Podľa SmarTech, konzultačnej spoločnosti v oblasti výrobných technológií, je letecký a kozmický priemysel druhým najväčším priemyselným odvetvím, ktorému slúži aditívna výroba (AM), na druhom mieste po medicíne.Stále však chýba povedomie o potenciáli aditívnej výroby keramických materiálov pri rýchlej výrobe leteckých komponentov, zvýšenej flexibilite a efektívnosti nákladov.AM môže vyrábať pevnejšie a ľahšie keramické diely rýchlejšie a udržateľnejšie – znižuje náklady na prácu, minimalizuje ručnú montáž a zlepšuje efektivitu a výkon prostredníctvom dizajnu vyvinutého modelovaním, čím sa znižuje hmotnosť lietadla.Okrem toho technológia aditívnej výroby keramiky poskytuje rozmerovú kontrolu hotových dielov pre prvky menšie ako 100 mikrónov.
Slovo keramika však môže vyvolať mylnú predstavu o krehkosti.Aditívna keramika vyrába v skutočnosti ľahšie, jemnejšie diely s veľkou štrukturálnou pevnosťou, húževnatosťou a odolnosťou voči širokému teplotnému rozsahu.Spoločnosti orientované na budúcnosť sa obracajú na keramické výrobné komponenty, vrátane trysiek a vrtúľ, elektrických izolátorov a lopatiek turbín.
Napríklad vysoko čistý oxid hlinitý má vysokú tvrdosť a má silnú odolnosť proti korózii a teplotný rozsah.Komponenty vyrobené z oxidu hlinitého sú tiež elektricky izolované pri vysokých teplotách bežných v leteckých systémoch.
Keramika na báze zirkónia môže spĺňať mnohé aplikácie s extrémnymi požiadavkami na materiál a vysokým mechanickým namáhaním, ako sú špičkové kovové výlisky, ventily a ložiská.Keramika z nitridu kremíka má vysokú pevnosť, vysokú húževnatosť a vynikajúcu odolnosť proti tepelným šokom, ako aj dobrú chemickú odolnosť voči korózii rôznych kyselín, zásad a roztavených kovov.Nitrid kremíka sa používa na izolátory, obežné kolesá a vysokoteplotné nízkodielektrické antény.
Kompozitná keramika poskytuje niekoľko požadovaných vlastností.Keramika na báze kremíka s prídavkom oxidu hlinitého a zirkónu sa osvedčila pri výrobe monokryštálových odliatkov pre lopatky turbín.Keramické jadro z tohto materiálu má totiž veľmi nízku tepelnú rozťažnosť do 1 500°C, vysokú pórovitosť, výbornú kvalitu povrchu a dobrú vylúhovateľnosť.Potlačením týchto jadier možno vytvoriť návrhy turbín, ktoré znesú vyššie prevádzkové teploty a zvýšia účinnosť motora.
Je dobre známe, že vstrekovanie alebo opracovanie keramiky je veľmi ťažké a obrábanie poskytuje obmedzený prístup k vyrábaným komponentom.Také prvky, ako sú tenké steny, sa ťažko opracujú.
Lithoz však používa keramickú výrobu založenú na litografii (LCM) na výrobu presných 3D keramických komponentov komplexného tvaru.
Počnúc modelom CAD sa podrobné špecifikácie digitálne prenesú do 3D tlačiarne.Potom naneste presne pripravený keramický prášok na vrch priehľadnej nádoby.Pohyblivá konštrukčná plošina je ponorená do bahna a následne selektívne vystavená viditeľnému svetlu zospodu.Obraz vrstvy je generovaný digitálnym mikrozrkadlovým zariadením (DMD) spojeným s projekčným systémom.Opakovaním tohto procesu možno vrstvu po vrstve vygenerovať trojrozmernú zelenú časť.Po tepelnej dodatočnej úprave sa spojivo odstráni a surové časti sa spekajú-spájajú špeciálnym procesom zahrievania, čím sa získa úplne hustá keramická časť s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a kvalitou povrchu.
Technológia LCM poskytuje inovatívny, nákladovo efektívny a rýchlejší proces investičného odlievania komponentov turbínových motorov, čím sa obchádza nákladná a pracná výroba foriem, ktoré sú potrebné na vstrekovanie a odlievanie strateného vosku.
LCM môže tiež dosiahnuť návrhy, ktoré nemožno dosiahnuť inými metódami, pričom sa používa oveľa menej surovín ako iné metódy.
Napriek veľkému potenciálu keramických materiálov a technológie LCM stále existuje priepasť medzi AM originálnymi výrobcami zariadení (OEM) a leteckými dizajnérmi.
Jedným z dôvodov môže byť odpor voči novým výrobným metódam v odvetviach s obzvlášť prísnymi požiadavkami na bezpečnosť a kvalitu.Letecká výroba si vyžaduje mnoho overovacích a kvalifikačných procesov, ako aj dôkladné a prísne testovanie.
Ďalšou prekážkou je presvedčenie, že 3D tlač je vhodná hlavne na jednorazové rýchle prototypovanie, a nie na čokoľvek, čo sa dá použiť vo vzduchu.Opäť ide o nedorozumenie a 3D tlačené keramické komponenty sa osvedčili v masovej výrobe.
Príkladom je výroba turbínových lopatiek, kde keramický proces AM produkuje monokryštálové (SX) jadrá, ako aj turbínové lopatky zo superzliatiny so smerovým tuhnutím (DS) a rovnoosové odlievanie (EX).Jadrá so zložitými vetvovými štruktúrami, viacnásobnými stenami a zadnými hranami menšími ako 200 μm sa dajú vyrábať rýchlo a ekonomicky a konečné komponenty majú konzistentnú rozmerovú presnosť a vynikajúcu povrchovú úpravu.
Zlepšenie komunikácie môže spojiť leteckých dizajnérov a AM OEM a plne dôverovať keramickým komponentom vyrobeným pomocou LCM a iných technológií.Technológia a odbornosť existujú.Musí zmeniť spôsob myslenia z AM pre výskum a vývoj a prototypovanie a vidieť to ako cestu vpred pre rozsiahle komerčné aplikácie.
Okrem vzdelávania môžu letecké spoločnosti investovať čas aj do personálu, inžinierstva a testovania.Výrobcovia musia poznať rôzne normy a metódy hodnotenia keramiky, nie kovov.Napríklad dve kľúčové normy ASTM spoločnosti Lithoz pre konštrukčnú keramiku sú ASTM C1161 na testovanie pevnosti a ASTM C1421 na testovanie húževnatosti.Tieto normy platia pre keramiku vyrábanú všetkými spôsobmi.Pri výrobe keramických prísad je krok tlače len metódou tvarovania a diely prechádzajú rovnakým typom spekania ako tradičná keramika.Preto bude mikroštruktúra keramických dielov veľmi podobná konvenčnému obrábaniu.
Na základe neustáleho pokroku v oblasti materiálov a technológií môžeme s istotou povedať, že dizajnéri získajú viac údajov.Nové keramické materiály budú vyvinuté a prispôsobené podľa špecifických technických potrieb.Diely vyrobené z AM keramiky dokončia certifikačný proces pre použitie v leteckom a kozmickom priemysle.A poskytne lepšie dizajnérske nástroje, ako napríklad vylepšený modelovací softvér.
Spoluprácou s technickými odborníkmi LCM môžu letecké spoločnosti interne zaviesť AM keramické procesy – skrátenie času, zníženie nákladov a vytvorenie príležitostí pre rozvoj vlastného duševného vlastníctva spoločnosti.S predvídavosťou a dlhodobým plánovaním môžu letecké spoločnosti, ktoré investujú do keramickej technológie, v priebehu nasledujúcich desiatich rokov a neskôr získať značné výhody v celom svojom výrobnom portfóliu.
Vytvorením partnerstva so spoločnosťou AM Ceramics budú výrobcovia originálnych leteckých zariadení vyrábať komponenty, ktoré boli predtým nepredstaviteľné.
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 bude hovoriť o ťažkostiach efektívnej komunikácie o výhodách výroby keramických prísad na výstave Ceramics Expo v Clevelande v štáte Ohio 1. septembra 2021.
Hoci vývoj hypersonických leteckých systémov existuje už desaťročia, teraz sa stal najvyššou prioritou národnej obrany USA, čím sa táto oblasť dostala do stavu rýchleho rastu a zmien.Ako jedinečná multidisciplinárna oblasť je výzvou nájsť odborníkov s potrebnými zručnosťami na podporu jej rozvoja.Ak však nie je dostatok odborníkov, vytvára to medzeru v inováciách, ako je uvedenie dizajnu pre vyrobiteľnosť (DFM) na prvé miesto vo fáze výskumu a vývoja a potom premena na medzeru vo výrobe, keď je príliš neskoro na uskutočnenie nákladovo efektívnych zmien.
Aliancie, ako napríklad novozaložená Univerzitná aliancia pre aplikovanú hypersoniku (UCAH), poskytujú dôležité prostredie na kultiváciu talentov potrebných na napredovanie v tejto oblasti.Študenti môžu priamo spolupracovať s univerzitnými výskumníkmi a odborníkmi z priemyslu na vývoji technológie a pokroku v kritickom hypersonickom výskume.
Hoci UCAH a ďalšie obranné konzorciá oprávnili členov vykonávať rôzne inžinierske práce, je potrebné urobiť viac práce na kultiváciu rôznorodých a skúsených talentov, od dizajnu cez vývoj materiálov a výber až po výrobné dielne.
S cieľom poskytnúť trvalejšiu hodnotu v tejto oblasti musí aliancia univerzít urobiť z rozvoja pracovnej sily prioritu tým, že sa zosúladí s potrebami priemyslu, zapojí členov do výskumu vhodného pre priemysel a investuje do programu.
Pri transformácii hypersonickej technológie do rozsiahlych vyrobiteľných projektov je najväčšou výzvou existujúca medzera v kvalifikácii strojárskej a výrobnej pracovnej sily.Ak skorý výskum neprekročí toto vhodne pomenované údolie smrti – priepasť medzi výskumom a vývojom a výrobou a mnohé ambiciózne projekty zlyhali – potom sme stratili použiteľné a uskutočniteľné riešenie.
Výrobný priemysel v USA môže zrýchliť nadzvukovú rýchlosť, ale riziko zaostávania spočíva v rozširovaní veľkosti pracovnej sily.Vláda a konzorciá pre rozvoj univerzít preto musia spolupracovať s výrobcami, aby tieto plány uviedli do praxe.
Priemysel zažil medzery v zručnostiach od výrobných dielní až po inžinierske laboratóriá – tieto medzery sa budú len prehlbovať s rastom hypersonického trhu.Rozvíjajúce sa technológie si vyžadujú rozvíjajúcu sa pracovnú silu na rozšírenie vedomostí v tejto oblasti.
Hypersonická práca zahŕňa niekoľko rôznych kľúčových oblastí rôznych materiálov a štruktúr a každá oblasť má svoj vlastný súbor technických výziev.Vyžadujú vysokú úroveň podrobných znalostí a ak neexistujú požadované odborné znalosti, môže to vytvárať prekážky vo vývoji a výrobe.Ak nebudeme mať dostatok ľudí na udržanie pracovného miesta, nebude možné držať krok s dopytom po vysokorýchlostnej výrobe.
Potrebujeme napríklad ľudí, ktorí dokážu postaviť konečný produkt.UCAH a ďalšie konzorciá sú nevyhnutné na podporu modernej výroby a zabezpečenie toho, aby boli zahrnutí aj študenti, ktorí sa zaujímajú o úlohu výroby.Vďaka snahám o rozvoj špecializovanej pracovnej sily naprieč jednotlivými funkciami bude odvetvie schopné udržať si konkurenčnú výhodu v nadzvukových letových plánoch v najbližších rokoch.
Založením UCAH vytvára ministerstvo obrany príležitosť na cielenejší prístup k budovaniu spôsobilostí v tejto oblasti.Všetci členovia koalície musia spolupracovať na trénovaní špecializovaných schopností študentov, aby sme mohli vybudovať a udržať dynamiku výskumu a rozšíriť ho tak, aby produkoval výsledky, ktoré naša krajina potrebuje.
Teraz zatvorená NASA Advanced Composites Alliance je príkladom úspešného úsilia o rozvoj pracovnej sily.Jeho efektívnosť je výsledkom spojenia výskumnej a vývojovej práce so záujmami priemyslu, čo umožňuje inováciu rozširovať sa v rámci rozvojového ekosystému.Vedúci predstavitelia odvetvia spolupracovali priamo s NASA a univerzitami na projektoch dva až štyri roky.Všetci členovia získali odborné znalosti a skúsenosti, naučili sa spolupracovať v nekonkurenčnom prostredí a vychovávali študentov vysokých škôl, aby sa rozvíjali, aby v budúcnosti vychovávali kľúčových hráčov v odvetví.
Tento typ rozvoja pracovnej sily vypĺňa medzery v tomto odvetví a poskytuje malým podnikom príležitosti na rýchle inovácie a diverzifikáciu oblasti s cieľom dosiahnuť ďalší rast, ktorý prispieva k iniciatívam národnej bezpečnosti a hospodárskej bezpečnosti USA.
Univerzitné aliancie vrátane UCAH sú dôležitými aktívami v hypersonickej oblasti a obrannom priemysle.Hoci ich výskum podporil vznikajúce inovácie, ich najväčšia hodnota spočíva v ich schopnosti vyškoliť našu ďalšiu generáciu pracovnej sily.Konzorcium teraz musí uprednostniť investície do takýchto plánov.Tým môžu pomôcť podporiť dlhodobý úspech hypersonických inovácií.
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.
Výrobcovia zložitých, vysoko skonštruovaných produktov (ako sú komponenty lietadiel) sa vždy snažia o dokonalosť.Nie je tu priestor na manévrovanie.
Pretože výroba lietadiel je mimoriadne zložitá, výrobcovia musia starostlivo riadiť proces kvality a venovať veľkú pozornosť každému kroku.Vyžaduje si to hlboké pochopenie toho, ako riadiť a prispôsobovať sa dynamickej výrobe, kvalite, bezpečnosti a problémom dodávateľského reťazca a zároveň spĺňať regulačné požiadavky.
Pretože na dodávku vysokokvalitných produktov vplýva veľa faktorov, je náročné riadiť zložité a často sa meniace výrobné zákazky.Proces kvality musí byť dynamický v každom aspekte kontroly a návrhu, výroby a testovania.Vďaka stratégiám Industry 4.0 a moderným výrobným riešeniam sa tieto výzvy v oblasti kvality ľahšie zvládajú a prekonávajú.
Tradičné zameranie leteckej výroby bolo vždy na materiály.Zdrojom väčšiny problémov s kvalitou môže byť krehký lom, korózia, únava kovu alebo iné faktory.Dnešná letecká výroba však zahŕňa pokročilé, špičkovo skonštruované technológie, ktoré využívajú odolné materiály.Tvorba produktov využíva vysoko špecializované a zložité procesy a elektronické systémy.Softvérové ​​riešenia na riadenie všeobecných operácií už nemusia byť schopné riešiť mimoriadne zložité problémy.
Zložitejšie diely je možné zakúpiť v globálnom dodávateľskom reťazci, takže je potrebné viac zvážiť ich integráciu do celého procesu montáže.Neistota prináša nové výzvy pre viditeľnosť dodávateľského reťazca a riadenie kvality.Zabezpečenie kvality toľkých dielov a hotových výrobkov si vyžaduje lepšie a integrovanejšie metódy kvality.
Industry 4.0 predstavuje rozvoj spracovateľského priemyslu a na splnenie prísnych kvalitatívnych požiadaviek sú potrebné stále pokročilejšie technológie.Medzi podporné technológie patrí priemyselný internet vecí (IIoT), digitálne vlákna, rozšírená realita (AR) a prediktívna analytika.
Kvalita 4.0 popisuje metódu kvality výrobného procesu založenú na údajoch, ktorá zahŕňa produkty, procesy, plánovanie, súlad a normy.Je postavená skôr na tradičných metódach kvality, než aby ich nahrádzala, využíva mnoho rovnakých nových technológií ako jeho priemyselné náprotivky, vrátane strojového učenia, pripojených zariadení, cloud computingu a digitálnych dvojčiat na transformáciu pracovného toku organizácie a elimináciu možných chýb produktov alebo procesov.Očakáva sa, že nástup kvality 4.0 ďalej zmení kultúru na pracovisku tým, že sa bude viac spoliehať na údaje a hlbšie využívať kvalitu ako súčasť celkovej metódy tvorby produktu.
Kvalita 4.0 integruje otázky prevádzky a zabezpečenia kvality (QA) od začiatku až po štádium návrhu.To zahŕňa, ako koncipovať a navrhovať produkty.Nedávne výsledky priemyselného prieskumu naznačujú, že väčšina trhov nemá automatizovaný proces prenosu dizajnu.Manuálny proces ponecháva priestor pre chyby, či už ide o internú chybu alebo komunikačný dizajn a zmeny v dodávateľskom reťazci.
Kvalita 4.0 okrem dizajnu využíva aj procesne orientované strojové učenie na zníženie odpadu, zníženie prepracovania a optimalizáciu výrobných parametrov.Okrem toho rieši aj problémy s výkonnosťou produktu po dodaní, využíva spätnú väzbu na mieste na vzdialenú aktualizáciu softvéru produktu, udržiava spokojnosť zákazníkov a v konečnom dôsledku zabezpečuje opakovaný obchod.Stáva sa neodmysliteľným partnerom Industry 4.0.
Kvalita sa však nevzťahuje len na vybrané výrobné linky.Inkluzívnosť kvality 4.0 môže vštepiť komplexný prístup ku kvalite vo výrobných organizáciách, vďaka čomu sa transformačná sila údajov stáva neoddeliteľnou súčasťou podnikového myslenia.Súlad na všetkých úrovniach organizácie prispieva k formovaniu celkovej kultúry kvality.
Žiadny výrobný proces nemôže bežať dokonale na 100 % času.Meniace sa podmienky spúšťajú nepredvídané udalosti, ktoré si vyžadujú nápravu.Tí, ktorí majú skúsenosti s kvalitou, chápu, že je to všetko o procese smerovania k dokonalosti.Ako zabezpečíte, aby bola kvalita začlenená do procesu s cieľom odhaliť problémy čo najskôr?Čo urobíte, keď zistíte poruchu?Existujú nejaké vonkajšie faktory, ktoré spôsobujú tento problém?Aké zmeny môžete vykonať v pláne inšpekcií alebo v testovacom postupe, aby ste zabránili opätovnému výskytu tohto problému?
Zaviesť mentalitu, že každý výrobný proces má súvisiaci a súvisiaci proces kvality.Predstavte si budúcnosť, kde bude vzťah jeden k jednému a neustále merajte kvalitu.Bez ohľadu na to, čo sa stane náhodne, je možné dosiahnuť dokonalú kvalitu.Každé pracovné stredisko denne prehodnocuje ukazovatele a kľúčové ukazovatele výkonnosti (KPI), aby identifikovalo oblasti na zlepšenie skôr, ako sa vyskytnú problémy.
V tomto systéme s uzavretou slučkou má každý výrobný proces vyvodenie kvality, ktoré poskytuje spätnú väzbu na zastavenie procesu, umožnenie pokračovania procesu alebo vykonanie úprav v reálnom čase.Systém nie je ovplyvnený únavou ani ľudskou chybou.Systém kvality s uzavretou slučkou navrhnutý pre výrobu lietadiel je nevyhnutný na dosiahnutie vyššej úrovne kvality, skrátenie doby cyklu a zabezpečenie súladu s normami AS9100.
Pred desiatimi rokmi bola myšlienka zamerať sa QA na dizajn produktov, prieskum trhu, dodávateľov, produktové služby alebo iné faktory, ktoré ovplyvňujú spokojnosť zákazníkov, nemožná.Rozumie sa, že dizajn produktu pochádza od vyššej autority;kvalita je o realizácii týchto návrhov na montážnej linke bez ohľadu na ich nedostatky.
Dnes mnohé firmy prehodnocujú spôsob podnikania.Status quo v roku 2018 už možno nebude možný.Čoraz viac výrobcov je čoraz múdrejších.K dispozícii je viac znalostí, čo znamená lepšiu inteligenciu na vytvorenie správneho produktu hneď na prvýkrát, s vyššou účinnosťou a výkonom.