Tootmistehnoloogia konsultatsioonifirma SmarTechi andmetel on lennundus ja kosmosetööstus suuruselt teine ​​tööstusharu, mida teenindab lisaainete tootmine (AM), jäädes alla ainult meditsiinile.Siiski on endiselt puudulik teadlikkus keraamiliste materjalide lisatootmise potentsiaalist lennunduse ja kosmosekomponentide kiires valmistamises, paindlikkuse ja kulutasuvuse suurendamises.AM suudab toota tugevamaid ja kergemaid keraamilisi osi kiiremini ja säästvamalt, vähendades tööjõukulusid, minimeerides käsitsi kokkupanemist ning parandades tõhusust ja jõudlust modelleerimise teel välja töötatud disaini abil, vähendades seeläbi lennuki kaalu.Lisaks võimaldab keraamiliste lisandite valmistamise tehnoloogia viimistletud osade mõõtmete kontrolli alla 100 mikroni suuruse funktsioonide puhul.
Sõna keraamika võib aga esile kutsuda eksiarvamuse rabedusest.Tegelikult toodab lisanditega valmistatud keraamika kergemaid, peenemaid osi, millel on suur struktuurne tugevus, sitkus ja vastupidavus laiale temperatuurivahemikule.Tulevikku vaatavad ettevõtted pöörduvad keraamiliste tootmiskomponentide, sealhulgas düüside ja propellerite, elektriisolaatorite ja turbiinilabade poole.
Näiteks kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidil on kõrge kõvadus ning tugev korrosioonikindlus ja temperatuurivahemik.Alumiiniumoksiidist valmistatud komponendid isoleerivad ka kosmosesüsteemides levinud kõrgetel temperatuuridel elektrit.
Tsirkooniumoksiidil põhinev keraamika võib vastata paljudele rakendustele, millel on äärmuslikud materjalinõuded ja suur mehaaniline koormus, näiteks kõrgekvaliteedilise metalli vormimine, ventiilid ja laagrid.Räninitriidkeraamikal on kõrge tugevus, kõrge sitkus ja suurepärane termilise šoki vastupidavus, samuti hea keemiline vastupidavus erinevate hapete, leeliste ja sulametallide korrosioonile.Räninitriidi kasutatakse isolaatorite, tiivikute ja kõrge temperatuuriga madala dielektriliste antennide jaoks.
Komposiitkeraamika pakub mitmeid soovitavaid omadusi.Ränipõhine keraamika, millele on lisatud alumiiniumoksiidi ja tsirkoon, on osutunud hästi toimivaks turbiini labade monokristallvalandite valmistamisel.Selle põhjuseks on asjaolu, et sellest materjalist valmistatud keraamilise südamiku soojuspaisumine on väga madal kuni 1500 °C, kõrge poorsus, suurepärane pinnakvaliteet ja hea leostuvus.Nende südamike trükkimine võib anda turbiini konstruktsioone, mis talub kõrgemaid töötemperatuure ja suurendab mootori efektiivsust.
On hästi teada, et keraamika survevalu või mehaaniline töötlemine on väga keeruline ja mehaaniline töötlemine tagab piiratud juurdepääsu toodetavatele komponentidele.Selliseid funktsioone nagu õhukesed seinad on samuti raske töödelda.
Lithoz kasutab aga täpsete, keeruka kujuga 3D-keraamiliste komponentide tootmiseks litograafiapõhist keraamika tootmist (LCM).
Alates CAD mudelist kantakse detailsed spetsifikatsioonid digitaalselt üle 3D printerisse.Seejärel kandke täpselt valmistatud keraamiline pulber läbipaistva vaagna ülaosale.Liigutatav ehitusplatvorm kastetakse muda sisse ja seejärel eksponeeritakse valikuliselt altpoolt nähtava valguse kätte.Kihi kujutise genereerib digitaalne mikropeegelseade (DMD), mis on ühendatud projektsioonisüsteemiga.Seda protsessi korrates saab kihthaaval luua kolmemõõtmelise rohelise osa.Pärast termilist järeltöötlust eemaldatakse sideaine ja rohelised osad paagutatakse-ühendatakse spetsiaalse kuumutusprotsessiga, et saada täiesti tihe keraamiline osa, millel on suurepärased mehaanilised omadused ja pinna kvaliteet.
LCM-tehnoloogia pakub uuenduslikku, kulutõhusat ja kiiremat protsessi turbiinmootori komponentide investeerimisvalamiseks, vältides kallist ja töömahukat valuvormide tootmist, mis on vajalik survevalu ja vahavalu jaoks.
LCM võib saavutada ka selliseid disainilahendusi, mida ei saa saavutada muude meetoditega, kasutades samas palju vähem toorainet kui teiste meetoditega.
Vaatamata keraamiliste materjalide ja LCM-tehnoloogia suurele potentsiaalile on AM-i originaalseadmete tootjate (OEM) ja kosmosedisainerite vahel endiselt lõhe.
Üheks põhjuseks võib olla vastupanu uutele tootmismeetoditele eriti rangete ohutus- ja kvaliteedinõuetega tööstusharudes.Kosmosetööstus nõuab paljusid kontrolli- ja kvalifitseerimisprotsesse ning põhjalikku ja ranget testimist.
Takistuseks on ka usk, et 3D-printimine sobib peamiselt vaid ühekordseks kiireks prototüüpimiseks, mitte millekski, mida saab õhus kasutusele võtta.See on jällegi arusaamatus ja 3D-prinditud keraamiliste komponentide kasutamine masstootmises on tõestatud.
Näitena võib tuua turbiinilabade valmistamise, kus AM-keraamilise protsessi käigus saadakse ühekristallilised (SX) südamikud, aga ka suunata tahkumise (DS) ja equiaxed casting (EX) supersulamist turbiinilabad.Keeruliste harustruktuuride, mitme seina ja alla 200 μm tagumiste servadega südamikke saab toota kiiresti ja ökonoomselt ning lõppkomponentidel on ühtlane mõõtmete täpsus ja suurepärane pinnaviimistlus.
Suhtlemise tõhustamine võib viia kokku kosmosedisainerid ja järelturu originaalseadmete tootjad ning usaldada täielikult LCM-i ja muude tehnoloogiate abil toodetud keraamilisi komponente.Tehnoloogia ja teadmised on olemas.See peab muutma AM-i mõtteviisi uurimis- ja arendustegevuse ning prototüüpide loomise jaoks ning nägema seda edasisuunana suuremahuliste kommertsrakenduste jaoks.
Lisaks haridusele saavad lennundusettevõtted investeerida aega ka personali, inseneritöösse ja testimisse.Tootjad peavad tundma erinevaid standardeid ja meetodeid keraamika, mitte metallide hindamiseks.Näiteks Lithozi kaks peamist ASTM-i konstruktsioonikeraamika standardit on ASTM C1161 tugevuse testimiseks ja ASTM C1421 sitkuse testimiseks.Need standardid kehtivad kõikidel meetoditel toodetud keraamikale.Keraamiliste lisandite valmistamisel on trükkimine vaid vormimismeetod ja osad läbivad sama tüüpi paagutamise kui traditsiooniline keraamika.Seetõttu on keraamiliste osade mikrostruktuur väga sarnane tavapärase töötlemisega.
Materjalide ja tehnoloogia pideva arengu põhjal võime kindlalt väita, et disainerid saavad rohkem andmeid.Uued keraamilised materjalid töötatakse välja ja kohandatakse vastavalt konkreetsetele insenerivajadustele.AM-keraamikast valmistatud osad viivad lõpule lennunduses kasutamiseks mõeldud sertifitseerimisprotsessi.Ja pakub paremaid disainitööriistu, näiteks täiustatud modelleerimistarkvara.
Tehes koostööd LCM-i tehniliste ekspertidega, saavad lennundusettevõtted juurutada AM-keraamikaprotsesse ettevõttesiseselt – lühendades aega, vähendades kulusid ja luues võimalusi ettevõtte enda intellektuaalomandi arendamiseks.Ettenägelikkuse ja pikaajalise planeerimise abil saavad keraamikatehnoloogiasse investeerivad lennundusettevõtted järgmise kümne aasta ja pärast seda kogu oma tootmisportfellist märkimisväärset kasu lõigata.
Loodes partnerluse ettevõttega AM Ceramics, toodavad kosmosesõiduki originaalseadmete tootjad komponente, mida varem polnud ette kujutatud.
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 räägib 1. septembril 2021 Ohio osariigis Clevelandis toimuval Ceramics Expo keraamiliste lisandite tootmise eeliste tõhusa teavitamise raskustest.
Kuigi hüperhelikiirusega lennusüsteemide arendamine on eksisteerinud aastakümneid, on see nüüdseks saanud USA riigikaitse peamiseks prioriteediks, viies selle valdkonna kiire kasvu ja muutuste seisukorda.Unikaalse multidistsiplinaarse valdkonnana on väljakutseks leida oma arengu edendamiseks vajalike oskustega eksperte.Kui aga eksperte ei ole piisavalt, tekitab see innovatsioonilünka, näiteks asetatakse teadus- ja arendustegevuse faasis esikohale valmistatavusprojekt (DFM) ja siis, kui kuluefektiivsete muudatuste tegemiseks on liiga hilja, muutub see tootmislünnaks.
Liidud, nagu äsja asutatud University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), pakuvad olulist keskkonda valdkonna edendamiseks vajalike talentide kasvatamiseks.Õpilased saavad teha otse koostööd ülikooli teadlaste ja tööstuse spetsialistidega, et arendada tehnoloogiat ja edendada kriitilisi hüperheliuuringuid.
Kuigi UCAH ja teised kaitsekonsortsiumid andsid liikmetele loa tegeleda mitmesuguste inseneritöödega, tuleb teha rohkem tööd, et kasvatada erinevaid ja kogenud talente, alates projekteerimisest kuni materjaliarenduse ja valikuni kuni tootmistöökodadeni.
Valdkonnas püsivama väärtuse pakkumiseks peab ülikoolide liit seadma prioriteediks tööjõu arendamise, viies selle vastavusse tööstuse vajadustega, kaasates liikmeid tööstusharule sobivatesse teadusuuringutesse ja investeerides programmi.
Hüperhelitehnoloogia muutmisel suuremahulisteks valmistatavateks projektideks on suurim väljakutse olemasolev inseneri- ja tootmistööjõu lünk.Kui varased uuringud ei ületa seda tabavalt nimetatud surmaorgu – lõhe teadus- ja arendustegevuse ning tootmise vahel ning paljud ambitsioonikad projektid on läbi kukkunud –, siis oleme kaotanud rakendatava ja teostatava lahenduse.
USA töötlev tööstus võib ülehelikiirust kiirendada, kuid mahajäämise oht on suurendada tööjõu suurust vastavaks.Seetõttu peavad valitsus ja ülikoolide arenduskonsortsiumid tegema koostööd tootjatega, et need plaanid ellu viia.
Tööstusharu on kogenud oskuste puudujääke alates tootmistöökodadest kuni insenerilaboriteni – need lüngad suurenevad ainult hüperhelitaseme turu kasvades.Arenevad tehnoloogiad nõuavad valdkonna teadmiste laiendamiseks esilekerkivat tööjõudu.
Hüsooniline töö hõlmab mitut erinevate materjalide ja struktuuride põhivaldkonda ning igal alal on oma tehnilised väljakutsed.Need nõuavad kõrgetasemelisi üksikasjalikke teadmisi ja kui vajalikke teadmisi ei ole, võib see luua takistusi arendusele ja tootmisele.Kui meil pole piisavalt inimesi töökoha säilitamiseks, on võimatu kiire tootmise nõudlusega sammu pidada.
Näiteks vajame inimesi, kes suudavad lõpptoote ehitada.UCAH ja teised konsortsiumid on hädavajalikud, et edendada kaasaegset tootmist ja tagada tootmise rollist huvitatud üliõpilaste kaasamine.Läbi funktsionaalsete pühendunud tööjõu arendamise jõupingutuste abil suudab tööstus lähiaastatel säilitada hüperhelikiirusega lennuplaanide konkurentsieelise.
UCAH-i loomisega loob kaitseministeerium võimaluse võtta omaks sihipärasem lähenemine võimete loomisele selles valdkonnas.Kõik koalitsiooniliikmed peavad tegema koostööd, et koolitada õpilaste nišivõimekust, et saaksime üles ehitada ja hoida teadustöö hoogu ning laiendada seda, et toota meie riigile vajalikke tulemusi.
Nüüdseks suletud NASA Advanced Composites Alliance on näide edukast tööjõu arendamise jõupingutusest.Selle tõhusus tuleneb teadus- ja arendustöö kombineerimisest tööstuse huvidega, mis võimaldab innovatsioonil laieneda kogu arenguökosüsteemis.Tööstuse juhid on projektide kallal kaks kuni neli aastat töötanud otse NASA ja ülikoolidega.Kõik liikmed on omandanud erialased teadmised ja kogemused, õppinud tegema koostööd konkurentsivälises keskkonnas ning kasvatanud kolledži üliõpilasi, et nad saaksid tulevikus valdkonna võtmeisikuid kasvatada.
Seda tüüpi tööjõu arendamine täidab lüngad tööstuses ja pakub väikeettevõtetele võimalusi kiiresti uuendusteks teha ja valdkonda mitmekesistada, et saavutada edasine kasv, mis soodustab USA riiklikku julgeolekut ja majandusjulgeoleku algatusi.
Ülikoolide liidud, sealhulgas UCAH, on hüperhelikiirguse valdkonnas ja kaitsetööstuses olulised väärtused.Kuigi nende uuringud on edendanud esilekerkivaid uuendusi, on nende suurim väärtus nende võimes koolitada meie järgmise põlvkonna tööjõudu.Konsortsium peab nüüd sellistesse plaanidesse investeerima prioriteediks.Seda tehes võivad nad aidata edendada hüperhelikiirusega innovatsiooni pikaajalist edu.
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.
Keeruliste ja kõrgelt konstrueeritud toodete (nt lennukikomponentide) tootjad on iga kord pühendunud täiuslikkusele.Manööverdamisruumi pole.
Kuna lennukite tootmine on äärmiselt keeruline, peavad tootjad kvaliteediprotsessi hoolikalt juhtima, pöörates suurt tähelepanu igale sammule.See nõuab põhjalikku arusaamist, kuidas hallata ja kohaneda dünaamilise tootmise, kvaliteedi, ohutuse ja tarneahela küsimustega, järgides samal ajal regulatiivseid nõudeid.
Kuna kvaliteetsete toodete tarnimist mõjutavad paljud tegurid, on keerukate ja sageli muutuvate tootmistellimuste haldamine keeruline.Kvaliteediprotsess peab olema dünaamiline igas kontrolli ja disaini, tootmise ja katsetamise aspektis.Tänu Tööstus 4.0 strateegiatele ja kaasaegsetele tootmislahendustele on neid kvaliteediprobleeme lihtsam hallata ja ületada.
Lennukite tootmise traditsiooniline fookus on alati olnud materjalidel.Enamiku kvaliteediprobleemide allikaks võivad olla rabedad purunemised, korrosioon, metalli väsimine või muud tegurid.Tänapäeva lennukitootmine hõlmab aga arenenud kõrgelt konstrueeritud tehnoloogiaid, mis kasutavad vastupidavaid materjale.Toote loomisel kasutatakse väga spetsiifilisi ja keerulisi protsesse ning elektroonilisi süsteeme.Üldised operatsioonide haldamise tarkvaralahendused ei pruugi enam olla suutelised lahendama ülikeerulisi probleeme.
Keerulisemaid osi saab osta globaalsest tarneahelast, seega tuleb rohkem kaaluda nende integreerimist kogu koosteprotsessis.Ebakindlus toob uued väljakutsed tarneahela nähtavusse ja kvaliteedijuhtimisse.Paljude osade ja valmistoodete kvaliteedi tagamine nõuab paremaid ja integreeritumaid kvaliteedimeetodeid.
Tööstus 4.0 esindab töötleva tööstuse arengut ning rangete kvaliteedinõuete täitmiseks on vaja järjest rohkem arenenud tehnoloogiaid.Toetavate tehnoloogiate hulka kuuluvad tööstuslik asjade internet (IIoT), digitaalsed lõimed, liitreaalsus (AR) ja ennustav analüüs.
Kvaliteet 4.0 kirjeldab andmepõhist tootmisprotsessi kvaliteedimeetodit, mis hõlmab tooteid, protsesse, planeerimist, vastavust ja standardeid.See on üles ehitatud pigem traditsioonilistele kvaliteedimeetoditele kui asendamisele, kasutades paljusid samu uusi tehnoloogiaid nagu tööstuslikud analoogid, sealhulgas masinõpe, ühendatud seadmed, pilvandmetöötlus ja digitaalsed kaksikud, et muuta organisatsiooni töövoogu ja kõrvaldada võimalikud toodete või protsesside defektid.Kvaliteet 4.0 esilekerkimine peaks eeldatavasti veelgi muutma töökoha kultuuri, suurendades andmetele tuginemist ja kvaliteedi sügavamat kasutamist osana üldisest toote loomise meetodist.
Quality 4.0 integreerib töö- ja kvaliteedi tagamise (QA) küsimused algusest kuni projekteerimisetapini.See hõlmab toodete kontseptualiseerimist ja kujundamist.Hiljutised tööstusuuringu tulemused näitavad, et enamikul turgudel puudub automatiseeritud disaini ülekandmise protsess.Manuaalne protsess jätab ruumi vigadele, olgu see siis sisemine viga või kujunduse ja muudatuste edastamine tarneahelasse.
Lisaks disainile kasutab Quality 4.0 ka protsessikeskset masinõpet, et vähendada raiskamist, vähendada ümbertööd ja optimeerida tootmisparameetreid.Lisaks lahendab see ka toote jõudlusprobleemid pärast tarnimist, kasutab kohapealset tagasisidet tootetarkvara kaugvärskendamiseks, säilitab klientide rahulolu ja tagab lõpuks äritegevuse kordumise.Sellest on saamas Tööstus 4.0 lahutamatu partner.
Kuid kvaliteet ei kehti ainult valitud tootmislinkide puhul.Kvaliteedi 4.0 kaasatus võib juurutada tootmisorganisatsioonides terviklikku kvaliteedikäsitlust, muutes andmete muutliku jõu ettevõtte mõtlemise lahutamatuks osaks.Nõuetele vastavus organisatsiooni kõigil tasanditel aitab kaasa üldise kvaliteedikultuuri kujunemisele.
Ükski tootmisprotsess ei saa 100% ajast ideaalselt toimida.Tingimuste muutumine käivitab ettenägematuid sündmusi, mis nõuavad heastamist.Need, kellel on kvaliteedialane kogemus, mõistavad, et kõik on seotud täiuslikkuse poole liikumisega.Kuidas tagate kvaliteedi kaasamise protsessi, et probleemid võimalikult varakult avastada?Mida teete, kui leiate defekti?Kas selle probleemi põhjustavad välised tegurid?Milliseid muudatusi saate teha kontrolliplaanis või testimisprotseduuris, et see probleem ei korduks?
Kehtestage mentaliteet, et igal tootmisprotsessil on seotud ja seotud kvaliteediprotsess.Kujutage ette tulevikku, kus on üks-ühele suhe ja mõõtke pidevalt kvaliteeti.Ükskõik, mis juhtub juhuslikult, on võimalik saavutada täiuslik kvaliteet.Iga töökeskus vaatab iga päev üle indikaatorid ja põhilised tulemusnäitajad (KPI), et enne probleemide tekkimist tuvastada parendusvaldkonnad.
Selles suletud ahelaga süsteemis on igal tootmisprotsessil kvaliteedijäreldus, mis annab tagasisidet protsessi peatamiseks, protsessi jätkamiseks või reaalajas muudatuste tegemiseks.Süsteemi ei mõjuta väsimus ega inimlikud vead.Õhusõidukite tootmiseks loodud suletud ahelaga kvaliteedisüsteem on hädavajalik kõrgema kvaliteeditaseme saavutamiseks, tsükliaegade lühendamiseks ja AS9100 standarditele vastavuse tagamiseks.
Kümme aastat tagasi oli idee keskenduda kvaliteedi tagamisel toote disainile, turu-uuringutele, tarnijatele, tooteteenustele või muudele klientide rahulolu mõjutavatele teguritele võimatuks.Tootedisain on pärit kõrgemalt asutuselt;kvaliteet seisneb nende kujunduste teostamises konveieril, olenemata nende puudustest.
Tänapäeval mõtlevad paljud ettevõtted ümber, kuidas äri ajada.Status quo 2018. aastal ei pruugi enam olla võimalik.Üha rohkem tootjaid on muutumas targemaks ja targemaks.Saadaval on rohkem teadmisi, mis tähendab paremat intelligentsust, et luua õige toode esimest korda suurema tõhususe ja jõudlusega.