Po podatkih podjetja SmarTech, svetovalnega podjetja za proizvodno tehnologijo, je letalska in vesoljska industrija druga največja panoga, ki jo oskrbuje aditivna proizvodnja (AM), takoj za medicino. Vendar pa še vedno primanjkuje ozaveščenosti o potencialu aditivne proizvodnje keramičnih materialov pri hitri izdelavi letalskih komponent, večji fleksibilnosti in stroškovni učinkovitosti. AM lahko hitreje in bolj trajnostno proizvaja močnejše in lažje keramične dele, kar zmanjšuje stroške dela, zmanjšuje ročno sestavljanje ter izboljšuje učinkovitost in zmogljivost z zasnovo, razvito z modeliranjem, s čimer se zmanjša teža letala. Poleg tega tehnologija aditivne proizvodnje keramike omogoča dimenzijski nadzor končnih delov za značilnosti, manjše od 100 mikronov.
Vendar pa beseda keramika lahko pričara zmotno predstavo o krhkosti. Pravzaprav aditivno izdelana keramika proizvaja lažje, finejše dele z veliko strukturno trdnostjo, žilavostjo in odpornostjo na širok temperaturni razpon. Napredna podjetja se obračajo na keramične proizvodne komponente, vključno s šobami in propelerji, električnimi izolatorji in lopaticami turbin.
Na primer, visoko čista aluminijeva oksida ima visoko trdoto in močno odpornost proti koroziji ter temperaturno območje. Komponente iz aluminijeve okside so tudi električno izolativne pri visokih temperaturah, ki so običajne v vesoljskih sistemih.
Keramika na osnovi cirkonija lahko zadosti številnim zahtevam glede materialov in visokih mehanskih obremenitev, kot so visokokakovostno kovinsko litje, ventili in ležaji. Keramika iz silicijevega nitrida ima visoko trdnost, visoko žilavost in odlično odpornost proti toplotnim udarcem, pa tudi dobro kemično odpornost proti koroziji različnih kislin, alkalij in staljenih kovin. Silicijev nitrid se uporablja za izolatorje, rotorje in antene za visoke temperature in nizke dielektrične obremenitve.
Kompozitna keramika zagotavlja več zaželenih lastnosti. Keramika na osnovi silicija, ki ji je bil dodan aluminijev oksid in cirkon, se je izkazala za dobro pri izdelavi monokristalnih ulitkov za lopatice turbin. To je zato, ker ima keramično jedro iz tega materiala zelo nizko toplotno razteznost do 1500 °C, visoko poroznost, odlično kakovost površine in dobro izlužljivost. S tiskanjem teh jeder je mogoče ustvariti zasnove turbin, ki lahko prenesejo višje obratovalne temperature in povečajo učinkovitost motorja.
Dobro je znano, da je brizganje ali obdelava keramike zelo zahtevna, obdelava pa omogoča omejen dostop do izdelanih komponent. Tudi značilnosti, kot so tanke stene, je težko obdelovati.
Vendar pa Lithoz uporablja litografsko keramično proizvodnjo (LCM) za izdelavo natančnih, kompleksnih 3D keramičnih komponent.
Iz CAD modela se podrobne specifikacije digitalno prenesejo v 3D-tiskalnik. Nato se na vrh prozorne kadi nanese natančno formuliran keramični prah. Premična konstrukcijska ploščad se potopi v blato in nato selektivno izpostavi vidni svetlobi od spodaj. Sliko plasti ustvari digitalna naprava z mikrozrcali (DMD), povezana s projekcijskim sistemom. S ponavljanjem tega postopka je mogoče plast za plastjo ustvariti tridimenzionalni zeleni del. Po termični naknadni obdelavi se vezivo odstrani, zeleni deli pa se sintrajo – združijo s posebnim postopkom segrevanja – da se ustvari popolnoma gost keramični del z odličnimi mehanskimi lastnostmi in kakovostjo površine.
Tehnologija LCM zagotavlja inovativen, stroškovno učinkovit in hitrejši postopek za litje komponent turbinskih motorjev z investicijskim brizganjem, s čimer se izognemo dragi in zamudni izdelavi kalupov, ki je potrebna za brizganje in litje po izgubljenem vosku.
LCM lahko doseže tudi modele, ki jih ni mogoče doseči z drugimi metodami, pri čemer se uporablja veliko manj surovin kot pri drugih metodah.
Kljub velikemu potencialu keramičnih materialov in tehnologije LCM še vedno obstaja vrzel med proizvajalci originalne opreme za dodajalno proizvodnjo (OEM) in oblikovalci v letalski in vesoljski industriji.
Eden od razlogov je lahko odpor do novih proizvodnih metod v panogah s še posebej strogimi varnostnimi in kakovostnimi zahtevami. Proizvodnja letalske in vesoljske opreme zahteva številne postopke preverjanja in kvalifikacije ter temeljito in strogo testiranje.
Druga ovira je prepričanje, da je 3D-tiskanje primerno predvsem za enkratno hitro izdelavo prototipov in ne za karkoli, kar bi se lahko uporabilo v zraku. Tudi to je zmotno prepričanje, saj se je izkazalo, da se 3D-natisnjene keramične komponente uporabljajo v množični proizvodnji.
Primer je izdelava turbinskih lopatic, kjer keramični postopek AM proizvaja jedra iz monokristalov (SX), pa tudi lopatice turbin iz superzlitine z usmerjenim strjevanjem (DS) in enakoosnim litjem (EX). Jedra s kompleksnimi vejnimi strukturami, več stenami in zadnjimi robovi, manjšimi od 200 μm, je mogoče izdelati hitro in ekonomično, končne komponente pa imajo dosledno dimenzijsko natančnost in odlično površinsko obdelavo.
Izboljšanje komunikacije lahko združi letalske oblikovalce in proizvajalce originalne opreme za dodajalno proizvodnjo (AM) ter jim omogoči popolno zaupanje v keramične komponente, izdelane z uporabo LCM in drugih tehnologij. Tehnologija in strokovno znanje obstajata. Spremeniti je treba način razmišljanja od AM za raziskave in razvoj ter izdelavo prototipov ter ga videti kot pot naprej za obsežne komercialne aplikacije.
Poleg izobraževanja lahko letalska in vesoljska podjetja vlagajo čas tudi v osebje, inženiring in testiranje. Proizvajalci morajo biti seznanjeni z različnimi standardi in metodami za ocenjevanje keramike, ne kovin. Na primer, dva ključna standarda ASTM podjetja Lithoz za strukturno keramiko sta ASTM C1161 za preizkušanje trdnosti in ASTM C1421 za preizkušanje žilavosti. Ta standarda veljata za keramiko, izdelano z vsemi metodami. Pri aditivni proizvodnji keramike je korak tiskanja le metoda oblikovanja, deli pa so podvrženi isti vrsti sintranja kot tradicionalna keramika. Zato bo mikrostruktura keramičnih delov zelo podobna običajni obdelavi.
Glede na nenehen napredek materialov in tehnologije lahko z gotovostjo trdimo, da bodo oblikovalci dobili več podatkov. Razviti bodo novi keramični materiali, ki bodo prilagojeni specifičnim inženirskim potrebam. Deli iz aditivne keramike bodo zaključili postopek certificiranja za uporabo v vesoljski industriji. In zagotovili bodo boljša orodja za načrtovanje, kot je izboljšana programska oprema za modeliranje.
S sodelovanjem s tehničnimi strokovnjaki za LCM lahko letalska in vesoljska podjetja interno uvedejo postopke aditivne proizvodnje keramike, kar skrajša čas, zmanjša stroške in ustvari priložnosti za razvoj lastne intelektualne lastnine. Z vnaprejšnjim načrtovanjem in dolgoročnim načrtovanjem lahko letalska in vesoljska podjetja, ki vlagajo v keramično tehnologijo, v naslednjih desetih letih in pozneje dosežejo znatne koristi v celotnem proizvodnem portfelju.
Z vzpostavitvijo partnerstva z AM Ceramics bodo proizvajalci originalne opreme za letalsko in vesoljsko industrijo proizvajali komponente, ki so bile prej nepredstavljive.
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 bo 1. septembra 2021 na sejmu Ceramics Expo v Clevelandu v Ohiu govoril o težavah pri učinkovitem komuniciranju prednosti aditivne proizvodnje keramike.
Čeprav razvoj hiperzvočnih letalskih sistemov obstaja že desetletja, je zdaj postal glavna prednostna naloga ameriške nacionalne obrambe, zaradi česar je to področje hitro raslo in se spreminjalo. Ker gre za edinstveno multidisciplinarno področje, je izziv najti strokovnjake s potrebnimi znanji in spretnostmi za spodbujanje njegovega razvoja. Vendar pa pomanjkanje strokovnjakov ustvarja inovacijsko vrzel, na primer, ko se načrtovanje za izdelavo (DFM) najprej postavi v fazo raziskav in razvoja, nato pa se spremeni v proizvodno vrzel, ko je prepozno za stroškovno učinkovite spremembe.
Zavezništva, kot je novo ustanovljeno Univerzitetno zavezništvo za uporabno hipersoniko (UCAH), zagotavljajo pomembno okolje za gojenje talentov, potrebnih za napredek področja. Študenti lahko neposredno sodelujejo z univerzitetnimi raziskovalci in strokovnjaki iz industrije pri razvoju tehnologije in napredku kritičnih hipersoničnih raziskav.
Čeprav so UCAH in drugi obrambni konzorciji pooblastili člane za opravljanje različnih inženirskih del, je treba opraviti še več dela za gojenje raznolikih in izkušenih talentov, od načrtovanja do razvoja in izbire materialov ter proizvodnih delavnic.
Da bi zagotovila trajnejšo vrednost na tem področju, mora univerzitetna zveza dati prednost razvoju delovne sile z usklajevanjem s potrebami industrije, vključevanjem članov v raziskave, primerne za industrijo, in vlaganjem v program.
Pri preoblikovanju hipersonične tehnologije v obsežne proizvodne projekte je največji izziv obstoječa vrzel v znanju in spretnostih inženirske in proizvodne delovne sile. Če zgodnje raziskave ne bodo premostile te primerno poimenovane doline smrti – vrzeli med raziskavami in razvojem ter proizvodnjo, zaradi česar so mnogi ambiciozni projekti propadli – potem smo izgubili uporabno in izvedljivo rešitev.
Ameriška predelovalna industrija lahko pospeši nadzvočno hitrost, vendar obstaja tveganje zaostanka, saj se mora ustrezno povečati delovna sila. Zato morajo vlada in univerzitetni razvojni konzorciji sodelovati s proizvajalci, da bi te načrte uresničili.
V industriji se pojavljajo vrzeli v znanju in spretnostih, od proizvodnih delavnic do inženirskih laboratorijev – te vrzeli se bodo z rastjo hipersoničnega trga le še povečevale. Nove tehnologije zahtevajo novo delovno silo za širjenje znanja na tem področju.
Hipersonično delo zajema več različnih ključnih področij različnih materialov in struktur, vsako področje pa ima svoj nabor tehničnih izzivov. Zahtevajo visoko raven podrobnega znanja, in če potrebno strokovno znanje ne obstaja, lahko to ustvari ovire za razvoj in proizvodnjo. Če ne bomo imeli dovolj ljudi za vzdrževanje dela, bo nemogoče slediti povpraševanju po visokohitrostni proizvodnji.
Na primer, potrebujemo ljudi, ki lahko izdelajo končni izdelek. UCAH in drugi konzorciji so bistveni za spodbujanje sodobne proizvodnje in zagotavljanje vključitve študentov, ki jih zanima vloga proizvodnje. Z medfunkcijskimi prizadevanji za razvoj namenske delovne sile bo industrija v naslednjih nekaj letih lahko ohranila konkurenčno prednost pri načrtih hipersoničnih letov.
Z ustanovitvijo UCAH Ministrstvo za obrambo ustvarja priložnost za bolj osredotočen pristop k krepitvi zmogljivosti na tem področju. Vsi člani koalicije morajo sodelovati pri usposabljanju študentov za njihove nišne zmogljivosti, da bomo lahko zgradili in ohranili zagon raziskav ter jih razširili, da bi dosegli rezultate, ki jih naša država potrebuje.
Zdaj zaprto združenje NASA Advanced Composites Alliance je primer uspešnega prizadevanja za razvoj delovne sile. Njegova učinkovitost je rezultat združevanja raziskovalno-razvojnega dela z interesi industrije, kar omogoča širjenje inovacij v celotnem razvojnem ekosistemu. Vodilni v industriji so dve do štiri leta neposredno sodelovali z NASO in univerzami pri projektih. Vsi člani so razvili strokovno znanje in izkušnje, se naučili sodelovati v nekonkurenčnem okolju in spodbujali študente, da se razvijajo in spodbujajo ključne akterje v industriji v prihodnosti.
Ta vrsta razvoja delovne sile zapolnjuje vrzeli v panogi in malim podjetjem ponuja priložnosti za hitro inoviranje in diverzifikacijo področja, da bi dosegli nadaljnjo rast, ki spodbuja pobude ZDA na področju nacionalne in gospodarske varnosti.
Univerzitetna zavezništva, vključno z UCAH, so pomembna sredstva na področju hipersonične tehnologije in obrambne industrije. Čeprav so njihove raziskave spodbudile nastajajoče inovacije, je njihova največja vrednost v sposobnosti usposabljanja naše naslednje generacije delovne sile. Konzorcij mora zdaj dati prednost naložbam v takšne načrte. S tem lahko pomagajo spodbujati dolgoročni uspeh hipersoničnih inovacij.
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.
Proizvajalci kompleksnih, visoko inženirsko zasnovanih izdelkov (kot so komponente letal) so vsakič zavezani k popolnosti. Ni manevrskega prostora.
Ker je proizvodnja letal izjemno kompleksna, morajo proizvajalci skrbno upravljati postopek zagotavljanja kakovosti in posvetiti veliko pozornost vsakemu koraku. To zahteva poglobljeno razumevanje, kako upravljati in se prilagajati dinamičnim težavam s proizvodnjo, kakovostjo, varnostjo in dobavno verigo, hkrati pa izpolnjevati regulativne zahteve.
Ker na dobavo visokokakovostnih izdelkov vpliva veliko dejavnikov, je težko upravljati kompleksna in pogosto spreminjajoča se proizvodna naročila. Proces zagotavljanja kakovosti mora biti dinamičen v vseh vidikih inšpekcijskega pregleda, načrtovanja, proizvodnje in testiranja. Zahvaljujoč strategijam Industrije 4.0 in sodobnim proizvodnim rešitvam je te izzive kakovosti lažje obvladovati in premagati.
Tradicionalno osredotočanje na proizvodnjo letal je bilo vedno na materiale. Vir večine težav s kakovostjo je lahko krhek lom, korozija, utrujenost kovin ali drugi dejavniki. Vendar pa današnja proizvodnja letal vključuje napredne, visoko inženirsko zasnovane tehnologije, ki uporabljajo odporne materiale. Ustvarjanje izdelkov uporablja visoko specializirane in kompleksne procese ter elektronske sisteme. Splošne programske rešitve za upravljanje operacij morda ne bodo več sposobne reševati izjemno kompleksnih problemov.
Kompleksnejše dele je mogoče kupiti v globalni dobavni verigi, zato je treba več pozornosti nameniti njihovi integraciji v celoten proces sestavljanja. Negotovost prinaša nove izzive za preglednost dobavne verige in upravljanje kakovosti. Zagotavljanje kakovosti toliko delov in končnih izdelkov zahteva boljše in bolj integrirane metode zagotavljanja kakovosti.
Industrija 4.0 predstavlja razvoj predelovalne industrije, za izpolnjevanje strogih zahtev glede kakovosti pa je potrebnih vedno več naprednih tehnologij. Med podporne tehnologije spadajo industrijski internet stvari (IIoT), digitalne niti, obogatena resničnost (AR) in napovedna analitika.
Kakovost 4.0 opisuje podatkovno vodeno metodo kakovosti proizvodnega procesa, ki vključuje izdelke, procese, načrtovanje, skladnost in standarde. Temelji na tradicionalnih metodah kakovosti in jih ne nadomešča, pri čemer uporablja številne iste nove tehnologije kot svoje industrijske različice, vključno s strojnim učenjem, povezanimi napravami, računalništvom v oblaku in digitalnimi dvojčki, da bi preoblikovala potek dela organizacije in odpravila morebitne napake izdelkov ali procesov. Pričakuje se, da bo pojav Kakovosti 4.0 še dodatno spremenil kulturo delovnega mesta z večjim zanašanjem na podatke in globljo uporabo kakovosti kot dela celotne metode ustvarjanja izdelkov.
Kakovost 4.0 združuje operativna vprašanja in vprašanja zagotavljanja kakovosti (QA) od začetka do faze načrtovanja. To vključuje, kako konceptualizirati in oblikovati izdelke. Nedavni rezultati raziskav v panogi kažejo, da večina trgov nima avtomatiziranega postopka prenosa načrta. Ročni postopek pušča prostor za napake, pa naj gre za notranjo napako ali sporočanje načrta in sprememb v dobavni verigi.
Poleg oblikovanja Kakovost 4.0 uporablja tudi procesno usmerjeno strojno učenje za zmanjšanje odpadkov, zmanjšanje ponovnega dela in optimizacijo proizvodnih parametrov. Poleg tega rešuje težave z delovanjem izdelkov po dobavi, uporablja povratne informacije na kraju samem za oddaljeno posodabljanje programske opreme izdelkov, ohranja zadovoljstvo strank in na koncu zagotavlja ponovne nakupe. Postaja neločljiv partner Industrije 4.0.
Vendar pa kakovost ni uporabna le za izbrane proizvodne povezave. Vključujoča načelo Kakovosti 4.0 lahko v proizvodne organizacije vcepi celovit pristop h kakovosti, zaradi česar transformativna moč podatkov postane sestavni del korporativnega razmišljanja. Skladnost na vseh ravneh organizacije prispeva k oblikovanju celovite kulture kakovosti.
Noben proizvodni proces ne more delovati brezhibno v 100 % primerov. Spreminjajoči se pogoji sprožijo nepredvidene dogodke, ki zahtevajo sanacijo. Tisti, ki imajo izkušnje s kakovostjo, razumejo, da gre za proces premikanja k popolnosti. Kako zagotovite, da je kakovost vključena v proces, da se težave odkrijejo čim prej? Kaj boste storili, ko boste odkrili napako? Ali obstajajo kakšni zunanji dejavniki, ki povzročajo to težavo? Katere spremembe lahko naredite v načrtu inšpekcijskih pregledov ali postopku testiranja, da preprečite ponovitev te težave?
Vzpostavite miselnost, da ima vsak proizvodni proces povezan in soroden proces zagotavljanja kakovosti. Predstavljajte si prihodnost, kjer obstaja odnos ena proti ena in kjer se kakovost nenehno meri. Ne glede na to, kaj se zgodi naključno, je mogoče doseči popolno kakovost. Vsak delovni center dnevno pregleduje kazalnike in ključne kazalnike uspešnosti (KPI), da bi prepoznal področja za izboljšave, preden se pojavijo težave.
V tem sistemu z zaprto zanko ima vsak proizvodni proces sklepanje o kakovosti, ki zagotavlja povratne informacije za zaustavitev procesa, omogočanje nadaljevanja procesa ali prilagoditve v realnem času. Na sistem ne vplivata utrujenost ali človeške napake. Sistem kakovosti z zaprto zanko, zasnovan za proizvodnjo letal, je bistvenega pomena za doseganje višjih ravni kakovosti, skrajšanje časov ciklov in zagotavljanje skladnosti s standardi AS9100.
Pred desetimi leti je bila ideja o osredotočanju zagotavljanja kakovosti na oblikovanje izdelkov, tržne raziskave, dobavitelje, storitve za izdelke ali druge dejavnike, ki vplivajo na zadovoljstvo strank, nemogoča. Razumeva se, da oblikovanje izdelkov prihaja od višje avtoritete; kakovost pomeni izvajanje teh načrtov na tekočem traku, ne glede na njihove pomanjkljivosti.
Danes mnoga podjetja ponovno razmišljajo o tem, kako poslovati. Status quo iz leta 2018 morda ni več mogoč. Vedno več proizvajalcev postaja pametnejših. Na voljo je več znanja, kar pomeni boljšo inteligenco za izdelavo pravega izdelka že v prvem poskusu, z večjo učinkovitostjo in zmogljivostjo.