A SmarTech gyártástechnológiai tanácsadó cég szerint az űrrepülés a második legnagyobb iparág, amelyet additív gyártás (AM) szolgál ki, az orvostudomány után.Mindazonáltal még mindig nem ismerik a kerámiaanyagok additív gyártásában rejlő lehetőségeket a repülőgép-alkatrészek gyors gyártásában, a megnövekedett rugalmasságban és költséghatékonyságban.Az AM gyorsabban és fenntarthatóbban tud erősebb és könnyebb kerámia alkatrészeket előállítani, ami csökkenti a munkaerőköltségeket, minimalizálja a kézi összeszerelést, valamint javítja a hatékonyságot és a teljesítményt a modellezéssel kifejlesztett tervezés révén, ezáltal csökkentve a repülőgép tömegét.Ezenkívül az additív gyártási kerámia technológia biztosítja a kész alkatrészek méretszabályozását 100 mikronnál kisebb jellemzők esetén.
A kerámia szó azonban a ridegség tévképzetét idézheti elő.Valójában az adalékanyagokkal előállított kerámiák könnyebb, finomabb alkatrészeket állítanak elő, amelyek nagy szerkezeti szilárdsággal, szívóssággal és széles hőmérséklet-tartományban ellenállnak.A jövőbe tekintő vállalatok a kerámiagyártó alkatrészek felé fordulnak, beleértve a fúvókákat és légcsavarokat, az elektromos szigetelőket és a turbinalapátokat.
Például a nagy tisztaságú alumínium-oxidnak nagy a keménysége, és erős a korrózióállósága és a hőmérséklet-tartománya.Az alumínium-oxidból készült alkatrészek elektromosan is szigetelnek a repülőgép-rendszerekben szokásos magas hőmérsékleten.
A cirkónium-oxid alapú kerámiák számos alkalmazásnak megfelelnek extrém anyagszükséglettel és nagy mechanikai igénybevétellel, például csúcsminőségű fémöntéssel, szelepekkel és csapágyakkal.A szilícium-nitrid kerámiák nagy szilárdsággal, nagy szívóssággal és kiváló hősokkállósággal rendelkeznek, valamint jó vegyszerállósággal rendelkeznek a különféle savak, lúgok és olvadt fémek korróziójával szemben.A szilícium-nitridet szigetelőkhöz, járókerekekhez és magas hőmérsékletű, alacsony dielektromos antennákhoz használják.
A kompozit kerámiák számos kívánatos tulajdonságot biztosítanak.Az alumínium-oxiddal és cirkonnal kiegészített szilícium alapú kerámiák jól teljesítenek a turbinalapátok egykristályos öntvényeinek gyártásában.Ennek az az oka, hogy az ebből az anyagból készült kerámia mag hőtágulása nagyon alacsony 1500 °C-ig, nagy porozitása, kiváló felületi minősége és jó kioldhatósága.Ezeknek a magoknak a kinyomtatásával olyan turbina-konstrukciók állíthatók elő, amelyek ellenállnak a magasabb üzemi hőmérsékletnek és növelik a motor hatásfokát.
Köztudott, hogy a kerámiák fröccsöntése vagy megmunkálása nagyon nehéz, és a megmunkálás korlátozott hozzáférést biztosít a gyártott alkatrészekhez.Az olyan jellemzőket, mint a vékony falak, szintén nehéz megmunkálni.
A Lithoz azonban litográfia alapú kerámiagyártást (LCM) használ a precíz, összetett alakú 3D kerámia alkatrészek gyártásához.
A CAD modelltől kezdve a részletes specifikációk digitálisan átkerülnek a 3D nyomtatóba.Ezután vigye fel a pontosan összeállított kerámiaport az átlátszó kád tetejére.A mozgatható építőplatform elmerül a sárban, majd szelektíven alulról látható fénynek van kitéve.A rétegképet a vetítőrendszerrel összekapcsolt digitális mikrotükör eszköz (DMD) állítja elő.Ennek a folyamatnak a megismétlésével rétegről rétegre háromdimenziós zöld rész állítható elő.A termikus utókezelést követően a kötőanyag eltávolítása és a zöld részek szinterezése-összevonása speciális hevítési eljárással teljesen sűrű, kiváló mechanikai tulajdonságokkal és felületi minőséggel rendelkező kerámia alkatrész keletkezik.
Az LCM technológia innovatív, költséghatékony és gyorsabb folyamatot biztosít a turbinamotor-alkatrészek beruházási öntéséhez, megkerülve a fröccsöntéshez és a viaszos öntéshez szükséges drága és munkaigényes szerszámgyártást.
Az LCM olyan terveket is el tud érni, amelyeket más módszerekkel nem lehet megvalósítani, miközben sokkal kevesebb nyersanyagot használ, mint más módszerekkel.
A kerámiaanyagokban és az LCM-technológiában rejlő nagy lehetőségek ellenére még mindig szakadék tátong az AM eredeti berendezésgyártók (OEM) és a repülőgép-tervezők között.
Ennek egyik oka lehet az új gyártási módszerekkel szembeni ellenállás a különösen szigorú biztonsági és minőségi követelményeket támasztó iparágakban.A repülőgépgyártás számos ellenőrzési és minősítési folyamatot, valamint alapos és szigorú tesztelést igényel.
További akadály az a hiedelem, hogy a 3D nyomtatás elsősorban csak egyszeri gyors prototípuskészítésre alkalmas, semmint bármire, ami a levegőben használható.Ez megint csak egy félreértés, és a 3D nyomtatott kerámia alkatrészeket bizonyítottan tömeggyártásban használják.
Példa erre a turbinalapátok gyártása, ahol az AM kerámia eljárással egykristály (SX) magok, valamint irányított szilárdítás (DS) és equiaxed casting (EX) szuperötvözet turbinalapátok készülnek.A 200 μm-nél kisebb, összetett elágazó szerkezetű, több falú és kifutó élekkel rendelkező magok gyorsan és gazdaságosan állíthatók elő, a végső alkatrészek pedig egyenletes méretpontossággal és kiváló felületi minőséggel rendelkeznek.
A kommunikáció javítása összehozhatja a repülőgép-tervezőket és az AM OEM-eket, és teljes mértékben megbízhat az LCM és más technológiák felhasználásával gyártott kerámia alkatrészekben.Létezik a technológia és a szakértelem.Meg kell változtatnia a gondolkodásmódot az AM helyett a K+F és a prototípusgyártás terén, és ebben kell tekintenie a nagyszabású kereskedelmi alkalmazások előtti útját.
Az oktatáson kívül a repülőgép-ipari vállalatok időt fektethetnek a személyzetbe, a mérnöki munkába és a tesztelésbe is.A gyártóknak ismerniük kell a kerámiák, nem pedig a fémek értékelésére vonatkozó különböző szabványokat és módszereket.Például a Lithoz két kulcsfontosságú ASTM-szabványa a szerkezeti kerámiák esetében az ASTM C1161 a szilárdságvizsgálathoz és az ASTM C1421 a szívósságvizsgálathoz.Ezek a szabványok minden eljárással előállított kerámiára vonatkoznak.A kerámiaadalékos gyártásban a nyomtatási lépés csak formázási eljárás, és az alkatrészek ugyanolyan szinterezésen esnek át, mint a hagyományos kerámiák.Ezért a kerámia alkatrészek mikroszerkezete nagyon hasonló lesz a hagyományos megmunkáláséhoz.
Az anyagok és a technológia folyamatos fejlődése alapján bátran kijelenthetjük, hogy több adathoz jutnak majd a tervezők.Új kerámia anyagokat fejlesztenek és szabnak testre az egyedi mérnöki igényeknek megfelelően.Az AM kerámiából készült alkatrészek teljesítik az űrkutatásban való felhasználásra vonatkozó tanúsítási folyamatot.És jobb tervezési eszközöket, például továbbfejlesztett modellező szoftvert biztosít.
Az LCM műszaki szakértőivel együttműködve a repülőgépgyártó cégek bevezethetik az AM kerámia eljárásokat belsőleg – lerövidítve az időt, csökkentve a költségeket, és lehetőséget teremtve a vállalat saját szellemi tulajdonának fejlesztésére.Előrelátással és hosszú távú tervezéssel a kerámiatechnológiába beruházó repülőgépipari vállalatok jelentős előnyökhöz juthatnak teljes gyártási portfóliójukban a következő tíz évben és azt követően.
Az AM Ceramics társasággal való partnerség létrehozásával a repülőgépgyártók eredeti berendezésgyártói olyan alkatrészeket fognak gyártani, amelyek korábban elképzelhetetlenek voltak.
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 a kerámiaadalékok gyártása előnyeiről szóló hatékony kommunikáció nehézségeiről beszél a Clevelandben, Ohio államban, a Ceramics Expón 2021. szeptember 1-jén.
Bár a hiperszonikus repülési rendszerek fejlesztése évtizedek óta létezik, mára az Egyesült Államok honvédelmének első számú prioritásává vált, gyors növekedés és változás állapotába hozva ezt a területet.Egyedülálló multidiszciplináris területként a kihívást az jelenti, hogy olyan szakértőket találjunk, akik rendelkeznek a fejlődés elősegítéséhez szükséges szakértelemmel.Ha azonban nincs elég szakértő, innovációs rést hoz létre, például a gyárthatósági tervezést (DFM) először a K+F fázisba helyezi, majd gyártási hiányossággá válik, amikor már túl késő a költséghatékony változtatásokhoz.
A szövetségek, mint például az újonnan alapított University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), fontos környezetet biztosítanak a terület előrehaladásához szükséges tehetségek kiműveléséhez.A hallgatók közvetlenül együttműködhetnek egyetemi kutatókkal és iparági szakemberekkel a technológia fejlesztése és a kritikus hiperszonikus kutatás előmozdítása érdekében.
Bár az UCAH és más védelmi konzorciumok felhatalmazták a tagokat arra, hogy különféle mérnöki munkákat végezzenek, több munkát kell végezni a sokszínű és tapasztalt tehetségek kiművelése érdekében, a tervezéstől az anyagfejlesztésen és -kiválasztáson át a gyártóműhelyekig.
Az egyetemi szövetségnek a szakterületen tartósabb értékteremtés érdekében prioritásként kell kezelnie a munkaerő-fejlesztést az iparági igényekhez igazodva, a tagok bevonásával az iparágnak megfelelő kutatásokba, valamint a programba való befektetéssel.
Amikor a hiperszonikus technológiát nagyszabású, gyártható projektekké alakítják át, a legnagyobb kihívást a meglévő mérnöki és gyártási szakképzettség jelenti.Ha a korai kutatás nem lépi át ezt a találóan elnevezett halálvölgyet – a K+F és a gyártás közötti szakadékot, és sok ambiciózus projekt kudarcot vallott –, akkor elvesztettünk egy alkalmazható és megvalósítható megoldást.
Az amerikai feldolgozóipar felgyorsíthatja a szuperszonikus sebességet, de a lemaradás veszélye a munkaerő létszámának megfelelő bővítése.Ezért a kormánynak és az egyetemi fejlesztési konzorciumoknak együtt kell működniük a gyártókkal a tervek gyakorlati megvalósítása érdekében.
Az iparágban a gyártóműhelyektől a mérnöki laboratóriumokig hiányosságok tapasztalhatók a készségek terén – ezek a hiányosságok a hiperszonikus piac növekedésével csak nőni fognak.A feltörekvő technológiák feltörekvő munkaerőt igényelnek a tudás bővítéséhez.
A hiperszonikus munka a különféle anyagok és szerkezetek több kulcsfontosságú területét öleli fel, és mindegyik területnek megvannak a maga technikai kihívásai.Ezek magas szintű részletes ismereteket igényelnek, és ha a szükséges szakértelem nem áll rendelkezésre, ez akadályokat gördíthet a fejlesztés és a gyártás elé.Ha nincs elég emberünk a munkahely fenntartásához, lehetetlen lesz lépést tartani a nagy sebességű termelés iránti igényekkel.
Például olyan emberekre van szükségünk, akik meg tudják építeni a végterméket.Az UCAH és más konzorciumok nélkülözhetetlenek a modern gyártás előmozdításához, és biztosítják, hogy a gyártás szerepe iránt érdeklődő hallgatók is részt vegyenek.A többfunkciós, elkötelezett munkaerő-fejlesztési erőfeszítések révén az iparág a következő néhány évben meg tudja őrizni versenyelőnyét a hiperszonikus repülési tervek terén.
Az UCAH létrehozásával a védelmi minisztérium lehetőséget teremt arra, hogy célzottabb megközelítést alkalmazzon a képességek kiépítéséhez ezen a területen.Minden koalíciós tagnak együtt kell dolgoznia a hallgatók résképességének képzésében, hogy a kutatás lendületét építhessük és fenntarthassuk, és kiterjesszük az országunknak megfelelő eredményeket.
A most bezárt NASA Advanced Composites Alliance egy példa a sikeres munkaerő-fejlesztési erőfeszítésekre.Hatékonysága a K+F munka és az ipari érdekek ötvözésének az eredménye, ami lehetővé teszi, hogy az innováció kiterjedjen a fejlesztési ökoszisztémára.Az iparág vezetői két-négy éven keresztül közvetlenül dolgoztak együtt a NASA-val és az egyetemekkel projekteken.Valamennyi tag szakmai tudást és tapasztalatot szerzett, megtanult együttműködni egy nem versenyképes környezetben, és arra nevelte a főiskolai hallgatókat, hogy fejlődjenek, hogy a jövőben kulcsfontosságú iparági szereplőket neveljenek.
Az ilyen típusú munkaerő-fejlesztés hiányokat pótol az iparágban, és lehetőséget biztosít a kisvállalkozások számára a gyors innovációra és a terület diverzifikálására, hogy további növekedést érjenek el, ami elősegíti az Egyesült Államok nemzetbiztonsági és gazdaságbiztonsági kezdeményezéseit.
Az egyetemi szövetségek, köztük az UCAH, fontos eszközök a hiperszonikus területen és a védelmi iparban.Bár kutatásaik előmozdították a feltörekvő innovációkat, legnagyobb értékük abban rejlik, hogy képesek a következő generációs munkaerő képzésére.A konzorciumnak most prioritásként kell kezelnie az ilyen tervekbe való befektetést.Ezzel elősegíthetik a hiperszonikus innováció hosszú távú sikerét.
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.
Az összetett, magasan megtervezett termékek (például repülőgép-alkatrészek) gyártói minden alkalommal elkötelezték magukat a tökéletesség mellett.Nincs mozgástér.
Mivel a repülőgépgyártás rendkívül összetett, a gyártóknak gondosan kell irányítaniuk a minőségi folyamatot, minden lépésre nagy figyelmet fordítva.Ehhez alapos ismerete szükséges a dinamikus termelés, a minőség, a biztonság és az ellátási lánc kérdéseinek kezeléséhez és az azokhoz való alkalmazkodáshoz, miközben megfelel a szabályozási követelményeknek.
Mivel számos tényező befolyásolja a kiváló minőségű termékek szállítását, nehéz kezelni az összetett és gyakran változó gyártási rendeléseket.A minőségi folyamatnak dinamikusnak kell lennie az ellenőrzés és a tervezés, a gyártás és a tesztelés minden aspektusában.Az Ipar 4.0 stratégiáknak és a modern gyártási megoldásoknak köszönhetően ezek a minőségi kihívások könnyebben kezelhetők és leküzdhetők.
A repülőgépgyártás hagyományos középpontjában mindig is az anyagok állnak.A legtöbb minőségi probléma forrása a rideg törés, korrózió, fémfáradás vagy egyéb tényezők lehetnek.A mai repülőgépgyártás azonban olyan fejlett, magasan megtervezett technológiákat foglal magában, amelyek ellenálló anyagokat használnak.A termékkészítés rendkívül speciális és összetett folyamatokat és elektronikus rendszereket használ.Előfordulhat, hogy az általános műveletirányítási szoftverek már nem képesek rendkívül összetett problémák megoldására.
A globális ellátási láncból bonyolultabb alkatrészek is beszerezhetők, ezért nagyobb figyelmet kell fordítani ezek integrálására az összeszerelési folyamat során.A bizonytalanság új kihívások elé állítja az ellátási lánc láthatóságát és a minőségirányítást.Ennyi alkatrész és késztermék minőségének biztosítása jobb és integráltabb minőségi módszereket igényel.
Az Ipar 4.0 a feldolgozóipar fejlődését jelenti, a szigorú minőségi követelmények teljesítéséhez egyre fejlettebb technológiákra van szükség.A támogató technológiák közé tartozik az ipari dolgok internete (IIoT), a digitális szálak, a kiterjesztett valóság (AR) és a prediktív elemzés.
A Quality 4.0 egy adatvezérelt gyártási folyamat minőségi módszert ír le, amely magában foglalja a termékeket, folyamatokat, tervezést, megfelelőséget és szabványokat.A hagyományos minőségi módszerekre épül, nem pedig felváltja, és ugyanazokat az új technológiákat használja, mint ipari társai, ideértve a gépi tanulást, az összekapcsolt eszközöket, a számítási felhőt és a digitális ikreket, hogy átalakítsák a szervezet munkafolyamatát és kiküszöböljék a lehetséges termékek vagy folyamatok hibáit.A Quality 4.0 megjelenése várhatóan tovább változtatja a munkahelyi kultúrát azáltal, hogy egyre nagyobb mértékben hagyatkozik az adatokra, és a minőséget az átfogó termékalkotási módszer részeként mélyebben felhasználja.
A Quality 4.0 integrálja az üzemeltetési és minőségbiztosítási (QA) kérdéseket a kezdetektől a tervezési szakaszig.Ez magában foglalja a termékek koncepciójának és tervezésének módját.A legújabb iparági felmérések eredményei azt mutatják, hogy a legtöbb piac nem rendelkezik automatizált tervezési átviteli folyamattal.A manuális folyamat teret enged a hibáknak, legyen szó belső hibáról vagy tervezésről és változtatásokról az ellátási láncban.
A tervezés mellett a Quality 4.0 folyamatközpontú gépi tanulást is alkalmaz a hulladék csökkentése, az utómunkálatok csökkentése és a gyártási paraméterek optimalizálása érdekében.Ezenkívül megoldja a termékteljesítmény-problémákat a kiszállítás után, helyszíni visszajelzéseket használ a termékszoftver távoli frissítéséhez, fenntartja az ügyfelek elégedettségét, és végső soron biztosítja az ismétlődő üzletmenetet.Az Ipar 4.0 elválaszthatatlan partnerévé válik.
A minőség azonban nem csak a kiválasztott gyártási kapcsolatokra vonatkozik.A Quality 4.0 inkluzívsága átfogó minőségi megközelítést honosíthat meg a gyártó szervezetekben, így az adatok átalakító ereje a vállalati gondolkodás szerves részévé válik.A megfelelőség a szervezet minden szintjén hozzájárul az átfogó minőségi kultúra kialakításához.
Egyetlen gyártási folyamat sem futhat tökéletesen az idő 100%-ában.A megváltozott körülmények előre nem látható eseményeket idéznek elő, amelyek helyreállítást igényelnek.Akinek van tapasztalata a minőségben, az érti, hogy minden a tökéletesség felé vezető folyamatról szól.Hogyan biztosíthatja, hogy a minőséget beépítsék a folyamatba, hogy a problémákat a lehető legkorábban észleljék?Mit fog tenni, ha megtalálja a hibát?Valamilyen külső tényező okozza ezt a problémát?Milyen változtatásokat tehet az ellenőrzési tervben vagy a vizsgálati eljárásban, hogy ez a probléma ne ismétlődhessen meg?
Olyan mentalitás kialakítása, hogy minden termelési folyamatnak van egy kapcsolódó és kapcsolódó minőségi folyamata.Képzeljen el egy olyan jövőt, ahol egy-egy kapcsolat van, és folyamatosan méri a minőséget.Nem számít, mi történik véletlenszerűen, tökéletes minőség érhető el.Minden munkaközpont naponta felülvizsgálja a mutatókat és a kulcsfontosságú teljesítménymutatókat (KPI-k), hogy azonosítsa a fejlesztendő területeket, mielőtt problémák jelentkeznének.
Ebben a zárt hurkú rendszerben minden gyártási folyamat rendelkezik egy minőségi következtetéssel, amely visszajelzést ad a folyamat leállításához, a folyamat folytatásához vagy valós idejű módosításokhoz.A rendszert nem befolyásolja a fáradtság vagy az emberi hiba.A repülőgépgyártáshoz tervezett zárt hurkú minőségbiztosítási rendszer elengedhetetlen a magasabb minőségi szintek eléréséhez, a ciklusidők lerövidítéséhez és az AS9100 szabványoknak való megfeleléshez.
Tíz évvel ezelőtt lehetetlen volt az ötlet, hogy a minőségbiztosítást a terméktervezésre, a piackutatásra, a beszállítókra, a termékszolgáltatásokra vagy más, a vevői elégedettséget befolyásoló tényezőkre összpontosítsák.A terméktervezés felsőbb hatóságtól származik;A minőség az, hogy ezeket a terveket az összeszerelősoron hajtsák végre, függetlenül azok hiányosságaitól.
Manapság sok cég újragondolja az üzletvitelt.Előfordulhat, hogy a 2018-as status quo már nem lehetséges.Egyre több gyártó válik egyre okosabbá.Több tudás áll rendelkezésre, ami jobb intelligenciát jelent a megfelelő termék elkészítéséhez az első alkalommal, nagyobb hatékonysággal és teljesítménnyel.