Valmistusteknologian konsulttiyrityksen SmarTechin mukaan ilmailu on toiseksi suurin lisäainevalmistuksen (AM) palveleva teollisuus, toiseksi lääketieteen jälkeen.Edelleen ei kuitenkaan tiedetä keraamisten materiaalien lisäaineen valmistuksen mahdollisuuksista ilmailu-avaruuskomponenttien nopeassa valmistuksessa, joustavuuden ja kustannustehokkuuden lisäämisessä.AM voi tuottaa vahvempia ja kevyempiä keraamisia osia nopeammin ja kestävämmin, mikä vähentää työvoimakustannuksia, minimoi manuaalisen kokoonpanon ja parantaa tehokkuutta ja suorituskykyä mallintamalla kehitetyn suunnittelun avulla, mikä vähentää lentokoneen painoa.Lisäksi lisäainevalmistuskeraamiteknologia mahdollistaa valmiiden osien mittasäädön alle 100 mikronia pienempien ominaisuuksien osalta.
Sana keramiikka voi kuitenkin herättää väärän käsityksen hauraudesta.Itse asiassa lisäaineella valmistettu keramiikka tuottaa kevyempiä, hienompia osia, joilla on suuri rakenteellinen lujuus, sitkeys ja kestävyys laajalle lämpötila-alueelle.Tulevaisuuteen katsovat yritykset ovat siirtymässä keraamisten valmistuskomponenttien, kuten suuttimien ja potkureiden, sähköeristeiden ja turbiinien siipien, valmistukseen.
Esimerkiksi erittäin puhtaalla alumiinioksidilla on korkea kovuus, ja sillä on vahva korroosionkestävyys ja lämpötila-alue.Alumiinioksidista valmistetut komponentit eristävät myös sähköisesti ilmailujärjestelmissä yleisissä korkeissa lämpötiloissa.
Zirkoniumoksidipohjainen keramiikka voi täyttää monia käyttökohteita, joissa on äärimmäisiä materiaalivaatimuksia ja korkea mekaaninen rasitus, kuten huippuluokan metallivalut, venttiilit ja laakerit.Piinitridikeramiikalla on korkea lujuus, korkea sitkeys ja erinomainen lämpöiskun kestävyys sekä hyvä kemiallinen kestävyys erilaisten happojen, alkalien ja sulamien metallien korroosiota vastaan.Piinitridia käytetään eristimiin, juoksupyöriin ja korkean lämpötilan mataladielektrisiin antenneihin.
Komposiittikeramiikka tarjoaa useita toivottavia ominaisuuksia.Piipohjainen keramiikka, johon on lisätty alumiinioksidia ja zirkonia, on osoittautunut hyvin toimivaksi turbiinien siipien yksikidevalujen valmistuksessa.Tämä johtuu siitä, että tästä materiaalista valmistetulla keraamisella ytimellä on erittäin alhainen lämpölaajeneminen 1500 °C asti, korkea huokoisuus, erinomainen pinnanlaatu ja hyvä liukenevuus.Näiden ytimien tulostaminen voi tuottaa turbiinimalleja, jotka kestävät korkeampia käyttölämpötiloja ja lisäävät moottorin hyötysuhdetta.
On hyvin tunnettua, että keramiikan ruiskuvalu tai koneistus on erittäin vaikeaa, ja koneistus mahdollistaa rajoitetun pääsyn valmistettavien komponenttien luo.Ominaisuuksia, kuten ohuet seinät, on myös vaikea työstää.
Lithoz kuitenkin käyttää litografiaan perustuvaa keramiikkavalmistusta (LCM) tarkkojen, monimutkaisten muotoisten 3D-keraamisten komponenttien valmistukseen.
CAD-mallista alkaen yksityiskohtaiset tekniset tiedot siirretään digitaalisesti 3D-tulostimelle.Levitä sitten tarkasti muotoiltu keraaminen jauhe läpinäkyvän altaan päälle.Liikkuva rakennustaso upotetaan mutaan ja altistetaan sitten valikoivasti näkyvälle valolle alhaalta.Kerroskuva generoidaan digitaalisella mikropeililaitteella (DMD), joka on yhdistetty projektiojärjestelmään.Toistamalla tämä prosessi, kolmiulotteinen vihreä osa voidaan luoda kerros kerrokselta.Lämpöjälkikäsittelyn jälkeen sideaine poistetaan ja vihreät osat sintrataan-yhdistetään erityisellä lämmitysprosessilla, jolloin saadaan täysin tiivis keraaminen osa, jolla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja pinnan laatu.
LCM-teknologia tarjoaa innovatiivisen, kustannustehokkaan ja nopeamman prosessin turbiinimoottorien komponenttien investointivaluon ohittaen ruiskuvalussa ja vahavalussa vaaditun kalliin ja työläs muottien valmistuksen.
LCM voi myös saavuttaa malleja, joita ei voida saavuttaa muilla menetelmillä, samalla kun käytetään paljon vähemmän raaka-aineita kuin muilla menetelmillä.
Huolimatta keraamisten materiaalien ja LCM-tekniikan suurista mahdollisuuksista, AM-alkuperäisten laitevalmistajien (OEM) ja ilmailusuunnittelijoiden välillä on edelleen kuilu.
Yksi syy voi olla uusien valmistusmenetelmien vastustus toimialoilla, joilla on erityisen tiukat turvallisuus- ja laatuvaatimukset.Ilmailu- ja avaruusteollisuus vaatii monia todentamis- ja pätevöitymisprosesseja sekä perusteellista ja tiukkaa testausta.
Toinen este on uskomus, että 3D-tulostus soveltuu pääasiassa vain kertaluonteiseen nopeaan prototyyppien tekemiseen, eikä mihinkään, joka voidaan ottaa käyttöön ilmassa.Tämä on jälleen väärinkäsitys, ja 3D-tulostettuja keraamisia komponentteja on todistettu käytettävän massatuotannossa.
Esimerkkinä on turbiinien siipien valmistus, jossa AM-keraamiprosessissa tuotetaan yksikiteisiä (SX) ytimiä sekä suunnattua jähmettymistä (DS) ja equiaxed casting (EX) -superseosturbiinien siipiä.Sydämiä, joissa on monimutkaiset haararakenteet, useat seinät ja alle 200 μm:n takareunat, voidaan valmistaa nopeasti ja taloudellisesti, ja lopullisilla komponenteilla on tasainen mittatarkkuus ja erinomainen pintakäsittely.
Viestinnän tehostaminen voi tuoda yhteen ilmailu- ja avaruussuunnittelijat ja AM OEM:t ja luottaa täysin LCM:llä ja muilla teknologioilla valmistettuihin keraamisiin komponentteihin.Teknologiaa ja asiantuntemusta löytyy.Sen on muutettava ajattelutapaa AM:stä T&K:n ja prototyyppien valmistuksessa ja nähtävä se tienä eteenpäin laajamittaisissa kaupallisissa sovelluksissa.
Koulutuksen lisäksi ilmailualan yritykset voivat panostaa aikaa myös henkilöstöön, suunnitteluun ja testaukseen.Valmistajien tulee tuntea erilaiset keramiikan, ei metallien, arviointistandardit ja -menetelmät.Esimerkiksi Lithozin kaksi tärkeintä ASTM-standardia rakennekeramiikassa ovat ASTM C1161 lujuustestaukseen ja ASTM C1421 sitkeystestaukseen.Nämä standardit koskevat kaikilla menetelmillä valmistettua keramiikkaa.Keraamisten lisäaineiden valmistuksessa painatusvaihe on vain muovausmenetelmä, ja osille tehdään samanlainen sintraus kuin perinteisessä keramiikassa.Siksi keraamisten osien mikrorakenne on hyvin samanlainen kuin tavanomaisessa koneistuksessa.
Materiaalien ja tekniikan jatkuvan kehityksen perusteella voimme luottavaisesti sanoa, että suunnittelijat saavat lisää tietoa.Uusia keraamisia materiaaleja kehitetään ja räätälöidään erityisten suunnittelutarpeiden mukaan.AM-keramiikasta valmistetut osat suorittavat sertifiointiprosessin ilmailukäyttöön.Ja tarjoaa parempia suunnittelutyökaluja, kuten parannetun mallinnusohjelmiston.
Yhteistyöllä LCM:n teknisten asiantuntijoiden kanssa ilmailualan yritykset voivat ottaa käyttöön AM-keraamisia prosesseja sisäisesti lyhentäen aikaa, vähentäen kustannuksia ja luomalla mahdollisuuksia oman immateriaaliomaisuuden kehittämiseen.Ennakoivalla ja pitkäjänteisellä suunnittelulla keraamiseen teknologiaan investoivat ilmailu- ja avaruusalan yritykset voivat saada merkittäviä etuja koko tuotantoportfoliossaan seuraavan kymmenen vuoden aikana ja sen jälkeen.
Luomalla kumppanuuden AM Ceramicsin kanssa ilmailu- ja avaruusteollisuuden alkuperäislaitteiden valmistajat tuottavat komponentteja, joita ei aiemmin ollut kuviteltavissa.
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 vaikeuksista viestiä tehokkaasti keraamisten lisäaineiden valmistuksen eduista Ceramics Expossa Clevelandissa, Ohiossa 1.9.2021.
Vaikka hypersonic-lentojärjestelmien kehitys on ollut olemassa vuosikymmeniä, siitä on nyt tullut Yhdysvaltain kansallisen puolustuksen tärkein prioriteetti, mikä on tuonut tämän alan nopean kasvun ja muutoksen tilaan.Ainutlaatuisena monitieteisenä alana haasteena on löytää osaajia, joilla on tarvittavat taidot edistämään sen kehittämistä.Mutta kun asiantuntijoita ei ole tarpeeksi, se luo innovaatiovajetta, kuten valmistettavuuden suunnittelun (DFM) asettamisen ensin T&K-vaiheeseen ja sitten valmistusvajeeksi, kun on liian myöhäistä tehdä kustannustehokkaita muutoksia .
Allianssit, kuten äskettäin perustettu University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), tarjoavat tärkeän ympäristön alan edistämiseen tarvittavien kykyjen kasvattamiselle.Opiskelijat voivat työskennellä suoraan yliopiston tutkijoiden ja alan ammattilaisten kanssa kehittääkseen teknologiaa ja edistääkseen kriittistä hypersonic-tutkimusta.
Vaikka UCAH ja muut puolustuskonsortiot valtuutivat jäseniä osallistumaan erilaisiin insinööritöihin, on tehtävä enemmän työtä monimuotoisten ja kokeneiden kykyjen kasvattamiseksi suunnittelusta materiaalikehitykseen ja valintaan valmistuspajoihin.
Kestävämmän arvon tuottamiseksi alalle yliopistoliiton tulee asettaa työvoiman kehittäminen etusijalle sopeuttamalla alan tarpeita, ottamalla jäseniä mukaan toimialakohtaiseen tutkimukseen ja panostamalla ohjelmaan.
Kun hypersonic-teknologiaa muutetaan suuriksi valmistettaviksi projekteiksi, suurin haaste on olemassa oleva suunnittelu- ja valmistustyövoimavaje.Jos varhainen tutkimus ei ylitä tätä osuvasti nimettyä kuolemanlaaksoa – T&K:n ja valmistuksen välistä kuilua ja monet kunnianhimoiset hankkeet ovat epäonnistuneet –, olemme menettäneet soveltuvan ja toteuttamiskelpoisen ratkaisun.
Yhdysvaltain valmistusteollisuus voi nopeuttaa yliääninopeutta, mutta riski jäädä jälkeen on laajentaa työvoiman kokoa vastaavaksi.Siksi hallituksen ja yliopistojen kehittämiskonsortioiden on tehtävä yhteistyötä valmistajien kanssa näiden suunnitelmien toteuttamiseksi.
Teollisuus on kokenut osaamispuutteita valmistuspajoista suunnittelulaboratorioihin – nämä puutteet vain kasvavat hypersonic-markkinoiden kasvaessa.Uudet teknologiat vaativat nousevaa työvoimaa laajentamaan alan tietämystä.
Hypersoninen työ kattaa useita eri avainalueita eri materiaaleista ja rakenteista, ja jokaisella osa-alueella on omat tekniset haasteensa.Ne vaativat korkeatasoista yksityiskohtaista tietämystä, ja jos tarvittavaa asiantuntemusta ei ole, se voi muodostaa esteitä kehitykselle ja tuotannolle.Jos meillä ei ole tarpeeksi ihmisiä ylläpitämään työpaikkaa, on mahdotonta pysyä nopean tuotannon kysynnän tahdissa.
Tarvitsemme esimerkiksi ihmisiä, jotka pystyvät rakentamaan lopputuotteen.UCAH ja muut konsortiot ovat välttämättömiä nykyaikaisen tuotannon edistämiseksi ja tuotannon roolista kiinnostuneiden opiskelijoiden ottamiseksi mukaan.Poikkitoiminnallisten ja omistautuneiden työvoiman kehittämistoimien avulla ala pystyy säilyttämään kilpailuedun hyperäänilentosuunnitelmissa lähivuosina.
Perustamalla UCAH:n puolustusministeriö luo tilaisuuden omaksua kohdennetumpi lähestymistapa valmiuksien kehittämiseen tällä alueella.Kaikkien koalitioiden jäsenten on harjoitettava yhdessä opiskelijoiden niche-kykyjä, jotta voimme rakentaa ja ylläpitää tutkimuksen vauhtia ja laajentaa sitä tuottamaan maamme tarvitsemia tuloksia.
Nyt suljettu NASA Advanced Composites Alliance on esimerkki onnistuneesta työvoiman kehittämistyöstä.Sen tehokkuus on tulosta T&K-työn ja teollisuuden etujen yhdistämisestä, mikä mahdollistaa innovaatioiden laajentumisen koko kehitysekosysteemiin.Alan johtajat ovat työskennelleet suoraan NASAn ja yliopistojen kanssa projekteissa kahdesta neljään vuotta.Kaikki jäsenet ovat kehittäneet ammatillista tietämystä ja kokemusta, oppineet tekemään yhteistyötä ei-kilpaillussa ympäristössä ja rohkaisseet korkeakouluopiskelijoita kehittymään kasvattamaan alan keskeisiä toimijoita tulevaisuudessa.
Tämäntyyppinen työvoiman kehittäminen täyttää alan aukot ja tarjoaa pienyrityksille mahdollisuuksia innovoida nopeasti ja monipuolistaa alaa saavuttaakseen lisäkasvua, joka edistää Yhdysvaltain kansallista turvallisuutta ja taloudellista turvallisuutta koskevia aloitteita.
Yliopistoliitot, mukaan lukien UCAH, ovat tärkeitä voimavaroja hypersonic-alalla ja puolustusteollisuudessa.Vaikka heidän tutkimuksensa on edistänyt uusia innovaatioita, niiden suurin arvo on heidän kyvyssään kouluttaa seuraavan sukupolven työvoimaamme.Konsortion on nyt asetettava investoinnit etusijalle tällaisiin suunnitelmiin.Näin tehdessään ne voivat edistää hypersonic-innovaatioiden 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, pitkälle suunniteltujen tuotteiden (kuten lentokoneiden komponenttien) valmistajat ovat sitoutuneet täydellisyyteen joka kerta.Ei ole liikkumavaraa.
Koska lentokoneiden tuotanto on äärimmäisen monimutkaista, valmistajien on huolehdittava laatuprosessista ja kiinnitettävä erityistä huomiota jokaiseen vaiheeseen.Tämä edellyttää syvällistä ymmärrystä siitä, kuinka hallita ja mukautua dynaamiseen tuotantoon, laatuun, turvallisuuteen ja toimitusketjuun liittyviin kysymyksiin samalla, kun noudatetaan säännösten vaatimuksia.
Koska korkealaatuisten tuotteiden toimitukseen vaikuttavat monet tekijät, monimutkaisten ja usein vaihtuvien tuotantotilausten hallinta on vaikeaa.Laatuprosessin on oltava dynaaminen tarkastuksen ja suunnittelun, tuotannon ja testauksen kaikilla osa-alueilla.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 hauras murtuma, korroosio, metallin väsyminen tai muut tekijät.Nykypäivän lentokoneiden tuotanto sisältää kuitenkin kehittyneitä, pitkälle suunniteltuja tekniikoita, joissa käytetään kestäviä materiaaleja.Tuotteiden luomisessa käytetään pitkälle erikoistuneita ja monimutkaisia ​​prosesseja ja elektronisia järjestelmiä.Yleiset toiminnanhallinnan ohjelmistoratkaisut eivät välttämättä enää pysty ratkaisemaan erittäin monimutkaisia ​​ongelmia.
Monimutkaisempia osia voidaan ostaa maailmanlaajuisesta toimitusketjusta, joten niiden integrointia koko kokoonpanoprosessin aikana on harkittava enemmän.Epävarmuus tuo uusia haasteita toimitusketjun näkyvyyteen ja laadunhallintaan.Monien osien ja valmiiden tuotteiden laadun varmistaminen edellyttää parempia ja integroidumpia laatumenetelmiä.
Teollisuus 4.0 edustaa valmistavan teollisuuden kehitystä ja tiukkojen laatuvaatimusten täyttämiseksi tarvitaan yhä kehittyneempää teknologiaa.Tukevia teknologioita ovat teollinen esineiden internet (IIoT), digitaaliset säikeet, lisätty todellisuus (AR) ja ennakoiva analytiikka.
Laatu 4.0 kuvaa tietoihin perustuvaa tuotantoprosessin laatumenetelmää, joka sisältää tuotteet, prosessit, suunnittelun, vaatimustenmukaisuuden ja standardit.Se perustuu perinteisiin laatumenetelmiin sen sijaan, että se korvaa, vaan se käyttää monia samoja uusia teknologioita kuin teolliset vastineet, mukaan lukien koneoppiminen, yhdistetyt laitteet, pilvilaskenta ja digitaaliset kaksoset organisaation työnkulun muuttamiseen ja mahdollisten tuotteiden tai prosessien vikojen poistamiseen.Laatu 4.0:n syntymisen odotetaan muuttavan työpaikan kulttuuria entisestään lisäämällä tietoihin luottamista ja laadun syvempää käyttöä osana kokonaisvaltaista tuotteen luomismenetelmää.
Laatu 4.0 yhdistää toiminnan ja laadunvarmistuksen (QA) asiat alusta suunnitteluvaiheeseen.Tämä sisältää tuotteiden konseptoinnin ja suunnittelun.Tuoreet teollisuustutkimuksen tulokset osoittavat, että useimmilla markkinoilla ei ole automatisoitua suunnittelun siirtoprosessia.Manuaalinen prosessi jättää tilaa virheille, olipa kyseessä sisäinen virhe tai suunnittelun ja muutosten viestiminen toimitusketjuun.
Suunnittelun lisäksi Quality 4.0 käyttää myös prosessikeskeistä koneoppimista vähentämään hukkaa, vähentämään uudelleentyöstöä ja optimoimaan tuotantoparametreja.Lisäksi se ratkaisee myös tuotteen suorituskykyongelmia toimituksen jälkeen, käyttää paikan päällä olevaa palautetta tuoteohjelmiston etäpäivitykseen, ylläpitää asiakastyytyväisyyttä ja varmistaa viime kädessä toistuvan liiketoiminnan.Siitä on tulossa Teollisuus 4.0:n erottamaton kumppani.
Laatu ei kuitenkaan koske vain valittuja valmistuslinkkejä.Laatu 4.0:n kattavuus voi juurruttaa kokonaisvaltaisen laatulähestymistavan tuotantoorganisaatioihin, jolloin datan muutosvoimasta tulee olennainen osa yritysajattelua.Noudattaminen kaikilla organisaation tasoilla edistää kokonaisvaltaisen laatukulttuurin muodostumista.
Mikään tuotantoprosessi ei voi toimia täydellisesti 100 % ajasta.Muuttuvat olosuhteet laukaisevat odottamattomia tapahtumia, jotka vaativat korjaamista.Ne, joilla on kokemusta laadusta, ymmärtävät, että kyse on täydellisyyteen siirtymisestä.Kuinka varmistat, että laatu sisällytetään prosessiin, jotta ongelmat havaitaan mahdollisimman varhaisessa vaiheessa?Mitä teet, kun löydät vian?Onko olemassa ulkoisia tekijöitä, jotka aiheuttavat tämän ongelman?Mitä muutoksia voit tehdä tarkastussuunnitelmaan tai testimenettelyyn estääksesi tämän ongelman toistumisen?
Luo ajattelutapa, jonka mukaan jokaisella tuotantoprosessilla on siihen liittyvä ja siihen liittyvä laatuprosessi.Kuvittele tulevaisuus, jossa on henkilökohtainen suhde ja mitataan jatkuvasti laatua.Riippumatta siitä, mitä tapahtuu satunnaisesti, täydellinen laatu voidaan saavuttaa.Jokainen työkeskus tarkastelee indikaattoreita ja keskeisiä suorituskykyindikaattoreita (KPI) päivittäin tunnistaakseen kehittämiskohteita ennen ongelmien ilmenemistä.
Tässä suljetussa järjestelmässä jokaisella tuotantoprosessilla on laatupäätelmä, joka antaa palautetta prosessin pysäyttämiseksi, prosessin jatkamiseksi tai reaaliaikaisten säätöjen tekemiseksi.Väsymys tai inhimilliset virheet eivät vaikuta järjestelmään.Lentokonetuotantoon suunniteltu suljetun kierron laatujärjestelmä on olennainen korkeamman laatutason saavuttamiseksi, sykliaikojen lyhentämiseksi ja AS9100-standardien noudattamisen varmistamiseksi.
Kymmenen vuotta sitten ajatus QA:n keskittämisestä tuotesuunnitteluun, markkinatutkimukseen, toimittajiin, tuotepalveluihin tai muihin asiakastyytyväisyyteen vaikuttaviin tekijöihin oli mahdoton.Tuotesuunnittelun ymmärretään tulevan korkeammalta taholta;laatu tarkoittaa näiden mallien toteuttamista kokoonpanolinjalla niiden puutteista riippumatta.
Nykyään monet yritykset harkitsevat uudelleen liiketoimintaansa.Vuoden 2018 status quo ei ehkä ole enää mahdollinen.Yhä useammat valmistajat ovat tulossa älykkäämpiä ja älykkäämpiä.Saatavilla on enemmän tietoa, mikä tarkoittaa parempaa älykkyyttä oikean tuotteen rakentamiseen ensimmäisellä kerralla suuremmalla tehokkuudella ja suorituskyvyllä.