Potrivit SmarTech, o companie de consultanță în domeniul tehnologiei de producție, industria aerospațială este a doua cea mai mare industrie deservită de fabricarea aditivă (AM), a doua după medicina.Cu toate acestea, există încă o lipsă de conștientizare a potențialului producției aditive a materialelor ceramice în fabricarea rapidă a componentelor aerospațiale, flexibilitate crescută și eficiență a costurilor.AM poate produce piese ceramice mai rezistente și mai ușoare mai rapid și mai sustenabil, reducând costurile cu forța de muncă, minimizând asamblarea manuală și îmbunătățind eficiența și performanța prin proiectarea dezvoltată 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 de microni.
Cu toate acestea, cuvântul ceramică poate evoca concepția greșită a fragilității.De fapt, ceramica fabricată prin aditivi produce piese mai ușoare, mai fine, cu o mare rezistență structurală, duritate și rezistență la o gamă largă de temperaturi.Companiile de perspectivă se îndreaptă către componente de producție ceramică, inclusiv duze și elice, izolatori electrici și palete de turbine.
De exemplu, alumina de înaltă puritate are duritate ridicată și are o rezistență puternică la coroziune și un interval de temperatură.Componentele din alumină sunt, de asemenea, izolatoare electric la temperaturile ridicate comune în sistemele aerospațiale.
Ceramica pe bază de zirconiu poate îndeplini multe aplicații cu cerințe extreme de material și solicitări mecanice ridicate, cum ar fi turnarea metalică de ultimă generație, supape și rulmenți.Ceramica cu nitrură de siliciu are rezistență ridicată, duritate ridicată și rezistență excelentă la șocuri termice, precum și o rezistență chimică bună la coroziunea unei varietăți de acizi, alcaline și metale topite.Nitrura de siliciu este utilizată pentru izolatori, rotoare și antene de temperatură înaltă cu dielectric scăzut.
Ceramica compozită oferă mai multe calități dezirabile.Ceramica pe bază de siliciu adăugată cu alumină și zircon s-a dovedit a funcționa bine în fabricarea de turnări monocristal pentru paletele de turbină.Acest lucru se datorează faptului că miezul ceramic realizat din acest material are o dilatare termică foarte scăzută până la 1.500°C, porozitate ridicată, calitate excelentă a suprafeței și o bună capacitate de filtrare.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 mecanică oferă acces limitat la componentele care sunt fabricate.Caracteristici precum pereții subțiri sunt, de asemenea, greu de prelucrat.
Cu toate acestea, Lithoz folosește fabricarea ceramică pe bază de litografie (LCM) pentru a produce componente ceramice 3D precise, de formă complexă.
Pornind de la modelul CAD, specificațiile detaliate sunt transferate digital pe imprimanta 3D.Apoi aplicați pulberea ceramică formulată cu precizie în partea superioară a cuvei transparente.Platforma de construcție mobilă este scufundată în noroi și apoi expusă selectiv la lumina vizibilă de dedesubt.Imaginea stratului este generată de un dispozitiv digital de micro-oglindă (DMD) cuplat cu sistemul de proiecție.Repetând acest proces, se poate genera strat cu strat o parte verde tridimensională.După post-tratamentul termic, liantul este îndepărtat și părțile verzi sunt sinterizate - combinate printr-un proces special de încălzire - pentru a produce o piesă ceramică complet densă, cu proprietăți mecanice excelente și calitatea suprafeței.
Tehnologia LCM oferă un proces inovator, eficient din punct de vedere al costurilor și mai rapid pentru turnarea cu investiții a componentelor motoarelor cu turbină, ocolind fabricarea costisitoare și laborioasă a matrițelor necesare pentru turnarea prin injecție și turnarea cu ceară pierdută.
De asemenea, LCM poate realiza proiecte care nu pot fi realizate prin alte metode, folosind în același timp mult mai puține materii prime decât alte metode.
În ciuda potențialului mare al materialelor ceramice și al tehnologiei LCM, există încă un decalaj între producătorii de echipamente originale AM ​​(OEM) și designerii aerospațiali.
Un motiv poate fi rezistența la noile metode de fabricație în industriile cu cerințe deosebit de stricte de siguranță și calitate.Producția aerospațială necesită multe procese de verificare și calificare, precum și teste amănunțite și riguroase.
Un alt obstacol include credința că imprimarea 3D este potrivită în principal doar pentru prototiparea rapidă o singură dată, mai degrabă decât orice lucru care poate fi pus în uz 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, în care procesul ceramic AM produce miezuri de un singur cristal (SX), precum și palete de turbină din superaliaj cu solidificare direcțională (DS) și turnare echiaxială (EX).Miezurile cu structuri complexe de ramificație, pereți multipli și margini de fugă 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 aduce împreună designeri aerospațiali și OEM AM și poate avea încredere deplină în componentele ceramice fabricate folosind LCM și alte tehnologii.Tehnologia și expertiza există.Trebuie să schimbe modul de gândire de la AM pentru cercetare și dezvoltare și prototipare și să-l vadă drept calea de urmat pentru aplicațiile comerciale la scară largă.
Pe lângă educație, companiile aerospațiale pot investi timp 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 cheie ASTM 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 fabricarea aditivă a ceramicii, etapa de imprimare este doar o metodă de formare, iar piesele suferă același tip de sinterizare ca și ceramica tradițională.Prin urmare, microstructura pieselor ceramice va fi foarte asemănătoare cu prelucrarea convențională.
Pe baza progresului continuu al materialelor și tehnologiei, putem spune cu încredere că designerii vor obține mai multe date.Noi materiale ceramice vor fi dezvoltate și personalizate în funcție de nevoile specifice de inginerie.Piesele realizate din ceramică AM vor finaliza procesul de certificare pentru utilizare în domeniul aerospațial.Și va oferi instrumente de proiectare mai bune, cum ar fi software-ul de modelare îmbunătățit.
Prin cooperarea cu experții tehnici LCM, companiile aerospațiale pot introduce procese ceramice AM în interior, 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 aerospațiale vor produce componente care înainte 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 de a comunica eficient avantajele producției de aditivi ceramici la Ceramics Expo din Cleveland, Ohio, pe 1 septembrie 2021.
Deși dezvoltarea sistemelor de zbor hipersonice există de zeci de ani, acum a devenit 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 acestuia.Cu toate acestea, atunci când nu există destui experți, se creează un decalaj de inovare, cum ar fi punerea în primul rând a designului pentru fabricabilitate (DFM) în faza de cercetare și dezvoltare și apoi transformarea într-un decalaj de producție atunci când este prea târziu pentru a face schimbări rentabile .
Alianțe, cum ar fi nou înființată Alianța Universitară pentru Hipersonică Aplicată (UCAH), oferă un mediu important pentru cultivarea talentelor necesare pentru a avansa în domeniu.Studenții pot lucra direct cu cercetători universitari și profesioniști din industrie pentru a dezvolta tehnologia și a avansa în cercetarea hipersonică critică.
Deși UCAH și alte consorții de apărare au autorizat membrii să se angajeze într-o varietate de locuri de muncă inginerești, trebuie depusă mai multă muncă pentru a cultiva talente diverse și cu experiență, de la proiectare la dezvoltarea materialelor și selecția la ateliere de producție.
Pentru a oferi o valoare mai durabilă în domeniu, alianța universitară trebuie să facă din dezvoltarea forței de muncă o prioritate prin alinierea la nevoile industriei, implicarea membrilor în cercetare adecvată industriei și investirea în program.
Atunci când se transformă tehnologia hipersonică în proiecte fabricabile la scară largă, decalajul existent în calificarea forței de muncă în inginerie și producție este cea mai mare provocare.Dacă cercetările timpurii nu traversează această vale a morții bine numită - decalajul dintre cercetare și dezvoltare și producție și multe proiecte ambițioase au eșuat - atunci am pierdut o soluție aplicabilă și fezabilă.
Industria de producție din SUA poate accelera viteza supersonică, dar riscul de a rămâne în urmă este de a extinde dimensiunea forței de muncă pentru a se potrivi.Prin urmare, guvernul și consorțiile de dezvoltare universitară trebuie să coopereze cu producătorii pentru a pune în practică aceste planuri.
Industria a experimentat lacune de competențe de la atelierele de producție până la laboratoarele de inginerie - aceste lacune se vor mări doar pe măsură ce piața hipersonică crește.Tehnologiile emergente necesită o forță de muncă emergentă pentru a extinde cunoștințele în domeniu.
Lucrarea hipersonică se întinde pe mai multe domenii cheie diferite de materiale și structuri diferite, iar fiecare zonă are propriul său 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 destui oameni pentru a menține locul de muncă, 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 asigura includerea studenților interesați de rolul producției.Prin eforturile de dezvoltare a forței de muncă dedicate interfuncționale, industria va putea menține un avantaj competitiv în planurile de zbor hipersonic în următorii câțiva ani.
Prin înființarea UCAH, Departamentul Apărării creează o oportunitate de a adopta o abordare mai concentrată pentru construirea capacităților în acest domeniu.Toți membrii coaliției trebuie să lucreze împreună pentru a forma capacitățile de nișă ale studenților, astfel încât să putem construi și menține impulsul cercetării și să-l extindem pentru a produce rezultatele de care țara noastră are nevoie.
NASA Advanced Composites Alliance, acum închisă, este un exemplu de efort de succes de dezvoltare a forței de muncă.Eficacitatea sa este rezultatul combinării activității de cercetare și dezvoltare cu interesele industriei, ceea ce permite inovației să se extindă în întregul ecosistem de dezvoltare.Liderii industriei 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 non-competitiv și au încurajat studenții să se dezvolte pentru a-și hrăni jucătorii cheie din industrie în viitor.
Acest tip de dezvoltare a forței de muncă umple golurile din industrie și oferă oportunități pentru întreprinderile mici de a inove rapid și de a diversifica domeniul pentru a obține o creștere suplimentară favorabilă pentru securitatea națională și inițiativele de securitate economică a SUA.
Alianțele universitare, inclusiv UCAH, sunt active importante în domeniul hipersonic și industria de apărare.Deși cercetările lor au promovat inovații emergente, cea mai mare valoare a acestora constă în capacitatea lor de a pregăti următoarea noastră generație de forță de muncă.Consorțiul trebuie acum să prioritizeze investițiile în astfel de planuri.Procedând astfel, ele 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 de fiecare dată către perfecțiune.Nu este loc de manevră.
Deoarece producția de avioane este extrem de complexă, producătorii trebuie să gestioneze cu atenție procesul de calitate, acordând o mare atenție fiecărui pas.Acest lucru necesită o înțelegere aprofundată a modului de gestionare și adaptare la problemele dinamice de producție, calitate, siguranță și lanțul de aprovizionare, îndeplinind în același timp cerințele de reglementare.
Deoarece mulți factori afectează livrarea produselor de înaltă calitate, este dificil să gestionați comenzile de producție complexe și care se schimbă frecvent.Procesul de calitate trebuie să fie dinamic în fiecare aspect al inspecției și proiectării, producției și testării.Datorită strategiilor Industry 4.0 și soluțiilor moderne de producție, aceste provocări de calitate au devenit mai ușor de gestionat și de depășit.
Accentul tradițional al producției de avioane a fost întotdeauna pe materiale.Sursa majorității problemelor de calitate poate fi fractura fragilă, coroziunea, oboseala metalelor sau alți factori.Cu toate acestea, producția de avioane de astăzi include tehnologii avansate, de înaltă inginerie, care folosesc materiale rezistente.Crearea produselor folosește procese și sisteme electronice extrem de specializate și complexe.Soluțiile software pentru managementul operațiunilor generale ar putea să nu mai poată rezolva probleme extrem de complexe.
Piese mai complexe pot fi achiziționate din lanțul global de aprovizionare, așa că trebuie să se acorde mai multă atenție 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 și sunt necesare tehnologii din ce în ce mai avansate pentru a îndeplini cerințele stricte de calitate.Tehnologiile de sprijin includ Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), firele digitale, realitatea augmentată (AR) și analiza predictivă.
Calitatea 4.0 descrie o metodă de calitate a procesului de producție bazată pe date care implică produse, procese, planificare, conformitate și standarde.Acesta este construit pe mai degrabă decât să înlocuiască metodele tradiționale de calitate, folosind multe dintre aceleași tehnologii noi ca și omologii săi industriali, inclusiv învățarea automată, dispozitivele conectate, cloud computing și gemenii digitale pentru a transforma fluxul de lucru al organizației și a elimina eventualele defecte de produse sau procese.Apariția calității 4.0 este de așteptat să schimbe și mai mult cultura la locul de muncă prin creșterea dependenței de date și o utilizare mai profundă a calității ca parte a metodei generale de creare a produselor.
Calitatea 4.0 integrează aspectele operaționale și de asigurare a calității (QA) de la început până la etapa de proiectare.Aceasta include modul de conceptualizare și proiectare a produselor.Rezultatele recente ale sondajului din industrie indică faptul că majoritatea piețelor nu au un proces automat de transfer al designului.Procesul manual lasă loc pentru erori, fie că este vorba de o eroare internă sau de comunicare a designului și modificărilor lanțului de aprovizionare.
Pe lângă design, Quality 4.0 folosește și învățarea automată centrată pe proces pentru a reduce risipa, a reduce repetarea și a optimiza parametrii de producție.În plus, rezolvă, de asemenea, problemele de performanță a produsului după livrare, folosește feedback la fața locului pentru a actualiza software-ul produsului de la distanță, menține satisfacția clienților și, în cele din urmă, asigură repetarea afacerilor.Acesta devine un partener inseparabil al Industriei 4.0.
Cu toate acestea, calitatea nu este aplicabilă numai pentru legăturile de producție selectate.Incluziunea Quality 4.0 poate insufla o abordare cuprinzătoare a calității în organizațiile de producție, făcând din puterea de transformare 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.Condițiile în schimbare declanșează evenimente neprevăzute care necesită remediere.Cei care au experiență în calitate înțeleg că totul este despre procesul de trecere către perfecțiune.Cum vă asigurați că calitatea este încorporată în proces pentru a detecta problemele cât mai curând posibil?Ce vei face când vei găsi defectul?Există factori externi care cauzează această problemă?Ce modificări puteți face 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 înrudit.Imaginați-vă un viitor în care există o relație unu-la-unu și măsurați constant calitatea.Indiferent de ceea ce se întâmplă la întâmplare, se poate obține o calitate perfectă.Fiecare centru de lucru analizează zilnic indicatorii și indicatorii cheie de performanță (KPI) pentru a identifica zonele de îmbunătățire înainte de apariția problemelor.
În acest sistem în buclă închisă, fiecare proces de producție are o inferență de calitate, care oferă feedback pentru a opri procesul, a permite procesului să continue sau a face ajustări în timp real.Sistemul nu este afectat de oboseală sau eroare umană.Un sistem de calitate în buclă închisă conceput pentru producția de aeronave este esențial pentru a atinge niveluri de calitate mai ridicate, pentru a scurta timpii de ciclu și pentru a asigura conformitatea cu standardele AS9100.
În urmă cu zece ani, ideea de a se concentra QA pe proiectarea produsului, cercetarea pieței, furnizorii, serviciile de produse sau alți factori care afectează satisfacția clienților era imposibilă.Se înțelege că proiectarea produsului provine de la o autoritate superioară;calitatea se referă la executarea acestor proiecte pe linia de asamblare, indiferent de neajunsurile lor.
Astăzi, multe companii regândesc cum să facă afaceri.Statu quo-ul din 2018 ar putea să nu mai fie posibil.Din ce în ce 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 din prima dată, cu eficiență și performanță mai ridicate.