Według SmarTech, firmy konsultingowej zajmującej się technologiami produkcji, przemysł lotniczy i kosmiczny jest drugą co do wielkości branżą, w której wykorzystuje się wytwarzanie addytywne (AM), ustępując jedynie medycynie. Nadal jednak brakuje świadomości potencjału wytwarzania addytywnego materiałów ceramicznych w zakresie szybkiej produkcji komponentów lotniczych, zwiększonej elastyczności i opłacalności. AM pozwala na szybszą i bardziej zrównoważoną produkcję mocniejszych i lżejszych elementów ceramicznych, co przekłada się na redukcję kosztów pracy, minimalizację ręcznego montażu oraz poprawę wydajności i osiągów dzięki projektowaniu opartemu na modelowaniu, a tym samym na redukcję masy samolotu. Ponadto technologia wytwarzania addytywnego ceramiki zapewnia kontrolę wymiarów gotowych elementów o wymiarach mniejszych niż 100 mikronów.
Jednak słowo „ceramika” może przywodzić na myśl błędne przekonanie o kruchości. W rzeczywistości ceramika produkowana metodą addytywną pozwala na produkcję lżejszych, cieńszych elementów o dużej wytrzymałości strukturalnej, wytrzymałości i odporności na szeroki zakres temperatur. Firmy zorientowane na przyszłość sięgają po ceramiczne komponenty do produkcji, w tym dysze i śmigła, izolatory elektryczne i łopatki turbin.
Na przykład, tlenek glinu o wysokiej czystości charakteryzuje się wysoką twardością, odpornością na korozję i szerokim zakresem temperatur. Elementy wykonane z tlenku glinu zapewniają również izolację elektryczną w wysokich temperaturach typowych dla systemów lotniczych.
Ceramika na bazie cyrkonii może sprostać wielu zastosowaniom o ekstremalnych wymaganiach materiałowych i wysokich obciążeniach mechanicznych, takim jak wysokiej jakości formowanie metali, zawory i łożyska. Ceramika azotku krzemu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, wysoką udarnością i doskonałą odpornością na szok termiczny, a także dobrą odpornością chemiczną na korozję powodowaną przez różnorodne kwasy, zasady i stopione metale. Azotek krzemu jest stosowany do izolatorów, wirników i anten wysokotemperaturowych o niskiej dielektryczności.
Kompozyty ceramiczne oferują szereg pożądanych właściwości. Ceramika na bazie krzemu z dodatkiem tlenku glinu i cyrkonu sprawdziła się w produkcji monokrystalicznych odlewów łopatek turbin. Wynika to z faktu, że rdzeń ceramiczny wykonany z tego materiału charakteryzuje się bardzo niską rozszerzalnością cieplną do 1500°C, wysoką porowatością, doskonałą jakością powierzchni i dobrą wymywalnością. Drukowanie tych rdzeni pozwala na projektowanie turbin, które wytrzymują wyższe temperatury pracy i zwiększają wydajność silnika.
Powszechnie wiadomo, że formowanie wtryskowe lub obróbka skrawaniem ceramiki jest bardzo trudna, a obróbka skrawaniem ogranicza dostęp do wytwarzanych elementów. Trudności w obróbce skrawaniem występują również w przypadku takich elementów jak cienkie ścianki.
Jednakże firma Lithoz wykorzystuje technologię produkcji ceramiki opartą na litografii (LCM) do wytwarzania precyzyjnych, złożonych kształtów trójwymiarowych elementów ceramicznych.
Począwszy od modelu CAD, szczegółowe specyfikacje są cyfrowo przenoszone do drukarki 3D. Następnie precyzyjnie opracowany proszek ceramiczny jest nakładany na górną część przezroczystej kadzi. Ruchoma platforma konstrukcyjna jest zanurzana w glinie, a następnie selektywnie naświetlana światłem widzialnym od dołu. Obraz warstwowy jest generowany przez cyfrowe urządzenie z mikrolustrami (DMD) sprzężone z systemem projekcyjnym. Powtarzając ten proces, można uzyskać trójwymiarowy, zielony element warstwa po warstwie. Po obróbce termicznej spoiwo jest usuwane, a zielone elementy są spiekane – łączone w specjalnym procesie nagrzewania – w celu uzyskania całkowicie gęstego elementu ceramicznego o doskonałych właściwościach mechanicznych i jakości powierzchni.
Technologia LCM zapewnia innowacyjny, ekonomiczny i szybszy proces odlewania precyzyjnego elementów silników turbinowych, omijając kosztowną i pracochłonną produkcję form, wymaganą w przypadku formowania wtryskowego i odlewania metodą traconego wosku.
Metoda LCM umożliwia również realizację projektów niemożliwych do uzyskania innymi metodami, przy jednoczesnym wykorzystaniu znacznie mniejszej ilości surowców niż w przypadku innych metod.
Mimo ogromnego potencjału materiałów ceramicznych i technologii LCM, nadal istnieje luka pomiędzy producentami oryginalnego sprzętu (OEM) AM a projektantami samolotów i astronautów.
Jednym z powodów może być opór wobec nowych metod produkcji w branżach o szczególnie rygorystycznych wymaganiach bezpieczeństwa i jakości. Produkcja w przemyśle lotniczym i kosmicznym wymaga wielu procesów weryfikacji i kwalifikacji, a także gruntownego i rygorystycznego testowania.
Kolejną przeszkodą jest przekonanie, że druk 3D nadaje się głównie do jednorazowego szybkiego prototypowania, a nie do zastosowań w powietrzu. To również nieporozumienie, a ceramiczne elementy drukowane w 3D sprawdzają się w produkcji masowej.
Przykładem jest produkcja łopatek turbin, gdzie proces ceramiki AM pozwala na produkcję rdzeni monokrystalicznych (SX), a także łopatek turbin z nadstopów krystalizacji kierunkowej (DS) i odlewania równoosiowego (EX). Rdzenie o złożonej strukturze odgałęzień, wielu ściankach i krawędziach spływu mniejszych niż 200 μm można produkować szybko i ekonomicznie, a finalne komponenty charakteryzują się stałą dokładnością wymiarową i doskonałym wykończeniem powierzchni.
Usprawnienie komunikacji może połączyć projektantów lotnictwa i kosmonautyki z producentami OEM wykorzystującymi technologię AM i zapewnić pełne zaufanie do komponentów ceramicznych wytwarzanych z wykorzystaniem technologii LCM i innych technologii. Technologia i wiedza specjalistyczna są dostępne. Konieczne jest jednak odwrócenie dotychczasowego sposobu myślenia o AM w kontekście badań i rozwoju oraz prototypowania, a także potraktowanie go jako drogi naprzód dla zastosowań komercyjnych na dużą skalę.
Oprócz edukacji, firmy z branży lotniczej mogą również inwestować w personel, inżynierię i testy. Producenci muszą znać różne normy i metody oceny ceramiki, a nie metali. Na przykład, dwie kluczowe normy ASTM firmy Lithoz dotyczące ceramiki konstrukcyjnej to ASTM C1161 dla badań wytrzymałości i ASTM C1421 dla badań udarności. Normy te mają zastosowanie do ceramiki wytwarzanej wszystkimi metodami. W produkcji addytywnej ceramiki, etap drukowania jest jedynie metodą formowania, a elementy poddawane są takiemu samemu procesowi spiekania jak tradycyjna ceramika. Dlatego mikrostruktura elementów ceramicznych będzie bardzo podobna do mikrostruktury uzyskiwanej metodą obróbki konwencjonalnej.
Dzięki ciągłemu rozwojowi materiałów i technologii, możemy śmiało powiedzieć, że projektanci otrzymają więcej danych. Nowe materiały ceramiczne będą opracowywane i dostosowywane do specyficznych potrzeb inżynieryjnych. Elementy wykonane z ceramiki AM przejdą proces certyfikacji do zastosowań w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Zapewnią one również lepsze narzędzia projektowe, takie jak ulepszone oprogramowanie do modelowania.
Współpracując z ekspertami technicznymi LCM, firmy z branży lotniczej mogą wdrażać własne procesy wytwarzania ceramiki metodą AM, skracając czas, redukując koszty i stwarzając możliwości rozwoju własnej własności intelektualnej. Dzięki dalekowzroczności i długoterminowemu planowaniu, firmy z branży lotniczej, które inwestują w technologię ceramiczną, mogą w ciągu najbliższych dziesięciu lat i w dłuższej perspektywie osiągnąć znaczące korzyści w całym swoim portfolio produkcyjnym.
Nawiązując współpracę z AM Ceramics, producenci oryginalnego sprzętu lotniczego będą mogli wytwarzać elementy, których powstanie wcześniej było nie do pomyślenia.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan opowie o trudnościach związanych ze skuteczną komunikacją na temat zalet produkcji addytywnej ceramiki podczas targów Ceramics Expo w Cleveland w stanie Ohio, 1 września 2021 r.
Chociaż rozwój hipersonicznych systemów lotniczych trwa już od dziesięcioleci, stał się on obecnie priorytetem amerykańskiej obronności narodowej, co wpłynęło na dynamiczny rozwój i zmiany w tej dziedzinie. Jako że jest to wyjątkowa dziedzina multidyscyplinarna, wyzwaniem jest znalezienie ekspertów posiadających niezbędne umiejętności, aby promować jej rozwój. Jednak brak wystarczającej liczby ekspertów prowadzi do powstania luki innowacyjnej, np. w przypadku, gdy projektowanie pod kątem możliwości produkcji (DFM) jest realizowane na początku fazy badawczo-rozwojowej, a następnie przekształca się w lukę produkcyjną, gdy jest już za późno na wprowadzenie opłacalnych zmian.
Sojusze, takie jak nowo utworzony Uniwersytecki Sojusz na rzecz Stosowanej Hipersoniki (UCAH), stanowią ważne środowisko rozwoju talentów niezbędnych do rozwoju tej dziedziny. Studenci mogą bezpośrednio współpracować z naukowcami uniwersyteckimi i specjalistami z branży, aby rozwijać technologie i prowadzić kluczowe badania nad hipersoniką.
Chociaż UCAH i inne konsorcja obronne upoważniły swoich członków do podejmowania różnych prac inżynieryjnych, należy położyć większy nacisk na kształcenie zróżnicowanych i doświadczonych talentów, od projektowania, przez opracowywanie i dobór materiałów, po warsztaty produkcyjne.
Aby zapewnić trwalszą wartość w danej dziedzinie, sojusz uniwersytecki musi traktować priorytetowo rozwój kadry, dostosowując się do potrzeb przemysłu, angażując członków w badania istotne dla branży i inwestując w program.
Przy przekształcaniu technologii hipersonicznej w projekty produkcyjne na dużą skalę, największym wyzwaniem jest istniejąca luka w kwalifikacjach inżynierów i pracowników produkcyjnych. Jeśli wczesne badania nie pokonają tej trafnie nazwanej doliny śmierci – luki między badaniami i rozwojem a produkcją, a wiele ambitnych projektów zakończyło się niepowodzeniem – stracimy praktyczne i wykonalne rozwiązanie.
Amerykański przemysł wytwórczy może przyspieszyć do prędkości naddźwiękowej, ale ryzyko pozostania w tyle wiąże się z koniecznością odpowiedniego zwiększenia liczebności siły roboczej. Dlatego rząd i konsorcja uniwersyteckie zajmujące się rozwojem muszą współpracować z producentami, aby wdrożyć te plany w życie.
Branża boryka się z lukami w kwalifikacjach, od warsztatów produkcyjnych po laboratoria inżynieryjne – te luki będą się tylko pogłębiać wraz z rozwojem rynku hipersonicznego. Nowe technologie wymagają nowej siły roboczej, która poszerzy wiedzę w tej dziedzinie.
Prace hipersoniczne obejmują kilka kluczowych obszarów, w których wykorzystywane są różne materiały i struktury, a każdy z nich wiąże się z własnym zestawem wyzwań technicznych. Wymagają one wysokiego poziomu szczegółowej wiedzy, a brak odpowiednich kompetencji może utrudniać rozwój i produkcję. Jeśli nie będziemy dysponować wystarczającą liczbą pracowników, aby utrzymać ten obszar, nie będziemy w stanie sprostać zapotrzebowaniu na szybką produkcję.
Na przykład, potrzebujemy ludzi, którzy potrafią stworzyć produkt końcowy. UCAH i inne konsorcja odgrywają kluczową rolę w promowaniu nowoczesnej produkcji i zapewnieniu włączenia studentów zainteresowanych rolą produkcji. Dzięki interdyscyplinarnym, dedykowanym działaniom na rzecz rozwoju kadr, branża będzie w stanie utrzymać przewagę konkurencyjną w planach lotów hipersonicznych w ciągu najbliższych kilku lat.
Tworząc UCAH, Departament Obrony stwarza okazję do przyjęcia bardziej ukierunkowanego podejścia do budowania potencjału w tym obszarze. Wszyscy członkowie koalicji muszą współpracować, aby szkolić studentów w zakresie ich niszowych umiejętności, abyśmy mogli budować i utrzymywać dynamikę badań oraz rozwijać je, aby osiągać rezultaty, których potrzebuje nasz kraj.
Zamknięty obecnie Sojusz Zaawansowanych Kompozytów NASA jest przykładem udanego programu rozwoju kadr. Jego skuteczność wynika z połączenia prac badawczo-rozwojowych z interesami przemysłu, co pozwala na rozprzestrzenianie innowacji w całym ekosystemie rozwoju. Liderzy branży współpracowali bezpośrednio z NASA i uniwersytetami nad projektami przez dwa do czterech lat. Wszyscy członkowie zdobyli wiedzę i doświadczenie zawodowe, nauczyli się współpracy w środowisku wolnym od konkurencji oraz wspierali studentów, aby mogli w przyszłości wspierać kluczowych graczy w branży.
Ten rodzaj rozwoju kadr wypełnia luki w branży i zapewnia małym przedsiębiorstwom możliwość szybkiego wprowadzania innowacji i dywersyfikacji branży w celu osiągnięcia dalszego wzrostu sprzyjającego bezpieczeństwu narodowemu USA i inicjatywom na rzecz bezpieczeństwa gospodarczego.
Sojusze uniwersyteckie, w tym UCAH, stanowią ważny atut w dziedzinie hipersoniki i przemysłu obronnego. Chociaż ich badania przyczyniły się do rozwoju nowych innowacji, ich największą wartością jest możliwość kształcenia kolejnego pokolenia pracowników. Konsorcjum musi teraz priorytetowo traktować inwestycje w takie plany. W ten sposób może przyczynić się do długoterminowego sukcesu innowacji hipersonicznych.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Producenci skomplikowanych, wysoce zaawansowanych technologicznie produktów (takich jak podzespoły lotnicze) zawsze dążą do perfekcji. Nie ma tu miejsca na żaden manewr.
Ponieważ produkcja samolotów jest niezwykle złożona, producenci muszą starannie zarządzać procesem kontroli jakości, zwracając szczególną uwagę na każdy etap. Wymaga to dogłębnej wiedzy na temat zarządzania i dostosowywania się do dynamicznych kwestii produkcji, jakości, bezpieczeństwa i łańcucha dostaw, przy jednoczesnym spełnianiu wymogów regulacyjnych.
Ponieważ na dostarczanie produktów wysokiej jakości wpływa wiele czynników, zarządzanie złożonymi i często zmieniającymi się zleceniami produkcyjnymi jest trudne. Proces kontroli jakości musi być dynamiczny w każdym aspekcie – od kontroli i projektowania, przez produkcję, po testowanie. Dzięki strategiom Przemysłu 4.0 i nowoczesnym rozwiązaniom produkcyjnym, zarządzanie tymi wyzwaniami jakościowymi stało się łatwiejsze.
Tradycyjnie produkcja samolotów zawsze koncentrowała się na materiałach. Źródłem większości problemów jakościowych mogą być kruche pęknięcia, korozja, zmęczenie metalu lub inne czynniki. Jednak dzisiejsza produkcja samolotów obejmuje zaawansowane, zaawansowane technologie, wykorzystujące odporne materiały. Produkcja produktów odbywa się przy użyciu wysoce wyspecjalizowanych i złożonych procesów oraz systemów elektronicznych. Oprogramowanie do zarządzania operacjami ogólnymi może już nie być w stanie rozwiązać niezwykle złożonych problemów.
Bardziej złożone części można nabyć w globalnym łańcuchu dostaw, dlatego należy poświęcić więcej uwagi ich integracji w całym procesie montażu. Niepewność stwarza nowe wyzwania dla przejrzystości łańcucha dostaw i zarządzania jakością. Zapewnienie jakości tak wielu części i gotowych produktów wymaga lepszych i bardziej zintegrowanych metod kontroli jakości.
Przemysł 4.0 to rozwój przemysłu wytwórczego, a coraz bardziej zaawansowane technologie są niezbędne do spełnienia rygorystycznych wymagań jakościowych. Technologie wspierające to Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT), wątki cyfrowe, rzeczywistość rozszerzona (AR) oraz analityka predykcyjna.
Jakość 4.0 opisuje metodę jakości procesu produkcyjnego opartą na danych, obejmującą produkty, procesy, planowanie, zgodność z przepisami i standardy. Opiera się ona na tradycyjnych metodach jakości, a nie je zastępuje, wykorzystując wiele nowych technologii, które są stosowane w przemyśle, w tym uczenie maszynowe, urządzenia podłączone do sieci, przetwarzanie w chmurze i cyfrowe bliźniaki, aby przekształcić przepływ pracy w organizacji i wyeliminować potencjalne wady produktów lub procesów. Oczekuje się, że pojawienie się Jakości 4.0 jeszcze bardziej zmieni kulturę pracy poprzez większe wykorzystanie danych i głębsze wykorzystanie jakości jako elementu ogólnej metody tworzenia produktów.
Jakość 4.0 integruje kwestie operacyjne i zapewnienia jakości (QA) od samego początku aż do etapu projektowania. Obejmuje to sposób konceptualizacji i projektowania produktów. Wyniki ostatnich badań branżowych wskazują, że większość rynków nie posiada zautomatyzowanego procesu transferu projektów. Proces ręczny pozostawia miejsce na błędy, zarówno wewnętrzne, jak i związane z komunikacją projektu i zmian w łańcuchu dostaw.
Oprócz projektowania, Quality 4.0 wykorzystuje również uczenie maszynowe zorientowane na procesy, aby zmniejszyć ilość odpadów, ograniczyć liczbę przeróbek i zoptymalizować parametry produkcji. Ponadto, rozwiązuje problemy z wydajnością produktu po jego dostarczeniu, wykorzystuje informacje zwrotne na miejscu do zdalnej aktualizacji oprogramowania, dba o zadowolenie klientów i ostatecznie zapewnia powtarzalność zamówień. Staje się nieodłącznym partnerem Przemysłu 4.0.
Jednak jakość nie dotyczy tylko wybranych ogniw produkcyjnych. Integracja Jakości 4.0 może zaszczepić kompleksowe podejście do jakości w organizacjach produkcyjnych, czyniąc transformacyjną moc danych integralną częścią myślenia korporacyjnego. Zgodność na wszystkich poziomach organizacji przyczynia się do kształtowania ogólnej kultury jakości.
Żaden proces produkcyjny nie może przebiegać idealnie przez 100% czasu. Zmieniające się warunki powodują nieprzewidziane zdarzenia, które wymagają działań naprawczych. Osoby z doświadczeniem w zakresie jakości rozumieją, że chodzi o dążenie do perfekcji. Jak zapewnić, aby jakość była uwzględniona w procesie, aby wykryć problemy jak najwcześniej? Co zrobisz po wykryciu wady? Czy istnieją jakieś czynniki zewnętrzne powodujące ten problem? Jakie zmiany możesz wprowadzić w planie kontroli lub procedurze testowej, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu problemu?
Ugruntuj przekonanie, że każdy proces produkcyjny ma powiązany ze sobą proces jakości. Wyobraź sobie przyszłość, w której istnieje relacja jeden do jednego i gdzie jakość jest stale monitorowana. Niezależnie od tego, co się wydarzy, można osiągnąć doskonałą jakość. Każde centrum produkcyjne codziennie analizuje wskaźniki i kluczowe wskaźniki efektywności (KPI), aby zidentyfikować obszary wymagające poprawy, zanim pojawią się problemy.
W tym systemie o obiegu zamkniętym, każdy proces produkcyjny podlega wnioskowaniu jakościowemu, które dostarcza informacji zwrotnej pozwalającej na zatrzymanie procesu, umożliwienie jego kontynuacji lub wprowadzenie korekt w czasie rzeczywistym. System jest odporny na zmęczenie materiału ani błędy ludzkie. System o obiegu zamkniętym, zaprojektowany dla produkcji samolotów, jest niezbędny do osiągnięcia wyższych poziomów jakości, skrócenia cykli i zapewnienia zgodności z normami AS9100.
Dziesięć lat temu koncentracja QA na projektowaniu produktu, badaniach rynku, dostawcach, usługach produktowych lub innych czynnikach wpływających na zadowolenie klienta była niemożliwa. Projektowanie produktu jest postrzegane jako coś, co pochodzi od wyższego autorytetu; jakość polega na realizacji tych projektów na linii montażowej, niezależnie od ich wad.
Wiele firm na nowo analizuje sposób prowadzenia działalności. Status quo z 2018 roku może być już niemożliwy. Coraz więcej producentów staje się coraz bardziej inteligentnych. Dostępna jest większa wiedza, a to oznacza lepszą inteligencję, pozwalającą na stworzenie odpowiedniego produktu od razu, z większą wydajnością i efektywnością.