Према подацима компаније SmarTech, консултантске компаније за производну технологију, ваздухопловство је друга највећа индустрија коју опслужује адитивна производња (АМ), одмах после медицине. Међутим, и даље недостаје свест о потенцијалу адитивне производње керамичких материјала у брзој производњи ваздухопловних компоненти, повећаној флексибилности и исплативости. АМ може брже и одрживије да производи јаче и лакше керамичке делове - смањујући трошкове рада, минимизирајући ручну монтажу и побољшавајући ефикасност и перформансе кроз дизајн развијен моделирањем, чиме се смањује тежина авиона. Поред тога, технологија адитивне производње керамике омогућава димензионалну контролу готових делова за карактеристике мање од 100 микрона.
Међутим, реч керамика може изазвати погрешну представу о кртости. У ствари, адитивно произведена керамика производи лакше, финије делове са великом структурном чврстоћом, жилавошћу и отпорношћу на широк температурни опсег. Компаније које гледају у будућност окрећу се компонентама за производњу од керамике, укључујући млазнице и пропелере, електричне изолаторе и лопатице турбина.
На пример, алуминијум оксид високе чистоће има високу тврдоћу и јаку отпорност на корозију и температурни опсег. Компоненте направљене од алуминијума су такође електрично изолујуће на високим температурама уобичајеним у ваздухопловним системима.
Керамика на бази цирконијума може да задовољи многе примене са екстремним захтевима за материјале и високим механичким напрезањем, као што су висококвалитетни метални ливци, вентили и лежајеви. Силицијум нитридна керамика има високу чврстоћу, високу жилавост и одличну отпорност на термичке ударе, као и добру хемијску отпорност на корозију разних киселина, алкалија и растопљених метала. Силицијум нитрид се користи за изолаторе, импелере и антене за високе температуре и ниске диелектричне напоне.
Композитна керамика пружа неколико пожељних квалитета. Керамика на бази силицијума са додатком алуминијумског оксида и циркона показала се као добра у производњи монокристалних одливака за лопатице турбина. То је зато што керамичко језгро направљено од овог материјала има веома ниско термичко ширење до 1.500°C, високу порозност, одличан квалитет површине и добру могућност испирања. Штампање ових језгара може произвести дизајн турбина који може да издржи више радне температуре и повећа ефикасност мотора.
Добро је познато да је бризгање или машинска обрада керамике веома тешка, а машинска обрада омогућава ограничен приступ компонентама које се производе. Карактеристике попут танких зидова такође је тешко обрађивати машински.
Међутим, Литхоз користи литографску керамичку производњу (LCM) за производњу прецизних, сложених 3Д керамичких компоненти.
Полазећи од CAD модела, детаљне спецификације се дигитално преносе на 3D штампач. Затим се прецизно формулисани керамички прах наноси на врх провидне каде. Покретна грађевинска платформа се урања у блато, а затим селективно излаже видљивој светлости одоздо. Слика слоја се генерише дигиталним микро-огледалским уређајем (DMD) повезаним са пројекционим системом. Понављањем овог процеса, може се генерисати тродимензионални зелени део слој по слој. Након термичке накнадне обраде, везиво се уклања, а зелени делови се синтерују - комбинују посебним поступком загревања - да би се произвео потпуно густи керамички део са одличним механичким својствима и квалитетом површине.
LCM технологија пружа иновативан, исплатив и бржи процес за ливење инвестицијама компоненти турбинских мотора - заобилазећи скупу и мукотрпну производњу калупа потребну за бризгање и ливење изгубљеним воском.
LCM такође може постићи дизајне који се не могу постићи другим методама, користећи далеко мање сировина него друге методе.
Упркос великом потенцијалу керамичких материјала и LCM технологије, и даље постоји јаз између произвођача оригиналне опреме (OEM) за AM и дизајнера у ваздухопловној индустрији.
Један од разлога може бити отпор према новим методама производње у индустријама са посебно строгим захтевима за безбедност и квалитет. Производња ваздухопловства захтева многе процесе верификације и квалификације, као и темељна и ригорозна испитивања.
Још једна препрека укључује веровање да је 3Д штампање углавном погодно само за једнократну брзу израду прототипова, а не за било шта што се може употребити у ваздуху. Опет, ово је погрешно схватање, а 3Д штампане керамичке компоненте су се показале као корисне у масовној производњи.
Пример је производња лопатица турбина, где AM керамички процес производи језгра од монокристала (SX), као и лопатице турбина од суперлегура добијене усмереним очвршћавањем (DS) и ливењем са једнаким осама (EX). Језгра са сложеним структурама грана, вишеструким зидовима и задњим ивицама мањим од 200μm могу се произвести брзо и економично, а финалне компоненте имају конзистентну димензионалну тачност и одличну завршну обраду површине.
Унапређење комуникације може спојити дизајнере ваздухопловне индустрије и произвођаче оригиналне опреме за производњу одбрамбене технологије (AM) и у потпуности поверити у керамичке компоненте произведене коришћењем LCM и других технологија. Технологија и стручност постоје. Потребно је променити начин размишљања од AM за истраживање и развој и израду прототипова, и видети га као пут напред за велике комерцијалне примене.
Поред образовања, ваздухопловне компаније могу уложити време и у особље, инжењеринг и тестирање. Произвођачи морају бити упознати са различитим стандардима и методама за процену керамике, а не метала. На пример, два кључна ASTM стандарда компаније Lithoz за структурну керамику су ASTM C1161 за испитивање чврстоће и ASTM C1421 за испитивање жилавости. Ови стандарди се примењују на керамику произведену свим методама. У адитивној производњи керамике, корак штампања је само метода обликовања, а делови пролазе кроз исту врсту синтеровања као и традиционална керамика. Стога ће микроструктура керамичких делова бити веома слична конвенционалној машини.
На основу континуираног напретка материјала и технологије, можемо са сигурношћу рећи да ће дизајнери добити више података. Нови керамички материјали биће развијени и прилагођени према специфичним инжењерским потребама. Делови направљени од АМ керамике ће завршити процес сертификације за употребу у ваздухопловству. И обезбедиће боље алате за дизајн, као што је побољшани софтвер за моделирање.
Сарадњом са техничким стручњацима за LCM, ваздухопловне компаније могу интерно увести AM керамичке процесе – скраћујући време, смањујући трошкове и стварајући могућности за развој сопствене интелектуалне својине компаније. Са предвиђањем и дугорочним планирањем, ваздухопловне компаније које улажу у керамичку технологију могу остварити значајне користи у целом свом производном портфолију у наредних десет година и касније.
Успостављањем партнерства са AM Ceramics, произвођачи оригиналне опреме за ваздухопловну индустрију производиће компоненте које су раније биле незамисливе.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Алан ће говорити о тешкоћама ефикасног комуницирања предности адитивне производње керамике на сајму Ceramics Expo у Кливленду, Охајо, 1. септембра 2021. године.
Иако развој хиперсоничних система лета постоји деценијама, сада је постао главни приоритет националне одбране САД, доводећи ову област у стање брзог раста и промена. Као јединствена мултидисциплинарна област, изазов је пронаћи стручњаке са потребним вештинама за промоцију њеног развоја. Међутим, када нема довољно стручњака, то ствара иновативни јаз, као што је стављање дизајна за производност (DFM) на прво место у фази истраживања и развоја, а затим претварање у производни јаз када је прекасно за исплативе промене.
Савези, као што је новоосновани Универзитетски савез за примењену хиперсонику (UCAH), пружају важно окружење за неговање талената потребних за унапређење ове области. Студенти могу директно да раде са универзитетским истраживачима и стручњацима из индустрије како би развили технологију и унапредили критична истраживања хиперсонике.
Иако су UCAH и други одбрамбени конзорцијуми овластили чланове да се баве разним инжењерским пословима, потребно је уложити више труда у неговање разноврсних и искусних талената, од дизајна до развоја и избора материјала, па све до производних радионица.
Да би се обезбедила трајнија вредност у овој области, универзитетски савез мора дати приоритет развоју радне снаге усклађивањем са потребама индустрије, укључивањем чланова у истраживања прикладна за индустрију и улагањем у програм.
Приликом трансформације хиперсоничне технологије у велике производне пројекте, постојећи јаз у вештинама инжењерске и производне радне снаге представља највећи изазов. Ако рана истраживања не пређу ову прикладно названу долину смрти – јаз између истраживања и развоја и производње, а многи амбициозни пројекти су пропали – онда смо изгубили применљиво и изводљиво решење.
Америчка производна индустрија може убрзати надзвучну брзину, али ризик од заостајања је повећање броја радне снаге у складу са тим. Стога, владини и универзитетски конзорцијуми за развој морају сарађивати са произвођачима како би ове планове спровели у пракси.
Индустрија је искусила недостатак вештина, од производних радионица до инжењерских лабораторија – овај недостатак ће се само повећавати како тржиште хиперсоничне технологије расте. Нове технологије захтевају радну снагу у настајању како би се проширило знање у овој области.
Хиперсонични рад обухвата неколико различитих кључних области различитих материјала и структура, а свака област има свој скуп техничких изазова. Они захтевају висок ниво детаљног знања, а ако не постоји потребна стручност, то може створити препреке развоју и производњи. Ако немамо довољно људи да одржимо посао, биће немогуће пратити потражњу за производњом велике брзине.
На пример, потребни су нам људи који могу да направе финални производ. UCAH и други конзорцијуми су неопходни за промоцију модерне производње и осигуравање да су укључени студенти заинтересовани за улогу производње. Кроз међуфункционалне напоре посвећене развоју радне снаге, индустрија ће моћи да одржи конкурентску предност у плановима хиперсоничних летова у наредних неколико година.
Оснивањем UCAH-а, Министарство одбране ствара прилику да усвоји фокусиранији приступ изградњи капацитета у овој области. Сви чланови коалиције морају заједно да раде на обуци студената у њиховим специјализованим способностима како бисмо могли да изградимо и одржимо замах истраживања и проширимо га како бисмо произвели резултате који су нашој земљи потребни.
Сада затворена организација NASA Advanced Composites Alliance је пример успешног напора за развој радне снаге. Њена ефикасност је резултат комбиновања истраживачког и развојног рада са интересима индустрије, што омогућава ширење иновација кроз развојни екосистем. Лидери у индустрији су директно сарађивали са NASA-ом и универзитетима на пројектима две до четири године. Сви чланови су развили стручно знање и искуство, научили да сарађују у неконкурентном окружењу и неговали студенте да се развијају како би неговали кључне играче у индустрији у будућности.
Ова врста развоја радне снаге попуњава празнине у индустрији и пружа могућности малим предузећима да брзо иновирају и диверзификују област како би постигла даљи раст који погодује иницијативама за националну безбедност и економску безбедност САД.
Универзитетски савези, укључујући UCAH, су важна имовина у хиперсоничној области и одбрамбеној индустрији. Иако су њихова истраживања промовисала нове иновације, њихова највећа вредност лежи у способности да обучавају нашу следећу генерацију радне снаге. Конзорцијум сада мора дати приоритет улагањима у такве планове. На тај начин могу помоћи у неговању дугорочног успеха хиперсоничних иновација.
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.
Произвођачи сложених, високо инжењерских производа (као што су компоненте авиона) су посвећени савршенству сваки пут. Нема простора за маневар.
Пошто је производња авиона изузетно сложена, произвођачи морају пажљиво управљати процесом квалитета, обраћајући велику пажњу на сваки корак. То захтева дубинско разумевање начина управљања и прилагођавања динамичним проблемима производње, квалитета, безбедности и ланца снабдевања, уз истовремено испуњавање регулаторних захтева.
Пошто многи фактори утичу на испоруку висококвалитетних производа, тешко је управљати сложеним и често променљивим производним налозима. Процес квалитета мора бити динамичан у сваком аспекту инспекције и пројектовања, производње и испитивања. Захваљујући стратегијама Индустрије 4.0 и модерним производним решењима, ови изазови квалитета су постали лакши за управљање и превазилажење.
Традиционални фокус производње авиона увек је био на материјалима. Извор већине проблема са квалитетом може бити крти лом, корозија, замор метала или други фактори. Међутим, данашња производња авиона укључује напредне, високо инжењерске технологије које користе отпорне материјале. Стварање производа користи високо специјализоване и сложене процесе и електронске системе. Софтверска решења за опште управљање операцијама можда више нису у стању да реше изузетно сложене проблеме.
Сложенији делови могу се купити из глобалног ланца снабдевања, тако да се више пажње мора посветити њиховој интеграцији током целог процеса монтаже. Неизвесност доноси нове изазове за видљивост ланца снабдевања и управљање квалитетом. Обезбеђивање квалитета толиког броја делова и готових производа захтева боље и интегрисаније методе квалитета.
Индустрија 4.0 представља развој производне индустрије, а потребне су све напредније технологије како би се испунили строги захтеви квалитета. Подржавајуће технологије укључују Индустријски интернет ствари (IIoT), дигиталне нити, проширену стварност (AR) и предиктивну аналитику.
Квалитет 4.0 описује методу квалитета производног процеса вођену подацима која обухвата производе, процесе, планирање, усклађеност и стандарде. Заснован је на традиционалним методама квалитета, а не замењује их, користећи многе исте нове технологије као и његови индустријски пандани, укључујући машинско учење, повезане уређаје, рачунарство у облаку и дигиталне близанце како би се трансформисао ток рада организације и елиминисали могући недостаци производа или процеса. Очекује се да ће појава Квалитета 4.0 додатно променити културу на радном месту повећањем ослањања на податке и дубљом употребом квалитета као дела целокупне методе креирања производа.
Квалитет 4.0 интегрише оперативна питања и питања осигурања квалитета (QA) од почетка до фазе пројектовања. Ово укључује како концептуализовати и пројектовати производе. Резултати недавних истраживања у индустрији показују да већина тржишта нема аутоматизовани процес преноса дизајна. Ручни процес оставља простор за грешке, било да је у питању интерна грешка или комуникација дизајна и промена у ланцу снабдевања.
Поред дизајна, Квалитет 4.0 такође користи машинско учење усмерено на процесе како би смањио отпад, смањио поновни рад и оптимизовао производне параметре. Поред тога, решава проблеме са перформансама производа након испоруке, користи повратне информације са локације за даљинско ажурирање софтвера производа, одржава задовољство купаца и на крају осигурава поновно пословање. Постаје нераздвојни партнер Индустрије 4.0.
Међутим, квалитет се не односи само на одабране производне везе. Инклузивност Квалитета 4.0 може усадити свеобухватан приступ квалитету у производне организације, чинећи трансформативну моћ података саставним делом корпоративног размишљања. Усклађеност на свим нивоима организације доприноси формирању свеукупне културе квалитета.
Ниједан производни процес не може да функционише савршено у 100% времена. Променљиви услови покрећу непредвиђене догађаје који захтевају санацију. Они који имају искуства у области квалитета разумеју да се све своди на процес кретања ка савршенству. Како осигурати да је квалитет укључен у процес како би се проблеми открили што је раније могуће? Шта ћете учинити када пронађете дефект? Да ли постоје неки спољни фактори који узрокују овај проблем? Које промене можете направити у плану инспекције или поступку испитивања како бисте спречили да се овај проблем поново појави?
Успоставите менталитет да сваки производни процес има повезан и повезан процес квалитета. Замислите будућност у којој постоји однос један-на-један и стално мерите квалитет. Без обзира на то шта се дешава насумично, савршен квалитет се може постићи. Сваки радни центар свакодневно преиспитује индикаторе и кључне индикаторе учинка (KPI) како би идентификовао области за побољшање пре него што се појаве проблеми.
У овом систему затворене петље, сваки производни процес има инференцију квалитета, која пружа повратне информације за заустављање процеса, омогућавање наставка процеса или извршење подешавања у реалном времену. На систем не утичу замор или људске грешке. Систем квалитета затворене петље дизајниран за производњу авиона је неопходан за постизање виших нивоа квалитета, скраћивање времена циклуса и осигуравање усклађености са стандардима AS9100.
Пре десет година, идеја фокусирања контроле квалитета на дизајн производа, истраживање тржишта, добављаче, услуге везане за производе или друге факторе који утичу на задовољство купаца била је немогућа. Схвата се да дизајн производа долази од вишег ауторитета; квалитет се односи на извршење тих дизајна на производној траци, без обзира на њихове недостатке.
Данас многе компаније преиспитују како да послују. Статус кво из 2018. године можда више није могућ. Све више произвођача постаје паметнији и паметнији. Доступно је више знања, што значи бољу интелигенцију за изградњу правог производа из првог покушаја, са већом ефикасношћу и перформансама.