Prema SmarTechu, konsultantskoj kompaniji za proizvodnu tehnologiju, vazduhoplovstvo je druga najveća industrija koju opslužuje aditivna proizvodnja (AM), odmah iza medicine. Međutim, još uvijek ne postoji dovoljna svijest o potencijalu aditivne proizvodnje keramičkih materijala u brzoj proizvodnji vazduhoplovnih komponenti, povećanoj fleksibilnosti i isplativosti. AM može brže i održivije proizvoditi jače i lakše keramičke dijelove - smanjujući troškove rada, minimizirajući ručnu montažu i poboljšavajući efikasnost i performanse kroz dizajn razvijen modeliranjem, čime se smanjuje težina aviona. Osim toga, tehnologija aditivne proizvodnje keramike omogućava dimenzionalnu kontrolu gotovih dijelova za karakteristike manje od 100 mikrona.
Međutim, riječ keramika može izazvati zabludu o krhkosti. U stvari, aditivno proizvedena keramika proizvodi lakše, finije dijelove s velikom strukturnom čvrstoćom, žilavošću i otpornošću na širok temperaturni raspon. Kompanije koje gledaju u budućnost okreću se keramičkim proizvodnim komponentama, uključujući mlaznice i propelere, električne izolatore i lopatice turbina.
Na primjer, aluminijev oksid visoke čistoće ima visoku tvrdoću i ima jaku otpornost na koroziju i temperaturni raspon. Komponente izrađene od aluminijevog oksida također su električno izolirajuće na visokim temperaturama uobičajenim u zrakoplovnim sistemima.
Keramika na bazi cirkonija može zadovoljiti mnoge primjene s ekstremnim zahtjevima za materijalima i visokim mehaničkim naprezanjima, kao što su visokokvalitetni metalni kalupi, ventili i ležajevi. Silicijum nitridna keramika ima visoku čvrstoću, visoku žilavost i odličnu otpornost na termičke udare, kao i dobru hemijsku otpornost na koroziju raznih kiselina, alkalija i rastopljenih metala. Silicijum nitrid se koristi za izolatore, impelere i antene za visoke temperature i niske dielektrične vrijednosti.
Kompozitna keramika pruža nekoliko poželjnih kvaliteta. Keramika na bazi silicija s dodatkom aluminijevog oksida i cirkona pokazala se dobrom u proizvodnji odljevaka od monokristala za lopatice turbina. To je zato što keramička jezgra napravljena od ovog materijala ima vrlo nisko termičko širenje do 1.500°C, visoku poroznost, odličan kvalitet površine i dobru ispiranja. Štampanje ovih jezgara može proizvesti dizajne turbina koji mogu izdržati više radne temperature i povećati efikasnost motora.
Dobro je poznato da je brizganje ili mašinska obrada keramike vrlo teška, a mašinska obrada omogućava ograničen pristup komponentama koje se proizvode. Karakteristike poput tankih zidova također je teško obrađivati.
Međutim, Lithoz koristi litografsku keramičku proizvodnju (LCM) za proizvodnju preciznih, 3D keramičkih komponenti složenog oblika.
Počevši od CAD modela, detaljne specifikacije se digitalno prenose na 3D štampač. Zatim se precizno formulirani keramički prah nanosi na vrh prozirne kade. Pokretna konstrukcijska platforma se uranja u blato, a zatim selektivno izlaže vidljivoj svjetlosti odozdo. Slika sloja se generira digitalnim uređajem s mikroogledalima (DMD) povezanim sa sistemom za projekciju. Ponavljanjem ovog procesa, trodimenzionalni zeleni dio može se generirati sloj po sloj. Nakon termičke naknadne obrade, vezivo se uklanja, a zeleni dijelovi se sinteruju - spajaju posebnim postupkom zagrijavanja - kako bi se dobio potpuno gusti keramički dio s odličnim mehaničkim svojstvima i kvalitetom površine.
LCM tehnologija pruža inovativan, isplativ i brži proces lijevanja komponenti turbinskih motora postupkom preciznog lijevanja - zaobilazeći skupu i mukotrpnu proizvodnju kalupa potrebnu za livenje ubrizgavanjem i livenje metodom izgubljenog voska.
LCM također može postići dizajne koji se ne mogu postići drugim metodama, uz korištenje daleko manje sirovina nego druge metode.
Uprkos velikom potencijalu keramičkih materijala i LCM tehnologije, još uvijek postoji jaz između proizvođača originalne opreme (OEM) za aditivnu proizvodnju (AM) i dizajnera u vazduhoplovnoj industriji.
Jedan od razloga može biti otpor prema novim metodama proizvodnje u industrijama sa posebno strogim zahtjevima za sigurnost i kvalitet. Proizvodnja vazduhoplovnih sredstava zahtijeva mnoge procese verifikacije i kvalifikacije, kao i temeljita i rigorozna testiranja.
Još jedna prepreka uključuje uvjerenje da je 3D printanje uglavnom pogodno samo za jednokratnu brzu izradu prototipa, a ne za bilo šta što se može koristiti u zraku. Opet, ovo je nesporazum, a 3D printane keramičke komponente su se dokazale kao korištene u masovnoj proizvodnji.
Primjer je proizvodnja lopatica turbina, gdje AM keramički proces proizvodi jezgre od monokristala (SX), kao i lopatice turbina od superlegura dobivene usmjerenim skrućivanjem (DS) i livenjem s jednakom dužinom osi (EX). Jezgre sa složenim strukturama grana, višestrukim zidovima i zadnjim ivicama manjim od 200μm mogu se proizvesti brzo i ekonomično, a finalne komponente imaju konzistentnu dimenzionalnu tačnost i odličnu površinsku obradu.
Poboljšanje komunikacije može okupiti dizajnere vazduhoplovstva i proizvođače originalne opreme u aditivnoj industriji (AM) te u potpunosti vjerovati keramičkim komponentama proizvedenim korištenjem LCM-a i drugih tehnologija. Tehnologija i stručnost postoje. Potrebno je promijeniti način razmišljanja od AM-a za istraživanje i razvoj i izradu prototipova, te ga vidjeti kao put naprijed za velike komercijalne primjene.
Pored obrazovanja, kompanije u vazduhoplovstvu mogu uložiti vrijeme i u osoblje, inženjering i testiranje. Proizvođači moraju biti upoznati s različitim standardima i metodama za procjenu keramike, a ne metala. Na primjer, dva ključna ASTM standarda kompanije Lithoz za strukturnu keramiku su ASTM C1161 za ispitivanje čvrstoće i ASTM C1421 za ispitivanje žilavosti. Ovi standardi se primjenjuju na keramiku proizvedenu svim metodama. U aditivnoj proizvodnji keramike, korak štampanja je samo metoda oblikovanja, a dijelovi prolaze kroz istu vrstu sinterovanja kao i tradicionalna keramika. Stoga će mikrostruktura keramičkih dijelova biti vrlo slična konvencionalnoj obradi.
Na osnovu kontinuiranog napretka materijala i tehnologije, možemo s pouzdanjem reći da će dizajneri dobiti više podataka. Novi keramički materijali bit će razvijeni i prilagođeni prema specifičnim inženjerskim potrebama. Dijelovi izrađeni od AM keramike će završiti proces certifikacije za upotrebu u vazduhoplovstvu. I pružit će bolje alate za dizajn, kao što je poboljšani softver za modeliranje.
Saradnjom sa tehničkim stručnjacima za LCM, kompanije iz vazduhoplovne industrije mogu interno uvesti AM keramičke procese – skraćujući vrijeme, smanjujući troškove i stvarajući mogućnosti za razvoj vlastitog intelektualnog vlasništva kompanije. Uz predviđanje i dugoročno planiranje, kompanije iz vazduhoplovne industrije koje ulažu u keramičku tehnologiju mogu ostvariti značajne koristi u cijelom svom proizvodnom portfoliju u narednih deset godina i dalje.
Uspostavljanjem partnerstva sa kompanijom AM Ceramics, proizvođači originalne opreme za vazduhoplovnu industriju proizvodit će komponente koje su ranije bile nezamislive.
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 će govoriti o poteškoćama efikasnog komuniciranja prednosti aditivne proizvodnje keramike na sajmu Ceramics Expo u Clevelandu, Ohio, 1. septembra 2021. godine.
Iako razvoj hipersoničnih sistema letenja postoji već decenijama, sada je postao glavni prioritet nacionalne odbrane SAD-a, dovodeći ovo područje u stanje brzog rasta i promjena. Kao jedinstveno multidisciplinarno područje, izazov je pronaći stručnjake s potrebnim vještinama za promociju njegovog razvoja. Međutim, kada nema dovoljno stručnjaka, to stvara inovacijski jaz, kao što je stavljanje dizajna za proizvodnost (DFM) na prvo mjesto u fazi istraživanja i razvoja, a zatim pretvaranje u proizvodni jaz kada je prekasno za isplative promjene.
Savezi, poput novoosnovanog Univerzitetskog saveza za primijenjenu hipersoniku (UCAH), pružaju važno okruženje za razvoj talenata potrebnih za unapređenje ove oblasti. Studenti mogu direktno sarađivati ​​sa univerzitetskim istraživačima i stručnjacima iz industrije kako bi razvili tehnologiju i unaprijedili kritična istraživanja hipersonike.
Iako su UCAH i drugi obrambeni konzorciji ovlastili članove da se bave raznim inženjerskim poslovima, potrebno je uložiti više truda kako bi se njegovali raznoliki i iskusni talenti, od dizajna do razvoja i odabira materijala, pa sve do proizvodnih radionica.
Kako bi se obezbijedila trajnija vrijednost u ovoj oblasti, univerzitetski savez mora dati prioritet razvoju radne snage usklađivanjem s potrebama industrije, uključivanjem članova u istraživanja primjerena industriji i ulaganjem u program.
Prilikom transformacije hipersonične tehnologije u velike proizvodne projekte, postojeći jaz u vještinama inženjerske i proizvodne radne snage predstavlja najveći izazov. Ako rana istraživanja ne pređu ovu prikladno nazvanu dolinu smrti - jaz između istraživanja i razvoja i proizvodnje, a mnogi ambiciozni projekti su propali - onda smo izgubili primjenjivo i izvodljivo rješenje.
Američka proizvodna industrija može ubrzati supersoničnu brzinu, ali rizik od zaostajanja je povećanje obima radne snage kako bi se uskladilo s tim. Stoga, vlada i univerzitetski razvojni konzorciji moraju sarađivati ​​s proizvođačima kako bi ove planove proveli u praksi.
Industrija je iskusila nedostatak vještina, od proizvodnih radionica do inženjerskih laboratorija - ti nedostaci će se samo povećavati kako tržište hipersonične tehnologije raste. Nove tehnologije zahtijevaju radnu snagu u nastajanju kako bi proširile znanje u toj oblasti.
Hipersonični rad obuhvata nekoliko različitih ključnih područja različitih materijala i struktura, a svako područje ima svoj vlastiti skup tehničkih izazova. Oni zahtijevaju visok nivo detaljnog znanja, a ako ne postoji potrebna stručnost, to može stvoriti prepreke razvoju i proizvodnji. Ako nemamo dovoljno ljudi za održavanje posla, bit će nemoguće pratiti potražnju za velikom brzinom proizvodnje.
Na primjer, potrebni su nam ljudi koji mogu izraditi konačni proizvod. UCAH i drugi konzorciji su neophodni za promociju moderne proizvodnje i osiguravanje uključivanja studenata zainteresiranih za ulogu proizvodnje. Kroz međufunkcionalne napore posvećene razvoju radne snage, industrija će moći održati konkurentsku prednost u planovima hipersoničnih letova u narednih nekoliko godina.
Osnivanjem UCAH-a, Ministarstvo odbrane stvara priliku za usvajanje fokusiranijeg pristupa izgradnji kapaciteta u ovom području. Svi članovi koalicije moraju raditi zajedno na obuci studenata za njihove specifične sposobnosti kako bismo mogli izgraditi i održati zamah istraživanja i proširiti ga kako bismo postigli rezultate koji su našoj zemlji potrebni.
Sada zatvorena NASA-ina Alijansa za napredne kompozite (NASA Advanced Composites Alliance) primjer je uspješnog napora za razvoj radne snage. Njena efikasnost je rezultat kombinovanja istraživačko-razvojnog rada sa interesima industrije, što omogućava širenje inovacija u cijelom razvojnom ekosistemu. Lideri industrije su direktno sarađivali sa NASA-om i univerzitetima na projektima dvije do četiri godine. Svi članovi su razvili stručno znanje i iskustvo, naučili da sarađuju u nekonkurentnom okruženju i podsticali studente da se razvijaju kako bi u budućnosti njegovali ključne aktere u industriji.
Ova vrsta razvoja radne snage popunjava praznine u industriji i pruža malim preduzećima prilike za brze inovacije i diverzifikaciju područja kako bi postigla daljnji rast koji pogoduje inicijativama za nacionalnu sigurnost i ekonomsku sigurnost SAD-a.
Univerzitetski savezi, uključujući UCAH, važni su resursi u hipersoničnoj oblasti i odbrambenoj industriji. Iako su njihova istraživanja promovirala nove inovacije, njihova najveća vrijednost leži u sposobnosti da obuče našu sljedeću generaciju radne snage. Konzorcij sada mora dati prioritet ulaganjima u takve planove. Na taj način mogu pomoći u podsticanju dugoročnog uspjeha hipersoničnih inovacija.
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.
Proizvođači složenih, visoko inženjerski naprednih proizvoda (kao što su komponente aviona) posvećeni su savršenstvu svaki put. Nema prostora za manevar.
Budući da je proizvodnja aviona izuzetno složena, proizvođači moraju pažljivo upravljati procesom kvalitete, posvećujući veliku pažnju svakom koraku. To zahtijeva dubinsko razumijevanje načina upravljanja i prilagođavanja dinamičnim problemima proizvodnje, kvalitete, sigurnosti i lanca snabdijevanja, a istovremeno ispunjavati regulatorne zahtjeve.
Budući da mnogi faktori utiču na isporuku visokokvalitetnih proizvoda, teško je upravljati složenim i često promjenjivim proizvodnim narudžbama. Proces kvalitete mora biti dinamičan u svakom aspektu inspekcije i dizajna, proizvodnje i testiranja. Zahvaljujući strategijama Industrije 4.0 i modernim proizvodnim rješenjima, ovi izazovi kvalitete postali su lakši za upravljanje i prevazilaženje.
Tradicionalni fokus proizvodnje aviona oduvijek je bio na materijalima. Izvor većine problema s kvalitetom mogu biti krhki lomovi, korozija, zamor metala ili drugi faktori. Međutim, današnja proizvodnja aviona uključuje napredne, visoko inženjerske tehnologije koje koriste otporne materijale. Stvaranje proizvoda koristi visoko specijalizirane i složene procese i elektronske sisteme. Softverska rješenja za opće upravljanje operacijama možda više nisu u stanju riješiti izuzetno složene probleme.
Složeniji dijelovi mogu se kupiti iz globalnog lanca snabdijevanja, tako da se mora posvetiti više pažnje njihovoj integraciji tokom cijelog procesa montaže. Neizvjesnost donosi nove izazove za vidljivost lanca snabdijevanja i upravljanje kvalitetom. Osiguravanje kvaliteta tolikog broja dijelova i gotovih proizvoda zahtijeva bolje i integriranije metode kvalitete.
Industrija 4.0 predstavlja razvoj proizvodne industrije, a potrebne su sve naprednije tehnologije kako bi se ispunili strogi zahtjevi kvalitete. Tehnologije podrške uključuju Industrijski internet stvari (IIoT), digitalne niti, proširenu stvarnost (AR) i prediktivnu analitiku.
Kvalitet 4.0 opisuje metodu kvalitete proizvodnog procesa vođenu podacima koja uključuje proizvode, procese, planiranje, usklađenost i standarde. Izgrađena je na tradicionalnim metodama kvalitete, a ne zamjenjuje ih, koristeći mnoge iste nove tehnologije kao i njene industrijske verzije, uključujući mašinsko učenje, povezane uređaje, računarstvo u oblaku i digitalne blizance kako bi se transformisao radni tok organizacije i eliminisali mogući nedostaci proizvoda ili procesa. Očekuje se da će pojava Kvaliteta 4.0 dodatno promijeniti kulturu radnog mjesta povećanjem oslanjanja na podatke i dubljom upotrebom kvaliteta kao dijela ukupne metode stvaranja proizvoda.
Kvalitet 4.0 integriše operativna pitanja i pitanja osiguranja kvaliteta (QA) od početka do faze dizajna. To uključuje kako konceptualizirati i dizajnirati proizvode. Nedavni rezultati istraživanja industrije pokazuju da većina tržišta nema automatizirani proces prijenosa dizajna. Ručni proces ostavlja prostora za greške, bilo da se radi o internoj grešci ili komunikaciji dizajna i promjena u lancu snabdijevanja.
Pored dizajna, Quality 4.0 također koristi strojno učenje usmjereno na procese kako bi smanjio otpad, smanjio ponovni rad i optimizirao proizvodne parametre. Osim toga, rješava probleme s performansama proizvoda nakon isporuke, koristi povratne informacije s licu mjesta za daljinsko ažuriranje softvera proizvoda, održava zadovoljstvo kupaca i u konačnici osigurava ponovno poslovanje. Postaje nerazdvojni partner Industrije 4.0.
Međutim, kvalitet se ne odnosi samo na odabrane proizvodne linije. Inkluzivnost Kvaliteta 4.0 može usaditi sveobuhvatan pristup kvalitetu u proizvodne organizacije, čineći transformativnu moć podataka sastavnim dijelom korporativnog razmišljanja. Usklađenost na svim nivoima organizacije doprinosi formiranju ukupne kulture kvaliteta.
Nijedan proizvodni proces ne može savršeno teći u 100% vremena. Promjenjivi uslovi pokreću nepredviđene događaje koji zahtijevaju sanaciju. Oni koji imaju iskustva u kvalitetu razumiju da se sve svodi na proces kretanja ka savršenstvu. Kako osigurati da je kvalitet uključen u proces kako bi se problemi otkrili što je ranije moguće? Šta ćete učiniti kada pronađete nedostatak? Postoje li neki vanjski faktori koji uzrokuju ovaj problem? Koje promjene možete napraviti u planu inspekcije ili postupku ispitivanja kako biste spriječili da se ovaj problem ponovi?
Uspostavite mentalitet da svaki proizvodni proces ima povezani i povezani proces kvalitete. Zamislite budućnost u kojoj postoji odnos jedan-na-jedan i stalno mjerite kvalitet. Bez obzira na to šta se slučajno dešava, savršen kvalitet se može postići. Svaki radni centar svakodnevno pregleda indikatore i ključne indikatore učinka (KPI) kako bi identificirao područja za poboljšanje prije nego što se pojave problemi.
U ovom sistemu zatvorene petlje, svaki proizvodni proces ima inferenciju o kvalitetu, koja pruža povratnu informaciju za zaustavljanje procesa, omogućavanje nastavka procesa ili vršenje prilagođavanja u realnom vremenu. Na sistem ne utiču zamor ili ljudska greška. Sistem kvaliteta zatvorene petlje dizajniran za proizvodnju aviona je neophodan za postizanje višeg nivoa kvaliteta, skraćivanje vremena ciklusa i osiguranje usklađenosti sa standardima AS9100.
Prije deset godina, ideja fokusiranja osiguranja kvaliteta na dizajn proizvoda, istraživanje tržišta, dobavljače, usluge vezane za proizvode ili druge faktore koji utiču na zadovoljstvo kupaca bila je nemoguća. Dizajn proizvoda se shvata kao nešto što dolazi od višeg autoriteta; kvalitet se odnosi na izvršavanje ovih dizajna na montažnoj traci, bez obzira na njihove nedostatke.
Danas mnoge kompanije preispituju način poslovanja. Status quo iz 2018. godine možda više nije moguć. Sve više proizvođača postaje pametnije i pametnije. Dostupno je više znanja, što znači bolju inteligenciju za izradu pravog proizvoda od prvog puta, s većom efikasnošću i performansama.