Po podatkih SmarTecha, svetovalnega podjetja za proizvodno tehnologijo, je vesoljska industrija druga največja industrija, ki jo oskrbuje aditivna proizvodnja (AM), takoj za medicino.Še vedno pa se premalo zavedamo potenciala aditivne proizvodnje keramičnih materialov pri hitri izdelavi letalskih komponent, povečani fleksibilnosti in stroškovni učinkovitosti.AM lahko proizvaja močnejše in lažje keramične dele hitreje in bolj trajnostno – zmanjševanje stroškov dela, zmanjšanje ročnega sestavljanja ter izboljšanje učinkovitosti in zmogljivosti z zasnovo, razvito z modeliranjem, s čimer se zmanjša teža letala.Poleg tega keramična tehnologija aditivne izdelave zagotavlja nadzor dimenzij končnih delov za elemente, manjše od 100 mikronov.
Vendar lahko beseda keramika povzroči napačno predstavo o krhkosti.Keramika, proizvedena z aditivi, pravzaprav proizvaja lažje, finejše dele z veliko strukturno trdnostjo, žilavostjo in odpornostjo na širok temperaturni razpon.V prihodnost usmerjena podjetja se obračajo na keramične proizvodne komponente, vključno s šobami in propelerji, električnimi izolatorji in turbinskimi lopaticami.
Na primer, aluminijev oksid visoke čistosti ima visoko trdoto ter močno odpornost proti koroziji in temperaturno območje.Komponente iz aluminijevega oksida so tudi električno izolativne pri visokih temperaturah, ki so običajne v letalskih in vesoljskih sistemih.
Keramika na osnovi cirkonijevega oksida lahko zadosti številnim aplikacijam z ekstremnimi zahtevami glede materialov in visoko mehansko obremenitvijo, kot so visokokakovostni kovinski modeli, ventili in ležaji.Keramika iz silicijevega nitrida ima visoko trdnost, visoko žilavost in odlično odpornost na toplotne udarce ter dobro kemično odpornost na korozijo različnih kislin, alkalij in staljenih kovin.Silicijev nitrid se uporablja za izolatorje, impelerje in visokotemperaturne antene z nizkim dielektrikom.
Kompozitna keramika zagotavlja več zaželenih lastnosti.Keramika na osnovi silicija z dodatkom aluminijevega oksida in cirkona se je izkazala za dobro pri izdelavi monokristalnih ulitkov za turbinske lopatice.To je zato, ker ima keramično jedro iz tega materiala zelo nizko toplotno razteznost do 1.500 °C, visoko poroznost, odlično kakovost površine in dobro izpiranje.Tiskanje teh jeder lahko ustvari konstrukcije turbin, ki lahko prenesejo višje delovne temperature in povečajo učinkovitost motorja.
Dobro je znano, da je brizganje ali strojna obdelava keramike zelo težavna, strojna obdelava pa omogoča omejen dostop do komponent, ki se izdelujejo.Tudi elemente, kot so tanke stene, je težko obdelati.
Vendar Lithoz uporablja proizvodnjo keramike na osnovi litografije (LCM) za izdelavo natančnih 3D keramičnih komponent kompleksne oblike.
Izhajajoč iz CAD modela se podrobne specifikacije digitalno prenesejo v 3D tiskalnik.Nato nanesite natančno formuliran keramični prah na vrh prozorne kadi.Premična konstrukcijska ploščad je potopljena v blato in nato selektivno izpostavljena vidni svetlobi od spodaj.Slojno sliko ustvari digitalna mikrozrcalna naprava (DMD), povezana s projekcijskim sistemom.S ponavljanjem tega postopka lahko plast za plastjo ustvarite tridimenzionalni zeleni del.Po toplotni naknadni obdelavi se vezivo odstrani in zeleni deli se sintrajo – združijo s posebnim postopkom segrevanja – da se proizvede popolnoma gost keramični del z odličnimi mehanskimi lastnostmi in kakovostjo površine.
Tehnologija LCM zagotavlja inovativen, stroškovno učinkovit in hitrejši postopek za vlivanje sestavnih delov turbinskih motorjev – mimo drage in težavne proizvodnje kalupov, potrebne za brizganje in litje po izgubljenem vosku.
LCM lahko doseže tudi dizajne, ki jih ni mogoče doseči z drugimi metodami, pri tem pa uporabi veliko manj surovin kot druge metode.
Kljub velikemu potencialu keramičnih materialov in tehnologije LCM še vedno obstaja vrzel med proizvajalci originalne opreme AM (OEM) in oblikovalci vesoljske industrije.
Eden od razlogov je lahko odpor do novih proizvodnih metod v panogah s posebej strogimi varnostnimi in kakovostnimi zahtevami.Letalska in vesoljska proizvodnja zahteva številne postopke preverjanja in kvalifikacije, pa tudi temeljito in strogo testiranje.
Druga ovira je prepričanje, da je 3D-tiskanje v glavnem primerno samo za enkratno hitro izdelavo prototipov, ne pa karkoli, kar je mogoče uporabiti v zraku.Ponovno gre za nesporazum in dokazano je, da se 3D natisnjene keramične komponente uporabljajo v množični proizvodnji.
Primer je proizvodnja turbinskih lopatic, kjer keramični postopek AM proizvaja enokristalna (SX) jedra, kot tudi turbinske lopatice iz superzlitin z usmerjenim strjevanjem (DS) in enakoosnim litjem (EX).Jedra s kompleksno razvejano strukturo, več stenami in zadnjimi robovi, manjšimi od 200 μm, je mogoče proizvesti hitro in ekonomično, končne komponente pa imajo dosledno dimenzijsko natančnost in odlično površinsko obdelavo.
Izboljšanje komunikacije lahko združi vesoljske oblikovalce in proizvajalce originalne opreme ter popolnoma zaupa keramičnim komponentam, izdelanim z uporabo LCM in drugih tehnologij.Tehnologija in strokovno znanje obstajata.Spremeniti mora način razmišljanja od AM za raziskave in razvoj ter izdelavo prototipov in na to gledati kot na pot naprej za obsežne komercialne aplikacije.
Poleg izobraževanja lahko vesoljska podjetja čas vložijo tudi v osebje, inženiring in testiranje.Proizvajalci morajo poznati različne standarde in metode za ocenjevanje keramike, ne kovin.Na primer, dva ključna Lithozova standarda ASTM za strukturno keramiko sta ASTM C1161 za preskušanje trdnosti in ASTM C1421 za preskušanje žilavosti.Ti standardi veljajo za keramiko, proizvedeno po vseh metodah.Pri izdelavi keramičnih dodatkov je korak tiskanja le metoda oblikovanja, deli pa so podvrženi enaki vrsti sintranja kot tradicionalna keramika.Zato bo mikrostruktura keramičnih delov zelo podobna običajni strojni obdelavi.
Na podlagi nenehnega napredka materialov in tehnologije lahko z gotovostjo trdimo, da bodo oblikovalci dobili več podatkov.Novi keramični materiali bodo razviti in prilagojeni glede na posebne inženirske potrebe.Deli iz AM keramike bodo zaključili postopek certificiranja za uporabo v letalstvu.In bo zagotovil boljša orodja za načrtovanje, kot je izboljšana programska oprema za modeliranje.
S sodelovanjem s tehničnimi strokovnjaki LCM lahko vesoljska podjetja interno uvedejo keramične postopke AM, kar skrajša čas, zmanjša stroške in ustvari priložnosti za razvoj lastne intelektualne lastnine podjetja.S predvidevanjem in dolgoročnim načrtovanjem lahko letalska in vesoljska podjetja, ki vlagajo v keramično tehnologijo, izkoristijo pomembne koristi v svojem celotnem proizvodnem portfelju v naslednjih desetih letih in pozneje.
Z vzpostavitvijo partnerstva z AM Ceramics bodo proizvajalci originalne vesoljske opreme proizvajali komponente, ki si jih prej ni bilo mogoče predstavljati.
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 učinkovitega komuniciranja o prednostih proizvodnje keramičnih dodatkov.
Čeprav razvoj hiperzvočnih letalskih sistemov obstaja že desetletja, je zdaj postal glavna prednostna naloga nacionalne obrambe ZDA, s čimer je to področje pripeljalo v stanje hitre rasti in sprememb.Kot edinstveno multidisciplinarno področje je izziv najti strokovnjake s potrebnimi veščinami za spodbujanje njegovega razvoja.Kadar pa ni dovolj strokovnjakov, ustvari vrzel v inovacijah, kot je na primer oblikovanje za izdelovalnost (DFM) najprej v fazi raziskav in razvoja, nato pa se spremeni v proizvodno vrzel, ko je prepozno za stroškovno učinkovite spremembe.
Zavezništva, kot je novoustanovljena University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), zagotavljajo pomembno okolje za gojenje talentov, potrebnih za napredek na tem področju.Študenti lahko sodelujejo neposredno z univerzitetnimi raziskovalci in industrijskimi strokovnjaki za razvoj tehnologije in pospeševanje kritičnih hiperzvočnih raziskav.
Čeprav so UCAH in drugi obrambni konzorciji pooblastili člane za opravljanje različnih inženirskih del, je treba storiti več za negovanje raznolikih in izkušenih talentov, od oblikovanja do razvoja materialov in izbire do proizvodnih delavnic.
Da bi zagotovili trajnejšo vrednost na tem področju, mora univerzitetna zveza razvoj delovne sile postaviti za prednostno nalogo z usklajevanjem s potrebami industrije, vključevanjem članov v raziskave, ki ustrezajo industriji, in vlaganjem v program.
Pri preoblikovanju hiperzvočne tehnologije v obsežne proizvodne projekte je obstoječa vrzel v inženirskih in proizvodnih spretnostih največji izziv.Če zgodnje raziskave ne prečkajo te primerno poimenovane doline smrti - vrzel med raziskavami in razvojem ter proizvodnjo in številni ambiciozni projekti so propadli - potem smo izgubili uporabno in izvedljivo rešitev.
Ameriška predelovalna industrija lahko pospeši nadzvočno hitrost, vendar je tveganje, da bo zaostala, povečati velikost delovne sile, da bo ustrezala.Zato morajo vladni in univerzitetni razvojni konzorciji sodelovati s proizvajalci, da te načrte uresničijo v praksi.
Industrija se sooča z vrzelmi v spretnostih od proizvodnih delavnic do inženirskih laboratorijev – te vrzeli se bodo z rastjo hiperzvočnega trga le še povečevale.Nastajajoče tehnologije zahtevajo nastajajočo delovno silo za širjenje znanja na tem področju.
Hiperzvočno delo obsega več različnih ključnih področij različnih materialov in struktur, vsako področje pa ima svoj nabor tehničnih izzivov.Zahtevajo visoko stopnjo podrobnega znanja in če zahtevanega strokovnega znanja ni, lahko to povzroči ovire pri razvoju in proizvodnji.Če ne bomo imeli dovolj ljudi za vzdrževanje delovnih mest, bo nemogoče slediti povpraševanju po hitri proizvodnji.
Na primer, potrebujemo ljudi, ki lahko zgradijo končni izdelek.UCAH in drugi konzorciji so bistveni za spodbujanje sodobne proizvodnje in zagotavljanje vključitve študentov, ki jih zanima vloga proizvodnje.Z navzkrižnimi namenskimi prizadevanji za razvoj delovne sile bo industrija v naslednjih nekaj letih lahko ohranila konkurenčno prednost pri hiperzvočnih načrtih letenja.
Ministrstvo za obrambo z ustanovitvijo UCAH ustvarja priložnost za sprejetje bolj osredotočenega pristopa k izgradnji zmogljivosti na tem področju.Vsi člani koalicije morajo sodelovati pri usposabljanju nišnih zmožnosti študentov, da bomo lahko zgradili in ohranili zagon raziskav ter jih razširili za doseganje rezultatov, 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 panogi so sodelovali neposredno z Naso in univerzami pri projektih dve do štiri leta.Vsi člani so razvili strokovno znanje in izkušnje, se naučili sodelovati v nekonkurenčnem okolju in vzgajali študente za razvoj, da bodo v prihodnosti vzgajali ključne igralce v industriji.
Ta vrsta razvoja delovne sile zapolnjuje vrzeli v panogi in malim podjetjem ponuja priložnosti za hitre inovacije in diverzifikacijo področja, da dosežejo nadaljnjo rast, ki vodi v pobude za nacionalno varnost in ekonomsko varnost ZDA.
Univerzitetna zavezništva, vključno z UCAH, so pomembna sredstva v hiperzvočnem področju in obrambni industriji.Čeprav so njihove raziskave spodbujale nastajajoče inovacije, je njihova največja vrednost v njihovi zmožnosti usposabljanja naše naslednje generacije delovne sile.Konzorcij mora zdaj dati prednost naložbam v takšne načrte.S tem lahko prispevajo k dolgoročnemu uspehu hiperzvočnih 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 inženirskih izdelkov (kot so komponente letal) so vsakič zavezani k popolnosti.Manevrskega prostora ni.
Ker je proizvodnja letal izjemno kompleksna, morajo proizvajalci skrbno upravljati proces kakovosti in vsakemu koraku posvetiti veliko pozornosti.To zahteva poglobljeno razumevanje, kako upravljati in se prilagajati dinamični proizvodnji, kakovosti, varnosti in težavam v dobavni verigi ob izpolnjevanju regulativnih zahtev.
Ker številni dejavniki vplivajo na dostavo visokokakovostnih izdelkov, je težko upravljati zapletena in pogosto spreminjajoča se proizvodna naročila.Proces kakovosti mora biti dinamičen v vseh vidikih inšpekcije in načrtovanja, proizvodnje in testiranja.Zahvaljujoč strategijam Industrije 4.0 in sodobnim proizvodnim rešitvam je te izzive kakovosti postalo lažje obvladovati in premagati.
Tradicionalni poudarek proizvodnje letal je bil vedno na materialih.Vir večine težav s kakovostjo je lahko krhki lom, korozija, utrujenost kovine ali drugi dejavniki.Vendar pa današnja proizvodnja letal vključuje napredne, visoko inženirske tehnologije, ki uporabljajo odporne materiale.Ustvarjanje izdelkov uporablja visoko specializirane in zapletene procese in elektronske sisteme.Programske rešitve za upravljanje splošnih operacij morda ne bodo mogle več reševati izjemno zapletenih problemov.
Bolj zapletene dele je mogoče kupiti v globalni dobavni verigi, zato je treba več pozornosti posvetiti njihovi integraciji skozi celoten proces sestavljanja.Negotovost prinaša nove izzive za prepoznavnost dobavne verige in upravljanje kakovosti.Zagotavljanje kakovosti toliko delov in končnih izdelkov zahteva boljše in bolj integrirane metode kakovosti.
Industrija 4.0 predstavlja razvoj proizvodne industrije in vedno več naprednih tehnologij je potrebnih za izpolnjevanje strogih zahtev glede kakovosti.Podporne tehnologije vključujejo industrijski internet stvari (IIoT), digitalne niti, razširjeno resničnost (AR) in napovedno analitiko.
Kakovost 4.0 opisuje metodo kakovosti proizvodnega procesa, ki temelji na podatkih in vključuje izdelke, procese, načrtovanje, skladnost in standarde.Temelji na tradicionalnih metodah kakovosti in ne nadomešča tradicionalnih metod kakovosti, pri čemer uporablja veliko istih novih tehnologij kot njegovi industrijski primerki, vključno s strojnim učenjem, povezanimi napravami, računalništvom v oblaku in digitalnimi dvojčki za preoblikovanje delovnega toka organizacije in odpravljanje možnih napak izdelkov ali procesov.Pričakuje se, da bo pojav kakovosti 4.0 dodatno spremenil kulturo na delovnem mestu s povečanjem zanašanja na podatke in globljo uporabo kakovosti kot dela celotne metode ustvarjanja izdelka.
Kakovost 4.0 združuje vprašanja delovanja in zagotavljanja kakovosti (QA) od začetka do faze načrtovanja.To vključuje konceptualizacijo in oblikovanje izdelkov.Rezultati nedavne raziskave v industriji kažejo, da večina trgov nima avtomatiziranega procesa prenosa dizajna.Ročni postopek pušča prostor za napake, ne glede na to, ali gre za notranjo napako ali komunikacijsko zasnovo in spremembe dobavne verige.
Poleg oblikovanja Quality 4.0 uporablja tudi strojno učenje, osredotočeno na proces, za zmanjšanje odpadkov, zmanjšanje predelave in optimizacijo proizvodnih parametrov.Poleg tega rešuje tudi težave z delovanjem izdelka po dostavi, uporablja povratne informacije na kraju samem za posodobitev programske opreme izdelka na daljavo, ohranja zadovoljstvo strank in na koncu zagotavlja ponovne posle.Postaja neločljiv partner industrije 4.0.
Kakovost pa ne velja samo za izbrane proizvodne povezave.Vključnost kakovosti 4.0 lahko v proizvodne organizacije vnese celovit pristop k kakovosti, zaradi česar transformativna moč podatkov postane sestavni del korporativnega razmišljanja.Skladnost na vseh ravneh organizacije prispeva k oblikovanju splošne kulture kakovosti.
Noben proizvodni proces ne more potekati popolno v 100 % časa.Spreminjajoče se razmere sprožijo nepredvidene dogodke, ki zahtevajo sanacijo.Tisti, ki imajo izkušnje s kakovostjo, razumejo, da gre le za proces premikanja k popolnosti.Kako zagotovite, da je kakovost vključena v proces za čim zgodnejše odkrivanje težav?Kaj boste storili, ko boste našli napako?Ali obstajajo kakšni zunanji dejavniki, ki povzročajo to težavo?Katere spremembe lahko naredite v načrtu pregleda ali preskusnem postopku, da preprečite, da bi se ta težava ponovila?
Vzpostavite miselnost, da ima vsak proizvodni proces soroden in povezan proces kakovosti.Predstavljajte si prihodnost, kjer obstaja odnos ena proti ena in nenehno merjenje kakovosti.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 prepozna področja za izboljšave, preden se pojavijo težave.
V tem zaprtozančnem sistemu ima vsak proizvodni proces sklepanje o kakovosti, ki zagotavlja povratne informacije za zaustavitev procesa, omogočanje nadaljevanja procesa ali izvajanje prilagoditev v realnem času.Na sistem ne vplivata utrujenost ali človeška napaka.Sistem kakovosti zaprtega kroga, 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 zamisel o osredotočanju QA na oblikovanje izdelka, tržne raziskave, dobavitelje, storitve izdelkov ali druge dejavnike, ki vplivajo na zadovoljstvo strank, nemogoča.Oblikovanje izdelka naj bi prihajalo od višje avtoritete;kakovost je izvedba teh modelov na tekočem traku, ne glede na njihove pomanjkljivosti.
Danes veliko podjetij razmišlja o tem, kako poslovati.Status quo leta 2018 morda ne bo več mogoč.Vse več proizvajalcev postaja pametnejših in pametnejših.Na voljo je več znanja, kar pomeni večjo inteligenco za prvo izdelavo pravega izdelka z večjo učinkovitostjo in zmogljivostjo.