Tootmistehnoloogia konsultatsioonifirma SmarTechi andmetel on lennundus- ja kosmosetööstus lisanditootmise (AM) teenindatavate valdkondade seas suuruselt teine, jäädes alla vaid meditsiinile. Siiski on endiselt vähe teadlikkust keraamiliste materjalide lisanditootmise potentsiaalist lennunduskomponentide kiirel tootmisel, paindlikkuse ja kulutõhususe suurendamisel. AM võimaldab toota tugevamaid ja kergemaid keraamilisi osi kiiremini ja jätkusuutlikumalt, vähendades tööjõukulusid, minimeerides käsitsi kokkupanekut ning parandades efektiivsust ja jõudlust modelleerimise teel väljatöötatud disaini abil, vähendades seeläbi lennuki kaalu. Lisaks pakub lisanditootmise keraamikatehnoloogia valmisdetailide mõõtmete kontrolli alla elementide puhul, mis on väiksemad kui 100 mikronit.
Sõna „keraamika” võib aga tekitada väärarusaama rabedusest. Tegelikult toodab lisandite abil toodetud keraamika kergemaid ja peenemaid osi, millel on suur konstruktsioonitugevus, sitkus ja vastupidavus laiale temperatuurivahemikule. Tulevikku vaatavad ettevõtted pöörduvad keraamiliste tootmiskomponentide, sealhulgas düüside ja propellerite, elektriisolaatorite ja turbiinilabade poole.
Näiteks on kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidil kõrge kõvadus ning tugev korrosioonikindlus ja temperatuurivahemik. Alumiiniumoksiidist valmistatud komponendid on ka lennundussüsteemides tavaliste kõrgete temperatuuride juures elektriisolatsioonivõimelised.
Tsirkooniumoksiidil põhinev keraamika sobib paljudele rakendustele, kus on äärmuslikud materjalinõuded ja suur mehaaniline koormus, näiteks tipptasemel metallvormimine, ventiilid ja laagrid. Räninitriidkeraamikal on suur tugevus, kõrge sitkus ja suurepärane kuumakindlus, samuti hea keemiline vastupidavus mitmesuguste hapete, leeliste ja sulametallide korrosioonile. Räninitriidi kasutatakse isolaatorite, tiivikute ja kõrge temperatuuriga madala dielektrilise väärtusega antennide jaoks.
Komposiitkeraamikal on mitu soovitavat omadust. Ränipõhine keraamika, millele on lisatud alumiiniumoksiidi ja tsirkooni, on osutunud heaks omaduseks turbiinilabade monokristallvalude tootmisel. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellest materjalist keraamilisel südamikul on väga madal soojuspaisumine kuni 1500 °C, kõrge poorsus, suurepärane pinnakvaliteet ja hea leostuvus. Nende südamike trükkimine võimaldab toota turbiinikonstruktsioone, mis taluvad kõrgemaid töötemperatuure ja suurendavad mootori efektiivsust.
On hästi teada, et keraamika survevalu või mehaaniline töötlemine on väga keeruline ning mehaaniline töötlemine annab piiratud juurdepääsu toodetavatele komponentidele. Samuti on raske töödelda selliseid omadusi nagu õhukesed seinad.
Lithoz kasutab aga täpsete ja keeruka kujuga 3D-keraamiliste komponentide valmistamiseks litograafiapõhist keraamikatootmist (LCM).
CAD-mudelist alates kantakse detailsed spetsifikatsioonid digitaalselt 3D-printerisse. Seejärel kantakse täpselt formuleeritud keraamiline pulber läbipaistva paagi ülaosale. Liikuv konstruktsiooniplatvorm kastetakse mudasse ja seejärel suunatakse valikuliselt nähtavale valgusele altpoolt. Kihi pilt genereeritakse digitaalse mikropeegliseadme (DMD) abil, mis on ühendatud projektsioonisüsteemiga. Seda protsessi korrates saab kiht kihi haaval luua kolmemõõtmelise rohelise detaili. Pärast termilist järeltöötlust eemaldatakse sideaine ja rohelised detailid paagutatakse – ühendatakse spetsiaalse kuumutusprotsessi abil –, et saada täiesti tihe keraamiline detail, millel on suurepärased mehaanilised omadused ja pinnakvaliteet.
LCM-tehnoloogia pakub uuenduslikku, kulutõhusat ja kiiremat protsessi turbiinmootori komponentide investeeringute valamiseks, vältides kallist ja töömahukat vormitootmist, mis on vajalik survevalu ja kadunud parafiini valamise jaoks.
LCM-iga saab saavutada ka kujundusi, mida teiste meetoditega saavutada ei saa, kasutades samal ajal palju vähem toorainet kui teiste meetodite abil.
Vaatamata keraamiliste materjalide ja LCM-tehnoloogia suurele potentsiaalile on AM-i originaalseadmete tootjate (OEM) ja lennundusdisainerite vahel endiselt suur lõhe.
Üks põhjus võib olla vastuseis uutele tootmismeetoditele tööstusharudes, kus kehtivad eriti ranged ohutus- ja kvaliteedinõuded. Lennundus- ja kosmosetööstus nõuab paljusid kontrollimis- ja kvalifitseerimisprotsesse ning põhjalikku ja ranget testimist.
Teine takistus on arvamus, et 3D-printimine sobib peamiselt ainult ühekordseks kiireks prototüüpimiseks, mitte millekski, mida saab õhus kasutada. Jällegi on see arusaamatus ning 3D-prinditud keraamilised komponendid on osutunud masstootmises kasutatavaks.
Näiteks on turbiinilabade tootmine, kus AM-keraamikaprotsessi käigus saadakse nii monokristallilisi (SX) südamikke kui ka suunatud tahkestumise (DS) ja võrdteljelise valamise (EX) supersulamist turbiinilabasid. Keeruliste hargstruktuuride, mitme seina ja alla 200 μm paksuste tagumiste servadega südamikke saab toota kiiresti ja ökonoomselt ning lõppkomponentidel on ühtlane mõõtmete täpsus ja suurepärane pinnaviimistlus.
Suhtluse parandamine võib ühendada lennundusdisainereid ja additiivse tootmise originaalseadmete tootjaid (AM OEM) ning täielikult usaldada LCM-i ja muude tehnoloogiate abil toodetud keraamilisi komponente. Tehnoloogia ja oskusteave on olemas. See peab muutma AM-i mõtteviisi teadus- ja arendustegevuse ning prototüüpide osas ning nägema seda kui teed suuremahuliste kaubanduslike rakenduste suunas.
Lisaks haridusele saavad lennundusettevõtted investeerida aega ka personali, inseneritöösse ja testimisse. Tootjad peavad olema tuttavad keraamika, mitte metallide hindamise erinevate standardite ja meetoditega. Näiteks Lithozi kaks peamist ASTM-standardit struktuurkeraamika jaoks on ASTM C1161 tugevuskatsete jaoks ja ASTM C1421 sitkuskatsete jaoks. Need standardid kehtivad kõigi meetodite abil toodetud keraamika kohta. Keraamilise lisanditootmises on trükkimisetapp vaid vormimismeetod ja osad läbivad sama tüüpi paagutamise nagu 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. Uusi keraamilisi materjale arendatakse ja kohandatakse vastavalt konkreetsetele insenerivajadustele. AM-keraamikast valmistatud osad läbivad sertifitseerimisprotsessi lennunduses kasutamiseks. Samuti pakutakse paremaid projekteerimisvahendeid, näiteks täiustatud modelleerimistarkvara.
Koostöös LCM-i tehnikaekspertidega saavad lennundusettevõtted juurutada sisemiselt AM-keraamika protsesse, lühendades aega, vähendades kulusid ja luues võimalusi ettevõtte enda intellektuaalomandi arendamiseks. Ettenägelikkuse ja pikaajalise planeerimise abil saavad keraamikatehnoloogiasse investeerivad lennundusettevõtted järgmise kümne aasta jooksul ja edaspidi märkimisväärset kasu kogu oma tootmisportfellist.
AM Ceramicsiga partnerluse sõlmimisega saavad lennundus- ja kosmosetööstuse originaalseadmete tootjad toota komponente, mida varem ei osatud ette kujutada.
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 Clevelandis Ohios toimuval keraamikamessil keraamilise lisanditootmise eeliste tõhusa edastamise raskustest.
Kuigi hüperhelikiirusega lennusüsteemide arendamine on kestnud aastakümneid, on sellest nüüdseks saanud USA riigikaitse peamine prioriteet, mis on viinud selle valdkonna kiire kasvu ja muutuste seisundisse. Ainulaadse multidistsiplinaarse valdkonnana on väljakutseks leida eksperte, kellel on vajalikud oskused selle arengu edendamiseks. Kui eksperte aga pole piisavalt, tekitab see innovatsioonilünga, näiteks seades teadus- ja arendustegevuse etapis esikohale valmistatavuse disaini (DFM), mis muutub tootmislüngaks siis, kui kulutõhusate muudatuste tegemiseks on juba liiga hilja.
Liidud, näiteks äsja loodud Ülikoolide Rakendusliku Hüperhelikiiruse Liit (UCAH), pakuvad olulist keskkonda valdkonna edendamiseks vajalike talentide arendamiseks. Tudengid saavad teha otsest koostööd ülikooli teadlaste ja valdkonna spetsialistidega, et arendada tehnoloogiat ja edendada kriitilist hüperhelikiirusega seotud uurimistööd.
Kuigi UCAH ja teised kaitsekonsortsiumid volitasid oma liikmeid tegelema mitmesuguste inseneritöödega, tuleb teha rohkem tööd mitmekesiste ja kogenud talentide arendamiseks, alates disainist kuni materjalide väljatöötamise ja valikuni kuni tootmistöökodadeni.
Valdkonnas püsivama väärtuse pakkumiseks peab ülikoolide liit seadma tööjõu arendamise prioriteediks, viies selle vastavusse tööstuse vajadustega, kaasates liikmeid valdkonnapõhistesse uuringutesse ja investeerides programmi.
Hüperhelikiirusega tehnoloogia muutmisel suuremahulisteks tootmisprojektideks on suurim väljakutse olemasolev inseneri- ja tootmistööjõu oskuste puudujääk. Kui varajased uuringud ei ületa seda tabavalt nimetatud surmaorgu – lõhet teadus- ja arendustegevuse ning tootmise vahel ning paljud ambitsioonikad projektid on läbi kukkunud –, siis oleme kaotanud rakendatava ja teostatava lahenduse.
USA töötlev tööstus suudab ülehelikiirust kiirendada, kuid mahajäämise oht seisneb tööjõu suuruse suurendamises vastavalt sellele. Seetõttu peavad valitsus ja ülikoolide arenduskonsortsiumid tootjatega koostööd tegema, et need plaanid ellu viia.
Tööstusharus on esinenud oskuste puudujääke tootmistöökodadest kuni insenerilaboriteni – need lüngad ainult suurenevad hüperhelikiirusega turu kasvades. Tärkavate tehnoloogiate jaoks on teadmiste laiendamiseks selles valdkonnas vaja arenevat tööjõudu.
Hüperhelikiirusega töö hõlmab mitmeid erinevaid võtmevaldkondi, mis hõlmavad mitmesuguseid materjale ja struktuure, ning igal alal on omad tehnilised väljakutsed. Need nõuavad kõrgetasemelisi detailseid teadmisi ja kui vajalikku oskusteavet pole, võib see takistada arendust ja tootmist. Kui meil pole piisavalt inimesi töö jätkamiseks, on võimatu sammu pidada kiire tootmise nõudlusega.
Näiteks vajame inimesi, kes suudavad lõpptoote ehitada. UCAH ja teised konsortsiumid on olulised tänapäevase tootmise edendamiseks ja tootmise rollist huvitatud üliõpilaste kaasamiseks. Funktsioonidevaheliste pühendunud tööjõu arendamise jõupingutuste abil suudab tööstusharu järgmistel aastatel säilitada konkurentsieelise hüperhelikiirusega lendude plaanides.
UCAHi asutamisega loob Kaitseministeerium võimaluse võtta selles valdkonnas võimete arendamisel kasutusele sihipärasem lähenemisviis. Kõik koalitsiooni liikmed peavad tegema koostööd üliõpilaste nišivõimete koolitamisel, et saaksime luua ja säilitada uurimistöö hoogu ning laiendada seda, et saavutada meie riigile vajalikke tulemusi.
Nüüdseks suletud NASA Advanced Composites Alliance on näide edukast tööjõu arendamise püüdlusest. Selle tõhusus tuleneb teadus- ja arendustegevuse ühendamisest tööstushuvidega, mis võimaldab innovatsioonil laieneda kogu arendusökosüsteemis. Tööstusharu juhid on kaks kuni neli aastat NASA ja ülikoolidega projektide kallal otse koostööd teinud. Kõik liikmed on arendanud erialaseid teadmisi ja kogemusi, õppinud tegema koostööd konkurentsivabas keskkonnas ning toetanud üliõpilasi, et nad saaksid tulevikus võtmetähtsusega tööstusharu tegelasi toetada.
Selline tööjõu arendamine täidab tööstuses lüngad ja pakub väikeettevõtetele võimalusi kiireks innovatsiooniks ja valdkonna mitmekesistamiseks, et saavutada edasist kasvu, mis soodustab USA riikliku julgeoleku ja majandusliku julgeoleku algatusi.
Ülikoolide liidud, sealhulgas UCAH, on olulised varad hüperhelikiirusega rakettide valdkonnas ja kaitsetööstuses. Kuigi nende uuringud on edendanud uusi innovatsioone, seisneb nende suurim väärtus võimes koolitada meie järgmist tööjõu põlvkonda. Konsortsium peab nüüd seadma prioriteediks investeeringud sellistesse plaanidesse. Seda tehes saavad nad aidata edendada hüperhelikiirusega rakettide 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.
Komplekssete ja kõrgelt konstrueeritud toodete (näiteks lennukikomponentide) tootjad on alati pühendunud täiuslikkusele. Manööverdamisruumi pole.
Kuna õhusõidukite tootmine on äärmiselt keeruline, peavad tootjad hoolikalt juhtima kvaliteediprotsessi, pöörates igale sammule suurt tähelepanu. See nõuab põhjalikku arusaamist sellest, kuidas hallata ja kohaneda dünaamiliste tootmis-, kvaliteedi-, ohutus- ja tarneahela probleemidega, täites 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 projekteerimise, tootmise ja testimise aspektis. Tänu Tööstus 4.0 strateegiatele ja kaasaegsetele tootmislahendustele on neid kvaliteediprobleeme lihtsam hallata ja ületada.
Lennukitootmise traditsiooniline fookus on alati olnud materjalidel. Enamiku kvaliteediprobleemide allikaks võivad olla haprus, korrosioon, metalli väsimus või muud tegurid. Tänapäeva lennukitootmine hõlmab aga täiustatud ja kõrgelt konstrueeritud tehnoloogiaid, mis kasutavad vastupidavaid materjale. Toodete loomisel kasutatakse kõrgelt spetsialiseerunud ja keerukaid protsesse ning elektroonilisi süsteeme. Üldised operatsioonide juhtimise tarkvaralahendused ei pruugi enam suuta lahendada äärmiselt keerulisi probleeme.
Keerukamaid osi saab osta globaalsest tarneahelast, seega tuleb rohkem kaaluda nende integreerimist kogu montaažiprotsessi vältel. Ebakindlus toob kaasa uusi väljakutseid tarneahela nähtavusele ja kvaliteedijuhtimisele. Nii paljude osade ja valmistoodete kvaliteedi tagamine nõuab paremaid ja integreeritumaid kvaliteedimeetodeid.
Tööstus 4.0 esindab töötleva tööstuse arengut ning rangete kvaliteedinõuete täitmiseks on vaja üha arenenumaid tehnoloogiaid. Toetavate tehnoloogiate hulka kuuluvad tööstuslik asjade internet (IIoT), digitaalsed lõimed, liitreaalsus (AR) ja ennustav analüütika.
Kvaliteet 4.0 kirjeldab andmepõhist tootmisprotsessi kvaliteedikontrolli meetodit, mis hõlmab tooteid, protsesse, planeerimist, vastavust ja standardeid. See tugineb traditsioonilistele kvaliteedikontrolli meetoditele, mitte ei asenda neid, kasutades paljusid samu uusi tehnoloogiaid nagu selle tööstuslikud analoogid, sealhulgas masinõpet, ühendatud seadmeid, pilvandmetöötlust ja digitaalseid kaksikuid, et muuta organisatsiooni töövoogu ja kõrvaldada võimalikud toodete või protsesside defektid. Kvaliteet 4.0 tekkimine peaks muutma veelgi töökoha kultuuri, suurendades andmetele tuginemist ja kvaliteedi sügavamat kasutamist osana üldisest toote loomise meetodist.
Kvaliteet 4.0 integreerib tegevusalased ja kvaliteedi tagamise (QA) küsimused algusest kuni disainietapini. See hõlmab toodete kontseptualiseerimist ja disainimist. Hiljutised tööstusharu uuringud näitavad, et enamikul turgudel puudub automatiseeritud disaini ülekande protsess. Manuaalne protsess jätab ruumi vigadele, olgu see siis sisemine viga või disaini ja muudatuste edastamine tarneahelale.
Lisaks disainile kasutab Quality 4.0 ka protsessikeskset masinõpet, et vähendada jäätmeid, ümbertöötlemist ja tootmisparameetreid. Lisaks lahendab see ka toote toimivusprobleeme pärast tarnimist, kasutab kohapealset tagasisidet toote tarkvara kaugjuhtimisega värskendamiseks, säilitab klientide rahulolu ja tagab lõppkokkuvõttes korduva ostu. Sellest on saamas Tööstus 4.0 lahutamatu partner.
Kvaliteet ei kehti aga ainult valitud tootmisüksuste kohta. Kvaliteet 4.0 kaasavus aitab tootmisorganisatsioonides juurutada tervikliku kvaliteedikäsitlust, muutes andmete transformatiivse jõu ettevõtte mõtlemise lahutamatuks osaks. Nõuetele vastavus organisatsiooni kõigil tasanditel aitab kaasa üldise kvaliteedikultuuri kujunemisele.
Ükski tootmisprotsess ei saa 100% ajast ideaalselt toimida. Muutuvad tingimused käivitavad ettenägematuid sündmusi, mis vajavad parandamist. Need, kellel on kvaliteedikogemusi, mõistavad, et kõige olulisem on liikuda täiuslikkuse poole. Kuidas tagada kvaliteedi kaasamine protsessi, et probleeme võimalikult varakult avastada? Mida teha, kui defekti leitakse? Kas probleemi põhjustavad välised tegurid? Milliseid muudatusi saate teha kontrolliplaanis või katseprotseduuris, et vältida probleemi kordumise teket?
Loo mentaliteet, et iga tootmisprotsessiga on seotud kvaliteediprotsess. Kujutage ette tulevikku, kus on üks-ühele suhe ja pidevalt mõõdetakse kvaliteeti. Pole tähtis, mis juhuslikult juhtub, on võimalik saavutada täiuslik kvaliteet. Iga töökeskus vaatab iga päev üle näitajad ja peamised tulemusnäitajad (KPI-d), et tuvastada parendusvaldkondi enne probleemide tekkimist.
Selles suletud ahelaga süsteemis on igal tootmisprotsessil kvaliteedijäreldus, mis annab tagasisidet protsessi peatamiseks, protsessi jätkumise lubamiseks või reaalajas kohanduste tegemiseks. Süsteemi ei mõjuta väsimus ega inimlikud vead. Lennukite tootmiseks loodud suletud ahelaga kvaliteedisüsteem on hädavajalik kõrgema kvaliteeditaseme saavutamiseks, tsükliaegade lühendamiseks ja AS9100 standarditele vastavuse tagamiseks.
Kümme aastat tagasi oli idee keskenduda kvaliteedikontrollile tootekujundusele, turu-uuringutele, tarnijatele, toote- ja teenusepakkujatele või muudele klientide rahulolu mõjutavatele teguritele võimatu. Tootekujundust peetakse kõrgema autoriteedi esindajaks; kvaliteet seisneb nende disainide elluviimises konveieril, olenemata nende puudustest.
Tänapäeval mõtlevad paljud ettevõtted ümber oma äritegevuse viisid. 2018. aasta status quo ei pruugi enam võimalik olla. Üha rohkem tootjaid muutub aina nutikamaks. Saadaval on rohkem teadmisi, mis tähendab paremat intelligentsust, et luua õige toode esimesel korral, suurema efektiivsuse ja jõudlusega.