A SmarTech, egy gyártástechnológiai tanácsadó cég szerint a repülőgépipar a második legnagyobb iparág, amelyet az additív gyártás (AM) kiszolgál, a második helyen az orvostudomány után. Azonban még mindig hiányzik az ismeretek a kerámiaanyagok additív gyártásában rejlő lehetőségekről a repülőgépipari alkatrészek gyors gyártásában, a rugalmasság növelésében és a költséghatékonyság növelésében. Az additív gyártás gyorsabban és fenntarthatóbb módon képes erősebb és könnyebb kerámia alkatrészeket előállítani – csökkentve a munkaerőköltségeket, minimalizálva a kézi összeszerelést, és javítva a hatékonyságot és a teljesítményt a modellezéssel kidolgozott tervezés révén, ezáltal csökkentve a repülőgép súlyát. Ezenkívül az additív gyártású kerámiatechnológia méretvezérlést biztosít a kész alkatrészek esetében a 100 mikronnál kisebb jellemzők esetében.
A „kerámia” szó azonban a ridegség tévhitét keltheti. Valójában az additív gyártású kerámiák könnyebb, finomabb alkatrészeket állítanak elő, amelyek nagy szerkezeti szilárdsággal, szívóssággal és széles hőmérsékleti tartományban való ellenállással rendelkeznek. Az előremutató vállalatok a kerámia gyártási alkatrészek felé fordulnak, beleértve a fúvókákat és propellereket, az elektromos szigetelőket és a turbinalapátokat.
Például a nagy tisztaságú alumínium-oxid nagy keménységgel, erős korrózióállósággal és hőmérséklet-tartományúsággal rendelkezik. Az alumínium-oxidból készült alkatrészek elektromos szigetelő tulajdonságokkal is rendelkeznek a repülőgépipari rendszerekben megszokott magas hőmérsékleteken.
A cirkónium-dioxid alapú kerámiák számos olyan alkalmazásnak felelnek meg, ahol extrém anyagigény és nagy mechanikai igénybevétel jelentkezik, mint például a csúcskategóriás fémöntvények, szelepek és csapágyak. A szilícium-nitrid kerámiák nagy szilárdságúak, nagy szívósságúak és kiváló hősokk-állósággal rendelkeznek, valamint jó kémiai ellenállással 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 tulajdonsággal rendelkeznek. Az alumínium-oxiddal és cirkonnal kevert szilícium alapú kerámiák jól bizonyították teljesítményüket turbinalapátok egykristályos öntvényeinek gyártásában. Ez azért van, mert az ebből az anyagból készült kerámia mag nagyon alacsony hőtágulási képességgel rendelkezik, akár 1500 °C-ig, nagy porozitással, kiváló felületi minőséggel és jó kimoshatósággal. Ezen magok nyomtatásával olyan turbinaterveket lehet létrehozni, amelyek ellenállnak a magasabb üzemi hőmérsékleteknek 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 jellemzők, mint a vékony falak, szintén nehezen megmunkálhatók.
A Lithoz azonban litográfián alapuló kerámiagyártást (LCM) alkalmaz precíz, összetett alakú 3D kerámia alkatrészek gyártásához.
A CAD modellből kiindulva a részletes specifikációkat digitálisan átviszik a 3D nyomtatóra. Ezután a precízen összeállított kerámiaport az átlátszó tartály tetejére viszik fel. A mozgatható építőplatformot a sárba merítik, majd szelektíven alulról látható fénynek teszik ki. A rétegképet egy digitális mikrotükör eszköz (DMD) generálja, amely a vetítőrendszerrel van összekapcsolva. A folyamat ismétlésével rétegről rétegre háromdimenziós zöld alkatrész hozható létre. A hőkezelés után a kötőanyagot eltávolítják, és a zöld részeket szinterelik – egy speciális melegítési eljárással egyesítik –, így egy teljesen tömör kerámia alkatrészt hoznak létre, kiváló mechanikai tulajdonságokkal és felületi minőséggel.
Az LCM technológia innovatív, költséghatékony és gyorsabb eljárást kínál a turbinamotor-alkatrészek befektetési öntéséhez, megkerülve a fröccsöntéshez és a viaszveszejtéses öntéshez szükséges drága és munkaigényes formagyártást.
Az LCM olyan terveket is képes elérni, amelyeket más módszerekkel nem lehet megvalósítani, miközben sokkal kevesebb nyersanyagot használ, mint más módszerek.
A kerámia anyagok és az LCM technológia hatalmas potenciálja ellenére továbbra is nagy a szakadék az additív eredetiberendezés-gyártók (OEM) és a repülőgépipari tervezők között.
Az egyik ok az új gyártási módszerekkel szembeni ellenállás lehet a különösen szigorú biztonsági és minőségi követelményeket támasztó iparágakban. A repülőgépgyártás számos ellenőrzési és minősítési folyamatot, valamint alapos és szigorú tesztelést igényel.
További akadályt jelent az a hiedelem, hogy a 3D nyomtatás elsősorban csak egyszeri gyors prototípusgyártásra alkalmas, és nem alkalmas bármi másra, amit a levegőben lehetne használni. Ez ismét egy félreértés, és a 3D nyomtatott kerámia alkatrészek bizonyítottan alkalmasak tömegtermelésre.
Példa erre a turbinalapátok gyártása, ahol az additív kerámia eljárással egykristályos (SX) magokat, valamint irányított szilárdítású (DS) és egyenlőtengelyű öntésű (EX) szuperötvözetből készült turbinalapátokat állítanak elő. Az összetett elágazási szerkezetű, többszörös falú és 200 μm-nél kisebb kilépőélű magok gyorsan és gazdaságosan előállíthatók, a kész alkatrészek pedig állandó méretpontossággal és kiváló felületkezeléssel rendelkeznek.
A kommunikáció javítása összehozhatja a repülőgépipari tervezőket és az additív gyártás (AM) OEM-eket, és teljes mértékben megbízhatnak az LCM és más technológiákkal gyártott kerámia alkatrészekben. A technológia és a szakértelem már létezik. Meg kell változtatni a gondolkodásmódot az AM-ről a K+F és a prototípusgyártás felé, és a nagyméretű kereskedelmi alkalmazások jövőjének kell tekintenie.
Az oktatás mellett a repülőgépipari vállalatok időt is fektethetnek a személyzetbe, a mérnöki munkába és a tesztelésbe. 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 kerámiákra az ASTM C1161 a szilárdsági vizsgálatra és az ASTM C1421 a szívóssági vizsgálatra. Ezek a szabványok minden módszerrel előállított kerámiára vonatkoznak. A kerámia additív gyártásánál a nyomtatási lépés csak egy formázási módszer, és az alkatrészek ugyanolyan típusú szinterezésen esnek át, mint a hagyományos kerámiák. Ezért a kerámia alkatrészek mikroszerkezete nagyon hasonló lesz a hagyományos megmunkáláshoz.
Az anyagok és a technológia folyamatos fejlődése alapján magabiztosan állíthatjuk, hogy a tervezők egyre több adathoz jutnak majd. Új kerámiaanyagokat fejlesztenek ki és szabnak testre a konkrét mérnöki igényeknek megfelelően. Az additív gyártású kerámiából készült alkatrészek teljesítik majd a repülőgépipari felhasználásra vonatkozó tanúsítási folyamatot. Emellett jobb tervezőeszközöket, például továbbfejlesztett modellező szoftvert is biztosítanak majd.
Az LCM műszaki szakértőivel együttműködve a repülőgépipari vállalatok belsőleg bevezethetik az additív kerámia eljárásokat, lerövidítve az időt, csökkentve a költségeket, és lehetőségeket teremtve a vállalat saját szellemi tulajdonának fejlesztésére. Előrelátással és hosszú távú tervezéssel a kerámia technológiába befektető repülőgépipari vállalatok jelentős előnyöket realizálhatnak teljes termelési portfóliójukban a következő tíz évben és azon túl.
Az AM Ceramics-szel kötött partnerség révén a repülőgépipari eredetiberendezés-gyártók 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 kerámia additív gyártás előnyeinek hatékony kommunikációjának nehézségeiről fog beszélni a clevelandi (Ohio állambeli) Ceramics Expón, 2021. szeptember 1-jén.
Bár a hiperszonikus repülési rendszerek fejlesztése évtizedek óta létezik, mára az amerikai nemzetvédelem legfőbb prioritásává vált, ami gyors növekedést és változást hozott ebbe a területbe. Egyedülálló multidiszciplináris területként a kihívás az, hogy olyan szakértőket találjunk, akik rendelkeznek a fejlesztés előmozdításához szükséges készségekkel. Amikor azonban nincs elég szakértő, az innovációs rést hoz létre, például a gyárthatósági tervezést (DFM) helyezik előtérbe a K+F fázisban, majd gyártási rést eredményeznek, amikor már túl késő a költséghatékony változtatásokhoz.
Az olyan szövetségek, mint az újonnan létrehozott University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), fontos környezetet biztosítanak a terület fejlesztéséhez szükséges tehetségek kineveléséhez. A hallgatók közvetlenül együttműködhetnek egyetemi kutatókkal és ipari szakemberekkel a technológia fejlesztése és a kritikus hiperszonikus kutatások előmozdítása érdekében.
Bár az UCAH és más védelmi konzorciumok felhatalmazták tagjaikat különféle mérnöki munkakörök betöltésére, több munkát kell tenni a sokszínű és tapasztalt tehetségek kinevelése érdekében, a tervezéstől az anyagfejlesztésen és -kiválasztáson át a gyártóműhelyekig.
Annak érdekében, hogy tartósabb értéket teremtsen a területen, az egyetemi szövetségnek prioritásként kell kezelnie a munkaerő-fejlesztést az iparági igényekhez való igazodás, a tagok iparági szempontból megfelelő kutatásokba való bevonása és a programba való befektetés révén.
Amikor a hiperszonikus technológiát nagyméretű, gyártható projektekké alakítjuk át, a legnagyobb kihívást a mérnöki és gyártási munkaerő közötti meglévő szakadék jelenti. Ha a korai kutatások nem lépik át ezt a találóan elnevezett halálvölgyet – a K+F és a gyártás közötti szakadékot, és számos ambiciózus projekt kudarcot vallott –, akkor elveszítünk egy alkalmazható és megvalósítható megoldást.
Az amerikai feldolgozóipar felgyorsíthatja a szuperszonikus sebességet, de a lemaradás kockázata a munkaerő méretének megfelelő bővítése. Ezért a kormánynak és az egyetemi fejlesztési konzorciumoknak együtt kell működniük a gyártókkal e tervek megvalósítása érdekében.
Az iparágban hiányosságok mutatkoznak a gyártóműhelyektől a mérnöki laboratóriumokig a készségek terén – ezek a hiányosságok csak szélesedni fognak a hiperszonikus piac növekedésével. Az újonnan megjelenő technológiákhoz egyre növekvő munkaerőre van szükség a területen szerzett ismeretek bővítéséhez.
A hiperszonikus munka számos különböző kulcsfontosságú területet ölel fel, különféle anyagokat és szerkezeteket, és minden területnek megvannak a maga technikai kihívásai. Magas szintű, részletes ismereteket igényelnek, és ha a szükséges szakértelem hiányzik, az akadályozhatja a fejlesztést és a gyártást. Ha nincs elég emberünk a munka fenntartásához, lehetetlen lesz lépést tartani a nagysebességű gyártás iránti igényekkel.
Például olyan emberekre van szükségünk, akik képesek megépíteni a végterméket. Az UCAH és más konzorciumok elengedhetetlenek a modern gyártás előmozdításához és annak biztosításához, hogy a gyártás szerepe iránt érdeklődő diákok bekerüljenek. A funkciókon átívelő, elkötelezett munkaerő-fejlesztési erőfeszítések révén az iparág képes lesz megőrizni versenyelőnyét a hiperszonikus repülési tervek terén a következő néhány évben.
Az UCAH létrehozásával a Védelmi Minisztérium lehetőséget teremt arra, hogy célzottabb megközelítést alkalmazzon a képességek kiépítésében ezen a területen. Minden koalíciós tagnak együtt kell működnie a hallgatók résképességeinek kiképzésében, hogy felépíthessük és fenntarthassuk a kutatás lendületét, és bővíthessük azt az országunk számára szükséges eredmények elérése érdekében.
A most bezárt NASA Advanced Composites Alliance (NASA Advanced Composites Alliance) egy sikeres munkaerő-fejlesztési erőfeszítés példája. Hatékonysága a K+F munka és az ipari érdekek ötvözésének eredménye, ami lehetővé teszi az innováció terjedését a fejlesztési ökoszisztémában. Az iparági vezetők két-négy éven keresztül közvetlenül együttműködtek a NASA-val és az egyetemekkel projekteken. Minden tag szakmai tudást és tapasztalatot szerzett, megtanult együttműködni egy versenymentes környezetben, és támogatta a főiskolai hallgatókat a fejlődésben, hogy a jövőben kulcsfontosságú iparági szereplőket nevelhessenek.
Ez a fajta munkaerő-fejlesztés kitölti az iparág hiányosságait, és lehetőséget biztosít a kisvállalkozások számára a gyors innovációra és a terület diverzifikálására a további növekedés elérése érdekében, ami elősegíti az Egyesült Államok nemzetbiztonsági és gazdasági biztonsági kezdeményezéseit.
Az egyetemi szövetségek, beleértve az UCAH-t is, fontos előnyöket jelentenek a hiperszonikus technológia és a védelmi ipar számára. Bár kutatásaik elősegítették a feltörekvő innovációkat, legnagyobb értékük abban rejlik, hogy képesek képezni a következő generációs munkaerőt. A konzorciumnak most prioritásként kell kezelnie az ilyen tervekbe történő befektetéseket. Ezáltal 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, magas szintű tervezésű termékek (például repülőgép-alkatrészek) gyártói minden alkalommal a tökéletességre törekszenek. Nincs mozgástér.
Mivel a repülőgépgyártás rendkívül összetett, a gyártóknak gondosan kell kezelniük a minőségbiztosítási folyamatot, minden lépésre nagy figyelmet fordítva. Ehhez mélyreható ismeretekre van szükség a dinamikus termelési, minőségi, biztonsági és ellátási lánccal kapcsolatos kérdések kezeléséről és azokhoz való alkalmazkodásról, miközben megfelelnek a szabályozási követelményeknek.
Mivel a kiváló minőségű termékek szállítását számos tényező befolyásolja, nehéz kezelni az összetett és gyakran változó gyártási megrendeléseket. A minőségbiztosítási 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 álltak. A legtöbb minőségi probléma forrása lehet a rideg törés, a korrózió, a fémfáradás vagy egyéb tényezők. A mai repülőgépgyártás azonban fejlett, magasan mérnöki alapú technológiákat alkalmaz, amelyek ellenálló anyagokat használnak. A termékgyártás rendkívül speciális és összetett folyamatokat és elektronikus rendszereket alkalmaz. Az általános üzemeltetési szoftvermegoldások már nem biztos, hogy képesek megoldani a rendkívül összetett problémákat.
A bonyolultabb alkatrészek a globális ellátási láncból vásárolhatók meg, ezért nagyobb figyelmet kell fordítani azok integrálására az összeszerelési folyamat során. A bizonytalanság új kihívásokat jelent az ellátási lánc láthatósága és a minőségirányítás terén. Ennyi alkatrész és késztermék minőségének biztosítása jobb és integráltabb minőségbiztosítási módszereket igényel.
Az Ipar 4.0 a gyártóipar fejlődését jelenti, és egyre fejlettebb technológiákra van szükség a szigorú minőségi követelmények teljesítéséhez. A támogató technológiák közé tartozik az ipari dolgok internete (IIoT), a digitális szálak, a kiterjesztett valóság (AR) és a prediktív elemzés.
A Minőség 4.0 egy adatvezérelt termelési folyamatminőségi módszert ír le, amely magában foglalja a termékeket, folyamatokat, tervezést, megfelelést és szabványokat. A hagyományos minőségügyi módszerekre épül, nem pedig azokat helyettesíti, és számos ugyanazon új technológiát használja, mint az ipari megfelelői, beleértve a gépi tanulást, a csatlakoztatott eszközöket, a felhőalapú számítástechnikát és a digitális ikreket, hogy átalakítsa a szervezet munkafolyamatát és kiküszöbölje a lehetséges termék- vagy folyamathibákat. A Minőség 4.0 megjelenése várhatóan tovább változtatja a munkahelyi kultúrát azáltal, hogy növeli az adatokra való támaszkodást és a minőség mélyebb alkalmazását a teljes termékkészítési módszer részeként.
A Minőség 4.0 integrálja a működési és minőségbiztosítási (QA) kérdéseket a kezdetektől a tervezési szakaszig. Ez magában foglalja a termékek koncepciójának kidolgozását és tervezését is. A legfrissebb iparági felmérések eredményei azt mutatják, hogy a legtöbb piacon nincs automatizált tervátadási folyamat. A manuális folyamat teret enged a hibáknak, legyen szó akár belső hibáról, akár a terv és a változtatások ellátási láncba történő kommunikációjáról.
A tervezés mellett a Quality 4.0 folyamatközpontú gépi tanulást is alkalmaz a hulladék és az utólagos megmunkálás csökkentése, valamint a termelési paraméterek optimalizálása érdekében. Ezenkívül a kiszállítás után is megoldja a termék teljesítményével kapcsolatos problémákat, a helyszíni visszajelzések alapján távolról frissíti a termékszoftvert, fenntartja az ügyfelek elégedettségét, és végső soron biztosítja az ismételt vásárlást. Az Ipar 4.0 elválaszthatatlan partnerévé válik.
A minőség azonban nem csak a kiválasztott gyártási kapcsolatokra vonatkozik. A Minőség 4.0 befogadó jellege átfogó minőségi megközelítést alakíthat ki a gyártó szervezetekben, az adatok transzformatív erejét a vállalati gondolkodás szerves részévé téve. A szervezet minden szintjén a megfelelőség hozzájárul egy átfogó minőségi kultúra kialakulásához.
Egyetlen termelési folyamat sem működhet tökéletesen az idő 100%-ában. A változó körülmények előre nem látható eseményeket válthatnak ki, amelyek elhárítást igényelnek. Azok, akiknek tapasztalatuk van a minőségbiztosításban, tudják, hogy minden a tökéletesség felé haladás folyamatáról szól. Hogyan biztosítják, hogy a minőség beépüljön a folyamatba, hogy a problémákat a lehető leghamarabb felismerjék? Mit tesznek, ha megtalálják a hibát? Vannak-e külső tényezők, amelyek ezt a problémát okozzák? Milyen változtatásokat hajthatnak végre az ellenőrzési tervben vagy a vizsgálati eljárásban, hogy megakadályozzák a probléma újbóli előfordulását?
Alakítson ki egy olyan gondolkodásmódot, hogy minden termelési folyamathoz kapcsolódik egy kapcsolódó minőségbiztosítási folyamat. Képzeljen el egy olyan jövőt, ahol közvetlen kapcsolat van, és folyamatosan mérik a minőséget. Bármi is történik véletlenszerűen, a tökéletes minőség elérhető. Minden munkahely naponta felülvizsgálja a mutatókat és a kulcsfontosságú teljesítménymutatókat (KPI-kat), hogy azonosítsa a fejlesztendő területeket, mielőtt problémák merülnének fel.
Ebben a zárt hurkú rendszerben minden gyártási folyamathoz tartozik egy minőségbiztosítási következtetés, amely visszajelzést ad a folyamat leállításához, folytatásához vagy valós idejű kiigazítások elvégzéséhez. A rendszert nem befolyásolja a kifáradás vagy az emberi hiba. A repülőgépgyártáshoz tervezett zárt hurkú minőségbiztosítási rendszer elengedhetetlen a magasabb minőségi szint eléréséhez, a ciklusidők lerövidítéséhez és az AS9100 szabványoknak való megfelelés biztosításához.
Tíz évvel ezelőtt még lehetetlen volt a minőségbiztosítást a terméktervezésre, a piackutatásra, a beszállítókra, a termékszolgáltatásokra vagy az ügyfél-elégedettséget befolyásoló egyéb tényezőkre összpontosítani. A terméktervezésről úgy tartják, hogy egy magasabb hatóságtól származik; a minőség pedig a terveknek a gyártósoron történő végrehajtásáról szól, függetlenül azok hiányosságaitól.
Manapság sok vállalat újragondolja üzleti tevékenységének módját. A 2018-as status quo már talán nem lehetséges. Egyre több gyártó válik okosabbá és okosabbá. Több tudás áll rendelkezésre, ami jobb intelligenciát jelent ahhoz, hogy elsőre megépítsük a megfelelő terméket, nagyobb hatékonysággal és teljesítménnyel.