За даними SmarTech, консалтингової компанії з виробничих технологій, аерокосмічна промисловість є другою за величиною галуззю, яка обслуговується адитивним виробництвом (AM), поступаючись лише медицині.Проте все ще недостатньо усвідомлення потенціалу адитивного виробництва керамічних матеріалів у швидкому виготовленні аерокосмічних компонентів, підвищенні гнучкості та економічної ефективності.AM може виробляти більш міцні та легші керамічні деталі швидше та більш екологічно, зменшуючи витрати на оплату праці, мінімізуючи ручне складання та покращуючи ефективність та продуктивність завдяки конструкції, розробленій шляхом моделювання, тим самим зменшуючи вагу літака.Крім того, технологія адитивного виробництва кераміки забезпечує контроль розмірів готових деталей для деталей менше 100 мікрон.
Однак слово «кераміка» може викликати помилкове уявлення про крихкість.Насправді кераміка, виготовлена ​​за допомогою добавок, виробляє легші, тонкіші деталі з високою структурною міцністю, міцністю та стійкістю до широкого діапазону температур.Прогнозні компанії звертаються до виробництва керамічних компонентів, включаючи сопла та пропелери, електричні ізолятори та лопаті турбін.
Наприклад, оксид алюмінію високої чистоти має високу твердість і стійкість до корозії та температурний діапазон.Компоненти, виготовлені з оксиду алюмінію, також є електроізоляційними при високих температурах, звичайних для аерокосмічних систем.
Кераміка на основі діоксиду цирконію може відповідати багатьом сферам застосування з екстремальними вимогами до матеріалів і високою механічною напругою, наприклад, високоякісне металеве лиття, клапани та підшипники.Кераміка з нітриду кремнію має високу міцність, високу в'язкість і відмінну стійкість до термічного удару, а також хорошу хімічну стійкість до корозії різноманітних кислот, лугів і розплавлених металів.Нітрид кремнію використовується для ізоляторів, робочих коліс і високотемпературних низькодіелектричних антен.
Композитна кераміка забезпечує кілька бажаних якостей.Доведено, що кераміка на основі кремнію з додаванням оксиду алюмінію та циркону добре працює у виробництві монокристалічних відливок для турбінних лопаток.Це пояснюється тим, що керамічне ядро, виготовлене з цього матеріалу, має дуже низьке теплове розширення до 1500°C, високу пористість, чудову якість поверхні та хорошу здатність до вилуговування.Друк цих ядер може створити конструкції турбін, які можуть витримувати більш високі робочі температури та підвищувати ефективність двигуна.
Добре відомо, що лиття під тиском або механічна обробка кераміки є дуже важкою, а механічна обробка забезпечує обмежений доступ до компонентів, що виготовляються.Такі елементи, як тонкі стінки, також важко обробляти.
Однак Lithoz використовує виробництво кераміки на основі літографії (LCM) для виготовлення точних керамічних компонентів 3D складної форми.
Починаючи з CAD-моделі, детальні специфікації цифрово передаються на 3D-принтер.Потім нанесіть точно розроблений керамічний порошок на верх прозорої ванни.Рухома будівельна платформа занурюється в мул, а потім вибірково піддається видимому світлу знизу.Зображення шару генерується цифровим мікродзеркальним пристроєм (DMD), поєднаним із проекційною системою.Повторюючи цей процес, тривимірну зелену частину можна створити шар за шаром.Після термічної обробки сполучна речовина видаляється, а необроблені частини спікаються, об’єднуються за допомогою спеціального процесу нагрівання, щоб отримати повністю щільну керамічну деталь із чудовими механічними властивостями та якістю поверхні.
Технологія LCM забезпечує інноваційний, економічно ефективний і швидший процес лиття за виплавленими моделями компонентів турбінного двигуна, обходячи дороге і трудомістке виготовлення прес-форм, необхідних для лиття під тиском і лиття за виплавленим воском.
LCM також може створювати проекти, які неможливо досягти іншими методами, використовуючи набагато менше сировини, ніж іншими методами.
Незважаючи на великий потенціал керамічних матеріалів і технології LCM, все ще існує розрив між виробниками оригінального обладнання AM (OEM) і аерокосмічними дизайнерами.
Однією з причин може бути опір новим методам виробництва в галузях з особливо суворими вимогами безпеки та якості.Аерокосмічне виробництво вимагає багатьох процесів перевірки та кваліфікації, а також ретельного та суворого тестування.
Іншою перешкодою є переконання, що 3D-друк в основному підходить лише для одноразового швидкого створення прототипів, а не для будь-якого іншого, що можна використовувати в повітрі.Знову ж таки, це непорозуміння, і було доведено, що керамічні компоненти, надруковані 3D, використовуються в масовому виробництві.
Прикладом є виробництво турбінних лопаток, де керамічний процес AM виробляє монокристалічні (SX) сердечники, а також спрямоване затвердіння (DS) і рівновісне лиття (EX) турбінні лопатки зі суперсплаву.Сердечники зі складною гілковою структурою, кількома стінками та задніми кромками менше 200 мкм можна виготовити швидко та економічно, а кінцеві компоненти мають постійну точність розмірів і відмінну обробку поверхні.
Покращення комунікації може об’єднати аерокосмічних дизайнерів і виробників комплектного обладнання та повністю довіряти керамічним компонентам, виготовленим за допомогою LCM та інших технологій.Існують технології та досвід.Їй потрібно змінити спосіб мислення від AM для досліджень і розробок і прототипування, і розглядати це як шлях вперед для широкомасштабних комерційних застосувань.
Окрім освіти, аерокосмічні компанії також можуть інвестувати час у персонал, розробку та тестування.Виробники повинні бути знайомі з різними стандартами та методами оцінки кераміки, а не металу.Наприклад, двома ключовими стандартами ASTM компанії Lithoz для конструкційної кераміки є ASTM C1161 для випробування міцності та ASTM C1421 для випробування міцності.Ці стандарти поширюються на кераміку, виготовлену всіма способами.У виробництві керамічних добавок стадія друку є лише методом формування, а деталі піддаються такому ж типу спікання, що й традиційна кераміка.Тому мікроструктура керамічних деталей буде дуже схожа на звичайну механічну обробку.
Завдяки постійному вдосконаленню матеріалів і технологій ми можемо з упевненістю сказати, що дизайнери отримають більше даних.Нові керамічні матеріали будуть розроблені та налаштовані відповідно до конкретних інженерних потреб.Деталі з кераміки AM завершать процес сертифікації для використання в аерокосмічній галузі.І забезпечить кращі інструменти проектування, наприклад покращене програмне забезпечення для моделювання.
Співпрацюючи з технічними експертами LCM, аерокосмічні компанії можуть запроваджувати внутрішні керамічні процеси AM, скорочуючи час, зменшуючи витрати та створюючи можливості для розвитку власної інтелектуальної власності компанії.Завдяки передбаченню та довгостроковому плануванню аерокосмічні компанії, які інвестують у керамічну технологію, можуть отримати значні переваги у всьому своєму виробничому портфелі протягом наступних десяти років і далі.
Встановивши партнерство з AM Ceramics, виробники оригінального аерокосмічного обладнання вироблятимуть компоненти, які раніше неможливо було уявити.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Аллан розповість про труднощі ефективного донесення переваг виробництва керамічних добавок на Ceramics Expo в Клівленді, штат Огайо, 1 вересня 2021 року.
Хоча розробка гіперзвукових літальних систем існувала десятиліттями, зараз вона стала головним пріоритетом національної оборони США, привівши цю сферу в стан швидкого зростання та змін.Будучи унікальною міждисциплінарною сферою, завдання полягає в тому, щоб знайти експертів з необхідними навичками для сприяння її розвитку.Однак, коли не вистачає експертів, це створює інноваційну прогалину, таку як розробка дизайну для технологічності (DFM) спочатку на етапі досліджень і розробок, а потім перетворюється на прогалину у виробництві, коли вже занадто пізно вносити економічно ефективні зміни.
Альянси, такі як нещодавно створений Університетський альянс прикладної гіперзвукової техніки (UCAH), забезпечують важливе середовище для розвитку талантів, необхідних для розвитку галузі.Студенти можуть працювати безпосередньо з університетськими дослідниками та професіоналами галузі для розробки технології та просування критичних гіперзвукових досліджень.
Незважаючи на те, що UCAH та інші оборонні консорціуми дозволили своїм членам виконувати різноманітні інженерні роботи, необхідно докласти більше зусиль, щоб розвивати різноманітні та досвідчені таланти, від проектування до розробки матеріалів і відбору до виробничих майстерень.
Для того, щоб забезпечити більш тривалу цінність у галузі, університетський альянс повинен зробити розвиток робочої сили пріоритетним шляхом узгодження з потребами галузі, залучення членів до галузевих досліджень та інвестування в програму.
При перетворенні гіперзвукової технології у масштабні технологічні проекти найбільшою проблемою є існуючий розрив у навичках інженерної та виробничої робочої сили.Якщо перші дослідження не перетнуть цю влучно названу долину смерті — розрив між дослідженнями та розробками та виробництвом, і багато амбітних проектів зазнали невдачі — тоді ми втратили застосовне та здійсненне рішення.
Обробна промисловість США може прискорити надзвукову швидкість, але ризик відставання полягає в тому, щоб збільшити кількість робочої сили відповідно до цього.Тому державні та університетські консорціуми розвитку повинні співпрацювати з виробниками, щоб реалізувати ці плани на практиці.
У промисловості є прогалини в навичках від виробничих цехів до інженерних лабораторій — ці прогалини будуть лише збільшуватися в міру зростання гіперзвукового ринку.Нові технології вимагають нової робочої сили для розширення знань у цій галузі.
Гіперзвукова робота охоплює кілька різних ключових областей з різними матеріалами та структурами, і кожна область має свій набір технічних проблем.Вони вимагають високого рівня детальних знань, і якщо необхідного досвіду немає, це може створити перешкоди для розробки та виробництва.Якщо у нас буде недостатньо людей для підтримки роботи, неможливо буде встигати за попитом на високошвидкісне виробництво.
Наприклад, нам потрібні люди, які можуть створити кінцевий продукт.UCAH та інші консорціуми мають важливе значення для просування сучасного виробництва та забезпечення участі студентів, зацікавлених у ролі виробництва.Завдяки міжфункціональним спеціальним зусиллям з розвитку робочої сили галузь зможе зберегти конкурентну перевагу в планах гіперзвукових польотів у найближчі кілька років.
Створюючи UCAH, Міністерство оборони створює можливість застосувати більш цілеспрямований підхід до розбудови спроможностей у цій сфері.Усі учасники коаліції повинні працювати разом, щоб тренувати спеціальні можливості студентів, щоб ми могли нарощувати та підтримувати імпульс дослідження та розширювати його для отримання результатів, необхідних нашій країні.
Прикладом успішних зусиль з розвитку робочої сили є NASA Advanced Composites Alliance, яка зараз закрита.Його ефективність є результатом поєднання науково-дослідної роботи з галузевими інтересами, що дозволяє інноваціям поширюватися в екосистемі розробки.Лідери галузі працювали безпосередньо з NASA та університетами над проектами протягом двох-чотирьох років.Усі члени отримали професійні знання та досвід, навчилися співпрацювати в неконкурентному середовищі та навчали студентів коледжу розвиватися, щоб виховувати ключових гравців галузі в майбутньому.
Цей тип розвитку робочої сили заповнює прогалини в галузі та надає малим підприємствам можливість швидко впроваджувати інновації та диверсифікувати сферу для досягнення подальшого зростання, сприяючого національній безпеці США та ініціативам економічної безпеки.
Університетські альянси, включаючи UCAH, є важливими активами в галузі гіперзвуку та оборонної промисловості.Незважаючи на те, що їхні дослідження сприяли новим інноваціям, їхня найбільша цінність полягає в їхній здатності навчати наступне покоління робочої сили.Тепер консорціуму необхідно визначити пріоритетність інвестицій у такі плани.Роблячи це, вони можуть сприяти довгостроковому успіху гіперзвукових інновацій.
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.
Виробники складних високотехнологічних продуктів (наприклад, компонентів літаків) щоразу прагнуть досконалості.Немає місця для маневру.
Оскільки виробництво літаків надзвичайно складне, виробники повинні ретельно керувати процесом якості, приділяючи велику увагу кожному етапу.Для цього потрібне глибоке розуміння того, як керувати динамічним виробництвом, якістю, безпекою та проблемами ланцюга постачання та адаптуватися до них, дотримуючись нормативних вимог.
Оскільки багато факторів впливають на доставку високоякісної продукції, важко керувати складними виробничими замовленнями, які часто змінюються.Процес забезпечення якості має бути динамічним у кожному аспекті перевірки та проектування, виробництва та тестування.Завдяки стратегіям Industry 4.0 і сучасним виробничим рішенням ці проблеми з якістю стало легше впоратися та подолати.
Традиційна увага при виробництві літаків завжди приділялася матеріалам.Джерелом більшості проблем з якістю може бути крихке руйнування, корозія, втома металу або інші фактори.Однак сучасне виробництво літаків включає передові високотехнічні технології, які використовують стійкі матеріали.Для створення продукту використовуються вузькоспеціалізовані та складні процеси та електронні системи.Програмні рішення для управління загальними операціями можуть більше не вирішувати надзвичайно складні проблеми.
Складніші деталі можна придбати в глобальному ланцюжку постачання, тому необхідно більше уваги приділяти їх інтеграції протягом усього процесу складання.Невизначеність створює нові виклики для видимості ланцюга постачання та управління якістю.Забезпечення якості багатьох деталей і готової продукції вимагає кращих і більш інтегрованих методів якості.
Індустрія 4.0 являє собою розвиток обробної промисловості, і для відповідності суворим вимогам якості потрібні все нові й нові технології.Технології підтримки включають промисловий Інтернет речей (IIoT), цифрові потоки, доповнену реальність (AR) і прогнозну аналітику.
Якість 4.0 описує керований даними метод якості виробничого процесу, що включає продукти, процеси, планування, відповідність і стандарти.Він базується на традиційних методах якості, а не замінює їх, використовуючи багато тих самих нових технологій, що й його промислові колеги, зокрема машинне навчання, підключені пристрої, хмарні обчислення та цифрові двійники для трансформації робочого процесу організації та усунення можливих дефектів продуктів або процесів.Очікується, що поява якості 4.0 ще більше змінить культуру робочого місця шляхом посилення довіри до даних і глибшого використання якості як частини загального методу створення продукту.
Якість 4.0 об’єднує питання експлуатації та забезпечення якості (QA) від початку до етапу проектування.Це включає в себе те, як концептуалізувати та проектувати продукти.Результати останніх галузевих опитувань показують, що більшість ринків не мають автоматизованого процесу передачі дизайну.Ручний процес залишає місце для помилок, будь то внутрішня помилка чи комунікаційний дизайн і зміни в ланцюжку поставок.
Окрім дизайну, Quality 4.0 також використовує машинне навчання, орієнтоване на процеси, щоб зменшити відходи, скоротити кількість повторних робіт і оптимізувати параметри виробництва.Крім того, він також вирішує проблеми з продуктивністю продукту після доставки, використовує зворотній зв’язок на місці для віддаленого оновлення програмного забезпечення продукту, підтримує задоволеність клієнтів і, зрештою, забезпечує повторний бізнес.Вона стає нерозлучним партнером Індустрії 4.0.
Однак якість стосується не лише окремих виробничих ланок.Інклюзивність якості 4.0 може прищепити комплексний підхід до якості у виробничих організаціях, зробивши трансформаційну силу даних невід’ємною частиною корпоративного мислення.Відповідність на всіх рівнях організації сприяє формуванню загальної культури якості.
Жоден виробничий процес не може працювати ідеально протягом 100% часу.Зміна умов викликає непередбачені події, які потребують усунення.Ті, хто має досвід у сфері якості, розуміють, що вся справа в процесі руху до досконалості.Як ви гарантуєте, що якість включена в процес, щоб виявити проблеми якомога раніше?Що ви будете робити, коли виявите дефект?Чи є якісь зовнішні фактори, що викликають цю проблему?Які зміни ви можете внести в план перевірки або процедуру тестування, щоб запобігти повторенню цієї проблеми?
Сформуйте уявлення про те, що кожен виробничий процес має пов’язаний процес якості.Уявіть собі майбутнє, де є взаємозв’язок «один-на-один» і постійне вимірювання якості.Незалежно від того, що трапляється випадково, ідеальної якості можна досягти.Кожен робочий центр щодня переглядає показники та ключові показники ефективності (KPI), щоб визначити сфери, які потрібно покращити, перш ніж виникнуть проблеми.
У цій замкнутій системі кожен виробничий процес має оцінку якості, яка забезпечує зворотний зв’язок, щоб зупинити процес, дозволити процесу продовжити або внести коригування в реальному часі.На систему не впливає втома чи людська помилка.Замкнута система якості, розроблена для виробництва літаків, є важливою для досягнення вищих рівнів якості, скорочення тривалості циклу та забезпечення відповідності стандартам AS9100.
Десять років тому ідея зосередити QA на дизайні продукту, дослідженні ринку, постачальниках, послугах продукту або інших факторах, які впливають на задоволеність клієнтів, була неможливою.Вважається, що дизайн продукту надходить від вищої влади;якість — це виконання цих конструкцій на конвеєрі, незалежно від їхніх недоліків.
Сьогодні багато компаній переосмислюють способи ведення бізнесу.Статус-кво у 2018 році може бути неможливим.Все більше виробників стають розумнішими.Доступно більше знань, що означає кращий інтелект для створення потрібного продукту з першого разу з вищою ефективністю та продуктивністю.