Według SmarTech, firmy konsultingowej zajmującej się technologią produkcji, przemysł lotniczy i kosmonautyczny jest drugą co do wielkości branżą obsługiwaną przez wytwarzanie przyrostowe (AM), ustępując jedynie medycynie.Jednak nadal brakuje świadomości potencjału wytwarzania przyrostowego materiałów ceramicznych w szybkiej produkcji komponentów lotniczych, zwiększonej elastyczności i opłacalności.AM może produkować mocniejsze i lżejsze części ceramiczne szybciej i w bardziej zrównoważony sposób, redukując koszty pracy, minimalizując montaż ręczny oraz poprawiając wydajność i wydajność dzięki projektom opracowanym na podstawie modelowania, zmniejszając w ten sposób masę samolotu.Ponadto technologia wytwarzania przyrostowego materiałów ceramicznych zapewnia kontrolę wymiarową gotowych części w przypadku elementów mniejszych niż 100 mikronów.
Jednak słowo ceramika może kojarzyć się z błędnym pojęciem kruchości.W rzeczywistości ceramika wytwarzana metodą addytywną pozwala uzyskać lżejsze, delikatniejsze części o dużej wytrzymałości strukturalnej, wytrzymałości i odporności na szeroki zakres temperatur.Firmy patrzące w przyszłość zwracają się w stronę ceramicznych komponentów produkcyjnych, w tym dysz i śmigieł, izolatorów elektrycznych i łopatek turbin.
Na przykład tlenek glinu o wysokiej czystości ma wysoką twardość i dużą odporność na korozję oraz szeroki zakres temperatur.Komponenty wykonane z tlenku glinu stanowią również izolację elektryczną w wysokich temperaturach powszechnych w systemach lotniczych.
Ceramika na bazie tlenku cyrkonu może spełniać wiele zastosowań przy ekstremalnych wymaganiach materiałowych i dużych obciążeniach mechanicznych, takich jak wysokiej klasy formowanie metali, zawory i łożyska.Ceramika z azotku krzemu ma wysoką wytrzymałość, wysoką wytrzymałość i doskonałą odporność na szok termiczny, a także dobrą odporność chemiczną na korozję różnych kwasów, zasad i stopionych metali.Azotek krzemu stosuje się do izolatorów, wirników i anten wysokotemperaturowych o niskiej dielektrycznej.
Ceramika kompozytowa zapewnia kilka pożądanych właściwości.Ceramika na bazie krzemu z dodatkiem tlenku glinu i cyrkonu dobrze sprawdza się w produkcji odlewów monokrystalicznych do łopatek turbin.Dzieje się tak dlatego, że rdzeń ceramiczny wykonany z tego materiału ma bardzo niską rozszerzalność cieplną do 1500°C, wysoką porowatość, doskonałą jakość powierzchni i dobrą wymywalność.Drukowanie tych rdzeni może pozwolić na produkcję turbin, które będą w stanie wytrzymać wyższe temperatury robocze i zwiększyć wydajność silnika.
Powszechnie wiadomo, że formowanie wtryskowe czy obróbka skrawaniem ceramiki jest bardzo trudne, a obróbka skrawaniem zapewnia ograniczony dostęp do produkowanych elementów.Elementy takie jak cienkie ściany są również trudne w obróbce.
Jednakże firma Lithoz wykorzystuje technologię produkcji ceramiki w oparciu o litografię (LCM) do produkcji precyzyjnych elementów ceramicznych 3D o skomplikowanych kształtach.
Począwszy od modelu CAD, szczegółowe specyfikacje są przesyłane cyfrowo do drukarki 3D.Następnie nałóż precyzyjnie opracowany proszek ceramiczny na górę przezroczystej kadzi.Ruchoma platforma konstrukcyjna jest zanurzana w błocie, a następnie selektywnie poddawana działaniu światła widzialnego od dołu.Obraz warstwowy generowany jest przez cyfrowe urządzenie mikrolustro (DMD) sprzężone z systemem projekcyjnym.Powtarzając ten proces, można wygenerować trójwymiarową zieloną część warstwa po warstwie.Po dodatkowej obróbce termicznej usuwa się spoiwo, a surowe części spieka się – łączy w specjalnym procesie ogrzewania – w celu wytworzenia całkowicie gęstej części ceramicznej o doskonałych właściwościach mechanicznych i jakości powierzchni.
Technologia LCM zapewnia innowacyjny, ekonomiczny i szybszy proces odlewania metodą traconego wosku elementów silników turbinowych, omijający kosztowną i pracochłonną produkcję form wymaganą do formowania wtryskowego i odlewania w wosku traconym.
LCM może również osiągnąć projekty, których nie można osiągnąć innymi metodami, zużywając przy tym znacznie mniej surowców niż innymi metodami.
Pomimo wielkiego potencjału materiałów ceramicznych i technologii LCM, pomiędzy producentami oryginalnego sprzętu (OEM) AM a projektantami z branży lotniczej nadal istnieje przepaść.
Jednym z powodów może być opór przed nowymi metodami produkcji w branżach o szczególnie rygorystycznych wymaganiach dotyczących bezpieczeństwa i jakości.Produkcja lotnicza wymaga wielu procesów weryfikacji i kwalifikacji, a także dokładnych i rygorystycznych testów.
Kolejną przeszkodą jest przekonanie, że druk 3D nadaje się głównie do jednorazowego szybkiego prototypowania, a nie do wszystkiego, co da się wykorzystać w powietrzu.Ponownie jest to nieporozumienie, a komponenty ceramiczne drukowane w 3D sprawdzają się w masowej produkcji.
Przykładem jest produkcja łopatek turbin, gdzie w procesie ceramicznym AM powstają rdzenie monokryształowe (SX), a także łopatki turbin z nadstopu ze stopu kierunkowego krzepnięcia (DS) i odlewania równoosiowego (EX).Rdzenie o złożonej strukturze odgałęzień, wielu ściankach i krawędziach spływu mniejszych niż 200 μm można wytwarzać szybko i ekonomicznie, a końcowe komponenty charakteryzują się stałą dokładnością wymiarową i doskonałym wykończeniem powierzchni.
Poprawa komunikacji może połączyć projektantów branży lotniczej i producentów OEM AM oraz w pełni zaufać komponentom ceramicznym wyprodukowanym przy użyciu LCM i innych technologii.Istnieją technologie i wiedza specjalistyczna.Należy zmienić sposób myślenia z AM na badania i rozwój oraz prototypowanie i postrzegać go jako drogę naprzód w zastosowaniach komercyjnych na dużą skalę.
Oprócz edukacji firmy z branży lotniczej mogą również inwestować czas w personel, inżynierię i testowanie.Producenci muszą znać różne standardy i metody oceny ceramiki, a nie metali.Na przykład dwie kluczowe normy ASTM firmy Lithoz dotyczące ceramiki konstrukcyjnej to ASTM C1161 do badania wytrzymałości i ASTM C1421 do badania wytrzymałości.Normy te dotyczą ceramiki produkowanej wszystkimi metodami.W produkcji przyrostowej ceramiki etap drukowania jest po prostu metodą formowania, a części poddawane są temu samemu rodzajowi spiekania, co tradycyjna ceramika.Dlatego mikrostruktura części ceramicznych będzie bardzo podobna do obróbki konwencjonalnej.
Bazując na ciągłym udoskonalaniu materiałów i technologii, możemy śmiało powiedzieć, że projektanci zyskają więcej danych.Nowe materiały ceramiczne zostaną opracowane i dostosowane do konkretnych potrzeb inżynieryjnych.Części wykonane z ceramiki AM przejdą proces certyfikacji do użytku w przemyśle lotniczym.Zapewni także lepsze narzędzia do projektowania, takie jak ulepszone oprogramowanie do modelowania.
Współpracując z ekspertami technicznymi LCM, firmy z branży lotniczej i kosmicznej mogą wewnętrznie wprowadzić procesy ceramiczne AM, skracając czas, redukując koszty i tworząc możliwości rozwoju własnej własności intelektualnej firmy.Dzięki przewidywaniu i długoterminowemu planowaniu firmy z branży lotniczej i kosmicznej inwestujące w technologię ceramiczną mogą odnieść znaczące korzyści w całym swoim portfelu produkcyjnym w ciągu najbliższych dziesięciu lat i później.
Nawiązując współpracę z AM Ceramics, producenci oryginalnego sprzętu lotniczego będą produkować komponenty, które wcześniej były niewyobrażalne.
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 będzie przemawiał na temat trudności w skutecznym komunikowaniu zalet wytwarzania przyrostowego ceramiki podczas Ceramics Expo w Cleveland w stanie Ohio 1 września 2021 r.
Choć rozwój hipersonicznych systemów lotu trwa już od kilkudziesięciu lat, obecnie stał się on głównym priorytetem amerykańskiej obrony narodowej, wprowadzając tę ​​dziedzinę w stan szybkiego wzrostu i zmian.Ponieważ jest to wyjątkowa dziedzina multidyscyplinarna, wyzwaniem jest znalezienie ekspertów posiadających umiejętności niezbędne do wspierania jej rozwoju.Jednakże brak wystarczającej liczby ekspertów powoduje powstanie luki w zakresie innowacji, na przykład w fazie badawczo-rozwojowej umieszczając projektowanie pod kątem możliwości wytwarzania (DFM), a następnie przekształcając się w lukę produkcyjną, gdy jest już za późno na wprowadzenie opłacalnych zmian.
Sojusze, takie jak nowo utworzone University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), zapewniają ważne środowisko do kultywowania talentów niezbędnych do rozwoju w tej dziedzinie.Studenci mogą współpracować bezpośrednio z badaczami uniwersyteckimi i specjalistami z branży w celu opracowania technologii i przyspieszenia kluczowych badań naddźwiękowych.
Chociaż UCAH i inne konsorcja obronne upoważniły członków do wykonywania różnych prac inżynieryjnych, należy włożyć więcej pracy w kultywowanie różnorodnych i doświadczonych talentów, od projektowania, przez rozwój i selekcję materiałów, aż po warsztaty produkcyjne.
Aby zapewnić trwalszą wartość w tej dziedzinie, sojusz uniwersytetów musi nadać priorytet rozwojowi siły roboczej, dostosowując się do potrzeb branży, angażując członków w badania odpowiednie dla branży i inwestując w program.
Przy przekształcaniu technologii hipersonicznej w projekty nadające się do produkcji na dużą skalę największym wyzwaniem jest istniejąca luka w kwalifikacjach pracowników inżynieryjnych i produkcyjnych.Jeśli wczesne badania nie przekroczą tej trafnie nazwanej doliny śmierci – przepaści między badaniami i rozwojem a produkcją, a wiele ambitnych projektów zakończyło się niepowodzeniem – wówczas stracimy odpowiednie i wykonalne rozwiązanie.
Amerykański przemysł wytwórczy może przyspieszyć prędkość naddźwiękową, ale ryzyko pozostania w tyle wiąże się z odpowiednim zwiększeniem liczebności siły roboczej.Dlatego konsorcja rozwojowe rządowe i uniwersyteckie muszą współpracować z producentami, aby te plany wprowadzić w życie.
W branży wystąpiły luki w umiejętnościach, począwszy od warsztatów produkcyjnych po laboratoria inżynieryjne – luki te będą się tylko pogłębiać wraz z rozwojem rynku hipersonicznego.Pojawiające się technologie wymagają wschodzącej siły roboczej, która będzie poszerzać wiedzę w tej dziedzinie.
Praca hipersoniczna obejmuje kilka różnych kluczowych obszarów różnych materiałów i struktur, a każdy obszar ma swój własny zestaw wyzwań technicznych.Wymagają one wysokiego poziomu szczegółowej wiedzy, a brak wymaganej wiedzy specjalistycznej może powodować przeszkody w rozwoju i produkcji.Jeśli nie będziemy mieli wystarczającej liczby ludzi do utrzymania miejsc pracy, nie będzie możliwe nadążanie za popytem na szybką produkcję.
Na przykład potrzebujemy ludzi, którzy potrafią zbudować produkt końcowy.UCAH i inne konsorcja są niezbędne do promowania nowoczesnej produkcji i zapewnienia włączenia studentów zainteresowanych rolą produkcji.Dzięki interdyscyplinarnym wysiłkom w zakresie rozwoju siły roboczej branża będzie w stanie utrzymać przewagę konkurencyjną w planach lotów hipersonicznych w ciągu najbliższych kilku lat.
Powołując UCAH, Departament Obrony stwarza okazję do przyjęcia bardziej ukierunkowanego podejścia do budowania zdolności w tym obszarze.Wszyscy członkowie koalicji muszą współpracować, aby wykształcić niszowe zdolności studentów, abyśmy mogli zbudować i utrzymać dynamikę badań oraz rozszerzać je w celu uzyskania wyników, których potrzebuje nasz kraj.
Zamknięty obecnie sojusz NASA Advanced Composites Alliance jest przykładem udanych wysiłków na rzecz rozwoju siły roboczej.Jego skuteczność jest wynikiem połączenia prac badawczo-rozwojowych z interesami przemysłu, co pozwala na ekspansję innowacji w całym ekosystemie rozwojowym.Liderzy branży współpracowali bezpośrednio z NASA i uniwersytetami nad projektami przez dwa do czterech lat.Wszyscy członkowie rozwinęli profesjonalną wiedzę i doświadczenie, nauczyli się współpracować w niekonkurencyjnym środowisku oraz wychowywali studentów, aby rozwijali się, aby w przyszłości wspierać kluczowych graczy w branży.
Ten rodzaj rozwoju siły roboczej wypełnia luki w branży i zapewnia małym przedsiębiorstwom możliwości szybkiego wprowadzania innowacji i dywersyfikacji branży w celu osiągnięcia dalszego wzrostu sprzyjającego amerykańskim inicjatywom w zakresie bezpieczeństwa narodowego i bezpieczeństwa gospodarczego.
Sojusze uniwersyteckie, w tym UCAH, są ważnymi aktywami w dziedzinie pola hipersonicznego i przemyśle obronnym.Chociaż ich badania przyczyniły się do promowania pojawiających się innowacji, ich największa wartość polega na możliwości szkolenia kolejnego pokolenia siły roboczej.Konsorcjum musi teraz nadać priorytet inwestycjom w takie plany.W ten sposób mogą 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, zaawansowanych technologicznie produktów (takich jak komponenty samolotów) za każdym razem dążą do perfekcji.Nie ma pola manewru.
Ponieważ produkcja samolotów jest niezwykle złożona, producenci muszą dokładnie zarządzać procesem jakości, zwracając szczególną uwagę na każdy etap.Wymaga to dogłębnego zrozumienia, w jaki sposób zarządzać dynamiczną produkcją, jakością, bezpieczeństwem i łańcuchem dostaw i dostosowywać się do nich, przy jednoczesnym spełnieniu wymogów prawnych.
Ponieważ na dostarczanie produktów wysokiej jakości wpływa wiele czynników, trudno jest zarządzać złożonymi i często zmieniającymi się zleceniami produkcyjnymi.Proces jakości musi być dynamiczny w każdym aspekcie kontroli i projektowania, produkcji i testowania.Dzięki strategiom Przemysłu 4.0 i nowoczesnym rozwiązaniom produkcyjnym zarządzanie i przezwyciężanie tych wyzwań związanych z jakością stało się łatwiejsze.
Tradycyjnie produkcja samolotów skupiała się zawsze na materiałach.Źródłem większości problemów z jakością może być kruche pękanie, korozja, zmęczenie metalu lub inne czynniki.Jednak dzisiejsza produkcja samolotów obejmuje zaawansowane, zaawansowane technologie, w których wykorzystuje się odporne materiały.Do tworzenia produktów wykorzystywane są wysoce wyspecjalizowane i złożone procesy oraz systemy elektroniczne.Rozwiązania w zakresie oprogramowania do ogólnego zarządzania operacjami mogą już nie być w stanie rozwiązywać niezwykle złożonych problemów.
Bardziej złożone części można kupić w globalnym łańcuchu dostaw, dlatego należy zwrócić większą uwagę na ich integrację w całym procesie montażu.Niepewność stwarza nowe wyzwania w zakresie widoczności łańcucha dostaw i zarządzania jakością.Zapewnienie jakości tak wielu części i gotowych produktów wymaga lepszych i bardziej zintegrowanych metod zapewniania jakości.
Przemysł 4.0 reprezentuje rozwój przemysłu wytwórczego, w którym potrzebne są coraz bardziej zaawansowane technologie, aby spełniać rygorystyczne wymagania jakościowe.Technologie wspierające obejmują Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT), wątki cyfrowe, rzeczywistość rozszerzoną (AR) i analitykę predykcyjną.
Jakość 4.0 opisuje metodę jakości procesu produkcyjnego opartą na danych, obejmującą produkty, procesy, planowanie, zgodność i standardy.Opiera się na tradycyjnych metodach jakości, a nie na ich zastępowaniu, wykorzystując wiele tych samych nowych technologii, co ich odpowiedniki przemysłowe, w tym uczenie maszynowe, podłączone urządzenia, przetwarzanie w chmurze i cyfrowe bliźniaki, aby przekształcić przepływ pracy w organizacji i wyeliminować możliwe wady produktów lub procesów.Oczekuje się, że pojawienie się Jakości 4.0 jeszcze bardziej zmieni kulturę miejsca pracy poprzez zwiększenie polegania na danych i głębsze wykorzystanie jakości jako części ogólnej metody tworzenia produktu.
Jakość 4.0 integruje kwestie operacyjne i zapewnienia jakości (QA) od początku 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, niezależnie od tego, czy jest to błąd wewnętrzny, czy też komunikowanie projektu i zmian w łańcuchu dostaw.
Oprócz projektowania Jakość 4.0 wykorzystuje również uczenie maszynowe zorientowane na proces, aby zmniejszyć ilość odpadów, zmniejszyć liczbę poprawek i zoptymalizować parametry produkcji.Ponadto rozwiązuje również problemy z wydajnością produktu po dostawie, wykorzystuje informacje zwrotne na miejscu do zdalnej aktualizacji oprogramowania produktu, utrzymuje zadowolenie klientów i ostatecznie zapewnia powtarzalność transakcji.Staje się nieodłącznym partnerem Przemysłu 4.0.
Jakość nie dotyczy jednak tylko wybranych ogniw produkcyjnych.Włączający charakter Jakości 4.0 może zaszczepić kompleksowe podejście do jakości w organizacjach produkcyjnych, czyniąc transformacyjną moc danych integralną częścią myślenia korporacyjnego.Compliance na wszystkich poziomach organizacji przyczynia się do kształtowania ogólnej kultury jakości.
Żaden proces produkcyjny nie może przebiegać idealnie w 100% przypadków.Zmieniające się warunki powodują nieprzewidziane zdarzenia, które wymagają działań naprawczych.Ci, którzy mają doświadczenie w jakości, rozumieją, że chodzi o proces zmierzania do doskonałości.Jak zapewnić, że jakość zostanie uwzględniona w procesie, aby jak najszybciej wykryć problemy?Co zrobisz, gdy znajdziesz usterkę?Czy są jakieś czynniki zewnętrzne powodujące ten problem?Jakie zmiany możesz wprowadzić w planie inspekcji lub procedurze testowej, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu tego problemu?
Stwórz mentalność, zgodnie z którą każdy proces produkcyjny ma powiązany i powiązany proces jakości.Wyobraź sobie przyszłość, w której istnieje relacja jeden do jednego i stale mierz jakość.Bez względu na to, co wydarzy się losowo, można osiągnąć doskonałą jakość.Każde centrum robocze codziennie dokonuje przeglądu wskaźników i kluczowych wskaźników wydajności (KPI), aby zidentyfikować obszary wymagające poprawy, zanim pojawią się problemy.
W tym systemie o zamkniętej pętli każdy proces produkcyjny ma wnioski dotyczące jakości, które dostarczają informacji zwrotnej umożliwiającej zatrzymanie procesu, umożliwienie kontynuacji procesu lub wprowadzenie korekt w czasie rzeczywistym.Na system nie ma wpływu zmęczenie ani błąd ludzki.System jakości w pętli zamkniętej przeznaczony do produkcji samolotów jest niezbędny do osiągnięcia wyższych poziomów jakości, skrócenia czasu cykli i zapewnienia zgodności z normami AS9100.
Dziesięć lat temu pomysł skupienia kontroli jakości na projektowaniu produktu, badaniach rynku, dostawcach, usługach produktowych lub innych czynnikach wpływających na satysfakcję klienta był niemożliwy.Przyjmuje się, że projekt produktu pochodzi od wyższej władzy;jakość polega na wykonywaniu tych projektów na linii montażowej, niezależnie od ich niedociągnięć.
Obecnie wiele firm na nowo zastanawia się, jak prowadzić działalność gospodarczą.Utrzymanie status quo w 2018 r. może nie być już możliwe.Coraz więcej producentów staje się coraz mądrzejszych.Dostępna jest większa wiedza, co oznacza większą inteligencję niezbędną do zbudowania odpowiedniego produktu za pierwszym razem, z wyższą wydajnością i wydajnością.