Volgens SmarTech, 'n vervaardigingstegnologie-konsultasiemaatskappy, is lugvaart die tweede grootste bedryf wat deur additiewe vervaardiging (AM) bedien word, tweede slegs na medisyne. Daar is egter steeds 'n gebrek aan bewustheid van die potensiaal van additiewe vervaardiging van keramiekmateriale in die vinnige vervaardiging van lugvaartkomponente, verhoogde buigsaamheid en koste-effektiwiteit. AM kan sterker en ligter keramiekonderdele vinniger en meer volhoubaar produseer - wat arbeidskoste verminder, handmatige montering verminder en doeltreffendheid en werkverrigting verbeter deur ontwerp wat deur modellering ontwikkel is, waardeur die gewig van die vliegtuig verminder word. Boonop bied additiewe vervaardiging van keramiektegnologie dimensionele beheer van afgewerkte onderdele vir kenmerke kleiner as 100 mikron.
Die woord keramiek kan egter die wanopvatting van brosheid oproep. Trouens, additief-vervaardigde keramiek produseer ligter, fyner onderdele met groot strukturele sterkte, taaiheid en weerstand teen 'n wye temperatuurreeks. Toekomsgerigte maatskappye wend hulle tot keramiekvervaardigingskomponente, insluitend spuitstukke en skroewe, elektriese isolators en turbinelemme.
Byvoorbeeld, hoë-suiwerheid alumina het hoë hardheid, en het 'n sterk korrosieweerstand en temperatuurreeks. Komponente gemaak van alumina is ook elektries isolerend by die hoë temperature wat algemeen in lugvaartstelsels voorkom.
Sirkoniumgebaseerde keramiek kan aan baie toepassings voldoen met uiterste materiaalvereistes en hoë meganiese spanning, soos hoë-end metaalgietwerk, kleppe en laers. Silikonnitriedkeramiek het hoë sterkte, hoë taaiheid en uitstekende termiese skokweerstand, sowel as goeie chemiese weerstand teen die korrosie van 'n verskeidenheid sure, alkalieë en gesmelte metale. Silikonnitried word gebruik vir isolators, waaiers en hoë-temperatuur lae-diëlektriese antennas.
Saamgestelde keramiek bied verskeie gewenste eienskappe. Silikon-gebaseerde keramiek bygevoeg met alumina en sirkoon het bewys dat dit goed presteer in die vervaardiging van enkelkristalgietstukke vir turbinelemme. Dit is omdat die keramiekkern wat van hierdie materiaal gemaak word, baie lae termiese uitsetting tot 1 500 °C, hoë porositeit, uitstekende oppervlakkwaliteit en goeie uitloogbaarheid het. Die druk van hierdie kerne kan turbine-ontwerpe produseer wat hoër bedryfstemperature kan weerstaan ​​en enjindoeltreffendheid kan verhoog.
Dit is welbekend dat spuitgiet of bewerking van keramiek baie moeilik is, en bewerking bied beperkte toegang tot die komponente wat vervaardig word. Kenmerke soos dun wande is ook moeilik om te bewerk.
Lithoz gebruik egter litografie-gebaseerde keramiekvervaardiging (LCM) om presiese, kompleks-vormige 3D-keramiekkomponente te vervaardig.
Vanaf die CAD-model word die gedetailleerde spesifikasies digitaal na die 3D-drukker oorgedra. Dan word die presies geformuleerde keramiekpoeier bo-op die deursigtige vat aangebring. Die beweegbare konstruksieplatform word in die modder gedompel en dan selektief aan sigbare lig van onder blootgestel. Die laagbeeld word gegenereer deur 'n digitale mikrospieëltoestel (DMD) gekoppel aan die projeksiestelsel. Deur hierdie proses te herhaal, kan 'n driedimensionele groen onderdeel laag vir laag gegenereer word. Na termiese nabehandeling word die bindmiddel verwyder en die groen dele gesinter - gekombineer deur 'n spesiale verhittingsproses - om 'n volledig digte keramiekonderdeel met uitstekende meganiese eienskappe en oppervlakkwaliteit te produseer.
LCM-tegnologie bied 'n innoverende, koste-effektiewe en vinniger proses vir die beleggingsgiet van turbine-enjinkomponente – wat die duur en moeisame vormvervaardiging wat nodig is vir spuitgiet en verlorewasgiet omseil.
KGV kan ook ontwerpe bereik wat nie deur ander metodes bereik kan word nie, terwyl baie minder grondstowwe as ander metodes gebruik word.
Ten spyte van die groot potensiaal van keramiekmateriale en LCM-tegnologie, is daar steeds 'n gaping tussen vervaardigers van oorspronklike toerusting (OEM) van AM en lugvaartontwerpers.
Een rede kan weerstand teen nuwe vervaardigingsmetodes in nywerhede met besonder streng veiligheids- en kwaliteitsvereistes wees. Lugvaartvervaardiging vereis baie verifikasie- en kwalifikasieprosesse, sowel as deeglike en streng toetsing.
Nog 'n struikelblok sluit in die oortuiging dat 3D-drukwerk hoofsaaklik slegs geskik is vir eenmalige vinnige prototipering, eerder as enigiets wat in die lug gebruik kan word. Weereens, dit is 'n misverstand, en 3D-gedrukte keramiekkomponente is bewys om in massaproduksie gebruik te word.
'n Voorbeeld is die vervaardiging van turbinelemme, waar die AM-keramiekproses enkelkristal (SX) kerne produseer, sowel as gerigte stolling (DS) en gelykas-giet (EX) superlegering turbinelemme. Kerne met komplekse takstrukture, veelvuldige wande en agterrande van minder as 200 μm kan vinnig en ekonomies vervaardig word, en die finale komponente het konsekwente dimensionele akkuraatheid en uitstekende oppervlakafwerking.
Verbeterde kommunikasie kan lugvaartontwerpers en AM-OEM's bymekaarbring en keramiekkomponente wat met behulp van LCM en ander tegnologieë vervaardig word, ten volle vertrou. Tegnologie en kundigheid bestaan. Dit moet die denkwyse van AM vir O&O en prototipering verander, en dit as die pad vorentoe vir grootskaalse kommersiële toepassings beskou.
Benewens opleiding, kan lugvaartmaatskappye ook tyd belê in personeel, ingenieurswese en toetsing. Vervaardigers moet vertroud wees met verskillende standaarde en metodes vir die evaluering van keramiek, nie metale nie. Lithoz se twee belangrikste ASTM-standaarde vir strukturele keramiek is byvoorbeeld ASTM C1161 vir sterktetoetsing en ASTM C1421 vir taaiheidstoetsing. Hierdie standaarde is van toepassing op keramiek wat deur alle metodes vervaardig word. In keramiek-additiewe vervaardiging is die drukstap slegs 'n vormingsmetode, en die onderdele ondergaan dieselfde tipe sintering as tradisionele keramiek. Daarom sal die mikrostruktuur van keramiekonderdele baie soortgelyk wees aan konvensionele bewerking.
Gebaseer op die voortdurende vooruitgang van materiale en tegnologie, kan ons met vertroue sê dat ontwerpers meer data sal bekom. Nuwe keramiekmateriale sal ontwikkel en aangepas word volgens spesifieke ingenieursbehoeftes. Onderdele gemaak van AM-keramiek sal die sertifiseringsproses vir gebruik in lugvaart voltooi. En sal beter ontwerpinstrumente verskaf, soos verbeterde modelleringsagteware.
Deur samewerking met LCM-tegniese kundiges, kan lugvaartmaatskappye AM-keramiekprosesse intern instel – wat tyd verkort, koste verminder en geleenthede skep vir die ontwikkeling van die maatskappy se eie intellektuele eiendom. Met vooruitsig en langtermynbeplanning kan lugvaartmaatskappye wat in keramiektegnologie belê, beduidende voordele in hul hele produksieportefeulje in die volgende tien jaar en daarna pluk.
Deur 'n vennootskap met AM Ceramics te vestig, sal vervaardigers van oorspronklike lugvaarttoerusting komponente produseer wat voorheen ondenkbaar was.
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 sal praat oor die probleme om die voordele van keramiek-additiewe vervaardiging effektief te kommunikeer by die Keramiek-ekspo in Cleveland, Ohio op 1 September 2021.
Alhoewel die ontwikkeling van hipersoniese vlugstelsels al dekades lank bestaan, het dit nou die topprioriteit van die Amerikaanse nasionale verdediging geword, wat hierdie veld in 'n toestand van vinnige groei en verandering bring. As 'n unieke multidissiplinêre veld, is die uitdaging om kundiges met die nodige vaardighede te vind om die ontwikkeling daarvan te bevorder. Wanneer daar egter nie genoeg kundiges is nie, skep dit 'n innovasiegaping, soos om ontwerp vir vervaardigbaarheid (DFM) eerste in die O&O-fase te plaas, en dan in 'n vervaardigingsgaping te verander wanneer dit te laat is om koste-effektiewe veranderinge aan te bring.
Alliansies, soos die nuutgestigte Universiteitsalliansie vir Toegepaste Hipersonika (UCAH), bied 'n belangrike omgewing vir die kweek van die talente wat nodig is om die veld te bevorder. Studente kan direk met universiteitsnavorsers en bedryfspersoneel saamwerk om tegnologie te ontwikkel en kritieke hipersoniese navorsing te bevorder.
Alhoewel UCAH en ander verdedigingskonsortiums lede gemagtig het om 'n verskeidenheid ingenieurswerk te verrig, moet meer werk gedoen word om diverse en ervare talente te kweek, van ontwerp tot materiaalontwikkeling en -keuse tot vervaardigingswerkswinkels.
Om meer blywende waarde in die veld te bied, moet die universiteitsalliansie werksmagontwikkeling 'n prioriteit maak deur in lyn te kom met die behoeftes van die bedryf, lede te betrek by bedryfsgepaste navorsing en in die program te belê.
Wanneer hipersoniese tegnologie in grootskaalse vervaardigbare projekte omskep word, is die bestaande vaardigheidsgaping in ingenieurswese en vervaardiging die grootste uitdaging. As vroeë navorsing nie hierdie gepas genaamde vallei van die dood oorsteek nie – die gaping tussen navorsing en ontwikkeling en vervaardiging, en baie ambisieuse projekte het misluk – dan het ons 'n toepaslike en haalbare oplossing verloor.
Die Amerikaanse vervaardigingsbedryf kan die supersoniese spoed versnel, maar die risiko om agter te raak, is om die grootte van die arbeidsmag uit te brei om daarmee saam te pas. Daarom moet die regering en universiteitsontwikkelingskonsortiums met vervaardigers saamwerk om hierdie planne in die praktyk te bring.
Die bedryf het vaardigheidstekorte ervaar, van vervaardigingswerkswinkels tot ingenieurslaboratoriums – hierdie gapings sal net groter word namate die hipersoniese mark groei. Opkomende tegnologieë vereis 'n opkomende arbeidsmag om kennis in die veld uit te brei.
Hipersoniese werk strek oor verskeie sleutelareas van verskillende materiale en strukture, en elke area het sy eie stel tegniese uitdagings. Dit vereis 'n hoë vlak van gedetailleerde kennis, en as die vereiste kundigheid nie bestaan ​​nie, kan dit struikelblokke vir ontwikkeling en produksie skep. As ons nie genoeg mense het om die werk te onderhou nie, sal dit onmoontlik wees om tred te hou met die vraag na hoëspoedproduksie.
Ons benodig byvoorbeeld mense wat die finale produk kan bou. UCAH en ander konsortiums is noodsaaklik om moderne vervaardiging te bevorder en te verseker dat studente wat belangstel in die rol van vervaardiging ingesluit word. Deur middel van kruisfunksionele toegewyde werksmagontwikkelingspogings sal die bedryf in die volgende paar jaar 'n mededingende voordeel in hipersoniese vlugplanne kan handhaaf.
Deur die stigting van UCAH skep die Departement van Verdediging 'n geleentheid om 'n meer gefokusde benadering tot die bou van vermoëns in hierdie gebied te volg. Alle koalisielede moet saamwerk om die studente se nisvermoëns op te lei sodat ons die momentum van navorsing kan bou en handhaaf en dit kan uitbrei om die resultate te lewer wat ons land benodig.
Die nou geslote NASA Advanced Composites Alliance is 'n voorbeeld van 'n suksesvolle werksmagontwikkelingspoging. Die doeltreffendheid daarvan is die resultaat van die kombinasie van O&O-werk met bedryfsbelange, wat innovasie toelaat om dwarsdeur die ontwikkelingsekosisteem uit te brei. Bedryfsleiers het twee tot vier jaar direk met NASA en universiteite aan projekte gewerk. Alle lede het professionele kennis en ervaring ontwikkel, geleer om in 'n nie-mededingende omgewing saam te werk, en kollegestudente gekoester om te ontwikkel om sleutelspelers in die bedryf in die toekoms te koester.
Hierdie tipe werksmagontwikkeling vul gapings in die bedryf en bied geleenthede vir klein besighede om vinnig te innoveer en die veld te diversifiseer om verdere groei te behaal wat bevorderlik is vir die Amerikaanse nasionale veiligheid en ekonomiese sekuriteitsinisiatiewe.
Universiteitsalliansies, insluitend UCAH, is belangrike bates in die hipersoniese veld en verdedigingsbedryf. Alhoewel hul navorsing opkomende innovasies bevorder het, lê hul grootste waarde in hul vermoë om ons volgende generasie werksmag op te lei. Die konsortium moet nou beleggings in sulke planne prioritiseer. Deur dit te doen, kan hulle help om die langtermyn sukses van hipersoniese innovasie te bevorder.
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.
Vervaardigers van komplekse, hoogs ontwerpte produkte (soos vliegtuigonderdele) is elke keer verbind tot perfeksie. Daar is geen ruimte vir maneuver nie.
Omdat vliegtuigproduksie uiters kompleks is, moet vervaardigers die kwaliteitsproses noukeurig bestuur en baie aandag aan elke stap gee. Dit vereis 'n diepgaande begrip van hoe om dinamiese produksie-, kwaliteits-, veiligheids- en voorsieningskettingkwessies te bestuur en daarby aan te pas, terwyl aan regulatoriese vereistes voldoen word.
Omdat baie faktore die lewering van hoëgehalte-produkte beïnvloed, is dit moeilik om komplekse en gereeld veranderende produksiebestellings te bestuur. Die kwaliteitsproses moet dinamies wees in elke aspek van inspeksie en ontwerp, produksie en toetsing. Danksy Industrie 4.0-strategieë en moderne vervaardigingsoplossings het hierdie kwaliteitsuitdagings makliker geword om te bestuur en te oorkom.
Die tradisionele fokus van vliegtuigproduksie was nog altyd op materiale. Die bron van die meeste kwaliteitsprobleme kan brosbreuk, korrosie, metaalmoegheid of ander faktore wees. Vandag se vliegtuigproduksie sluit egter gevorderde, hoogs ontwerpte tegnologieë in wat weerstandbiedende materiale gebruik. Produkskepping gebruik hoogs gespesialiseerde en komplekse prosesse en elektroniese stelsels. Algemene operasionele bestuursagteware-oplossings is moontlik nie meer in staat om uiters komplekse probleme op te los nie.
Meer komplekse onderdele kan van die globale voorsieningsketting aangekoop word, daarom moet meer oorweging gegee word aan die integrasie daarvan dwarsdeur die monteerproses. Onsekerheid bring nuwe uitdagings vir die sigbaarheid van die voorsieningsketting en kwaliteitsbestuur. Om die kwaliteit van soveel onderdele en klaarprodukte te verseker, vereis beter en meer geïntegreerde kwaliteitsmetodes.
Industrie 4.0 verteenwoordig die ontwikkeling van die vervaardigingsbedryf, en meer en meer gevorderde tegnologieë is nodig om aan streng kwaliteitsvereistes te voldoen. Ondersteunende tegnologieë sluit in die Industriële Internet van Dinge (IIoT), digitale drade, toegevoegde realiteit (AR) en voorspellende analise.
Kwaliteit 4.0 beskryf 'n datagedrewe produksieproses-kwaliteitsmetode wat produkte, prosesse, beplanning, voldoening en standaarde behels. Dit is gebou op eerder as om tradisionele kwaliteitsmetodes te vervang, en gebruik baie van dieselfde nuwe tegnologieë as sy industriële eweknieë, insluitend masjienleer, gekoppelde toestelle, wolkrekenaars en digitale tweelinge om die organisasie se werkvloei te transformeer en moontlike produk- of prosesdefekte uit te skakel. Die opkoms van Kwaliteit 4.0 sal na verwagting die werkplekkultuur verder verander deur die afhanklikheid van data te verhoog en 'n dieper gebruik van kwaliteit as deel van die algehele produkskeppingsmetode.
Kwaliteit 4.0 integreer operasionele en kwaliteitsversekeringskwessies (QA) van die begin tot die ontwerpfase. Dit sluit in hoe om produkte te konseptualiseer en te ontwerp. Onlangse bedryfsopnameresultate dui daarop dat die meeste markte nie 'n outomatiese ontwerpoordragproses het nie. Die handmatige proses laat ruimte vir foute, of dit nou 'n interne fout is of die kommunikasie van ontwerp en veranderinge aan die voorsieningsketting.
Benewens ontwerp, gebruik Kwaliteit 4.0 ook prosesgesentreerde masjienleer om afval te verminder, herbewerking te verminder en produksieparameters te optimaliseer. Daarbenewens los dit ook produkprestasieprobleme na aflewering op, gebruik terugvoer op die perseel om produksagteware op afstand op te dateer, handhaaf kliëntetevredenheid en verseker uiteindelik herhaalde besigheid. Dit word 'n onafskeidbare vennoot van Industrie 4.0.
Gehalte is egter nie net van toepassing op geselekteerde vervaardigingskakels nie. Die inklusiwiteit van Gehalte 4.0 kan 'n omvattende kwaliteitsbenadering in vervaardigingsorganisasies kweek, wat die transformerende krag van data 'n integrale deel van korporatiewe denke maak. Nakoming op alle vlakke van die organisasie dra by tot die vorming van 'n algehele kwaliteitskultuur.
Geen produksieproses kan 100% van die tyd perfek verloop nie. Veranderende toestande veroorsaak onvoorsiene gebeurtenisse wat remediëring vereis. Diegene wat ervaring in kwaliteit het, verstaan ​​dat dit alles gaan oor die proses om na perfeksie te beweeg. Hoe verseker jy dat kwaliteit in die proses ingesluit word om probleme so vroeg as moontlik op te spoor? Wat sal jy doen wanneer jy die defek vind? Is daar enige eksterne faktore wat hierdie probleem veroorsaak? Watter veranderinge kan jy aan die inspeksieplan of toetsprosedure maak om te verhoed dat hierdie probleem weer gebeur?
Vestig 'n mentaliteit dat elke produksieproses 'n verwante en verwant kwaliteitsproses het. Stel jou 'n toekoms voor waar daar 'n een-tot-een-verhouding is en voortdurend kwaliteit meet. Ongeag wat lukraak gebeur, kan perfekte kwaliteit bereik word. Elke werksentrum hersien aanwysers en sleutelprestasie-aanwysers (KPI's) daagliks om areas vir verbetering te identifiseer voordat probleme voorkom.
In hierdie geslote-lus-stelsel het elke produksieproses 'n kwaliteitsinferensie, wat terugvoer verskaf om die proses te stop, die proses toe te laat om voort te gaan, of intydse aanpassings te maak. Die stelsel word nie beïnvloed deur moegheid of menslike foute nie. 'n Geslote-lus-kwaliteitstelsel wat ontwerp is vir vliegtuigproduksie is noodsaaklik om hoër kwaliteitsvlakke te bereik, siklustye te verkort en voldoening aan AS9100-standaarde te verseker.
Tien jaar gelede was die idee om kwaliteitsversekering te fokus op produkontwerp, marknavorsing, verskaffers, produkdienste of ander faktore wat kliëntetevredenheid beïnvloed, onmoontlik. Produkontwerp word verstaan ​​as afkomstig van 'n hoër gesag; kwaliteit gaan oor die uitvoering van hierdie ontwerpe op die monteerlyn, ongeag hul tekortkominge.
Vandag heroorweeg baie maatskappye hoe om sake te doen. Die status quo in 2018 is dalk nie meer moontlik nie. Al hoe meer vervaardigers word slimmer en slimmer. Meer kennis is beskikbaar, wat beter intelligensie beteken om die regte produk in die eerste keer te bou, met hoër doeltreffendheid en werkverrigting.