Conform SmarTech, o companie de consultanță în tehnologia de fabricație, industria aerospațială este a doua cea mai mare industrie deservită de fabricația aditivă (AM), a doua după medicină. Cu toate acestea, există încă o lipsă de conștientizare a potențialului fabricației aditive a materialelor ceramice în fabricarea rapidă a componentelor aerospațiale, creșterea flexibilității și eficienței din punct de vedere al costurilor. AM poate produce piese ceramice mai rezistente și mai ușoare mai rapid și mai sustenabil, reducând costurile forței de muncă, minimizând asamblarea manuală și îmbunătățind eficiența și performanța prin design dezvoltat prin modelare, reducând astfel greutatea aeronavei. În plus, tehnologia ceramică de fabricație aditivă oferă control dimensional al pieselor finite pentru caracteristici mai mici de 100 microni.
Totuși, cuvântul „ceramică” poate evoca concepția greșită despre fragilitate. De fapt, ceramica fabricată prin aditivi produce piese mai ușoare și mai fine, cu o rezistență structurală, o tenacitate și o rezistență ridicate la o gamă largă de temperaturi. Companiile orientate spre viitor se orientează către componente ceramice pentru fabricarea acestora, inclusiv duze și elice, izolatoare electrice și pale de turbină.
De exemplu, alumina de înaltă puritate are o duritate ridicată și o rezistență puternică la coroziune și un interval de temperatură ridicat. Componentele fabricate din alumină sunt, de asemenea, izolatoare electric la temperaturile ridicate, comune în sistemele aerospațiale.
Ceramica pe bază de zirconiu poate îndeplini numeroase aplicații cu cerințe extreme de materiale și solicitări mecanice ridicate, cum ar fi turnarea metalelor de înaltă calitate, supape și rulmenți. Ceramica de nitrură de siliciu are o rezistență ridicată, o tenacitate ridicată și o rezistență excelentă la șocuri termice, precum și o bună rezistență chimică la coroziunea unei varietăți de acizi, alcali și metale topite. Nitrura de siliciu este utilizată pentru izolatoare, rotoare și antene cu dielectric scăzut pentru temperaturi ridicate.
Ceramica compozită oferă mai multe calități dorite. Ceramica pe bază de siliciu cu adaos de alumină și zircon s-a dovedit a avea performanțe bune în fabricarea pieselor turnate monocristaline pentru palele turbinelor. Acest lucru se datorează faptului că miezul ceramic realizat din acest material are o dilatare termică foarte scăzută până la 1.500°C, o porozitate ridicată, o calitate excelentă a suprafeței și o bună lixivie. Imprimarea acestor miezuri poate produce modele de turbine care pot rezista la temperaturi de funcționare mai ridicate și pot crește eficiența motorului.
Este bine cunoscut faptul că turnarea prin injecție sau prelucrarea ceramicii este foarte dificilă, iar prelucrarea oferă acces limitat la componentele fabricate. Caracteristici precum pereții subțiri sunt, de asemenea, dificil de prelucrat.
Cu toate acestea, Lithoz utilizează fabricarea ceramică bazată pe litografie (LCM) pentru a fabrica componente ceramice 3D precise, cu forme complexe.
Pornind de la modelul CAD, specificațiile detaliate sunt transferate digital către imprimanta 3D. Apoi, se aplică pulberea ceramică formulată cu precizie pe partea superioară a cuvei transparente. Platforma mobilă de construcție este scufundată în noroi și apoi expusă selectiv la lumina vizibilă de jos. Imaginea stratului este generată de un dispozitiv digital cu micro-oglindă (DMD) cuplat cu sistemul de proiecție. Prin repetarea acestui proces, se poate genera o piesă tridimensională verde strat cu strat. După post-tratamentul termic, liantul este îndepărtat, iar piesele verzi sunt sinterizate - combinate printr-un proces special de încălzire - pentru a produce o piesă ceramică complet densă, cu proprietăți mecanice și o calitate a suprafeței excelente.
Tehnologia LCM oferă un proces inovator, rentabil și mai rapid pentru turnarea cu pereți de precizie a componentelor motoarelor cu turbină, ocolind fabricarea costisitoare și laborioasă a matrițelor necesare pentru turnarea prin injecție și turnarea cu ceară pierdută.
LCM poate realiza, de asemenea, modele care nu pot fi realizate prin alte metode, utilizând în același timp mult mai puține materii prime decât alte metode.
În ciuda marelui potențial al materialelor ceramice și al tehnologiei LCM, există încă o discrepanță între producătorii de echipamente originale (OEM) AM și proiectanții aerospațiali.
Un motiv ar putea fi rezistența la noile metode de fabricație în industriile cu cerințe deosebit de stricte de siguranță și calitate. Fabricația aerospațială necesită numeroase procese de verificare și calificare, precum și teste amănunțite și riguroase.
Un alt obstacol include convingerea că imprimarea 3D este potrivită în principal doar pentru prototiparea rapidă unică, mai degrabă decât pentru orice poate fi folosit în aer. Din nou, aceasta este o neînțelegere, iar componentele ceramice imprimate 3D s-au dovedit a fi utilizate în producția de masă.
Un exemplu este fabricarea palelor de turbină, unde procesul ceramic AM produce miezuri monocristaline (SX), precum și pale de turbină din superaliaje cu solidificare direcțională (DS) și turnare echiaxială (EX). Miezurile cu structuri ramificate complexe, pereți multipli și muchii posterioare mai mici de 200 μm pot fi produse rapid și economic, iar componentele finale au o precizie dimensională constantă și un finisaj excelent al suprafeței.
Îmbunătățirea comunicării poate reuni proiectanții din industria aerospațială și producătorii de echipamente originale de fabricație aditivă (AM) și poate crea încredere deplină în componentele ceramice fabricate folosind LCM și alte tehnologii. Tehnologia și expertiza există. Este necesar să se schimbe modul de gândire de la AM la cercetare și dezvoltare și prototipare și să se considere aceasta ca fiind calea de urmat pentru aplicațiile comerciale la scară largă.
Pe lângă educație, companiile aerospațiale pot investi timp și în personal, inginerie și testare. Producătorii trebuie să fie familiarizați cu diferite standarde și metode de evaluare a ceramicii, nu a metalelor. De exemplu, cele două standarde ASTM cheie ale Lithoz pentru ceramica structurală sunt ASTM C1161 pentru testarea rezistenței și ASTM C1421 pentru testarea tenacității. Aceste standarde se aplică ceramicii produse prin toate metodele. În fabricația aditivă ceramică, etapa de imprimare este doar o metodă de formare, iar piesele sunt supuse aceluiași tip de sinterizare ca și ceramica tradițională. Prin urmare, microstructura pieselor ceramice va fi foarte similară cu cea a prelucrării convenționale.
Pe baza avansării continue a materialelor și tehnologiei, putem afirma cu încredere că proiectanții vor obține mai multe date. Noi materiale ceramice vor fi dezvoltate și personalizate în funcție de nevoile inginerești specifice. Piesele fabricate din ceramică AM vor finaliza procesul de certificare pentru utilizare în industria aerospațială. Și vor oferi instrumente de proiectare mai bune, cum ar fi un software de modelare îmbunătățit.
Prin cooperarea cu experții tehnici LCM, companiile aerospațiale pot introduce intern procese ceramice AM, scurtând timpul, reducând costurile și creând oportunități pentru dezvoltarea proprietății intelectuale a companiei. Cu previziune și planificare pe termen lung, companiile aerospațiale care investesc în tehnologia ceramică pot obține beneficii semnificative în întregul lor portofoliu de producție în următorii zece ani și nu numai.
Prin stabilirea unui parteneriat cu AM Ceramics, producătorii de echipamente originale din industria aerospațială vor produce componente care anterior erau de neimaginat.
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 va vorbi despre dificultățile comunicării eficiente a avantajelor fabricației aditive ceramice la Ceramics Expo din Cleveland, Ohio, pe 1 septembrie 2021.
Deși dezvoltarea sistemelor de zbor hipersonice există de zeci de ani, aceasta a devenit acum prioritatea principală a apărării naționale a SUA, aducând acest domeniu într-o stare de creștere și schimbare rapidă. Fiind un domeniu multidisciplinar unic, provocarea este de a găsi experți cu abilitățile necesare pentru a promova dezvoltarea sa. Cu toate acestea, atunci când nu există suficienți experți, se creează un decalaj de inovare, cum ar fi plasarea designului pentru fabricabilitate (DFM) pe primul loc în faza de cercetare și dezvoltare, transformându-l apoi într-un decalaj de fabricație atunci când este prea târziu pentru a face schimbări eficiente din punct de vedere al costurilor.
Alianțele, precum nou-înființata Alianță Universitară pentru Hipersonică Aplicată (UCAH), oferă un mediu important pentru cultivarea talentelor necesare pentru avansarea domeniului. Studenții pot lucra direct cu cercetători universitari și profesioniști din industrie pentru a dezvolta tehnologie și a avansa cercetarea hipersonică critică.
Deși UCAH și alte consorții de apărare au autorizat membrii să se angajeze într-o varietate de locuri de muncă în domeniul ingineriei, trebuie depuse mai multe eforturi pentru a cultiva talente diverse și experimentate, de la proiectare la dezvoltarea și selecția materialelor și atelierele de fabricație.
Pentru a oferi o valoare mai durabilă în domeniu, alianța universitară trebuie să acorde prioritate dezvoltării forței de muncă prin alinierea la nevoile industriei, implicarea membrilor în cercetări adecvate industriei și investiții în program.
Atunci când transformăm tehnologia hipersonică în proiecte fabricabile la scară largă, decalajul existent între calificarea forței de muncă în inginerie și producție reprezintă cea mai mare provocare. Dacă cercetările timpurii nu depășesc această „vale a morții” numită pe bună dreptate – decalajul dintre cercetare și dezvoltare și producție, iar multe proiecte ambițioase au eșuat – atunci am pierdut o soluție aplicabilă și fezabilă.
Industria prelucrătoare din SUA poate accelera viteza supersonică, dar riscul de a rămâne în urmă este creșterea dimensiunii forței de muncă în consecință. Prin urmare, guvernul și consorțiile de dezvoltare universitară trebuie să coopereze cu producătorii pentru a pune în practică aceste planuri.
Industria s-a confruntat cu lacune în materie de competențe, de la atelierele de producție până la laboratoarele de inginerie - aceste lacune se vor adânci pe măsură ce piața hipersonică crește. Tehnologiile emergente necesită o forță de muncă emergentă pentru a extinde cunoștințele în domeniu.
Lucrările hipersonice acoperă mai multe domenii cheie diferite, cu diverse materiale și structuri, iar fiecare domeniu are propriul set de provocări tehnice. Acestea necesită un nivel ridicat de cunoștințe detaliate, iar dacă expertiza necesară nu există, acest lucru poate crea obstacole în calea dezvoltării și producției. Dacă nu avem suficienți oameni pentru a menține lucrarea, va fi imposibil să ținem pasul cu cererea de producție de mare viteză.
De exemplu, avem nevoie de oameni care pot construi produsul final. UCAH și alte consorții sunt esențiale pentru a promova producția modernă și pentru a se asigura că studenții interesați de rolul din acest domeniu sunt incluși. Prin eforturi interfuncționale dedicate dezvoltării forței de muncă, industria va putea menține un avantaj competitiv în planurile de zbor hipersonice în următorii ani.
Prin înființarea UCAH, Departamentul Apărării creează o oportunitate de a adopta o abordare mai concentrată asupra dezvoltării capabilităților în acest domeniu. Toți membrii coaliției trebuie să colaboreze pentru a instrui studenții cu capacități de nișă, astfel încât să putem construi și menține impulsul cercetării și să o extindem pentru a produce rezultatele de care are nevoie țara noastră.
Alianța NASA pentru Compozite Avansate, acum închisă, este un exemplu de efort de succes în dezvoltarea forței de muncă. Eficacitatea sa este rezultatul combinării activității de cercetare și dezvoltare cu interesele industriei, ceea ce permite extinderea inovației în întregul ecosistem de dezvoltare. Liderii din industrie au lucrat direct cu NASA și universități la proiecte timp de doi până la patru ani. Toți membrii au dezvoltat cunoștințe și experiență profesională, au învățat să coopereze într-un mediu necompetitiv și i-au încurajat pe studenți să se dezvolte pentru a-i ajuta pe jucătorii cheie din industrie în viitor.
Acest tip de dezvoltare a forței de muncă umple golurile din industrie și oferă micilor întreprinderi oportunități de a inova rapid și de a diversifica domeniul pentru a obține o creștere suplimentară, favorabilă inițiativelor de securitate națională și securitate economică ale SUA.
Alianțele universitare, inclusiv UCAH, reprezintă atuuri importante în domeniul hipersonic și în industria de apărare. Deși cercetările lor au promovat inovații emergente, cea mai mare valoare a lor constă în capacitatea lor de a instrui următoarea generație de forță de muncă. Consorțiul trebuie acum să acorde prioritate investițiilor în astfel de planuri. Procedând astfel, ei pot contribui la promovarea succesului pe termen lung al inovației hipersonice.
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.
Producătorii de produse complexe, de înaltă inginerie (cum ar fi componentele pentru aeronave) se angajează să atingă perfecțiunea de fiecare dată. Nu există loc de manevră.
Deoarece producția de aeronave este extrem de complexă, producătorii trebuie să gestioneze cu atenție procesul de calitate, acordând o atenție deosebită fiecărei etape. Acest lucru necesită o înțelegere aprofundată a modului de gestionare și adaptare la problemele dinamice de producție, calitate, siguranță și lanț de aprovizionare, respectând în același timp cerințele de reglementare.
Deoarece mulți factori afectează livrarea de produse de înaltă calitate, este dificil să se gestioneze comenzi de producție complexe și în continuă schimbare. Procesul de calitate trebuie să fie dinamic în fiecare aspect al inspecției și proiectării, producției și testării. Datorită strategiilor Industriei 4.0 și soluțiilor moderne de fabricație, aceste provocări legate de calitate au devenit mai ușor de gestionat și de depășit.
Accentul tradițional în producția de aeronave a fost întotdeauna pus pe materiale. Sursa majorității problemelor de calitate poate fi fractura fragilă, coroziunea, oboseala metalelor sau alți factori. Cu toate acestea, producția de aeronave de astăzi include tehnologii avansate, de înaltă inginerie, care utilizează materiale rezistente. Crearea de produse utilizează procese și sisteme electronice extrem de specializate și complexe. Soluțiile software generale de management al operațiunilor ar putea să nu mai poată rezolva probleme extrem de complexe.
Piese mai complexe pot fi achiziționate din lanțul global de aprovizionare, așadar trebuie acordată o atenție sporită integrării lor pe tot parcursul procesului de asamblare. Incertitudinea aduce noi provocări pentru vizibilitatea lanțului de aprovizionare și managementul calității. Asigurarea calității atâtor piese și produse finite necesită metode de calitate mai bune și mai integrate.
Industria 4.0 reprezintă dezvoltarea industriei prelucrătoare, iar pentru a îndeplini cerințe stricte de calitate sunt necesare din ce în ce mai multe tehnologii avansate. Tehnologiile de suport includ Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), firele digitale, realitatea augmentată (AR) și analiza predictivă.
Calitatea 4.0 descrie o metodă de gestionare a calității procesului de producție bazată pe date, care implică produse, procese, planificare, conformitate și standarde. Se bazează pe metodele tradiționale de calitate, mai degrabă decât să le înlocuiască, utilizând multe dintre aceleași tehnologii noi ca și omologii săi industriali, inclusiv învățarea automată, dispozitivele conectate, cloud computing-ul și gemenii digitali pentru a transforma fluxul de lucru al organizației și a elimina posibilele defecte ale produselor sau proceselor. Se așteaptă ca apariția Calității 4.0 să schimbe și mai mult cultura locului de muncă prin creșterea dependenței de date și o utilizare mai profundă a calității ca parte a metodei generale de creare a produsului.
Calitatea 4.0 integrează aspectele operaționale și de asigurare a calității (QA) de la început până în etapa de proiectare. Aceasta include modul de conceptualizare și proiectare a produselor. Rezultatele recente ale sondajelor din industrie indică faptul că majoritatea piețelor nu au un proces automat de transfer al designului. Procesul manual lasă loc de erori, fie că este vorba de o eroare internă, fie de comunicarea designului și a modificărilor lanțului de aprovizionare.
Pe lângă design, Quality 4.0 utilizează și învățarea automată centrată pe procese pentru a reduce risipa, a reduce refacerea prelucrărilor și a optimiza parametrii de producție. În plus, rezolvă problemele de performanță ale produselor după livrare, utilizează feedback la fața locului pentru a actualiza de la distanță software-ul produsului, menține satisfacția clienților și, în cele din urmă, asigură fidelizarea clienților. Devine un partener inseparabil al Industriei 4.0.
Totuși, calitatea nu se aplică doar anumitor verigi de producție. Incluziunea Calității 4.0 poate insufla o abordare cuprinzătoare a calității în organizațiile de producție, făcând din puterea transformatoare a datelor o parte integrantă a gândirii corporative. Conformitatea la toate nivelurile organizației contribuie la formarea unei culturi generale a calității.
Niciun proces de producție nu poate funcționa perfect în 100% din timp. Schimbarea condițiilor declanșează evenimente neprevăzute care necesită remediere. Cei care au experiență în domeniul calității înțeleg că totul se rezumă la procesul de îndreptare spre perfecțiune. Cum vă asigurați că calitatea este încorporată în proces pentru a detecta problemele cât mai devreme posibil? Ce veți face când descoperiți defectul? Există factori externi care cauzează această problemă? Ce modificări puteți aduce planului de inspecție sau procedurii de testare pentru a preveni repetarea acestei probleme?
Stabiliți o mentalitate conform căreia fiecare proces de producție are un proces de calitate corelat și conex. Imaginați-vă un viitor în care există o relație unu-la-unu și măsurați constant calitatea. Indiferent de ce se întâmplă la întâmplare, se poate obține o calitate perfectă. Fiecare centru de lucru revizuiește zilnic indicatorii și indicatorii cheie de performanță (KPI) pentru a identifica domeniile de îmbunătățire înainte de apariția problemelor.
În acest sistem cu buclă închisă, fiecare proces de producție are o inferență a calității, care oferă feedback pentru a opri procesul, a permite continuarea procesului sau a face ajustări în timp real. Sistemul nu este afectat de oboseală sau eroare umană. Un sistem de calitate cu buclă închisă conceput pentru producția de aeronave este esențial pentru a atinge niveluri de calitate mai ridicate, a scurta timpii de ciclu și a asigura conformitatea cu standardele AS9100.
Acum zece ani, ideea de a concentra asigurarea calității pe designul produsului, studii de piață, furnizori, servicii de produs sau alți factori care afectează satisfacția clienților era imposibilă. Designul de produs este înțeles ca provenind de la o autoritate superioară; calitatea înseamnă executarea acestor designuri pe linia de asamblare, indiferent de deficiențele lor.
Astăzi, multe companii își regândesc modul de a face afaceri. Status quo-ul din 2018 s-ar putea să nu mai fie posibil. Tot mai mulți producători devin din ce în ce mai inteligenți. Sunt disponibile mai multe cunoștințe, ceea ce înseamnă o inteligență mai bună pentru a construi produsul potrivit de la bun început, cu o eficiență și o performanță mai mari.