योगात्मक विनिर्माण
क्या 3डी-प्रिंटेड कारें संभव हैं? नई प्रगति से मिला जवाब
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3डी प्रिंटिंग ने दुनिया भर के अनेक उद्योगों का ध्यान आकर्षित किया है। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कहलाने वाली यह तकनीक वस्तुओं को परत-दर-परत बनाती है। इसके लिए कंप्यूटर-सहायता प्राप्त डिजाइन (CAD) और धातु, प्लास्टिक, कंक्रीट या कागज जैसी विभिन्न सामग्रियों का इस्तेमाल किया जा सकता है।
दुनिया भर के निर्माताओं के लिए लागत और समय बचाने की इसकी क्षमता व्यापक उपयोग की संभावना बढ़ाती है। अनुमानों के अनुसार, 3डी प्रिंटिंग उत्पादों और सेवाओं का वैश्विक बाजार 2020 के 12.6 अरब अमेरिकी डॉलर से बढ़कर 2026 में 37.2 अरब अमेरिकी डॉलर तक पहुँच सकता है। 2030 तक दुनिया में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग और 3डी प्रिंटिंग उपकरणों की संख्या 28 लाख होने का अनुमान है।
इस वृद्धि के बीच सवाल उठता है कि क्या 3डी प्रिंटिंग वाहन उद्योग की अत्यंत सटीक निर्माण आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है। क्या पूरी कारें 3डी प्रिंट करना संभव है? आगे हम इसकी संभावनाओं और सीमाओं को देखते हैं।
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तोहोकू विश्वविद्यालय की मल्टी-मटेरियल 3डी प्रिंटिंग तकनीक में सफलता
विश्वविद्यालय के इंस्टीट्यूट फॉर मैटेरियल्स रिसर्च और न्यू इंडस्ट्री क्रिएशन हैचरी सेंटर के शोधकर्ताओं ने हल्का लेकिन टिकाऊ वाहन पुर्जा बनाने की प्रक्रिया का प्रदर्शन किया। इसके लिए उन्होंने बहु-सामग्री 3डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग किया।
स्रोत: तोहोकू विश्वविद्यालय
बहु-सामग्री संरचनाओं में अलग-अलग सामग्रियों को इस तरह जोड़ा जाता है कि किसी घटक का प्रदर्शन बेहतर हो। इन संरचनाओं को 3डी प्रिंटिंग से बनाया जा सकता है।
इस तकनीक के विकास पर तोहोकू विश्वविद्यालय के एसोसिएट प्रोफेसर केंटा यामानाका ने कहा:
“प्रक्रिया में मिलने वाले लचीलेपन के कारण एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में बहु-सामग्री संरचनाएँ चर्चा का प्रमुख विषय हैं।”
हालांकि, उन्होंने इसकी सीमाएँ भी बताईं:
“कुछ धातु संयोजनों, जैसे स्टील और एल्यूमीनियम, के लिए, असमान धातु इंटरफेस पर भंगुर इंटरमेटैलिक यौगिक बन सकते हैं। इसलिए, जबकि सामग्री अब हल्की है, यह अधिक भंगुर हो जाती है।”
इस शोध की मुख्य बात यह थी कि वैज्ञानिकों ने स्टील और एल्यूमीनियम को जोड़ते समय बनने वाले कमजोर इंटरफेस की समस्या हल करने की कोशिश की, ताकि हल्केपन के साथ मजबूती भी बनी रहे।
इसके लिए लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (L-PBF) का उपयोग किया गया, जिसमें लेजर धातु पाउडर को चुनिंदा स्थानों पर पिघलाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लेजर की स्कैन गति बढ़ाने से Al5Fe2 और Al13Fe4 जैसे भंगुर इंटरमेटैलिक यौगिकों का बनना काफी घट सकता है। तेज स्कैनिंग से असंतुलित ठोसीकरण होता है, जो घुले हुए तत्वों के अलगाव को कम कर सकता है। परिणामस्वरूप सामग्रियों के बीच मजबूत जुड़ाव प्राप्त हुआ।
इसी स्थान पर मिश्रधातु बनने की प्रक्रिया को समझने के महत्व पर तोहोकू विश्वविद्यालय के विशेष नियुक्ति वाले असिस्टेंट प्रोफेसर स्युंगक्युन यिम ने कहा:
“दूसरे शब्दों में, आप दो धातुओं को बस एक साथ नहीं लगा सकते और उम्मीद नहीं कर सकते कि वे बिना योजना के चिपक जाएँ।”
ये निष्कर्ष तकनीकी लग सकते हैं, लेकिन वाहन निर्माण में इनके व्यावहारिक निहितार्थ हैं। शोधकर्ताओं ने अनुकूलित आकार वाला पूर्ण आकार का बहु-सामग्री सस्पेंशन टावर तैयार किया, जिसे उन्होंने दुनिया में अपनी तरह का पहला वाहन घटक बताया। आगे यह तरीका अन्य धातु संयोजनों में भी उपयोगी हो सकता है, जहाँ जुड़ाव को मजबूत करने की आवश्यकता है।
जबकि यह शोध ऑटोमोबाइल उद्योग के लिए नए क्षितिज खोलता है, इस क्षेत्र में 3डी प्रिंटिंग का उपयोग नया नहीं है।
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तेज़ प्रोटोटाइप और पुनः डिज़ाइन किए गए घटकों या भागों के लिए 3डी प्रिंटिंग
उद्योग विशेषज्ञ कहते हैं कि 3डी प्रिंटिंग का उपयोग पहले से प्रोटोटाइप तेजी से बनाने, चुनिंदा पुर्जों का डिजाइन बदलने और प्रतिस्थापन पुर्जे तैयार करने में किया जा रहा है। अब कुछ वाहनों में कम संख्या में बनने वाले अनुकूलित सजावटी पुर्जे भी इस तकनीक से बनाए जाते हैं।
कार्यकारी निदेशक और मुख्य कार्यकारी अधिकारी रॉबर्ट विलिग के अनुसार, SME जिसे पहले सोसाइटी ऑफ मैन्युफैक्चरिंग इंजीनियर्स कहा जाता था:
“जैसे ही ऑटो उद्योग हल्के वजन पर केंद्रित हाइब्रिड या यहां तक कि इलेक्ट्रिफाइड वाहन प्लेटफ़ॉर्म की ओर बढ़ रहा है, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग इसमें बहुत अच्छी तरह फिट बैठता है क्योंकि यह प्रभावी डिज़ाइनों को बनाने के बहुत कुशल तरीके प्रदान करता है।”
पहले जहाँ तीन भागों की आवश्यकता होती थी, अब 3डी प्रिंटिंग एक ही टुकड़े में डिज़ाइन को अनुकूलित करने की अनुमति देती है, जहाँ केवल आवश्यक सामग्री को ही रखा जाता है, जिससे यह हल्का, मजबूत और अधिक लचीला बनता है।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग इंजीनियर डैलस मार्टिन के अनुसार, जो Toyota Motor North America में कार्यरत हैं (TM ) :
“टूलिंग और जिग्स बनाने में 3डी प्रिंटिंग के उपयोग ने उत्पादन लाइन की दक्षता और लचीलापन बढ़ाया है।”
एक शोध समीक्षा बताती है कि 3डी प्रिंटिंग अधिक लचीले डिजाइन, तेज प्रोटोटाइप निर्माण और कम अपशिष्ट के जरिए वाहन उद्योग में बदलाव ला सकती है। हल्के पुर्जे तैयार करना भी इसका लाभ है। शोधकर्ताओं ने इन्हें वाहन निर्माताओं के बढ़ते निवेश के प्रमुख कारण बताया।
जबकि हम आगे के भागों में इस क्षेत्र में सक्रिय कुछ अग्रणी कंपनियों का अन्वेषण करेंगे, शोधकर्ताओं ने सतत और हरित समाधान में एएम के अधिक अवसरों को नोट किया है, विशेष रूप से बैटरी सिस्टम और इलेक्ट्रिक कारों को आगे बढ़ाने में। 3डी प्रिंटिंग गर्मी-प्रतिरोधी बैटरी फिक्स्चर बनाने में उपयोगी साबित हो सकती है जो गर्मी विसरण और बैटरी कूलिंग को सुधारते हैं। इसे ठोस-स्थिति लिथियम बैटरियों के निर्माण के लिए भी एक आशाजनक समाधान माना जाता है।
आने वाले भागों में, हम उन उपयोग मामलों को देखेंगे जहाँ प्रसिद्ध ऑटोमोबाइल निर्माताओं ने प्रभावी समाधान विकसित किए हैं।
1. टोयोटा
जुलाई 2024 में, टोयोटा ने 3डी-प्रिंटेड भागों वाले हाइपर-एफ कॉन्सेप्ट कारों की घोषणा की। इस क्षेत्र में एक अनुभवी कंपनी, टोयोटा ने TCD एशिया (टोयोटा कस्टमाइज़िंग & डेवलपमेंट) के माध्यम से विभिन्न टोयोटा मॉडलों के लिए वाहन एक्सेसरीज़ का उत्पादन किया—एक हाई-परफ़ॉर्मेंस SUV कॉन्सेप्ट को उजागर किया जिसमें 3डी-प्रिंटेड भाग और अत्याधुनिक सामग्री शामिल थीं। यह केवल जापानी कंपनियों मित्सुई केमिकल्स और ARRK कॉरपोरेशन के साथ सहयोग के माध्यम से संभव हुआ।
रिपोर्टों के अनुसार, टोयोटा का हाइपर-एफ कॉन्सेप्ट कार टोयोटा फोर्ट्यूनर पर आधारित है, जिसे TCD एशिया ने विकसित किया। मित्सुई केमिकल्स की उन्नत तकनीकी विशेषज्ञता का उपयोग करते हुए, टोयोटा ने प्लास्टिक ग्रेन्यूल्स से कम लागत पर भाग बनाने के लिए पेललेट्स के साथ 3डी प्रिंटिंग का उपयोग किया, जिससे विकास समय और निवेश लागत कम हुई।
कंपनी ने दावा किया कि ये 3डी-प्रिंटेड भाग विशेष रूप से स्थिर हैं और बड़े आकार के भागों को प्रिंट करने के लिए तैयार हैं। टोयोटा हाइपर-एफ कॉन्सेप्ट कार में, 3डी-प्रिंटेड घटक हुड एयर डक्ट्स के पैनलों को सजाते हैं।
इससे पहले Toyota के Solize के साथ सहयोग की खबर आई थी। यह वैश्विक उत्पाद विकास और इंजीनियरिंग सेवाएँ देने वाली कंपनी है। सहयोग का उद्देश्य था मांग के अनुसार वाहन के स्पेयर पार्ट्स 3डी प्रिंट करना। Toyota ने मल्टी-जेट फ्यूजन तकनीक से प्रतिस्थापन पुर्जे तैयार किए और उन्हें पारंपरिक पुर्जों के साथ उपलब्ध कराया। प्रिंटर HP ने दिए थे।
ऑटोमोबाइल उद्योग के 3डी प्रिंटिंग को अपनाने में रुचि के बारे में बात करते हुए, HP जापान के MD नोबुकी ओकाडो ने कहा:
“हर दिन, हम विभिन्न उद्योगों में, विशेष रूप से ऑटोमोटिव में, बढ़ती ट्रैक्शन और अधिक परिपक्व 3डी प्रिंटेड अनुप्रयोग देख रहे हैं। टोयोटा मोटर कॉरपोरेशन जैसी अग्रणी ऑटोमेकर्स 3डी प्रिंटिंग की शक्ति को लचीले डिज़ाइन, तेज़ बाजार में लाने, और सतत प्रभाव के लिए प्रदर्शित कर रहे हैं।”
HP के अलावा Toyota ने अन्य कंपनियों के समाधान भी अपनाए हैं। उदाहरण के लिए, Materialise के साथ हल्की 3डी-प्रिंटेड कार सीट विकसित की गई। DSM के साथ Somos Taurus नामक सामग्री के विकास में भी सहयोग हुआ, जिसकी लगभग 95°C ताप-विक्षेपण सीमा वाहन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। वाटरलू विश्वविद्यालय में 3डी प्रिंटिंग से जुड़ी सुविधा पर भी Toyota का नाम है।
TM मूल्य चार्ट
मई 2024 में, Toyota Motor Corporation ने वित्त वर्ष 2024 के नतीजे प्रकाशित किए। 1 अप्रैल 2023 से 31 मार्च 2024 की अवधि में कंपनी ने 45,095,325 मिलियन येन का बिक्री राजस्व और 5,352,934 मिलियन येन की परिचालन आय दर्ज की।
2. जनरल मोटर्स
2022 में, संभवतः दुनिया की सबसे प्रसिद्ध ऑटोमोटिव कंपनी ने 3डी प्रिंटिंग या एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के उपयोग में प्रोटोटाइप और कम मात्रा वाले भागों से आगे बढ़कर काम किया। संयुक्त राज्य की सबसे बड़ी ऑटोमेकर प्लांट ऑपरेटरों के लिए कस्टम टूल्स प्रिंट करती है, जिससे उनके काम सुरक्षित और अधिक उत्पादक बनते हैं।
जनरल मोटर्स का 3डी प्रिंटिंग के साथ संबंध 1989 में शुरू हुआ जब उन्होंने वॉरेन (मिशिगन) टेक सेंटर कैंपस में सीरियल नंबर “3” वाला एक प्रारंभिक स्टीरियोलिथोग्राफी मशीन स्थापित किया।
GM में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के औद्योगिकीकरण के इंजीनियरिंग समूह प्रबंधक अली शब्बीर के अनुसार:
“जैसे ही तकनीक, सामग्री की ताकत, धातुओं की उपलब्धता ने अपना रफ़्तार पकड़ी, अधिकारियों ने कहा, ‘आप जानते हैं, यह कुछ ऐसा है जिस पर हमें ध्यान देना चाहिए, इसलिए चलिए इस पर एक छोटी टीम बनाते हैं ताकि हम देख सकें कि क्या किया जा सकता है।’”
2019 में GM ने ग्लोबल टेक्निकल सेंटर के कोल इंजीनियरिंग सेंटर में 4,000 वर्ग फुट की एडिटिव इनोवेशन लैब (AIL) खोली।
अली शब्बीर के अनुसार, यह GM के एडिटिव शिक्षा कार्यक्रम की प्रमुख सुविधा थी। यहाँ कर्मचारी डिजाइन बनाना, प्रिंट की तैयारी करना और तैयार पुर्जों की अंतिम प्रक्रिया करना सीख सकते थे।
(GM )GM के सफल उपयोगों में कई उदाहरण उल्लेखनीय हैं। 2020 Chevy C8 Corvette के गैर-कार्यशील प्रोटोटाइप—उत्पादन वाहन नहीं—के 75% पुर्जे 3डी प्रिंट किए गए। इससे इंजीनियर अंतिम असेंबली प्रक्रिया का अध्ययन और उत्पादन की समस्याओं की पहचान कर सके।
उसी वर्ष कंपनी ने Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro और Silverado रेसिंग टीमों के लिए एडिटिव तकनीक से पुर्जे बनाए।
2021 में GKN Additive Forecast 3D के साथ साझेदारी में कंपनी ने 60,000 लचीली “स्पॉइलर क्लोजआउट सील” पाँच सप्ताह में प्रिंट कीं, जिससे 30,000 Chevrolet Tahoe SUV पूरी की जा सकीं। पारंपरिक इंजेक्शन मोल्डिंग में लगभग दस सप्ताह लग सकते थे।
GM ने Cadillac CT4-V और CT5-V Blackwing में दो HVAC डक्ट और एक इलेक्ट्रिकल हार्नेस होल्डर सहित 3डी-प्रिंटेड पुर्जे लगाए। अक्टूबर 2022 में उसने 300,000 डॉलर की Cadillac CELESTIQ EV की घोषणा की, जिसमें ग्राहक के अनुसार अनुकूलन के लिए धातु एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का व्यापक उपयोग प्रस्तावित था।
GM मूल्य चार्ट
कंपनी की 31 दिसंबर 2023 को समाप्त वित्त वर्ष की वार्षिक रिपोर्ट के अनुसार, GM का राजस्व 171.8 अरब डॉलर, शेयरधारकों को देय शुद्ध लाभ 10.1 अरब डॉलर और समायोजित EBIT 12.4 अरब डॉलर था।
3. डेमलर ट्रक
Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) दुनिया के सबसे बड़े वाणिज्यिक वाहन निर्माताओं में से एक है। दुनिया भर में इसके 40 से अधिक उत्पादन स्थल और 100,000 से अधिक कर्मचारी हैं। यह हल्के, मध्यम और भारी ट्रक, शहरी व अंतरशहरी बसें, कोच और बस चेसिस बनाती है।
कंपनी अपनी नवोन्मेषी 3डी प्रिंटिंग तकनीक से बड़े लाभ का दावा करती है। प्रोटोटाइप निर्माण में लगभग 30 वर्षों का अनुभव अब नियमित उत्पादन तक पहुँच गया है। Daimler की बस इकाई इस तकनीक से कवर, हैंडल और विभिन्न ब्रैकेट जैसे विशेष पुर्जे बनाकर ग्राहकों की तत्काल जरूरतों का तेज, लचीला और किफायती समाधान दे सकती है।
Daimler के “3डी प्रिंटिंग क्षमता केंद्र” ने 2019 में बसों के 300,000 से अधिक मौजूदा स्पेयर पार्ट्स की जाँच शुरू की कि कौन-से 3डी प्रिंट किए जा सकते हैं। अब कंपनी की एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सॉल्यूशंस इकाई काम कर रही है। कंपनी के अनुसार इससे खरीद में लगने वाला समय 80% तक घटा, 7,000 से अधिक संभावित घटकों की पहचान हुई और 400 से अधिक स्वीकृत 3डी-प्रिंट योग्य स्पेयर पार्ट्स का पोर्टफोलियो तैयार हुआ।
Daimler Buses के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, प्रिंटिंग शॉप और मीडिया क्षमता केंद्र के प्रमुख राल्फ एंडरहोफस्टाट के अनुसार, “पूरी मूल्य श्रृंखला में इस तकनीक की अपार क्षमता धीरे-धीरे स्पष्ट हुई है।” उनके अनुसार कंपनी और ग्राहकों के लिए बचत से लेकर नए कारोबारी मॉडल तक अनेक अवसर हैं।
2023 में Daimler Truck ने 55,890 मिलियन यूरो का राजस्व दर्ज किया, जो 2022 के 50,945 मिलियन यूरो से काफी अधिक था।
भविष्य की दृष्टि
भविष्य में कार निर्माण पर 3डी प्रिंटिंग का पूरी तरह प्रभुत्व होगा या नहीं, इस पर राय अभी बंटी हुई है। SME के कार्यकारी निदेशक और CEO रॉबर्ट विलिग के अनुसार, शायद ऐसा विशाल कारखाना न हो जिसमें केवल प्रिंटर हों।
दूसरी ओर, Divergent Technologies के सह-संस्थापक और COO ल्यूक जिंजर का मानना है कि 3डी-प्रिंटेड सामग्री इलेक्ट्रिक वाहनों का प्रदर्शन सुधार सकती है। उनकी कंपनी Mercedes-Benz (MBG.DE ), Aston Martin, Bugatti और McLaren सहित छह वाहन निर्माताओं के साथ मुख्यतः सस्पेंशन और संरचनात्मक सहारा देने वाले पुर्जों पर काम कर रही है।
“इलेक्ट्रिक वाहन में रेंज बढ़ाने का तर्क मजबूत है। अगर चेसिस संरचना का वजन 20% से 30% घटाया जा सके, तो रेंज बढ़ाई जा सकती है या बैटरी पैक छोटा किया जा सकता है। खासकर कम कीमत वाले इलेक्ट्रिक वाहनों में इसका लाभप्रदता पर बड़ा असर पड़ता है। स्थिरता का पक्ष भी है: हल्के वाहन में टायर कम घिसेंगे, कम एल्यूमीनियम लगेगा और निर्माण के दौरान CO2 उत्सर्जन भी कम होगा।”
— जिंजर
शोधकर्ताओं के अनुसार कार निर्माण में 3डी प्रिंटिंग की ताकत अतिरिक्त सामग्री और अनावश्यक अपशिष्ट घटाने में है। यह लंबी परिवहन दूरी और भंडारण की जरूरत भी कम कर सकती है, जिससे पर्यावरणीय प्रभाव घट सकता है।
कुल मिलाकर यह टिकाऊ निर्माण की एक आशाजनक विधि है। व्यापक सफलता के लिए उत्पाद की गुणवत्ता पर बेहतर नियंत्रण, कम अंतिम प्रसंस्करण, अधिक उत्पादन क्षमता और मानकों की कमी जैसी बाधाओं को हल करना होगा।
वाहन उद्योग में 3डी प्रिंटिंग के सफल उपयोग के लिए मानकीकृत प्रक्रियाएँ और सामग्री आवश्यक हैं। सार्वभौमिक मानकों की कमी से अलग-अलग प्रिंटर और सॉफ्टवेयर के बीच अनुकूलता बाधित हो सकती है, जिससे समान प्रक्रिया मापदंडों पर भी समान प्रदर्शन पाना मुश्किल होता है।
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