За даними SmarTech, консалтингової компанії з виробничих технологій, аерокосмічна галузь є другою за величиною галуззю, що обслуговується адитивним виробництвом (АД), поступаючись лише медицині. Однак досі бракує усвідомлення потенціалу адитивного виробництва керамічних матеріалів для швидкого виробництва аерокосмічних компонентів, підвищення гнучкості та економічної ефективності. АД може виготовляти міцніші та легші керамічні деталі швидше та більш екологічно, знижуючи витрати на оплату праці, мінімізуючи ручне складання та підвищуючи ефективність та продуктивність завдяки розробці дизайну за допомогою моделювання, тим самим зменшуючи вагу літака. Крім того, технологія адитивного виробництва кераміки забезпечує контроль розмірів готових деталей для елементів розміром менше 100 мікрон.
Однак слово «кераміка» може викликати хибне уявлення про крихкість. Насправді, адитивна кераміка дозволяє виготовляти легші та тонші деталі з високою структурною міцністю, жорсткістю та стійкістю до широкого діапазону температур. Перспективні компанії звертаються до виготовлення керамічних компонентів, включаючи сопла та пропелери, електричні ізолятори та лопаті турбін.
Наприклад, високочистий глинозем має високу твердість, стійкість до корозії та широкий діапазон температур. Компоненти, виготовлені з глинозему, також є електроізолюючими за високих температур, поширених в аерокосмічних системах.
Кераміка на основі цирконію може задовольнити багато потреб у застосуванні з екстремальними вимогами до матеріалів та високими механічними навантаженнями, такими як високоякісне лиття металу, клапани та підшипники. Нітридкремнієва кераміка має високу міцність, високу в'язкість та чудову термостійкість, а також добру хімічну стійкість до корозії, спричиненої різноманітними кислотами, лугами та розплавленими металами. Нітрид кремнію використовується для ізоляторів, робочих коліс та високотемпературних низькодіелектричних антен.
Композитна кераміка забезпечує кілька бажаних якостей. Кераміка на основі кремнію з додаванням оксиду алюмінію та циркону добре зарекомендувала себе у виробництві монокристалічних виливків для лопаток турбін. Це пояснюється тим, що керамічне осердя, виготовлене з цього матеріалу, має дуже низьке теплове розширення до 1500°C, високу пористість, відмінну якість поверхні та добру вилуговуваність. Друк цих осердь може створювати конструкції турбін, які можуть витримувати вищі робочі температури та підвищувати ефективність двигуна.
Загальновідомо, що лиття під тиском або обробка кераміки є дуже складною, а обробка забезпечує обмежений доступ до виготовляних компонентів. Такі елементи, як тонкі стінки, також важко обробляти механічно.
Однак Lithoz використовує літографію для виготовлення точних, складних за формою 3D-керамічних компонентів.
Починаючи з CAD-моделі, детальні специфікації цифровим способом переносяться на 3D-принтер. Потім точно сформований керамічний порошок наносять на верхню частину прозорої ємності. Рухома будівельна платформа занурюється в розчин, а потім вибірково піддається впливу видимого світла знизу. Зображення шару генерується цифровим мікродзеркальним пристроєм (DMD) у поєднанні з проекційною системою. Повторюючи цей процес, можна шар за шаром створювати тривимірну зелену деталь. Після термічної обробки сполучна речовина видаляється, а зелені деталі спікаються – об'єднуються спеціальним процесом нагрівання – для отримання повністю щільної керамічної деталі з відмінними механічними властивостями та якістю поверхні.
Технологія LCM забезпечує інноваційний, економічно ефективний та швидший процес лиття за виплавлюваними моделями компонентів турбінних двигунів, обходячи дороге та трудомістке виготовлення прес-форм, необхідне для лиття під тиском та лиття за виплавленими моделями.
LCM також може створювати конструкції, які неможливо реалізувати іншими методами, використовуючи при цьому набагато менше сировини, ніж інші методи.
Незважаючи на великий потенціал керамічних матеріалів та технології LCM, все ще існує розрив між виробниками оригінального обладнання (OEM) для аддитивного виробництва та конструкторами аерокосмічної галузі.
Однією з причин може бути спротив новим методам виробництва в галузях з особливо суворими вимогами безпеки та якості. Аерокосмічне виробництво вимагає багатьох процесів перевірки та кваліфікації, а також ретельних та суворих випробувань.
Ще однією перешкодою є переконання, що 3D-друк підходить переважно лише для одноразового швидкого прототипування, а не для чогось, що можна використовувати в повітрі. Знову ж таки, це непорозуміння, і керамічні компоненти, надруковані за допомогою 3D-друку, довели свою ефективність у масовому виробництві.
Прикладом є виробництво лопаток турбін, де керамічний процес AM дозволяє виготовляти монокристалічні (SX) сердечники, а також лопатки турбін із суперсплавів, отримані методом спрямованого затвердіння (DS) та рівноосьового лиття (EX). Серцевини зі складними структурами розгалужень, кількома стінками та задніми кромками менше 200 мкм можна виготовляти швидко та економічно, а кінцеві компоненти мають стабільну точність розмірів та відмінну обробку поверхні.
Покращення комунікації може об'єднати аерокосмічних конструкторів та виробників оригінального обладнання для адитивного виробництва (AM) та повністю довіряти керамічним компонентам, виготовленим за допомогою низькомолекулярного хроматичного виробництва (LCM) та інших технологій. Технології та досвід існують. Це має змінити спосіб мислення від адитивного виробництва до досліджень і розробок та прототипування, і розглядати його як шлях уперед для великомасштабного комерційного застосування.
Окрім освіти, аерокосмічні компанії також можуть інвестувати час у персонал, інженерію та випробування. Виробники повинні бути знайомі з різними стандартами та методами оцінки кераміки, а не металів. Наприклад, два ключові стандарти ASTM компанії Lithoz для конструкційної кераміки - це ASTM C1161 для випробувань на міцність та ASTM C1421 для випробувань на в'язкість. Ці стандарти застосовуються до кераміки, виготовленої всіма методами. У керамічному адитивному виробництві етап друку є лише методом формування, а деталі проходять той самий тип спікання, що й традиційна кераміка. Тому мікроструктура керамічних деталей буде дуже схожою на звичайну механічну обробку.
Виходячи з постійного вдосконалення матеріалів і технологій, можна впевнено сказати, що конструктори отримають більше даних. Нові керамічні матеріали будуть розроблені та налаштовані відповідно до конкретних інженерних потреб. Деталі з аддитивної кераміки пройдуть процес сертифікації для використання в аерокосмічній галузі. А також забезпечать кращі інструменти проектування, такі як покращене програмне забезпечення для моделювання.
Співпрацюючи з технічними експертами LCM, аерокосмічні компанії можуть впроваджувати керамічні процеси адитивного виробництва власними силами, скорочуючи час, зменшуючи витрати та створюючи можливості для розвитку власної інтелектуальної власності компанії. Завдяки передбачливості та довгостроковому плануванню аерокосмічні компанії, які інвестують у керамічні технології, можуть отримати значні переваги у всьому своєму виробничому портфелі протягом наступних десяти років і далі.
Завдяки партнерству з AM Ceramics, виробники оригінального обладнання для аерокосмічної галузі зможуть виробляти компоненти, які раніше були немислимими.
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 адитивного виробництва кераміки на виставці Ceramics Expo у Клівленді, штат Огайо, 1 вересня 2021 року.
Хоча розробка гіперзвукових систем польоту існує вже десятиліттями, зараз вона стала головним пріоритетом національної оборони США, що призвело до швидкого зростання та змін у цій галузі. Як унікальна багатопрофільна галузь, завдання полягає в тому, щоб знайти експертів з необхідними навичками для сприяння її розвитку. Однак, коли експертів недостатньо, це створює інноваційний розрив, наприклад, коли проектування для технологічності (DFM) ставиться на перше місце на етапі досліджень і розробок, а потім перетворюється на виробничий розрив, коли вже занадто пізно вносити економічно ефективні зміни.
Такі альянси, як нещодавно створений Університетський альянс прикладної гіперзвукової технології (UCAH), створюють важливе середовище для розвитку талантів, необхідних для розвитку цієї галузі. Студенти можуть безпосередньо працювати з університетськими дослідниками та фахівцями галузі для розробки технологій та просування критично важливих досліджень у галузі гіперзвукової технології.
Хоча UCAH та інші оборонні консорціуми уповноважили своїх членів займатися різноманітними інженерними роботами, необхідно виконати більше роботи для розвитку різноманітних та досвідчених талантів, від проектування до розробки та вибору матеріалів та виробничих майстерень.
Щоб забезпечити більш тривалу цінність у цій галузі, університетський альянс повинен зробити розвиток робочої сили пріоритетом, узгоджуючи його з потребами галузі, залучаючи членів до галузевих досліджень та інвестуючи в програму.
Під час трансформації гіперзвукових технологій у масштабні виробничі проекти найбільшою проблемою є існуючий розрив у кваліфікації інженерної та виробничої робочої сили. Якщо ранні дослідження не подолають цю влучно названу долину смерті — розрив між дослідженнями та розробками та виробництвом, і багато амбітних проектів зазнають невдачі, — то ми втратимо застосовне та доцільне рішення.
Американська обробна промисловість може пришвидшити розвиток надзвукової швидкості, але ризик відставання полягає у збільшенні чисельності робочої сили відповідно. Тому урядові та університетські консорціуми розвитку повинні співпрацювати з виробниками, щоб втілити ці плани на практиці.
У галузі існує дефіцит кваліфікованих кадрів, від виробничих цехів до інженерних лабораторій, і цей дефіцит лише збільшуватиметься зі зростанням ринку гіперзвукової техніки. Новітні технології вимагають нової робочої сили для розширення знань у цій галузі.
Гіперзвукова робота охоплює кілька ключових областей, зокрема різні матеріали та конструкції, і кожна з них має свій власний набір технічних проблем. Вони вимагають високого рівня детальних знань, і якщо необхідних експертів не існує, це може створити перешкоди для розробки та виробництва. Якщо у нас не буде достатньо людей для підтримки роботи, буде неможливо задовольнити попит на високошвидкісне виробництво.
Наприклад, нам потрібні люди, які можуть створювати кінцевий продукт. UCAH та інші консорціуми є важливими для просування сучасного виробництва та забезпечення залучення студентів, зацікавлених у ролі виробництва. Завдяки міжфункціональним цілеспрямованим зусиллям з розвитку робочої сили, галузь зможе підтримувати конкурентну перевагу в планах гіперзвукових польотів протягом наступних кількох років.
Створюючи UCAH, Міністерство оборони створює можливість застосувати більш цілеспрямований підхід до розвитку потенціалу в цій галузі. Усі члени коаліції повинні працювати разом над навчанням студентів нішевим здібностям, щоб ми могли нарощувати та підтримувати імпульс досліджень і розширювати їх для досягнення результатів, необхідних нашій країні.
Нині закритий Альянс NASA Advanced Composites є прикладом успішних зусиль з розвитку робочої сили. Його ефективність є результатом поєднання науково-дослідної роботи з інтересами галузі, що дозволяє інноваціям поширюватися в усій екосистемі розробки. Лідери галузі безпосередньо співпрацювали з NASA та університетами над проектами протягом двох-чотирьох років. Усі члени отримали професійні знання та досвід, навчилися співпрацювати в неконкурентному середовищі та виховували студентів коледжів, щоб вони розвивалися для виховання ключових гравців галузі в майбутньому.
Такий тип розвитку робочої сили заповнює прогалини в галузі та надає можливості малому бізнесу швидко впроваджувати інновації та диверсифікувати сферу діяльності для досягнення подальшого зростання, що сприяє ініціативам національної та економічної безпеки США.
Університетські альянси, включаючи UCAH, є важливими активами в гіперзвуковій галузі та оборонній промисловості. Хоча їхні дослідження сприяли розвитку інновацій, їхня найбільша цінність полягає в їхній здатності навчати наступне покоління робочої сили. Консорціуму зараз необхідно пріоритезувати інвестиції в такі плани. Роблячи це, вони можуть допомогти 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 виробів (таких як компоненти літаків) прагнуть досконалості щоразу. Тут немає місця для маневру.
Оскільки виробництво літаків є надзвичайно складним, виробники повинні ретельно керувати процесом забезпечення якості, приділяючи велику увагу кожному кроку. Це вимагає глибокого розуміння того, як керувати та адаптуватися до динамічних проблем виробництва, якості, безпеки та ланцюга поставок, дотримуючись при цьому нормативних вимог.
Оскільки на постачання високоякісної продукції впливає багато факторів, важко керувати складними та часто змінюваними виробничими замовленнями. Процес якості має бути динамічним у кожному аспекті контролю, проектування, виробництва та випробувань. Завдяки стратегіям Індустрії 4.0 та сучасним виробничим рішенням, ці проблеми з якістю стали легше керувати та долати.
Традиційно у виробництві літаків основна увага завжди приділялася матеріалам. Джерелом більшості проблем з якістю може бути крихке руйнування, корозія, втома металу або інші фактори. Однак сучасне виробництво літаків включає передові, високотехнологічні технології, що використовують стійкі матеріали. Створення продукції використовує вузькоспеціалізовані та складні процеси й електронні системи. Загальні програмні рішення для управління операціями можуть більше не бути здатними вирішувати надзвичайно складні проблеми.
Більш складні деталі можна придбати в глобальному ланцюжку поставок, тому необхідно приділяти більше уваги їх інтеграції в процес складання. Невизначеність створює нові виклики для прозорості ланцюга поставок та управління якістю. Забезпечення якості такої кількості деталей і готової продукції вимагає кращих та більш інтегрованих методів контролю якості.
Промисловість 4.0 відображає розвиток обробної промисловості, і для задоволення суворих вимог до якості потрібні все більш і більш передові технології. Допоміжні технології включають промисловий Інтернет речей (IIoT), цифрові потоки, доповнену реальність (AR) та прогнозну аналітику.
Якість 4.0 описує метод контролю якості виробничого процесу, керований даними, що включає продукти, процеси, планування, відповідність вимогам та стандарти. Він побудований на традиційних методах контролю якості, а не замінює їх, використовуючи багато тих самих нових технологій, що й його промислові аналоги, включаючи машинне навчання, підключені пристрої, хмарні обчислення та цифрових двійників, для трансформації робочого процесу організації та усунення можливих дефектів продуктів або процесів. Очікується, що поява Якості 4.0 ще більше змінить культуру робочого місця, збільшивши залежність від даних та глибше використовуючи якість як частину загального методу створення продукту.
Якість 4.0 інтегрує операційні питання та питання забезпечення якості (QA) від початку до етапу проектування. Це включає в себе те, як концептуалізувати та проектувати продукти. Результати нещодавніх галузевих опитувань показують, що більшість ринків не мають автоматизованого процесу передачі дизайну. Ручний процес залишає місце для помилок, незалежно від того, чи це внутрішня помилка, чи повідомлення про дизайн та зміни в ланцюжку поставок.
Окрім дизайну, Quality 4.0 також використовує процесоорієнтоване машинне навчання для зменшення відходів, зменшення кількості переробок та оптимізації виробничих параметрів. Крім того, вона також вирішує проблеми з продуктивністю продукту після доставки, використовує зворотний зв'язок на місці для дистанційного оновлення програмного забезпечення продукту, підтримує задоволеність клієнтів і, зрештою, забезпечує повторні замовлення. Вона стає невід'ємним партнером Industry 4.0.
Однак, якість стосується не лише окремих виробничих ланок. Інклюзивність Якості 4.0 може прищепити комплексний підхід до якості виробничим організаціям, зробивши трансформаційну силу даних невід'ємною частиною корпоративного мислення. Дотримання вимог на всіх рівнях організації сприяє формуванню загальної культури якості.
Жоден виробничий процес не може працювати ідеально 100% часу. Зміна умов призводить до непередбачених подій, які потребують усунення. Ті, хто має досвід у сфері якості, розуміють, що все зводиться до процесу руху до досконалості. Як забезпечити включення якості в процес, щоб виявляти проблеми якомога раніше? Що ви будете робити, коли виявите дефект? Чи є якісь зовнішні фактори, що спричиняють цю проблему? Які зміни ви можете внести до плану перевірки або процедури випробувань, щоб запобігти повторенню цієї проблеми?
Сформуйте менталітет, що кожен виробничий процес має пов'язаний з ним процес забезпечення якості. Уявіть собі майбутнє, де існує взаємозв'язок один до одного та постійно вимірюється якість. Незалежно від випадкових подій, ідеальної якості можна досягти. Кожен робочий центр щодня переглядає показники та ключові показники ефективності (KPI), щоб визначити області для покращення, перш ніж виникнуть проблеми.
У цій замкнутій системі кожен виробничий процес має функцію оцінки якості, яка забезпечує зворотний зв'язок для зупинки процесу, дозволити продовження процесу або внести корективи в режимі реального часу. На систему не впливають втома чи людські помилки. 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 контроль якості на дизайні продукту, дослідженні ринку, постачальниках, сервісному обслуговуванні продуктів чи інших факторах, що впливають на задоволення клієнтів, була неможливою. Розробка продукту розуміється як ініціатива вищої інстанції; якість полягає у виконанні цих проектів на конвеєрі, незалежно від їхніх недоліків.
Сьогодні багато компаній переосмислюють, як вести бізнес. Статус-кво 2018 року може бути вже неможливим. Все більше виробників стають розумнішими. Доступно більше знань, а це означає кращий інтелект для створення правильного продукту з першого разу, з вищою ефективністю та продуктивністю.