि परतें बाहर से आपस में जुड़ी होती हैं लेकिन सीधे खींचने पर आसानी से अलग हो सकती हैं।

सबसे मजबूत संभव चिकित्सा उपकरण बनाने के लिए आदर्श संतुलन खोजने हेतु, टीम ने अपने सभी डेटा का विश्लेषण करने और आदर्श सेटिंग्स की भविष्यवाणी करने के लिए एक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग किया। उन्होंने यह निर्धारित किया कि अधिकतम मजबूती और कठोरता के लिए सबसे अच्छा संयोजन 0.20 मिलीमीटर की परत की मोटाई, 40 मिलीमीटर प्रति सेकंड की प्रिंटिंग गति और वह महत्वपूर्ण 110 प्रतिशत एक्सट्रूज़न अनुपात का उपयोग करना है। जब उन्होंने नए नमूनों पर इन विशिष्ट सेटिंग्स का परीक्षण किया, तो वास्तविक परिणाम उनकी भविष्यवाणियों से उल्लेखनीय सटीकता के साथ मेल खाए, जिसमें त्रुटि 1.89 प्रतिशत जितनी कम थी और 6.32 प्रतिशत से अधिक नहीं थी। सटीकता का यह स्तर पुष्टि करता है कि सामग्री के जमाव को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, इंजीनियर उन कमजोर स्थानों को समाप्त कर सकते हैं जो आमतौर पर 3D प्रिंटेड भागों को प्रभावित करते हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह अनुकूलित विधि उच्च प्रदर्शन वाले PLA घटकों के निर्माण के लिए एक विश्वसनीय ब्लूप्रिंट प्रदान करती है, जो कस्टम चिकित्सा उपकरणों, इम्प्लांट्स और अन्य उपकरणों के निर्माण के लिए एक मार्ग प्रशस्त करती है जिन्हें हल्का और अविश्वसनीय रूप से टिकाऊ दोनों होना चाहिए।