Valmistusteknologiakonsultointiyritys SmarTechin mukaan ilmailu- ja avaruusteollisuudessa lisäaineiden valmistus (AM) on toiseksi suurin teollisuudenala lääketieteen jälkeen. Keraamisten materiaalien lisäaineiden valmistuksen potentiaalista ilmailu- ja avaruuskomponenttien nopeassa valmistuksessa, joustavuuden lisäämisessä ja kustannustehokkuudessa ei kuitenkaan vieläkään tiedetä riittävästi. AM-menetelmällä voidaan tuottaa vahvempia ja kevyempiä keraamisia osia nopeammin ja kestävämmin, mikä vähentää työvoimakustannuksia, minimoi manuaalisen kokoonpanon ja parantaa tehokkuutta ja suorituskykyä mallinnuksen avulla kehitetyn suunnittelun avulla, mikä vähentää lentokoneen painoa. Lisäksi lisäaineiden valmistuksen keraamiteknologia mahdollistaa valmiiden osien mittahallinnan alle 100 mikronin ominaisuuksille.
Sana keraaminen saattaa kuitenkin tuoda mieleen harhaluuloja hauraudesta. Itse asiassa lisäainevalmisteiset keramiikat tuottavat kevyempiä ja hienompia osia, joilla on suuri rakenteellinen lujuus, sitkeys ja kestävyys laajalla lämpötila-alueella. Tulevaisuuteen suuntautuvat yritykset ovat siirtymässä keraamisten valmistuskomponenttien, kuten suuttimien ja potkurien, sähköeristeiden ja turbiinin siipien, puoleen.
Esimerkiksi erittäin puhtaalla alumiinioksidilla on korkea kovuus, ja sillä on vahva korroosionkestävyys ja lämpötila-alue. Alumiinioksidista valmistetut komponentit ovat myös sähköä eristäviä ilmailu- ja avaruusjärjestelmissä yleisissä korkeissa lämpötiloissa.
Zirkoniumoksidipohjaiset keramiikat soveltuvat moniin sovelluksiin, joissa on äärimmäiset materiaalivaatimukset ja suuri mekaaninen rasitus, kuten korkealaatuisten metallien muovaus, venttiilit ja laakerit. Piinitridikeramiikalla on korkea lujuus, korkea sitkeys ja erinomainen lämmönshokkien kestävyys, samoin kuin hyvä kemiallinen kestävyys erilaisten happojen, emästen ja sulien metallien korroosiolle. Piinitridiä käytetään eristeissä, juoksupyörissä ja korkean lämpötilan matalan dielektrisyyden antenneissa.
Komposiittikeraamit tarjoavat useita toivottuja ominaisuuksia. Piipohjaiset keramit, joihin on lisätty alumiinioksidia ja zirkonia, ovat osoittautuneet hyvin toimiviksi turbiinien lapojen yksikiteisten valukappaleiden valmistuksessa. Tämä johtuu siitä, että tästä materiaalista valmistetulla keraamisella ytimellä on erittäin alhainen lämpölaajeneminen jopa 1 500 °C:seen asti, korkea huokoisuus, erinomainen pinnanlaatu ja hyvä liukenevuus. Näiden ytimien tulostaminen voi tuottaa turbiinirakenteita, jotka kestävät korkeampia käyttölämpötiloja ja lisäävät moottorin hyötysuhdetta.
On hyvin tunnettua, että keraamien ruiskupuristus tai työstö on erittäin vaikeaa, ja työstö tarjoaa rajoitetun pääsyn valmistettaviin komponentteihin. Myös esimerkiksi ohuiden seinämien työstäminen on vaikeaa.
Lithoz käyttää kuitenkin litografiaan perustuvaa keraamista valmistusta (LCM) tarkkojen, monimutkaisen muotoisten 3D-keraamisten komponenttien valmistukseen.
CAD-mallista alkaen yksityiskohtaiset tiedot siirretään digitaalisesti 3D-tulostimeen. Sitten tarkasti koostettu keraaminen jauhe levitetään läpinäkyvän altaan päälle. Liikkuva rakennusalusta upotetaan mutaan ja altistetaan sitten valikoivasti näkyvälle valolle alhaalta. Kerroskuva luodaan digitaalisella mikropeililaitteella (DMD) yhdessä projektiojärjestelmän kanssa. Toistamalla tätä prosessia voidaan luoda kolmiulotteinen vihreä osa kerros kerrokselta. Lämpökäsittelyn jälkeen sideaine poistetaan ja vihreät osat sintrataan – yhdistetään erityisellä lämmitysprosessilla – täysin tiiviin keraamisen osan tuottamiseksi, jolla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja pinnanlaatu.
LCM-teknologia tarjoaa innovatiivisen, kustannustehokkaan ja nopeamman prosessin turbiinimoottorin osien tarkkuusvaluun – ohittaen ruiskuvaluun ja vahavaluon vaadittavan kalliin ja työlään muotinvalmistuksen.
LCM:llä voidaan myös saavuttaa malleja, joita ei voida saavuttaa muilla menetelmillä, ja samalla käytetään paljon vähemmän raaka-aineita kuin muilla menetelmillä.
Keraamisten materiaalien ja LCM-teknologian suuresta potentiaalista huolimatta AM-laitteiden alkuperäisvalmistajien (OEM) ja ilmailualan suunnittelijoiden välillä on edelleen kuilu.
Yksi syy voi olla vastustus uusia valmistusmenetelmiä kohtaan toimialoilla, joilla on erityisen tiukat turvallisuus- ja laatuvaatimukset. Ilmailu- ja avaruusteollisuuden valmistus vaatii monia varmennus- ja pätevöintiprosesseja sekä perusteellista ja tiukkaa testausta.
Toinen este on uskomus, että 3D-tulostus soveltuu pääasiassa vain kertakäyttöiseen nopeaan prototyyppien valmistukseen, eikä mihinkään, mitä voidaan ottaa käyttöön ilmassa. Jälleen kerran tämä on väärinkäsitys, ja 3D-tulostettujen keraamisten komponenttien on osoitettu soveltuvan massatuotantoon.
Esimerkkinä tästä on turbiinin lapojen valmistus, jossa AM-keraaminen prosessi tuottaa yksikiteisiä (SX) ytimiä sekä suuntaamalla jähmettyviä (DS) ja tasa-akselivalettuja (EX) superseosturbiinin lapoja. Monimutkaisilla haararakenteilla, useilla seinämillä ja alle 200 μm:n takareunoilla varustettuja ytimiä voidaan valmistaa nopeasti ja taloudellisesti, ja lopullisilla komponenteilla on tasainen mittatarkkuus ja erinomainen pinnanlaatu.
Viestinnän parantaminen voi yhdistää ilmailualan suunnittelijoita ja lisätuotantolaitteiden valmistajia (AM) ja auttaa luottamaan täysin LCM:llä ja muilla tekniikoilla valmistettuihin keraamisiin komponentteihin. Teknologiaa ja asiantuntemusta on jo olemassa. Sen on muutettava ajattelutapaa AM-tuotannosta tutkimus- ja kehitystyöhön sekä prototyyppien valmistukseen ja nähtävä se tienä eteenpäin laajamittaisissa kaupallisissa sovelluksissa.
Koulutuksen lisäksi ilmailualan yritykset voivat investoida aikaa henkilöstöön, suunnitteluun ja testaukseen. Valmistajien on tunnettava erilaiset standardit ja menetelmät keraamien, ei metallien, arvioimiseksi. Esimerkiksi Lithozin kaksi keskeistä ASTM-standardia rakennekeraamille ovat ASTM C1161 lujuustestausta varten ja ASTM C1421 sitkeystestausta varten. Nämä standardit koskevat kaikilla menetelmillä valmistettuja keraamisia osia. Keraamien lisäainevalmistuksessa painatusvaihe on vain muovausmenetelmä, ja osat läpikäyvät samanlaisen sintrauksen kuin perinteiset keraamit. Siksi keraamisten osien mikrorakenne on hyvin samanlainen kuin perinteisessä koneistuksessa.
Materiaalien ja teknologian jatkuvan kehityksen ansiosta voimme luottavaisin mielin sanoa, että suunnittelijat saavat lisää tietoa. Uusia keraamisia materiaaleja kehitetään ja räätälöidään erityisten suunnittelutarpeiden mukaan. AM-keraamista valmistetut osat läpäisevät sertifiointiprosessin ilmailu- ja avaruusteollisuuden käyttöön. Lisäksi ne tarjoavat parempia suunnittelutyökaluja, kuten paremman mallinnusohjelmiston.
Yhteistyössä LCM-teknisten asiantuntijoiden kanssa ilmailualan yritykset voivat ottaa käyttöön AM-keraamiprosesseja sisäisesti – lyhentämällä aikaa, vähentämällä kustannuksia ja luomalla mahdollisuuksia yrityksen oman immateriaalioikeuden kehittämiseen. Ennakoinnilla ja pitkän aikavälin suunnittelulla keraamiseen teknologiaan investoivat ilmailualan yritykset voivat hyötyä merkittävistä eduista koko tuotantoportfoliossaan seuraavien kymmenen vuoden aikana ja sen jälkeen.
Solmimalla kumppanuuden AM Ceramicsin kanssa ilmailu- ja avaruusteollisuuden alkuperäislaitteiden valmistajat voivat tuottaa komponentteja, jotka olivat aiemmin mahdottomia kuvitella.
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 puhuu keraamisen lisäainevalmistuksen etujen tehokkaan viestinnän vaikeuksista Ceramics Expo -messuilla Clevelandissa, Ohiossa 1. syyskuuta 2021.
Vaikka hyperäänilentojärjestelmien kehitys on ollut olemassa jo vuosikymmeniä, siitä on nyt tullut Yhdysvaltain kansallisen puolustuksen tärkein prioriteetti, mikä on tuonut alan nopean kasvun ja muutoksen tilaan. Ainutlaatuisena monitieteisenä alana haasteena on löytää asiantuntijoita, joilla on tarvittavat taidot sen kehityksen edistämiseksi. Kun asiantuntijoita ei kuitenkaan ole tarpeeksi, se luo innovaatiokuilua, kuten valmistettavuussuunnittelun (DFM) asettamisen etusijalle tutkimus- ja kehitysvaiheessa, ja sitten, kun on liian myöhäistä tehdä kustannustehokkaita muutoksia, se muuttuu valmistuskuiluksi.
Allianssit, kuten äskettäin perustettu University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), tarjoavat tärkeän ympäristön alan edistämiseen tarvittavien kykyjen kehittämiselle. Opiskelijat voivat työskennellä suoraan yliopistotutkijoiden ja alan ammattilaisten kanssa teknologian kehittämiseksi ja kriittisen hyperäänitutkimuksen edistämiseksi.
Vaikka UCAH ja muut puolustusalan konsortiot valtuuttivat jäsenensä osallistumaan erilaisiin insinööritehtäviin, monimuotoisten ja kokeneiden kykyjen kehittämiseksi on tehtävä enemmän työtä suunnittelusta materiaalien kehittämiseen ja valintaan sekä valmistuspajoihin.
Jotta alalla voitaisiin tarjota kestävämpää arvoa, yliopistoallianssin on asetettava työvoiman kehittäminen etusijalle mukauttamalla toimintaansa teollisuuden tarpeisiin, ottamalla jäseniä mukaan alan tarpeisiin soveltuvaan tutkimukseen ja investoimalla ohjelmaan.
Kun hyperääniteknologiaa muutetaan laajamittaisiksi valmistettaviksi projekteiksi, suurin haaste on olemassa oleva suunnittelun ja valmistuksen työvoiman osaamisvaje. Jos varhainen tutkimus ei ylitä tätä osuvasti nimettyä kuolemanlaaksoa – kuilua tutkimus- ja kehitystoiminnan sekä valmistuksen välillä, ja monet kunnianhimoiset projektit ovat epäonnistuneet – olemme menettäneet sovellettavan ja toteuttamiskelpoisen ratkaisun.
Yhdysvaltain teollisuus voi kiihdyttää yliääninopeutta, mutta työvoiman koon kasvattaminen vastaamaan vauhtia on riski jäädä jälkeen. Siksi hallituksen ja yliopistojen kehityskonsortioiden on tehtävä yhteistyötä valmistajien kanssa näiden suunnitelmien toteuttamiseksi.
Alalla on ollut osaamisvajetta tuotantopajoista insinöörilaboratorioihin – nämä vajeet vain kasvavat hyperäänimarkkinoiden kasvaessa. Uudet teknologiat vaativat kehittyvää työvoimaa alan tiedon laajentamiseksi.
Hypersoninen työ kattaa useita eri avainalueita, joissa käsitellään erilaisia ​​materiaaleja ja rakenteita, ja jokaisella alueella on omat tekniset haasteensa. Ne vaativat korkeatasoista yksityiskohtaista tietämystä, ja jos tarvittavaa asiantuntemusta ei ole, se voi luoda esteitä kehitykselle ja tuotannolle. Jos meillä ei ole tarpeeksi ihmisiä ylläpitämään työtä, on mahdotonta pysyä nopean tuotannon kysynnän vauhdissa.
Tarvitsemme esimerkiksi ihmisiä, jotka osaavat rakentaa lopputuotteen. UCAH ja muut konsortiot ovat välttämättömiä modernin valmistuksen edistämiseksi ja sen varmistamiseksi, että valmistuksen roolista kiinnostuneet opiskelijat ovat mukana. Monialaisten, omistautuneiden työvoiman kehittämistoimien avulla ala pystyy säilyttämään kilpailuedun hyperäänilentosuunnitelmissa seuraavien vuosien aikana.
Perustamalla UCAH:n puolustusministeriö luo mahdollisuuden omaksua kohdennetumman lähestymistavan osaamisen kehittämiseen tällä alueella. Kaikkien koalition jäsenten on työskenneltävä yhdessä kouluttaakseen opiskelijoiden erityisosaamista, jotta voimme rakentaa ja ylläpitää tutkimuksen vauhtia ja laajentaa sitä tuottaaksemme maamme tarvitsemia tuloksia.
Nyt suljettu NASA Advanced Composites Alliance on esimerkki onnistuneesta työvoiman kehittämishankkeesta. Sen tehokkuus on seurausta tutkimus- ja kehitystyön yhdistämisestä teollisuuden etuihin, mikä mahdollistaa innovaatioiden laajenemisen koko kehitysekosysteemissä. Alan johtajat ovat työskennelleet suoraan NASAn ja yliopistojen kanssa projekteissa kahdesta neljään vuotta. Kaikki jäsenet ovat kehittäneet ammatillista tietämystä ja kokemusta, oppineet tekemään yhteistyötä kilpailuttomassa ympäristössä ja tukeneet korkeakouluopiskelijoita kehittymään ja tukemaan alan keskeisiä toimijoita tulevaisuudessa.
Tämäntyyppinen työvoiman kehittäminen täyttää alan aukkoja ja tarjoaa pienille yrityksille mahdollisuuksia innovoida nopeasti ja monipuolistaa alaa, mikä edistää Yhdysvaltojen kansallista turvallisuutta ja taloudellista turvallisuutta edistäviä aloitteita.
Yliopistoallianssit, mukaan lukien UCAH, ovat tärkeitä voimavaroja hyperäänitekniikan alalla ja puolustusteollisuudessa. Vaikka niiden tutkimus on edistänyt uusia innovaatioita, niiden suurin arvo on kyvyssä kouluttaa seuraavan sukupolven työvoimaa. Konsortion on nyt priorisoitava investointeja tällaisiin suunnitelmiin. Näin ne voivat edistää hyperäänitekniikan pitkän aikavälin menestystä.
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.
Monimutkaisten ja pitkälle suunniteltujen tuotteiden (kuten lentokoneiden osien) valmistajat ovat sitoutuneet täydellisyyteen joka kerta. Liikkumavaraa ei ole.
Koska lentokoneiden tuotanto on äärimmäisen monimutkaista, valmistajien on hallittava laatuprosessia huolellisesti ja kiinnitettävä erityistä huomiota jokaiseen vaiheeseen. Tämä edellyttää syvällistä ymmärrystä siitä, miten hallita ja sopeutua dynaamisiin tuotanto-, laatu-, turvallisuus- ja toimitusketjukysymyksiin samalla, kun täytetään sääntelyvaatimukset.
Koska korkealaatuisten tuotteiden toimitukseen vaikuttavat monet tekijät, monimutkaisten ja usein muuttuvien tuotantotilausten hallinta on vaikeaa. Laadunvarmistusprosessin on oltava dynaaminen kaikissa tarkastus- ja suunnitteluvaiheissa, tuotannossa ja testauksessa. Teollisuus 4.0 -strategioiden ja nykyaikaisten valmistusratkaisujen ansiosta näitä laatuhaasteita on helpompi hallita ja voittaa.
Lentokonetuotannon perinteinen painopiste on aina ollut materiaaleissa. Useimpien laatuongelmien lähde voi olla haurasmurtuma, korroosio, metallin väsyminen tai muut tekijät. Nykypäivän lentokonetuotannossa käytetään kuitenkin edistyneitä, pitkälle suunniteltuja teknologioita, joissa käytetään kestäviä materiaaleja. Tuotteiden luomisessa käytetään erittäin erikoistuneita ja monimutkaisia ​​prosesseja ja elektronisia järjestelmiä. Yleiset toiminnanohjauksen ohjelmistoratkaisut eivät välttämättä enää pysty ratkaisemaan erittäin monimutkaisia ​​ongelmia.
Monimutkaisempia osia voidaan ostaa globaalista toimitusketjusta, joten niiden integrointiin koko kokoonpanoprosessiin on kiinnitettävä enemmän huomiota. Epävarmuus tuo uusia haasteita toimitusketjun näkyvyydelle ja laadunhallinnalle. Niin monien osien ja valmiiden tuotteiden laadun varmistaminen vaatii parempia ja integroidumpia laatumenetelmiä.
Teollisuus 4.0 edustaa valmistavan teollisuuden kehitystä, ja tiukkojen laatuvaatimusten täyttämiseksi tarvitaan yhä kehittyneempiä teknologioita. Tukiteknologioita ovat teollinen esineiden internet (IIoT), digitaaliset säikeet, lisätty todellisuus (AR) ja ennakoiva analytiikka.
Laatu 4.0 kuvaa datalähtöistä tuotantoprosessin laatumenetelmää, johon kuuluvat tuotteet, prosessit, suunnittelu, vaatimustenmukaisuus ja standardit. Se perustuu perinteisten laatumenetelmien päälle eikä korvaa niitä, vaan hyödyntää monia samoja uusia teknologioita kuin teolliset vastineensa, kuten koneoppimista, verkkoon kytkettyjä laitteita, pilvipalveluita ja digitaalisia kaksosia, organisaation työnkulun muuttamiseksi ja mahdollisten tuote- tai prosessivirheiden poistamiseksi. Laatu 4.0:n odotetaan muuttavan työpaikkakulttuuria entisestään lisäämällä datan käyttöä ja syvemmällä laadun hyödyntämistä osana koko tuotteen luomismenetelmää.
Laatu 4.0 yhdistää toiminnalliset ja laadunvarmistukseen (QA) liittyvät kysymykset alusta suunnitteluvaiheeseen. Tämä sisältää tuotteiden konseptoinnin ja suunnittelun. Viimeaikaiset alan kyselytutkimukset osoittavat, että useimmilla markkinoilla ei ole automatisoitua suunnittelun siirtoprosessia. Manuaalinen prosessi jättää tilaa virheille, olipa kyseessä sitten sisäinen virhe tai suunnittelun ja muutosten viestiminen toimitusketjulle.
Suunnittelun lisäksi Quality 4.0 hyödyntää prosessikeskeistä koneoppimista vähentääkseen jätettä, uudelleentyöstöä ja optimoidakseen tuotantoparametreja. Lisäksi se ratkaisee tuotteen suorituskykyongelmia toimituksen jälkeen, käyttää paikan päällä annettavaa palautetta tuoteohjelmiston etäpäivitykseen, ylläpitää asiakastyytyväisyyttä ja varmistaa lopulta toistuvat ostokset. Siitä on tulossa erottamaton kumppani Industry 4.0:lle.
Laatu ei kuitenkaan koske vain valittuja valmistuslinkkejä. Laatu 4.0:n osallistavuus voi juurruttaa kokonaisvaltaisen laatuun keskittyvän lähestymistavan valmistusorganisaatioihin, mikä tekee datan transformatiivisesta voimasta olennaisen osan yritysten ajattelua. Vaatimustenmukaisuus organisaation kaikilla tasoilla edistää yleisen laatukulttuurin muodostumista.
Mikään tuotantoprosessi ei voi toimia täydellisesti 100 % ajasta. Muuttuvat olosuhteet laukaisevat odottamattomia tapahtumia, jotka vaativat korjaavia toimenpiteitä. Laadusta kokeneet ymmärtävät, että kyse on täydellisyyteen pyrkimisestä. Miten varmistat, että laatu sisällytetään prosessiin ongelmien havaitsemiseksi mahdollisimman varhaisessa vaiheessa? Mitä teet, kun löydät vian? Onko ongelmaan vaikuttavia ulkoisia tekijöitä? Mitä muutoksia voit tehdä tarkastussuunnitelmaan tai testausmenettelyyn estääksesi ongelman toistumisen?
Luo ajattelutapa, jonka mukaan jokaisella tuotantoprosessilla on oma laatuprosessinsa. Kuvittele tulevaisuus, jossa on yksilöllinen suhde ja laatua mitataan jatkuvasti. Tapahtuipa sattumanvaraisesti mitä tahansa, täydellinen laatu voidaan saavuttaa. Jokainen tuotantoyksikkö tarkastelee indikaattoreita ja keskeisiä suorituskykyindikaattoreita (KPI) päivittäin tunnistaakseen parannusta vaativat alueet ennen ongelmien ilmenemistä.
Tässä suljetun kierron järjestelmässä jokaisella tuotantoprosessilla on laatuun liittyvä päättely, joka antaa palautetta prosessin pysäyttämiseksi, jatkamiseksi tai reaaliaikaisten muutosten tekemiseksi. Järjestelmään eivät vaikuta väsymys tai inhimilliset virheet. Lentokonetuotantoon suunniteltu suljetun kierron laatujärjestelmä on välttämätön korkeampien laatutasojen saavuttamiseksi, sykliaikojen lyhentämiseksi ja AS9100-standardien noudattamisen varmistamiseksi.
Kymmenen vuotta sitten ajatus laadunvarmistuksen keskittämisestä tuotesuunnitteluun, markkinatutkimukseen, toimittajiin, tuotepalveluihin tai muihin asiakastyytyväisyyteen vaikuttaviin tekijöihin oli mahdoton. Tuotesuunnittelun ymmärretään tulevan korkeammalta taholta; laatu tarkoittaa näiden suunnittelujen toteuttamista kokoonpanolinjalla, niiden puutteista riippumatta.
Nykyään monet yritykset miettivät uudelleen, miten liiketoimintaa tehdään. Vuoden 2018 status quo ei ehkä ole enää mahdollinen. Yhä useammat valmistajat ovat yhä älykkäämpiä. Saatavilla on enemmän tietoa, mikä tarkoittaa parempaa älykkyyttä oikean tuotteen rakentamiseen ensimmäisellä kerralla, tehokkaammin ja suorituskykyisemmin.