Podľa spoločnosti SmarTech, konzultačnej spoločnosti zameranej na výrobné technológie, je letecký priemysel druhým najväčším odvetvím, ktorému slúži aditívna výroba (AM), hneď po medicíne. Stále však chýba povedomie o potenciáli aditívnej výroby keramických materiálov pri rýchlej výrobe leteckých komponentov, zvýšenej flexibilite a nákladovej efektívnosti. AM dokáže vyrábať pevnejšie a ľahšie keramické diely rýchlejšie a udržateľnejšie, čím sa znižujú náklady na pracovnú silu, minimalizuje manuálna montáž a zlepšuje sa efektivita a výkon prostredníctvom návrhu 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. V skutočnosti aditívna keramika produkuje ľahšie a jemnejšie súčiastky s veľkou štrukturálnou pevnosťou, húževnatosťou a odolnosťou voči širokému teplotnému rozsahu. Progresívne spoločnosti sa obracajú na keramické výrobné komponenty vrátane trysiek a vrtúľ, elektrických izolátorov a lopatiek turbín.
Napríklad vysoko čistý oxid hlinitý má vysokú tvrdosť a silnú odolnosť proti korózii a teplotný rozsah. Súčiastky vyrobené z oxidu hlinitého sú tiež elektricky izolačné pri vysokých teplotách bežných v leteckých a kozmických systémoch.
Keramika na báze oxidu zirkoničitého dokáže splniť mnoho požiadaviek na materiál a vysoké mechanické namáhanie, ako napríklad pri výrobe vysokokvalitných kovových výliskov, ventilov a ložísk. Keramika z nitridu kremíka má vysokú pevnosť, vysokú húževnatosť a vynikajúcu odolnosť voči tepelným nárazom, ako aj dobrú chemickú odolnosť voči korózii spôsobenej rôznymi kyselinami, zásadami a roztavenými kovmi. Nitrid kremíka sa používa na výrobu izolátorov, obežných kolies a vysokoteplotných nízkodielektrických antén.
Kompozitná keramika poskytuje niekoľko žiaducich vlastností. Keramika na báze kremíka s pridaným oxidom hlinitým a zirkónom sa osvedčila pri výrobe monokryštálových odliatkov pre lopatky turbín. Je to preto, že keramické jadro vyrobené z tohto materiálu má veľmi nízku tepelnú rozťažnosť až do 1 500 °C, vysokú pórovitosť, vynikajúcu kvalitu povrchu a dobrú vylúhovateľnosť. Tlačou týchto jadier možno vytvoriť konštrukcie turbín, ktoré odolávajú vyšším prevádzkovým teplotám a zvyšujú účinnosť motora.
Je dobre známe, že vstrekovanie alebo obrábanie keramiky je veľmi náročné a obrábanie poskytuje obmedzený prístup k vyrábaným súčiastkam. Prvky, ako sú tenké steny, sa tiež ťažko obrábajú.
Spoločnosť Lithoz však na výrobu presných, zložito tvarovaných 3D keramických komponentov využíva keramickú výrobu založenú na litografii (LCM).
Vychádzajúc z CAD modelu sa podrobné špecifikácie digitálne prenesú do 3D tlačiarne. Následne sa na vrch priehľadnej vane nanesie presne formulovaný keramický prášok. Pohyblivá stavebná plošina sa ponorí do bahna a potom sa selektívne vystaví viditeľnému svetlu zospodu. Obraz vrstvy sa generuje digitálnym mikrozrkadlovým zariadením (DMD) spojeným s projekčným systémom. Opakovaním tohto procesu je možné vrstvu po vrstve generovať trojrozmerný zelený diel. Po tepelnej následnej úprave sa spojivo odstráni a zelené diely sa spekajú – spoja špeciálnym procesom ohrevu – čím sa vytvorí úplne hustý keramický diel s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a kvalitou povrchu.
Technológia LCM poskytuje inovatívny, nákladovo efektívny a rýchlejší proces odlievania komponentov turbínových motorov metódou vytaviteľného liatia – obchádza tak drahú a prácnu výrobu foriem potrebnú na vstrekovanie plastov a odlievanie metódou vytopeného vosku.
LCM dokáže dosiahnuť aj návrhy, ktoré nie je možné dosiahnuť inými metódami, a to pri použití oveľa menšieho množstva surovín ako iné metódy.
Napriek veľkému potenciálu keramických materiálov a technológie LCM stále existuje priepasť medzi výrobcami originálnych zariadení (OEM) pre aditívny priebeh a konštruktérmi v leteckom priemysle.
Jedným z dôvodov môže byť odpor voči novým výrobným metódam v odvetviach s obzvlášť prísnymi požiadavkami na bezpečnosť a kvalitu. Výroba v leteckom priemysle si vyžaduje mnoho overovacích a kvalifikačných procesov, ako aj dôkladné a prísne testovanie.
Ďalšou prekážkou je presvedčenie, že 3D tlač je vhodná najmä na jednorazové rýchle prototypovanie a nie na čokoľvek, čo sa dá použiť vo vzduchu. Opäť ide o nedorozumenie a 3D tlačené keramické komponenty sa preukázateľne používajú v hromadnej výrobe.
Príkladom je výroba lopatiek turbín, kde keramický proces AM vyrába jadrá z monokryštálov (SX), ako aj lopatky turbín zo superzliatin s metódou smerového tuhnutia (DS) a rovnomerného odlievania (EX). Jadrá so zložitými štruktúrami vetiev, viacerými stenami a odtokovými hranami menšími ako 200 μm je možné vyrobiť rýchlo a ekonomicky a finálne komponenty majú konzistentnú rozmerovú presnosť a vynikajúcu povrchovú úpravu.
Zlepšenie komunikácie môže spojiť leteckých dizajnérov a výrobcov originálnych dielov v oblasti aditívneho spracovania (AM) a plne dôverovať keramickým komponentom vyrobeným pomocou LCM a iných technológií. Technológia a odborné znalosti existujú. Je potrebné zmeniť spôsob myslenia od aditívneho spracovania k výskumu, vývoju a prototypovaniu a vnímať ho ako cestu vpred pre rozsiahle komerčné aplikácie.
Okrem vzdelávania môžu letecké spoločnosti investovať čas aj do personálu, inžinierstva a testovania. Výrobcovia musia byť oboznámení s rôznymi normami a metódami na hodnotenie keramiky, nie kovov. Napríklad dve kľúčové normy ASTM spoločnosti Lithoz pre štrukturálnu keramiku sú ASTM C1161 pre testovanie pevnosti a ASTM C1421 pre testovanie húževnatosti. Tieto normy sa vzťahujú na keramiku vyrobenú všetkými metódami. Pri aditívnej výrobe keramiky je krok tlače iba metódou tvarovania a diely prechádzajú rovnakým typom spekania ako tradičná keramika. Preto bude mikroštruktúra keramických dielov veľmi podobná konvenčnému obrábaniu.
Vďaka neustálemu pokroku v materiáloch a technológiách môžeme s istotou povedať, že dizajnéri získajú viac údajov. Nové keramické materiály budú vyvíjané a prispôsobované podľa špecifických inžinierskych potrieb. Súčiastky vyrobené z aditívnej keramiky absolvujú proces certifikácie pre použitie v leteckom priemysle. A poskytnú lepšie konštrukčné nástroje, ako napríklad vylepšený modelovací softvér.
Spoluprácou s technickými expertmi v oblasti LCM môžu letecké a kozmické spoločnosti interne zaviesť procesy aditívneho spracovania keramiky, čím sa skracuje čas, znižujú náklady a vytvárajú príležitosti pre rozvoj vlastného duševného vlastníctva spoločnosti. Vďaka predvídavosti a dlhodobému plánovaniu môžu letecké a kozmické spoločnosti, ktoré investujú do keramických technológií, v nasledujúcich desiatich rokoch a neskôr získať významné výhody v celom svojom výrobnom portfóliu.
Vytvorením partnerstva so spoločnosťou AM Ceramics budú výrobcovia originálnych zariadení pre letecký priemysel 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 1. septembra 2021 na výstave Ceramics Expo v Clevelande v štáte Ohio hovoriť o ťažkostiach s efektívnou komunikáciou výhod aditívnej výroby keramiky.
Hoci vývoj hypersonických letových systémov existuje už desaťročia, v súčasnosti sa stal najvyššou prioritou národnej obrany USA, čo túto oblasť priviedlo do stavu rýchleho rastu a zmien. Keďže ide o jedinečnú multidisciplinárnu oblasť, výzvou je nájsť odborníkov s potrebnými zručnosťami na podporu jej rozvoja. Keď však nie je dostatok odborníkov, vytvára sa inovačná medzera, napríklad návrh pre vyrobiteľnosť (DFM) sa najprv umiestni vo fáze výskumu a vývoja a potom sa zmení na výrobnú medzeru, keď je už neskoro na vykonanie nákladovo efektívnych zmien.
Aliancie, ako napríklad novozaložená Univerzitná aliancia pre aplikovanú hypersoniku (UCAH), poskytujú dôležité prostredie pre rozvoj talentov potrebných na rozvoj tejto oblasti. Študenti môžu priamo spolupracovať s univerzitnými výskumníkmi a odborníkmi z priemyslu na vývoji technológií a podpore kritického výskumu hypersoniky.
Hoci UCAH a ďalšie obranné konzorciá povoľovali členom vykonávať rôzne inžinierske práce, je potrebné vynaložiť viac úsilia na pestovanie rozmanitých a skúsených talentov, od návrhu cez vývoj a výber materiálov až po výrobné dielne.
Aby aliancia univerzít zabezpečila trvalejšiu hodnotu v tejto oblasti, musí prioritou byť rozvoj pracovnej sily, a to zosúladením sa s potrebami priemyslu, zapojením členov do výskumu vhodného pre dané odvetvie a investovaním do programu.
Pri transformácii hypersonickej technológie do rozsiahlych vyrobiteľných projektov je najväčšou výzvou existujúca medzera v zručnostiach inžinierskej a výrobnej pracovnej sily. Ak skorý výskum neprekoná toto výstižne pomenované údolie smrti – priepasť medzi výskumom a vývojom a výrobou, a ak mnohé ambiciózne projekty zlyhajú – stratíme použiteľné a realizovateľné riešenie.
Americký výrobný priemysel môže zrýchliť nadzvukovú rýchlosť, ale riziko zaostávania spočíva v náraste počtu pracovných síl. Preto musia vládne a univerzitné vývojové konzorciá spolupracovať s výrobcami, aby tieto plány uviedli do praxe.
Toto odvetvie má nedostatky v zručnostiach od výrobných dielní až po inžinierske laboratóriá – tieto rozdiely sa budú s rastom trhu s hypersonickou technikou len zväčšovať. Nové technológie si vyžadujú rozvíjajúcu sa pracovnú silu na rozšírenie vedomostí v tejto oblasti.
Práca v oblasti hypersonických technológií zahŕňa niekoľko kľúčových oblastí s rôznymi materiálmi a štruktúrami a každá oblasť má svoj vlastný súbor technických výziev. Vyžadujú si vysokú úroveň detailných znalostí a ak neexistujú potrebné odborné znalosti, môže to vytvoriť prekážky pre vývoj a výrobu. Ak nebudeme mať dostatok ľudí na udržanie tejto práce, nebude možné držať krok s dopytom po vysokorýchlostnej výrobe.
Napríklad potrebujeme ľudí, ktorí dokážu zostaviť finálny produkt. UCAH a ďalšie konzorciá sú nevyhnutné na podporu modernej výroby a zabezpečenie zapojenia študentov, ktorí sa zaujímajú o úlohu výroby. Prostredníctvom medzifunkčného úsilia o rozvoj špecializovanej pracovnej sily si bude priemysel schopný udržať konkurenčnú výhodu v oblasti hypersonických letových plánov v najbližších rokoch.
Zriadením UCAH vytvára Ministerstvo obrany príležitosť prijať cielenejší prístup k budovaniu kapacít v tejto oblasti. Všetci členovia koalície musia spolupracovať na školení študentov v oblasti špecializovaných kapacít, aby sme mohli budovať a udržiavať dynamiku výskumu a rozširovať ho s cieľom dosiahnuť výsledky, ktoré naša krajina potrebuje.
Teraz už uzavretá aliancia NASA Advanced Composites Alliance je príkladom úspešného úsilia o rozvoj pracovnej sily. Jej efektívnosť je výsledkom kombinácie výskumu a vývoja so záujmami priemyslu, čo umožňuje rozširovanie inovácií v celom vývojovom ekosystéme. Lídri v tomto odvetví spolupracovali priamo s NASA a univerzitami na projektoch dva až štyri roky. Všetci členovia si získali odborné znalosti a skúsenosti, naučili sa spolupracovať v nekonkurenčnom prostredí a vychovávali vysokoškolských študentov, aby sa rozvíjali a v budúcnosti vychovávali kľúčových hráčov v priemysle.
Tento typ rozvoja pracovnej sily vypĺňa medzery v odvetví a poskytuje malým podnikom príležitosti na rýchlu inováciu a diverzifikáciu oblasti s cieľom dosiahnuť ďalší rast, ktorý prispieva k iniciatívam v oblasti národnej bezpečnosti a hospodárskej bezpečnosti USA.
Univerzitné aliancie vrátane UCAH sú dôležitými aktívami v oblasti hypersonických technológií a obranného priemyslu. Hoci ich výskum podporil vznikajúce inovácie, ich najväčšia hodnota spočíva v schopnosti vyškoliť našu ďalšiu generáciu pracovnej sily. Konzorcium teraz musí uprednostniť investície do takýchto plánov. Týmto spôsobom 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 technicky vyspelých produktov (ako sú napríklad komponenty lietadiel) sa vždy zaväzujú k dokonalosti. Nemá žiadny priestor na manévrovanie.
Keďže výroba lietadiel je mimoriadne zložitá, výrobcovia musia starostlivo riadiť proces kvality a venovať veľkú pozornosť každému kroku. To si vyžaduje dôkladné pochopenie toho, ako riadiť a prispôsobovať sa dynamickým problémom výroby, kvality, bezpečnosti a dodávateľského reťazca a zároveň spĺňať regulačné požiadavky.
Keďže dodávku vysokokvalitných produktov ovplyvňuje mnoho faktorov, je ťažké riadiť zložité a často sa meniace výrobné objednávky. Proces kvality musí byť dynamický v každom aspekte kontroly a návrhu, výroby a testovania. Vďaka stratégiám Priemyslu 4.0 a moderným výrobným riešeniam sa tieto výzvy v oblasti kvality stali ľahšie zvládnuteľnými a prekonateľnými.
Tradičné zameranie výroby lietadiel bolo vždy na materiáloch. Zdrojom väčšiny problémov s kvalitou môže byť krehký lom, korózia, únava kovu alebo iné faktory. Dnešná výroba lietadiel však zahŕňa pokročilé, vysoko technické technológie, ktoré využívajú odolné materiály. Výroba produktov využíva vysoko špecializované a zložité procesy a elektronické systémy. Softvérové ​​riešenia pre všeobecné riadenie prevádzky už nemusia byť schopné riešiť extrémne zložité problémy.
Zložitejšie súčiastky je možné zakúpiť z globálneho dodávateľského reťazca, preto je potrebné venovať väčšiu pozornosť ich integrácii do celého procesu montáže. Neistota prináša nové výzvy, pokiaľ ide o prehľadnosť dodávateľského reťazca a riadenie kvality. Zabezpečenie kvality toľkých súčiastok a hotových výrobkov si vyžaduje lepšie a integrovanejšie metódy kontroly kvality.
Priemysel 4.0 predstavuje rozvoj výrobného priemyslu a na splnenie prísnych požiadaviek na kvalitu je potrebných čoraz pokročilejších technológií. Medzi podporné technológie patrí priemyselný internet vecí (IIoT), digitálne vlákna, rozšírená realita (AR) a prediktívna analytika.
Kvalita 4.0 opisuje metódu kvality výrobného procesu riadenú dátami, ktorá zahŕňa produkty, procesy, plánovanie, dodržiavanie predpisov a normy. Je postavená na tradičných metódach kvality, nie nahrádza ich, a využíva mnoho rovnakých nových technológií ako jej priemyselné náprotivky, vrátane strojového učenia, pripojených zariadení, cloud computingu a digitálnych dvojčiat s cieľom transformovať pracovný postup organizácie a eliminovať možné chyby produktov alebo procesov. Očakáva sa, že vznik Kvality 4.0 ďalej zmení kultúru na pracovisku zvýšením spoliehania sa na údaje a hlbším využívaním kvality ako súčasti celkovej metódy tvorby produktu.
Kvalita 4.0 integruje prevádzkové otázky a otázky zabezpečenia kvality (QA) od začiatku až po fázu návrhu. To zahŕňa aj to, ako konceptualizovať a navrhovať produkty. Výsledky nedávneho prieskumu v tomto odvetví naznačujú, že väčšina trhov nemá automatizovaný proces prenosu návrhu. Manuálny proces necháva priestor pre chyby, či už ide o internú chybu alebo o komunikáciu návrhu a zmien v dodávateľskom reťazci.
Okrem dizajnu využíva Quality 4.0 aj procesne orientované strojové učenie na zníženie odpadu, zníženie prepracovania a optimalizáciu výrobných parametrov. Okrem toho rieši aj problémy s výkonom produktu po dodaní, využíva spätnú väzbu na mieste na vzdialenú aktualizáciu softvéru produktu, udržiava spokojnosť zákazníkov a v konečnom dôsledku zabezpečuje opakované obchody. Stáva sa neoddeliteľným partnerom Industry 4.0.
Kvalita sa však nevzťahuje len na vybrané výrobné články. Inkluzívnosť Kvality 4.0 môže vniesť do výrobných organizácií komplexný prístup ku kvalite, čím sa transformačná sila údajov stane neoddeliteľnou súčasťou podnikového myslenia. Dodržiavanie predpisov na všetkých úrovniach organizácie prispieva k formovaniu celkovej kultúry kvality.
Žiadny výrobný proces nemôže prebiehať dokonale 100 % času. Meniace sa podmienky spúšťajú nepredvídané udalosti, ktoré si vyžadujú nápravu. Tí, ktorí majú skúsenosti s kvalitou, chápu, že ide o proces smerovania k dokonalosti. Ako zabezpečíte, aby bola kvalita začlenená do procesu, aby sa problémy odhalili čo najskôr? Čo urobíte, keď nájdete chybu? Spôsobujú tento problém nejaké vonkajšie faktory? Aké zmeny môžete vykonať v pláne kontroly alebo testovacom postupe, aby ste predišli opakovaniu tohto problému?
Vytvorte si predstavu, že každý výrobný proces má súvisiaci proces kvality. Predstavte si budúcnosť, v ktorej existuje vzťah jedna k jednej a neustále sa meria kvalita. Bez ohľadu na to, čo sa deje náhodne, možno dosiahnuť dokonalú kvalitu. Každé pracovisko denne kontroluje ukazovatele a kľúčové ukazovatele výkonnosti (KPI), aby identifikovalo oblasti na zlepšenie skôr, ako sa vyskytnú problémy.
V tomto uzavretom systéme má každý výrobný proces inferenciu kvality, ktorá poskytuje spätnú väzbu na zastavenie procesu, umožnenie jeho pokračovania alebo vykonanie úprav v reálnom čase. Systém nie je ovplyvnený únavou ani ľudskou chybou. Uzavretý systém kvality určený pre výrobu lietadiel je nevyhnutný na dosiahnutie vyššej úrovne kvality, skrátenie doby cyklov a zabezpečenie súladu s normami AS9100.
Pred desiatimi rokmi bola myšlienka zamerať sa na QA na dizajn produktu, prieskum trhu, dodávateľov, produktové služby alebo iné faktory, ktoré ovplyvňujú spokojnosť zákazníkov, nemožná. Dizajn produktu sa chápe ako niečo, čo pochádza od vyššej autority; kvalita sa týka realizácie týchto návrhov na montážnej linke bez ohľadu na ich nedostatky.
Dnes mnoho spoločností prehodnocuje spôsob podnikania. Status quo z roku 2018 už nemusí byť možný. Čoraz viac výrobcov sa stáva inteligentnejšími. K dispozícii je viac vedomostí, čo znamená lepšiu inteligenciu na výrobu správneho produktu hneď na prvýkrát s vyššou účinnosťou a výkonom.