A Cost–Benefit–Reliability (CBR) Framework for Additive and Hybrid Manufacturing of Electronic Assemblies
यह शोध पत्र एक विश्वसनीयता-जागरूक लागत-लाभ-विश्वसनीयता (CBR) ढांचे का प्रस्ताव करता है जो कम-मात्रा वाले, उच्च-जटिलता वाले इलेक्ट्रॉनिक असेंबली के लिए एडिटिव और हाइब्रिड मैन्युफैक्चरिंग के सबसे अधिक फायदेमंद होने को प्रदर्शित करने हेतु लागत, SWaP (आकार, वजन और शक्ति), और विश्वसनीयता के बीच के समझौतों को परिमाणित करता है, बशर्ते कि प्रक्रिया योग्यता और DfAM दिशानिर्देशों को कड़ाई से लागू किया जाए।
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रक्षा और एयरोस्पेस की उच्च-दांव वाली दुनिया में, इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों को अविश्वसनीय रूप से छोटा, हल्का और शक्तिशाली होना चाहिए, जबकि उन्हें सबसे कठोर वातावरण में जीवित रहना चाहिए। ये लड़ाकू विमानों, रडार प्रणालियों और मानव रहित ड्रोन के मस्तिष्क हैं, जिन्हें अत्यधिक कंपन, तापमान के उतार-चढ़ाव और विकिरण के बीच हजारों घंटों तक विश्वसनीय रूप से काम करने का काम सौंपा गया है। दशकों से, इंजीनियरों ने इन प्रणालियों को एक मानक टूलकिट का उपयोग करके बनाया है: सपाट सर्किट बोर्ड, ठोस ब्लॉकों से मशीन द्वारा तराशे गए धातु के बक्से और हाथों से सोल्डर किए गए तार। यह पारंपरिक दृष्टिकोण काम तो करता है, लेकिन जब डिजाइनरों को किसी उपकरण के आकार को छोटा करने या तंग जगहों में जटिल आकृतियों को फिट करने की आवश्यकता होती है, तो यह एक दीवार से टकरा जाता है। धातु को काटने और सपाट बोर्डों को चिपकाने के कठोर नियम अक्सर इंजीनियरों को प्रदर्शन से समझौता करने या हिस्सों को आपस में फिट करने के लिए अतिरिक्त वजन ढोने के लिए मजबूर करते हैं।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (योज्य विनिर्माण), जिसे अक्सर 3D प्रिंटिंग के रूप में जाना जाता है, एक नया तरीका है जो एक अलग मार्ग प्रदान करता है। सामग्री को काटकर निकालने या अलग-अलग हिस्सों को जोड़ने के बजाय, यह तकनीक वस्तुओं को परत-दर-परत बनाती है, जिससे ऐसी आकृतियाँ बनाना संभव हो जाता है जो पहले असंभव थीं। यह धातु के आवासों (हाउसिंग) को आंतरिक कूलिंग चैनलों के साथ प्रिंट कर सकता है, घुमावदार सतहों में सीधे एंटेना लगा सकता है, और संरचना के भीतर ही विद्युत सर्किट को समाहित कर सकता है। हालाँकि, महत्वपूर्ण सैन्य उपकरणों के लिए, केवल एक भाग को प्रिंट करने में सक्षम होना पर्याप्त नहीं है। सेना को यह जानने की आवश्यकता है कि क्या ये प्रिंट किए गए हिस्से पुराने हिस्सों जितने विश्वसनीय हैं, क्या वे एक दशक की सेवा में जीवित रहेंगे, और क्या प्रिंटिंग की नई प्रक्रियाओं के विकास की उच्च कीमत के मुकाबले प्रिंटिंग से होने वाली लागत बचत अधिक है। केंद्रीय प्रश्न यह नहीं है कि क्या एक घटक को प्रिंट किया जा सकता है, बल्कि यह है कि जब विश्वसनीयता, लागत और प्रदर्शन को एक साथ तौला जाता है, तो क्या प्रिंट करना तर्कसंगत है।
नॉर्थ्रॉप ग्रुमन मिशन सिस्टम्स के शोधकर्ताओं ने इस प्रश्न का उत्तर देने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक निर्णय ढांचा (डिसीजन फ्रेमवर्क) बनाया है जो लागत, लाभ और विश्वसनीयता को अलग-अलग चिंताओं के बजाय एक एकल, जुड़े हुए पैकेज के रूप में मानता है। उनका लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि वास्तव में कब पारंपरिक विनिर्माण से एडिटिव या हाइब्रिड विधियों (जहाँ प्रिंटिंग को अन्य तकनीकों के साथ जोड़ा जाता है) में स्विच करना एक स्पष्ट लाभ प्रदान करता है। हजारों अलग-अलग उत्पादन परिदृश्यों का अनुकरण (सिमुलेशन) करने वाला एक मॉडल बनाकर, उन्होंने पाया कि उत्तर काफी हद तक भाग की जटिलता और उत्पादन की मात्रा पर निर्भर करता है। अध्ययन बताता है कि कम-मात्रा वाले, अत्यधिक जटिल असेंबली के लिए, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग महत्वपूर्ण लाभ प्रदान कर सकती है, लेकिन केवल तभी जब प्रिंटिंग प्रक्रिया से जुड़े विशिष्ट जोखिमों का सावधानीपूर्वक प्रबंधन किया जाए।
शोधकर्ताओं ने अपने ढांचे का परीक्षण रक्षा इलेक्ट्रॉनिक्स के चार विशिष्ट उदाहरणों का उपयोग करके किया, जिनमें से प्रत्येक एक अलग चुनौती का प्रतिनिधित्व करता है। पहला एक ड्रोन के लिए एक 'कॉन्फॉर्मल एंटीना' था, जिसे विमान की त्वचा में सहजता से घुलने के लिए डिज़ाइन किया गया था ताकि पहचान से बचा जा सके। पारंपरिक रूप से, इसके लिए एक भारी धातु के फ्रेम की आवश्यकता होती जो एक सपाट सर्किट बोर्ड को थामे रहता, लेकिन नए दृष्टिकोण में एक पतला, घुमावदार तांबे का खोल प्रिंट किया गया और फिर एक विशेष इंकजेट प्रिंटर का उपयोग करके उसके अंदर सीधे विद्युत सर्किट बनाए गए। इसने दर्जनों अलग फास्टनरों और कनेक्टरों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया, जिससे पुर्जों की संख्या में लगभग 90 प्रतिशत की कमी आई और वजन में एक चौथाई की कटौती हुई। हालांकि प्रिंट किए गए सर्किट के विफल होने की संभावना पारंपरिक सर्किटों की तुलना में थोड़ी अधिक थी, लेकिन वजन और आकार में भारी लाभ ने नए तरीके को स्पष्ट विजेता बना दिया।
दूसरा उदाहरण एक जमीनी वाहन के लिए एक पावर डिस्ट्रीब्यूशन मॉड्यूल का था, एक ऐसा घटक जिसे भारी विद्युत भार को संभालने के लिए ठंडा रहना चाहिए। पारंपरिक संस्करण में एक मशीन द्वारा तराशे गए एल्युमीनियम ब्लॉक पर बोल्ट किए गए मोटे तांबे के बार का उपयोग किया जाता था। शोधकर्ताओं ने इसे एक हाइब्रिड डिज़ाइन से बदल दिया: एक जालीदार (लैटिस-लाइक) धातु संरचना जिसे कूलिंग के लिए आंतरिक चैनलों के साथ प्रिंट किया गया था, और उसके ऊपर प्रिंट किए गए इलेक्ट्रिकल ट्रेसेस लगाए गए थे। इस एकीकृत डिज़ाइन ने घटकों की संख्या को 85 प्रतिशत कम कर दिया और ऊष्मा अपव्यय (हीट डिसिपेशन) में सुधार किया, जिससे भारी लोड के तहत इलेक्ट्रॉनिक्स ठंडे रहे। भले ही प्रिंट किए गए इंटरफेस ने थर्मल तनाव के तहत अलगाव का एक छोटा जोखिम पेश किया, लेकिन असेंबली समय में कमी और थर्मल प्रदर्शन में सुधार ने संतुलन को नए तरीके के पक्ष में झुका दिया।
तीसरे केस स्टडी ने एक रग्डाइज्ड माइक्रोवेव पैकेज का अध्ययन किया जिसे तीव्र झटके और कंपन से बचने के लिए डिज़ाइन किया गया था। पारंपरिक दृष्टिकोण में कई अलग-अलग धातु और सिरेमिक भागों को एक साथ जोड़ा जाता था। एडिटिव दृष्टिकोण ने एक एकल सिरेमिक ब्लॉक को प्रिंट किया जिसमें सामग्री के भीतर ही वेवगाइड्स बनाए गए थे, जिसे बिजली का संचालन करने के लिए धातु से कोट किया गया था। इसने पुर्जों की संख्या को 70 से 80 प्रतिशत कम कर दिया और यूनिट को झटकों के प्रति बहुत अधिक प्रतिरोधी बना दिया। हालांकि प्रिंटिंग प्रक्रिया के लिए यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक पोस्ट-प्रोसेसिंग की आवश्यकता थी कि आंतरिक चैनल चिकने और दोष मुक्त हों, लेकिन परिणामी स्थायित्व ने इसे एक व्यवहार्य विकल्प बना दिया, विशेष रूप से उन मिशनों के लिए जहाँ उपकरण को अत्यधिक भौतिक तनाव का सामना करना पड़ सकता है।
अंतिम उदाहरण एक ड्रोन विंग के लिए एक एम्बेडेड हेल्थ-मॉनिटरिंग सेंसर था, जिसे उड़ान के दौरान खिंचाव (स्ट्रेन) और तापमान को ट्रैक करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। विंग संरचना के माध्यम से नाजुक फाइबर-ऑप्टिक केबल और वायरिंग हार्नेस को मैन्युअल रूप से रूट करने के बजाय, नए तरीके ने विंग की सामग्री के भीतर सीधे छोटे चैनलों को प्रिंट करने के लिए एक उच्च-परिशुद्धता लेजर का उपयोग किया। केबलों को इन पूर्व-निर्मित सुरंगों में डाला गया और वहीं सील कर दिया गया। इस दृष्टिकोण ने असेंबली श्रम को 90 प्रतिशत तक कम कर दिया और भारी बाहरी ब्रैकेट की आवश्यकता को समाप्त कर दिया। क्योंकि सेंसर सामग्री के भीतर सुरक्षित थे, उनकी विश्वसनीयता पारंपरिक वायरिंग के लगभग समान थी, जबकि वजन की बचत भी पर्याप्त थी।
इन निष्कर्षों को मजबूत बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने दस हजार अलग-अलग परिदृश्यों वाले एक विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन का संचालन किया। उन्होंने इस तथ्य को ध्यान में रखा कि वास्तविक दुनिया की इंजीनियरिंग अव्यवस्थित होती है: लागत बदलती रहती है, सामग्रियां अलग तरह से व्यवहार करती हैं, और एक नई प्रक्रिया को विकसित करने में लगने वाला समय कभी भी पूरी तरह से अनुमानित नहीं होता है। उन्होंने पाया कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करने का निर्णय दो विशिष्ट कारकों के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील है: प्रिंट किए गए भागों की विफलता दर और नई प्रक्रिया को विकसित करने की अग्रिम लागत। यदि प्रिंटिंग प्रक्रिया को कड़ाई से नियंत्रित नहीं किया जाता है, या यदि प्रारंभिक विकास लागत बहुत अधिक है, तो लाभ समाप्त हो जाते हैं। हालांकि, जब विफलता दर को कम रखा जाता है और विकास लागत को प्रबंधित किया जाता है, तो मॉडल दिखाता है कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग लगभग 76 प्रतिशत सिम्युलेटेड कम-मात्रा उत्पादन रन में स्वामित्व की कुल लागत (टोटल कॉस्ट ऑफ ओनरशिप) को कम करती है।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में सबसे बड़े जोखिम रहस्यमय या अप्रत्याशित नहीं हैं, बल्कि विशिष्ट और प्रबंधनीय हैं। धातु के भीतर हवा के छोटे बुलबुले, विद्युत संकेतों को बाधित करने वाली खुरदरी सतहें, या विभिन्न सामग्रियों के मिलन स्थल पर दरारें जैसे मुद्दों को सावधानीपूर्वक डिजाइन और परीक्षण के माध्यम से संबोधित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने जोर दिया कि सफलता के लिए एक अनुशासित दृष्टिकोण की आवश्यकता है, जहाँ इंजीनियर प्रिंटिंग प्रक्रिया के लिए विशेष रूप से योजना बनाते हैं, न कि पारंपरिक डिजाइनों को एक नई मशीन में जबरन फिट करने की कोशिश करते हैं। उन्होंने यह भी बताया कि पूर्ण उत्पादन से पहले छोटे नमूना टुकड़ों का कठोर परीक्षण करना दोषों को जल्दी पकड़ने के लिए आवश्यक है।
अंततः, अनुसंधान का निष्कर्ष है कि एडिटिव और हाइब्रिड मैन्युफैक्चरिंग पारंपरिक तरीकों का सार्वभौमिक प्रतिस्थापन नहीं हैं, बल्कि वे विशिष्ट स्थितियों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हैं। वे तब चमकते हैं जब भाग जटिल होते हैं, उत्पादन की मात्रा कम होती है, और वजन या स्थान बचाने की आवश्यकता महत्वपूर्ण होती है। इन परिदृश्यों के लिए, एक एकल, एकीकृत घटक को प्रिंट करने की क्षमता जो कई कार्य करता है, एक सम्मोहक लाभ प्रदान करती है। इस क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी यह समझने में निहित है कि निर्णय केवल मशीन की कीमत या प्रिंटिंग की गति के बारे में नहीं है, बल्कि उत्पाद के संपूर्ण जीवन चक्र के बारे में है। लागत, लाभ और विश्वसनीयता को एक साथ तौलने वाले एक ढांचे का उपयोग करके, इंजीनियर यह निर्णय लेने में विश्वास कर सकते हैं कि कब इन नई तकनीकों को अपनाना है और कब अतीत के सिद्ध तरीकों पर टिके रहना है।
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