क्या 3डी प्रिंटेड कारें संभव हैं? नई विकासों ने उत्तर पर प्रकाश डाला

3डी प्रिंटिंग ने दुनिया भर के विभिन्न उद्योगों की कल्पना को पकड़ लिया है। इसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के रूप में भी जाना जाता है, और इसे हमारे समय की सबसे परिभाषित तकनीकों में से एक कहा गया है। पारंपरिक निर्माण तकनीकों के विपरीत, यह एक ऐसी विधि है जो लगभग किसी भी प्रकार की 3डी वस्तुओं को परत दर परत बना सकती है। इसे हासिल करने के लिए, यह तकनीक कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (CAD) और धातु, प्लास्टिक, कंक्रीट या कागज जैसे विभिन्न सामग्रियों का उपयोग करती है।

वैश्विक स्तर पर निर्माताओं के लिए लागत और समय को अनुकूलित करने में यह लचीलापन इसे शीघ्र ही व्यापक अपनाने के लिए प्रमुख उम्मीदवार बनाता है। अनुमान के अनुसार, 3डी प्रिंटिंग उत्पादों और सेवाओं के वैश्विक बाजार का आकार 2020 में US$12.6 बिलियन से 2026 में US$37.2 बिलियन तक बढ़ सकता है। 2030 तक, विश्वभर में एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग और 3डी प्रिंटिंग उपकरणों की संख्या 2.8 मिलियन तक पहुँच सकती है।US$12.6 billion in 2020 to US$37.2 billion in 2026. By 2030, the number of additive manufacturing and 3D printing devices worldwide could reach 2.8 million.

ऐसे तेज़ विकास से 3डी प्रिंटिंग लगभग सर्वव्यापी हो जाएगी। इसलिए, सभी लोग पूछ रहे हैं: क्या 3डी प्रिंटिंग ऑटो सेक्टर के लिए उपयुक्त बन सकती है, जहाँ निर्माण की सटीकता अत्यधिक महत्व रखती है? सीधे शब्दों में, क्या कारों को 3डी प्रिंट करना संभव है? हम आगे के भागों में संभावनाओं पर चर्चा करेंगे।

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तोहोकू विश्वविद्यालय की मल्टी-मटेरियल 3डी प्रिंटिंग तकनीक में सफलता

विश्वविद्यालय के इंस्टीट्यूट फॉर मैटेरियल्स रिसर्च एंड न्यू इंडस्ट्री क्रिएशन हैचरी सेंटर ने अत्याधुनिक उपलब्धि हासिल की। शोधकर्ताओं ने मल्टी-मटेरियल 3डी प्रिंटिंग तकनीक के माध्यम से हल्का लेकिन टिकाऊ ऑटोमोबाइल भाग बनाने की प्रक्रिया का प्रदर्शन किया। demonstrated the process for creating a lightweight yet durable automobile part through a multi-material 3D printing technique. 

स्रोत: तोहोकू विश्वविद्यालय

यहाँ, हमें मल्टी-मटेरियल 3डी प्रिंटिंग तकनीकों की घटना को और अधिक करीब से देखना होगा। मल्टी-मटेरियल संरचनाएँ, जैसा कि नाम से स्पष्ट है, घटक के इष्टतम प्रदर्शन के लिए विभिन्न सामग्रियों को रणनीतिक रूप से संयोजित करती हैं। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि इन्हें 3डी प्रिंटिंग के माध्यम से बनाया जा सकता है।

While explaining the emergence of this technique, Associate Professor Kenta Yamanaka of Tohoku University had the following to say:

“मल्टी-मटेरियल्स एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के क्षेत्र में एक गर्म विषय हैं क्योंकि इसकी प्रक्रिया लचीलापन प्रदान करती है।”

However, he also mentioned the limitations the technology comes with. According to him:

“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।”

The most relevant aspect of this research was that the scientists tried to solve this bottleneck by producing a steel-aluminum alloy that – despite being lightweight – did not compromise on strength. 

उद्देश्य लेज़र पाउडर बेड फ्यूज़न (L-PBF) का उपयोग करके हासिल किया गया, जो प्रमुख धातु 3डी प्रिंटिंग तकनीकों में से एक है और लेज़र के माध्यम से धातु पाउडर को चयनात्मक रूप से पिघलाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लेज़र की स्कैन गति बढ़ाने से भंगुर इंटरमेटैलिक यौगिकों (जैसे Al5Fe2 और Al13Fe4) के निर्माण को काफी हद तक दबाया जा सकता है। उन्होंने प्रस्तावित किया कि यह उच्च स्कैन गति ‘नॉन-इक्विलिब्रियम सॉलिडिफिकेशन’ नामक प्रक्रिया को उत्पन्न कर सकती है, जिससे घुलनशील विभाजन कम हो जाता है और सामग्री में कमजोर बिंदु नहीं बनते। अंतिम परिणाम एक ऐसे उत्पाद के रूप में आया जिसमें मजबूत बंधन इंटरफ़ेस थे। 

In elaborating on the value of understanding this in-situ alloying mechanism, specially appointed Assistant Professor Seungkyun Yim, Tohoku University, said:

“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।”

While the findings of the Tohoku University researchers might sound technical and high-flying, they have great implications in the applied field of automobile manufacturing. In summary, the researchers could prototype the world’s first full-scale automotive multi-material component (suspension tower) with a tailored geometry. Going ahead, the findings would potentially impact other metal combinations where similar issues with bonding need improvement. 

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 पहले ही प्रोटोटाइप निर्माण को तेज करने, चयनित भागों और घटकों को पुनः डिज़ाइन करने, और यहाँ तक कि उन्हें प्रतिस्थापित करने के लिए उपयोग किया गया है। लेकिन समय के साथ, 3डी प्रिंटिंग का उपयोग अपने प्रारंभिक क्षेत्र से आगे बढ़कर प्रोटोटाइप निर्माण और कुछ वर्तमान वाहनों में कम मात्रा, अनुकूलित 3डी-प्रिंटेड ट्रिम पीस बनाने तक पहुँच गया है। 

According to Robert Wilig, executive director, CEO, SME, formerly Society of Manufacturing Engineers:

“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।

According to Dallas Martin, additive manufacturing engineer at Toyota Motor North America (TM ) :

“टूलिंग और जिग्स निर्माण में 3डी प्रिंटिंग का एकीकरण ने उत्पादन लाइन की दक्षता और लचीलापन को बढ़ाया है।”

A शोध की समीक्षा से पता चलता है कि 3डी प्रिंटिंग डिज़ाइनों को अधिक लचीला, प्रोटोटाइप को तेज़, और अपशिष्ट को अधिक कुशल बनाकर ऑटोमोटिव उद्योग में क्रांति ला सकती है। यह उत्पादन को हल्का रखकर हासिल किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने इन कारणों को ऑटोमेकर्स की एएम तकनीकों में बढ़ती निवेश के प्रेरक बताया है।

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, टोयोटा को भी बताया गया था कि उन्होंने Solize, एक वैश्विक उत्पाद विकास इंजीनियरिंग साझेदार और इंजीनियरिंग सेवाओं के प्रदाता, के साथ सहयोग किया था, ताकि डिमांड पर 3डी स्पेयर कार घटकों को प्रिंट किया जा सके। विशेष रूप से, टोयोटा ने मल्टी-जेट फ्यूजन 3डी प्रिंटिंग का उपयोग करके स्टॉक भाग बनाए और उन्हें पारंपरिक रूप से निर्मित स्पेयर पार्ट्स के साथ बेच दिया। एक अन्य वैश्विक तकनीकी दिग्गज, HP, ने टोयोटा को प्रिंटर प्रदान किए।

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, टोयोटा ने अपनी 3डी ऑटोमोटिव पेशकशों को परिष्कृत और सुधारने के लिए कई अन्य कंपनियों के समाधान भी अपनाए हैं। उदाहरण के लिए, कंपनी ने मैटेरियलिस के साथ मिलकर एक अल्ट्रा-लाइटवेट 3डी-प्रिंटेड कार सीट विकसित की। उसने DSM के साथ मिलकर सोमस टॉरस को सह-विकास करके तकनीक के अनुसंधान एवं विकास में निवेश किया, जो 95°C की उच्च ताप विक्षेपण तापमान के कारण ऑटोमोबाइल अनुप्रयोगों के लिए आदर्श माना जाता है। कंपनी ने वाटरलू विश्वविद्यालय में 3डी प्रिंटिंग विंग को अपने नाम पर रखा है। 

मई 2024 में, टोयोटा मोटर कॉरपोरेशन ने अपना FY 2024 रिपोर्ट अवधि 1 अप्रैल 2023 से 31 मार्च 2024 तक प्रकाशित किया। कंपनी ने 45,095,325 मिलियन येन की बिक्री राजस्व और 5,352,934 मिलियन येन का संचालन आय दर्ज किया। 

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।

According to Ali Shabbir, engineering group manager at GM for industrializing additive manufacturing:

“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।’”

In 2019, GM opened its Additive Innovation Lab (AIL), a 4,000 sq. ft. facility in Cole Engineering Center in the Global Technical Center. 

According to Ali Shabbir, this lab was the crown jewel of GM’s additive education program. It was a DIY maker space and learning center where employees could learn how to design and set up additive builds and post-process parts.

Among the many examples of GM successfully deploying 3D printing or additive manufacturing in the auto industry, a few stand out. For instance, in 2020, the company 3D printed 75% of the parts for its nonoperational prototype (not the production vehicle) of the first 2020 Chevy C8 Corvette, allowing engineers to study the final assembly process and identify production challenges.

In that year, the company produced racing season additive parts for the Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro, and Silverado race teams. 

In 2021, through its partnership with  GKN Additive Forecast 3D, the company 3D printed 60,000 flexible “spoiler closeout seals“ to complete 30,000 Chevrolet Tahoe SUVs in five weeks. The traditional mode of production – injection molding –  could have taken a lot longer, as long as 10 weeks. 

GM also incorporated 3D printed parts, including two HVAC ducts and an electrical harness holder, into Cadillac CT4-V and CT5-V Blackwing vehicles. In अक्टूबर 2022, it announced the most ambitious yet: the $300,000 Cadillac CELESTIQ EV, which would extensively use metal additive manufacturing for made-to-order customizations.

According to its annual report for the Fiscal year that ended on 31 दिसंबर 2023, GM reported revenue of $171.8 billion, net income attributable to stockholders of $10.1 billion, and EBIT-adjusted of $12.4 billion.

3. डाइमर ट्रक

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) is one of the world’s largest commercial vehicle manufacturers. With over 40 production sites worldwide and more than 100,000 employees, it offers light, medium, and heavy-duty trucks, city and intercity buses, coaches, and bus chassis.

The company claims to have benefited immensely from its innovative 3D printing technology. Its nearly 30 years of experience in 3D printing prototype construction has now been transferred to series production with high-quality standards. Using 3D printing, Daimler’s bus division can quickly, flexibly, economically, and environmentally react to urgent customer requirements, including the production of special components such as covers, handles, and a diverse range of individual brackets.

Daimler’s “Centre of Competence for 3D Printing“ started examining over 300,000 current bus spare parts in detail as to their suitability as 3D printed parts in 2019. The company has a full-fledged Additive Manufacturing Solutions wing now that has led to up to 80% reduction in procurement time, identified over 7,000 potential 3D print components, and has come up with a portfolio of over 400 approved spare parts that could be 3D printed. 

According to Ralf Anderhofstadt, the Head of the Center of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media at Daimler Buses, the activities of the company in the field of additive manufacturing, the “immense potential of the technology along the entire value chain has become evident step by step.“ As Ralf sees it, the opportunities for Daimler’s business, as well as for its customers, range from savings potential to new business models. 

In 2023, Daimler Truck reported a revenue of 55,890 million Euros, a significant increase from its 2022 figure of 50,945 million Euros. 

भविष्य की दृष्टि

The opinion is still divided on whether 3D printing will completely take over car manufacturing in the future. According to Robert Willig, executive director, CEO, SME, formerly Society of Manufacturing Engineers, there might not be a ‘gigantic factory with anything but printers.’

However, according to Luke Czinger, the co-founder and COO of Divergent Technologies, is currently working with six automakers, including Mercedes-Benz (MBG.DE ), Aston Martin, Bugatti, and McLaren, 3D printing, mainly suspension and bracing components, attributes of 3D printed materials can improve the performance of electric vehicles.

“The EV story is compelling for range. If you can save 20% to 30% of mass on your chassis structure, you can either increase range or you can decrease pack size. Typically for these lower cost EVs at least that is really meaningful for the profitability of that business. Then, you also have the sustainability piece. If you’re making a lighter weight vehicle, you’re going to have less tire wear, but you’re also going to actually use less aluminum, less CO2 in the manufacturing process.”

– Czinger

Researchers believe the strength of 3D printing in manufacturing cars is that it can eliminate the use of excess material and, therefore, unnecessary waste, as well as the need for long transport routes and storage areas, largely reducing environmental impacts.

Summarily, it is a promising sustainable manufacturing method. However, it would have to take care of a few bottlenecks to become really successful. For instance, it would have to have a good grip over the control of product quality. It would have to eliminate the requirement of excessive post-processing, improve the product volume, and take care of the lack of standards.

For the successful application of 3D printing in the automobile industry, standardized processes and materials are required. The lack of universal standards could hamper the interoperability between different 3D printers and software, making it difficult to achieve the same performance even under identical process parameters.

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