Prema SmarTechu, konzultantskoj tvrtki za proizvodnu tehnologiju, zrakoplovstvo je druga najveća industrija koju opslužuje aditivna proizvodnja (AM), odmah iza medicine. Međutim, još uvijek nedostaje svijesti o potencijalu aditivne proizvodnje keramičkih materijala u brzoj proizvodnji zrakoplovnih komponenti, povećanoj fleksibilnosti i isplativosti. AM može brže i održivije proizvoditi jače i lakše keramičke dijelove - smanjujući troškove rada, minimizirajući ručnu montažu te poboljšavajući učinkovitost i performanse kroz dizajn razvijen modeliranjem, čime se smanjuje težina zrakoplova. Osim toga, tehnologija aditivne proizvodnje keramike omogućuje dimenzionalnu kontrolu gotovih dijelova za značajke manje od 100 mikrona.
Međutim, riječ keramika može izazvati zabludu o krhkosti. Zapravo, aditivno proizvedena keramika proizvodi lakše, finije dijelove s velikom strukturnom čvrstoćom, žilavošću i otpornošću na širok raspon temperatura. Tvrtke koje gledaju u budućnost okreću se keramičkim proizvodnim komponentama, uključujući mlaznice i propelere, električne izolatore i lopatice turbina.
Na primjer, visokočisti aluminijev oksid ima visoku tvrdoću i snažnu otpornost na koroziju i raspon temperatura. Komponente izrađene od aluminijevog oksida također su električno izolirajuće na visokim temperaturama uobičajenim u zrakoplovnim sustavima.
Keramika na bazi cirkonija može zadovoljiti mnoge primjene s ekstremnim zahtjevima materijala i visokim mehaničkim naprezanjima, kao što su visokokvalitetni metalni lijevci, ventili i ležajevi. Keramika od silicijevog nitrida ima visoku čvrstoću, visoku žilavost i izvrsnu otpornost na toplinske udare, kao i dobru kemijsku otpornost na koroziju raznih kiselina, lužina i rastaljenih metala. Silicijev nitrid koristi se za izolatore, impelere i antene za visoke temperature i niske dielektrične vrijednosti.
Kompozitna keramika pruža nekoliko poželjnih svojstava. Keramika na bazi silicija s dodatkom aluminijevog oksida i cirkona pokazala se dobrom u proizvodnji odljevaka monokristala za lopatice turbina. To je zato što keramička jezgra izrađena od ovog materijala ima vrlo nisko toplinsko širenje do 1500 °C, visoku poroznost, izvrsnu kvalitetu površine i dobru ispiranja. Tiskanjem ovih jezgri mogu se proizvesti dizajni turbina koji mogu izdržati više radne temperature i povećati učinkovitost motora.
Dobro je poznato da je injekcijsko prešanje ili obrada keramike vrlo teška, a obrada omogućuje ograničen pristup komponentama koje se proizvode. Značajke poput tankih stijenki također je teško obraditi.
Međutim, Lithoz koristi litografsku keramičku proizvodnju (LCM) za izradu preciznih, složenih 3D keramičkih komponenti.
Počevši od CAD modela, detaljne specifikacije se digitalno prenose na 3D printer. Zatim se precizno formulirani keramički prah nanosi na vrh prozirne kade. Pokretna konstrukcijska platforma se uranja u blato, a zatim selektivno izlaže vidljivoj svjetlosti odozdo. Slika sloja generira se digitalnim uređajem s mikrozrcalima (DMD) povezanim s projekcijskim sustavom. Ponavljanjem ovog postupka, trodimenzionalni zeleni dio može se generirati sloj po sloj. Nakon termičke naknadne obrade, vezivo se uklanja, a zeleni dijelovi se sinteriraju - kombiniraju posebnim postupkom zagrijavanja - kako bi se dobio potpuno gusti keramički dio s izvrsnim mehaničkim svojstvima i kvalitetom površine.
LCM tehnologija pruža inovativan, isplativ i brži proces lijevanja komponenti turbinskih motora postupkom prešanja, zaobilazeći skupu i mukotrpnu proizvodnju kalupa potrebnu za injekcijsko prešanje i lijevanje metodom izgubljenog voska.
LCM također može postići dizajne koji se ne mogu postići drugim metodama, uz korištenje daleko manje sirovina nego druge metode.
Unatoč velikom potencijalu keramičkih materijala i LCM tehnologije, još uvijek postoji jaz između proizvođača originalne opreme (OEM) za aditivnu proizvodnju (AM) i dizajnera u zrakoplovnoj industriji.
Jedan od razloga može biti otpor prema novim metodama proizvodnje u industrijama s posebno strogim zahtjevima sigurnosti i kvalitete. Proizvodnja zrakoplova zahtijeva mnoge procese provjere i kvalifikacije, kao i temeljita i rigorozna ispitivanja.
Druga prepreka uključuje uvjerenje da je 3D ispis uglavnom prikladan samo za jednokratnu brzu izradu prototipa, a ne za bilo što što se može koristiti u zraku. Opet, ovo je nesporazum, a 3D ispisane keramičke komponente dokazano se koriste u masovnoj proizvodnji.
Primjer je proizvodnja lopatica turbina, gdje AM keramički proces proizvodi jezgre od monokristala (SX), kao i lopatice turbina od superlegure dobivene usmjerenim skrućivanjem (DS) i lijevanjem s jednakom osi (EX). Jezgre sa složenim strukturama grana, višestrukim stijenkama i stražnjim rubovima manjim od 200 μm mogu se brzo i ekonomično proizvesti, a konačne komponente imaju konzistentnu dimenzijsku točnost i izvrsnu površinsku obradu.
Poboljšanje komunikacije može okupiti zrakoplovne dizajnere i proizvođače originalne opreme u aditivnoj proizvodnji (AM) te u potpunosti vjerovati keramičkim komponentama proizvedenim korištenjem LCM-a i drugih tehnologija. Tehnologija i stručnost postoje. Potrebno je promijeniti način razmišljanja od aditivne proizvodnje za istraživanje i razvoj te izradu prototipova te je vidjeti kao put naprijed za velike komercijalne primjene.
Osim obrazovanja, zrakoplovne tvrtke mogu uložiti vrijeme i u osoblje, inženjering i testiranje. Proizvođači moraju biti upoznati s različitim standardima i metodama za procjenu keramike, a ne metala. Na primjer, dva ključna ASTM standarda tvrtke Lithoz za strukturnu keramiku su ASTM C1161 za ispitivanje čvrstoće i ASTM C1421 za ispitivanje žilavosti. Ovi standardi primjenjuju se na keramiku proizvedenu svim metodama. U aditivnoj proizvodnji keramike, korak tiskanja je samo metoda oblikovanja, a dijelovi prolaze istu vrstu sinteriranja kao i tradicionalna keramika. Stoga će mikrostruktura keramičkih dijelova biti vrlo slična konvencionalnoj obradi.
Na temelju kontinuiranog napretka materijala i tehnologije, možemo s pouzdanjem reći da će dizajneri dobiti više podataka. Novi keramički materijali bit će razvijeni i prilagođeni prema specifičnim inženjerskim potrebama. Dijelovi izrađeni od AM keramike dovršit će proces certificiranja za upotrebu u zrakoplovstvu. I pružit će bolje alate za dizajn, poput poboljšanog softvera za modeliranje.
Suradnjom s tehničkim stručnjacima za LCM, zrakoplovne tvrtke mogu interno uvesti AM keramičke procese - skraćujući vrijeme, smanjujući troškove i stvarajući prilike za razvoj vlastitog intelektualnog vlasništva tvrtke. Uz predviđanje i dugoročno planiranje, zrakoplovne tvrtke koje ulažu u keramičku tehnologiju mogu ostvariti značajne koristi u cijelom svom proizvodnom portfelju u sljedećih deset godina i dalje.
Uspostavljanjem partnerstva s tvrtkom AM Ceramics, proizvođači originalne opreme za zrakoplovnu industriju proizvodit će komponente koje su prije bile nezamislive.
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 će govoriti o poteškoćama učinkovitog komuniciranja prednosti aditivne proizvodnje keramike na sajmu Ceramics Expo u Clevelandu, Ohio, 1. rujna 2021.
Iako razvoj hipersoničnih sustava letenja postoji već desetljećima, sada je postao glavni prioritet američke nacionalne obrane, dovodeći ovo područje u stanje brzog rasta i promjena. Kao jedinstveno multidisciplinarno područje, izazov je pronaći stručnjake s potrebnim vještinama za promicanje njegovog razvoja. Međutim, kada nema dovoljno stručnjaka, stvara se inovacijski jaz, poput stavljanja dizajna za proizvodnost (DFM) na prvo mjesto u fazi istraživanja i razvoja, a zatim pretvaranja u proizvodni jaz kada je prekasno za isplative promjene.
Savezi, poput novoosnovanog Sveučilišnog saveza za primijenjenu hipersoniku (UCAH), pružaju važno okruženje za razvoj talenata potrebnih za napredak područja. Studenti mogu izravno surađivati ​​sa sveučilišnim istraživačima i stručnjacima iz industrije kako bi razvili tehnologiju i unaprijedili kritična istraživanja hipersonike.
Iako su UCAH i drugi obrambeni konzorciji ovlastili članove da se bave raznim inženjerskim poslovima, potrebno je uložiti više truda u razvoj raznolikih i iskusnih talenata, od dizajna do razvoja i odabira materijala, pa sve do proizvodnih radionica.
Kako bi se osigurala trajnija vrijednost u tom području, sveučilišni savez mora dati prioritet razvoju radne snage usklađivanjem s potrebama industrije, uključivanjem članova u istraživanja primjerena industriji i ulaganjem u program.
Prilikom transformacije hipersonične tehnologije u velike proizvodne projekte, postojeći jaz u vještinama inženjerske i proizvodne radne snage predstavlja najveći izazov. Ako rana istraživanja ne prijeđu ovu prikladno nazvanu dolinu smrti - jaz između istraživanja i razvoja i proizvodnje, a mnogi ambiciozni projekti su propali - tada smo izgubili primjenjivo i izvedivo rješenje.
Američka proizvodna industrija može ubrzati nadzvučnu brzinu, ali rizik zaostajanja je povećanje radne snage kako bi se uskladila s tim. Stoga vlada i sveučilišni razvojni konzorciji moraju surađivati ​​s proizvođačima kako bi te planove proveli u praksi.
Industrija je iskusila nedostatke u vještinama, od proizvodnih radionica do inženjerskih laboratorija, a ti će se nedostaci samo povećavati kako tržište hipersonične tehnologije raste. Nove tehnologije zahtijevaju radnu snagu u nastajanju kako bi proširile znanje u tom području.
Hipersonični rad obuhvaća nekoliko različitih ključnih područja različitih materijala i struktura, a svako područje ima svoj vlastiti skup tehničkih izazova. Oni zahtijevaju visoku razinu detaljnog znanja, a ako ne postoji potrebna stručnost, to može stvoriti prepreke razvoju i proizvodnji. Ako nemamo dovoljno ljudi za održavanje posla, bit će nemoguće pratiti potražnju za velikom brzinom proizvodnje.
Na primjer, potrebni su nam ljudi koji mogu izraditi konačni proizvod. UCAH i drugi konzorciji ključni su za promicanje moderne proizvodnje i osiguravanje uključivanja studenata zainteresiranih za ulogu proizvodnje. Kroz međufunkcionalne napore posvećene razvoju radne snage, industrija će moći održati konkurentsku prednost u planovima hipersoničnih letova u sljedećih nekoliko godina.
Osnivanjem UCAH-a, Ministarstvo obrane stvara priliku za usvajanje usmjerenijeg pristupa izgradnji sposobnosti u ovom području. Svi članovi koalicije moraju surađivati ​​na obuci studenata za njihove specifične sposobnosti kako bismo mogli izgraditi i održati zamah istraživanja te ga proširiti kako bismo postigli rezultate koji su našoj zemlji potrebni.
Sada zatvoreni NASA-in savez za napredne kompozite primjer je uspješnog napora za razvoj radne snage. Njegova učinkovitost rezultat je kombiniranja istraživačko-razvojnog rada s interesima industrije, što omogućuje širenje inovacija u cijelom razvojnom ekosustavu. Lideri industrije izravno su surađivali s NASA-om i sveučilištima na projektima dvije do četiri godine. Svi članovi razvili su stručno znanje i iskustvo, naučili surađivati ​​u nekonkurentnom okruženju i njegovali studente da se razvijaju kako bi njegovali ključne igrače u industriji u budućnosti.
Ova vrsta razvoja radne snage popunjava praznine u industriji i pruža malim poduzećima prilike za brze inovacije i diverzifikaciju područja kako bi postigla daljnji rast koji pogoduje inicijativama američke nacionalne sigurnosti i ekonomske sigurnosti.
Sveučilišni savezi, uključujući UCAH, važna su imovina u hipersoničnom području i obrambenoj industriji. Iako su njihova istraživanja potaknula nove inovacije, njihova najveća vrijednost leži u sposobnosti da obuče našu sljedeću generaciju radne snage. Konzorcij sada mora dati prioritet ulaganjima u takve planove. Time mogu pomoći u poticanju dugoročnog uspjeha hipersoničnih inovacija.
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.
Proizvođači složenih, visokokonstruiranih proizvoda (poput zrakoplovnih komponenti) svaki put su posvećeni savršenstvu. Nema prostora za manevriranje.
Budući da je proizvodnja zrakoplova izuzetno složena, proizvođači moraju pažljivo upravljati procesom kvalitete, posvećujući veliku pozornost svakom koraku. To zahtijeva dubinsko razumijevanje načina upravljanja i prilagodbe dinamičnim problemima proizvodnje, kvalitete, sigurnosti i lanca opskrbe, a istovremeno ispunjavanja regulatornih zahtjeva.
Budući da mnogi čimbenici utječu na isporuku visokokvalitetnih proizvoda, teško je upravljati složenim i često promjenjivim proizvodnim narudžbama. Proces kvalitete mora biti dinamičan u svakom aspektu inspekcije i dizajna, proizvodnje i ispitivanja. Zahvaljujući strategijama Industrije 4.0 i modernim proizvodnim rješenjima, ovi izazovi kvalitete postali su lakši za upravljanje i prevladavanje.
Tradicionalni fokus proizvodnje zrakoplova oduvijek je bio na materijalima. Izvor većine problema s kvalitetom može biti krhki lom, korozija, zamor metala ili drugi čimbenici. Međutim, današnja proizvodnja zrakoplova uključuje napredne, visoko konstruirane tehnologije koje koriste otporne materijale. Stvaranje proizvoda koristi visoko specijalizirane i složene procese i elektroničke sustave. Rješenja za opće upravljanje operacijama možda više neće moći riješiti izuzetno složene probleme.
Složeniji dijelovi mogu se kupiti iz globalnog lanca opskrbe, stoga se mora posvetiti više pažnje njihovoj integraciji tijekom cijelog procesa montaže. Neizvjesnost donosi nove izazove za vidljivost lanca opskrbe i upravljanje kvalitetom. Osiguravanje kvalitete tolikog broja dijelova i gotovih proizvoda zahtijeva bolje i integriranije metode kvalitete.
Industrija 4.0 predstavlja razvoj proizvodne industrije, a potrebne su sve naprednije tehnologije kako bi se zadovoljili strogi zahtjevi kvalitete. Tehnologije podrške uključuju Industrijski internet stvari (IIoT), digitalne niti, proširenu stvarnost (AR) i prediktivnu analitiku.
Kvaliteta 4.0 opisuje metodu kvalitete proizvodnog procesa vođenu podacima koja uključuje proizvode, procese, planiranje, usklađenost i standarde. Izgrađena je na tradicionalnim metodama kvalitete, a ne zamjenjuje ih, koristeći mnoge iste nove tehnologije kao i njezini industrijski ekvivalenti, uključujući strojno učenje, povezane uređaje, računarstvo u oblaku i digitalne blizance kako bi transformirala tijek rada organizacije i uklonila moguće nedostatke proizvoda ili procesa. Očekuje se da će pojava Kvalitete 4.0 dodatno promijeniti kulturu radnog mjesta povećanjem oslanjanja na podatke i dubljim korištenjem kvalitete kao dijela ukupne metode stvaranja proizvoda.
Kvaliteta 4.0 integrira operativna pitanja i pitanja osiguranja kvalitete (QA) od početka do faze dizajna. To uključuje kako konceptualizirati i dizajnirati proizvode. Nedavni rezultati istraživanja industrije pokazuju da većina tržišta nema automatizirani proces prijenosa dizajna. Ručni proces ostavlja prostora za pogreške, bilo da se radi o internoj pogrešci ili komunikaciji dizajna i promjena u lancu opskrbe.
Osim dizajna, Quality 4.0 također koristi strojno učenje usmjereno na procese kako bi smanjio otpad, smanjio ponovni rad i optimizirao proizvodne parametre. Osim toga, rješava probleme s performansama proizvoda nakon isporuke, koristi povratne informacije s licu mjesta za daljinsko ažuriranje softvera proizvoda, održava zadovoljstvo kupaca i u konačnici osigurava ponovno poslovanje. Postaje nerazdvojni partner Industrije 4.0.
Međutim, kvaliteta se ne odnosi samo na odabrane proizvodne veze. Inkluzivnost Kvalitete 4.0 može usaditi sveobuhvatan pristup kvaliteti u proizvodne organizacije, čineći transformativnu moć podataka sastavnim dijelom korporativnog razmišljanja. Usklađenost na svim razinama organizacije doprinosi formiranju ukupne kulture kvalitete.
Nijedan proizvodni proces ne može savršeno funkcionirati u 100% vremena. Promjenjivi uvjeti pokreću nepredviđene događaje koji zahtijevaju sanaciju. Oni koji imaju iskustva u kvaliteti razumiju da se sve svodi na proces kretanja prema savršenstvu. Kako osigurati da je kvaliteta uključena u proces kako bi se problemi otkrili što je ranije moguće? Što ćete učiniti kada pronađete nedostatak? Postoje li vanjski čimbenici koji uzrokuju ovaj problem? Koje promjene možete napraviti u planu inspekcije ili postupku ispitivanja kako biste spriječili da se ovaj problem ponovi?
Uspostavite mentalitet da svaki proizvodni proces ima povezani i povezani proces kvalitete. Zamislite budućnost u kojoj postoji odnos jedan-na-jedan i stalno mjerite kvalitetu. Bez obzira na to što se događa nasumično, savršena kvaliteta se može postići. Svaki radni centar svakodnevno pregledava pokazatelje i ključne pokazatelje učinka (KPI) kako bi identificirao područja za poboljšanje prije nego što se pojave problemi.
U ovom zatvorenom sustavu, svaki proizvodni proces ima zaključak o kvaliteti koji pruža povratnu informaciju za zaustavljanje procesa, omogućavanje nastavka procesa ili prilagodbe u stvarnom vremenu. Na sustav ne utječu umor ili ljudska pogreška. Zatvoreni sustav kvalitete dizajniran za proizvodnju zrakoplova ključan je za postizanje više razine kvalitete, skraćivanje vremena ciklusa i osiguravanje usklađenosti sa standardima AS9100.
Prije deset godina, ideja fokusiranja osiguranja kvalitete na dizajn proizvoda, istraživanje tržišta, dobavljače, usluge vezane uz proizvode ili druge čimbenike koji utječu na zadovoljstvo kupaca bila je nemoguća. Dizajn proizvoda shvaća se kao nešto što dolazi od višeg autoriteta; kvaliteta se odnosi na izvršavanje tih dizajna na proizvodnoj traci, bez obzira na njihove nedostatke.
Danas mnoge tvrtke preispituju način poslovanja. Status quo iz 2018. možda više nije moguć. Sve više proizvođača postaje pametnije i pametnije. Dostupno je više znanja, što znači bolju inteligenciju za izradu pravog proizvoda u prvom pokušaju, s većom učinkovitošću i performansama.