Ifølge SmarTech, et konsulentfirma for fremstillingsteknologi, er luftfart den næststørste industri, der betjenes af additiv fremstilling (AM), kun næst efter medicin.Der er dog stadig en mangel på bevidsthed om potentialet ved additiv fremstilling af keramiske materialer i hurtig fremstilling af flykomponenter, øget fleksibilitet og omkostningseffektivitet.AM kan producere stærkere og lettere keramiske dele hurtigere og mere bæredygtigt, hvilket reducerer arbejdsomkostningerne, minimerer manuel samling og forbedrer effektiviteten og ydeevnen gennem design udviklet ved modellering, og derved reducerer flyets vægt.Derudover giver additiv fremstilling af keramisk teknologi dimensionskontrol af færdige dele for funktioner mindre end 100 mikron.
Ordet keramik kan dog fremmane den forkerte opfattelse af skørhed.Faktisk producerer additivfremstillet keramik lettere, finere dele med stor strukturel styrke, sejhed og modstandsdygtighed over for et bredt temperaturområde.Fremadrettede virksomheder henvender sig til keramiske fremstillingskomponenter, herunder dyser og propeller, elektriske isolatorer og turbinevinger.
For eksempel har højrent aluminiumoxid høj hårdhed og har en stærk korrosionsbestandighed og temperaturområde.Komponenter lavet af aluminiumoxid er også elektrisk isolerende ved de høje temperaturer, der er almindelige i rumfartssystemer.
Zirconia-baseret keramik kan opfylde mange applikationer med ekstreme materialekrav og høj mekanisk belastning, såsom high-end metalstøbning, ventiler og lejer.Siliciumnitridkeramik har høj styrke, høj sejhed og fremragende termisk stødbestandighed, samt god kemisk modstandsdygtighed over for korrosion af en række forskellige syrer, alkalier og smeltede metaller.Siliciumnitrid bruges til isolatorer, pumpehjul og højtemperatur-lavdielektriske antenner.
Kompositkeramik giver flere ønskværdige kvaliteter.Siliciumbaseret keramik tilsat aluminiumoxid og zirkon har vist sig at fungere godt i fremstillingen af ​​enkeltkrystalstøbegods til turbinevinger.Dette skyldes, at den keramiske kerne lavet af dette materiale har meget lav termisk udvidelse op til 1.500°C, høj porøsitet, fremragende overfladekvalitet og god udvaskbarhed.Udskrivning af disse kerner kan producere turbinedesign, der kan modstå højere driftstemperaturer og øge motorens effektivitet.
Det er velkendt, at sprøjtestøbning eller bearbejdning af keramik er meget vanskelig, og bearbejdning giver begrænset adgang til de komponenter, der fremstilles.Funktioner som tynde vægge er også svære at bearbejde.
Lithoz bruger dog litografi-baseret keramisk fremstilling (LCM) til at fremstille præcise, kompleksformede 3D-keramiske komponenter.
Med udgangspunkt i CAD-modellen overføres de detaljerede specifikationer digitalt til 3D-printeren.Påfør derefter det præcist formulerede keramiske pulver på toppen af ​​det gennemsigtige kar.Den bevægelige byggeplatform nedsænkes i mudderet og udsættes derefter selektivt for synligt lys nedefra.Lagbilledet genereres af en digital mikrospejlanordning (DMD) koblet med projektionssystemet.Ved at gentage denne proces kan en tredimensionel grøn del genereres lag for lag.Efter termisk efterbehandling fjernes bindemidlet, og de grønne dele sintres-kombineret ved en speciel opvarmningsproces - for at producere en fuldstændig tæt keramisk del med fremragende mekaniske egenskaber og overfladekvalitet.
LCM-teknologien giver en innovativ, omkostningseffektiv og hurtigere proces til investeringsstøbning af turbinemotorkomponenter uden om den dyre og besværlige fremstilling af forme, der kræves til sprøjtestøbning og tabt voksstøbning.
LCM kan også opnå design, der ikke kan opnås med andre metoder, samtidig med at der bruges langt færre råvarer end andre metoder.
På trods af det store potentiale i keramiske materialer og LCM-teknologi er der stadig en kløft mellem AM original equipment manufacturers (OEM) og rumfartsdesignere.
En årsag kan være modstand mod nye fremstillingsmetoder i industrier med særligt strenge sikkerheds- og kvalitetskrav.Rumfartsfremstilling kræver mange verifikations- og kvalifikationsprocesser samt grundige og strenge tests.
En anden hindring omfatter troen på, at 3D-print hovedsageligt kun er egnet til engangs-hurtig prototyping, frem for noget, der kan tages i brug i luften.Igen er dette en misforståelse, og 3D-printede keramiske komponenter har vist sig at blive brugt i masseproduktion.
Et eksempel er fremstillingen af ​​turbinevinger, hvor AM keramiske proces producerer enkeltkrystal (SX) kerner, samt retningsbestemt størkning (DS) og equiaxed casting (EX) superlegering turbine vinger.Kerner med komplekse grenstrukturer, flere vægge og bagkanter mindre end 200μm kan produceres hurtigt og økonomisk, og de endelige komponenter har ensartet dimensionsnøjagtighed og fremragende overfladefinish.
Forbedring af kommunikation kan samle rumfartsdesignere og AM OEM'er og stole fuldt ud på keramiske komponenter fremstillet ved hjælp af LCM og andre teknologier.Teknologi og ekspertise findes.Det skal ændre måden at tænke på fra AM til R&D og prototyping og se det som vejen frem for kommercielle applikationer i stor skala.
Ud over uddannelse kan luftfartsvirksomheder også investere tid i personale, teknik og test.Producenter skal være bekendt med forskellige standarder og metoder til vurdering af keramik, ikke metaller.For eksempel er Lithoz' to centrale ASTM-standarder for strukturel keramik ASTM C1161 til styrkeprøvning og ASTM C1421 til sejhedstest.Disse standarder gælder for keramik fremstillet efter alle metoder.Ved fremstilling af keramisk additiv er tryktrinnet blot en formningsmetode, og delene gennemgår samme type sintring som traditionel keramik.Derfor vil mikrostrukturen af ​​keramiske dele være meget lig konventionel bearbejdning.
Baseret på den kontinuerlige udvikling af materialer og teknologi kan vi med tillid sige, at designere vil få flere data.Nye keramiske materialer vil blive udviklet og tilpasset efter specifikke tekniske behov.Dele lavet af AM-keramik vil fuldføre certificeringsprocessen til brug i rumfart.Og vil give bedre designværktøjer, såsom forbedret modelleringssoftware.
Ved at samarbejde med LCM tekniske eksperter kan luftfartsvirksomheder indføre AM-keramiske processer internt, hvilket forkorter tid, reducerer omkostninger og skaber muligheder for udvikling af virksomhedens egen intellektuelle ejendom.Med fremsyn og langsigtet planlægning kan luftfartsvirksomheder, der investerer i keramisk teknologi, høste betydelige fordele i hele deres produktionsportefølje i løbet af de næste ti år og derefter.
Ved at etablere et partnerskab med AM Ceramics vil producenter af originalt rumfartsudstyr producere komponenter, der tidligere var utænkelige.
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 vil tale om vanskelighederne ved effektivt at kommunikere fordelene ved fremstilling af keramiske additiv på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio den 1. september 2021.
Selvom udviklingen af ​​hypersoniske flyvesystemer har eksisteret i årtier, er den nu blevet topprioriteten for USA's nationale forsvar, hvilket bringer dette felt ind i en tilstand af hurtig vækst og forandring.Som et unikt tværfagligt felt er udfordringen at finde eksperter med de nødvendige kompetencer til at fremme dets udvikling.Men når der ikke er nok eksperter, skaber det et innovationsgab, såsom at sætte design for manufacturability (DFM) først i R&D-fasen og derefter blive til et produktionsgab, når det er for sent at foretage omkostningseffektive ændringer.
Alliancer, såsom den nyoprettede University Alliance for Applied Hypersonic (UCAH), giver et vigtigt miljø for at dyrke de talenter, der er nødvendige for at fremme feltet.Studerende kan arbejde direkte med universitetsforskere og branchefolk for at udvikle teknologi og fremme kritisk hypersonisk forskning.
Selvom UCAH og andre forsvarskonsortier godkendte medlemmer til at engagere sig i en række ingeniørjob, skal der gøres mere for at dyrke forskellige og erfarne talenter, fra design til materialeudvikling og udvælgelse til fremstillingsværksteder.
For at give mere varig værdi på området skal universitetsalliancen gøre udvikling af arbejdsstyrken til en prioritet ved at tilpasse sig industriens behov, involvere medlemmer i brancheegnet forskning og investere i programmet.
Når man transformerer hypersonisk teknologi til projekter, der kan fremstilles i stor skala, er den eksisterende kløft i ingeniør- og fremstillingsarbejdskraft den største udfordring.Hvis tidlig forskning ikke krydser denne passende navngivne dødsdal – kløften mellem F&U og fremstilling, og mange ambitiøse projekter har slået fejl – så har vi mistet en anvendelig og gennemførlig løsning.
Den amerikanske fremstillingsindustri kan accelerere den supersoniske hastighed, men risikoen for at komme bagud er at udvide størrelsen af ​​arbejdsstyrken til at matche.Derfor skal regeringen og universitetets udviklingskonsortier samarbejde med producenterne for at føre disse planer ud i livet.
Industrien har oplevet kvalifikationskløfter fra fremstillingsværksteder til ingeniørlaboratorier - disse huller vil kun blive større, efterhånden som det hypersoniske marked vokser.Nye teknologier kræver en voksende arbejdsstyrke for at udvide viden på området.
Hypersonisk arbejde spænder over flere forskellige nøgleområder af forskellige materialer og strukturer, og hvert område har sit eget sæt af tekniske udfordringer.De kræver et højt niveau af detaljeret viden, og hvis den nødvendige ekspertise ikke findes, kan det skabe hindringer for udvikling og produktion.Hvis vi ikke har folk nok til at fastholde jobbet, vil det være umuligt at følge med efterspørgslen efter højhastighedsproduktion.
For eksempel har vi brug for folk, der kan bygge det endelige produkt.UCAH og andre konsortier er afgørende for at fremme moderne fremstilling og sikre, at studerende, der er interesseret i rollen som fremstilling, er inkluderet.Gennem tværfunktionelle dedikerede arbejdsstyrkeudviklingsindsatser vil industrien være i stand til at opretholde en konkurrencefordel i hypersoniske flyveplaner i de næste par år.
Ved at etablere UCAH skaber forsvarsministeriet en mulighed for at vedtage en mere fokuseret tilgang til at opbygge kapaciteter på dette område.Alle koalitionsmedlemmer skal arbejde sammen om at træne de studerendes nicheevner, så vi kan opbygge og fastholde forskningsmomentet og udvide det til at producere de resultater, vores land har brug for.
Den nu lukkede NASA Advanced Composites Alliance er et eksempel på en vellykket indsats for udvikling af arbejdsstyrken.Dens effektivitet er resultatet af at kombinere F&U-arbejde med industriens interesser, hvilket gør det muligt for innovation at udvide i hele udviklingsøkosystemet.Brancheledere har arbejdet direkte med NASA og universiteter på projekter i to til fire år.Alle medlemmer har udviklet faglig viden og erfaring, lært at samarbejde i et ikke-konkurrencedygtigt miljø og opdraget universitetsstuderende til at udvikle sig for at pleje nøgleaktører i industrien i fremtiden.
Denne type arbejdsstyrkeudvikling udfylder huller i branchen og giver små virksomheder muligheder for at innovere hurtigt og diversificere feltet for at opnå yderligere vækst, der er befordrende for USA's nationale sikkerheds- og økonomiske sikkerhedsinitiativer.
Universitetsalliancer, herunder UCAH, er vigtige aktiver i det hypersoniske felt og forsvarsindustrien.Selvom deres forskning har fremmet nye innovationer, ligger deres største værdi i deres evne til at træne vores næste generation af arbejdsstyrke.Konsortiet skal nu prioritere investeringer i sådanne planer.Ved at gøre det kan de være med til at fremme den langsigtede succes med hypersonisk innovation.
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.
Producenter af komplekse, højt konstruerede produkter (såsom flykomponenter) er forpligtet til perfektion hver gang.Der er ikke råderum.
Fordi flyproduktion er ekstremt kompleks, skal producenterne omhyggeligt styre kvalitetsprocessen og være meget opmærksomme på hvert trin.Dette kræver en dybtgående forståelse af, hvordan man håndterer og tilpasser sig dynamiske produktions-, kvalitet-, sikkerheds- og forsyningskædeproblemer, samtidig med at lovgivningskravene overholdes.
Fordi mange faktorer påvirker leveringen af ​​produkter af høj kvalitet, er det vanskeligt at håndtere komplekse og hyppigt skiftende produktionsordrer.Kvalitetsprocessen skal være dynamisk i alle aspekter af inspektion og design, produktion og test.Takket være Industry 4.0-strategier og moderne produktionsløsninger er disse kvalitetsudfordringer blevet nemmere at håndtere og overkomme.
Det traditionelle fokus i flyproduktionen har altid været på materialer.Kilden til de fleste kvalitetsproblemer kan være sprøde brud, korrosion, metaltræthed eller andre faktorer.Men nutidens flyproduktion omfatter avancerede, højt konstruerede teknologier, der bruger modstandsdygtige materialer.Produktskabelse bruger højt specialiserede og komplekse processer og elektroniske systemer.Generelle driftsstyringssoftwareløsninger er muligvis ikke længere i stand til at løse ekstremt komplekse problemer.
Mere komplekse dele kan købes fra den globale forsyningskæde, så der skal tages mere hensyn til at integrere dem gennem hele montageprocessen.Usikkerhed bringer nye udfordringer til forsyningskædens synlighed og kvalitetsstyring.At sikre kvaliteten af ​​så mange dele og færdige produkter kræver bedre og mere integrerede kvalitetsmetoder.
Industri 4.0 repræsenterer udviklingen af ​​fremstillingsindustrien, og der er brug for flere og flere avancerede teknologier for at opfylde strenge kvalitetskrav.Understøttende teknologier omfatter Industrial Internet of Things (IIoT), digitale tråde, augmented reality (AR) og prædiktiv analyse.
Kvalitet 4.0 beskriver en datadrevet produktionsproceskvalitetsmetode, der involverer produkter, processer, planlægning, overholdelse og standarder.Det er bygget på snarere end at erstatte traditionelle kvalitetsmetoder, ved at bruge mange af de samme nye teknologier som dets industrielle modparter, herunder maskinlæring, tilsluttede enheder, cloud computing og digitale tvillinger for at transformere organisationens arbejdsgang og eliminere mulige produkter eller processer Defekter.Fremkomsten af ​​Quality 4.0 forventes at ændre arbejdspladsens kultur yderligere ved at øge afhængigheden af ​​data og en dybere brug af kvalitet som en del af den overordnede produktskabelsesmetode.
Quality 4.0 integrerer drifts- og kvalitetssikringsspørgsmål (QA) fra begyndelsen til designfasen.Dette inkluderer, hvordan man konceptualiserer og designer produkter.Nylige industriundersøgelsesresultater indikerer, at de fleste markeder ikke har en automatiseret designoverførselsproces.Den manuelle proces giver plads til fejl, hvad enten det er en intern fejl eller kommunikation af design og ændringer i forsyningskæden.
Ud over design bruger Quality 4.0 også procescentreret maskinlæring til at reducere spild, reducere efterbearbejdning og optimere produktionsparametre.Derudover løser det også problemer med produktets ydeevne efter levering, bruger feedback på stedet til at fjernopdatere produktsoftware, opretholder kundetilfredshed og sikrer i sidste ende gentagelsesforretning.Det er ved at blive en uadskillelig partner for Industry 4.0.
Kvalitet er dog ikke kun gældende for udvalgte produktionsled.Inklusionen af ​​Quality 4.0 kan indgyde en omfattende kvalitetstilgang i produktionsorganisationer, hvilket gør dataens transformative kraft til en integreret del af virksomhedens tankegang.Compliance på alle niveauer i organisationen bidrager til dannelsen af ​​en overordnet kvalitetskultur.
Ingen produktionsproces kan køre perfekt i 100 % af tiden.Ændrede forhold udløser uforudsete hændelser, der kræver udbedring.De, der har erfaring med kvalitet, forstår, at det hele handler om processen med at bevæge sig mod perfektion.Hvordan sikrer man, at kvalitet indarbejdes i processen for at opdage problemer så tidligt som muligt?Hvad vil du gøre, når du finder fejlen?Er der nogen eksterne faktorer, der forårsager dette problem?Hvilke ændringer kan du foretage i inspektionsplanen eller testproceduren for at forhindre, at dette problem opstår igen?
Etabler en mentalitet om, at enhver produktionsproces har en relateret og relateret kvalitetsproces.Forestil dig en fremtid, hvor der er en en-til-en relation og konstant måler kvalitet.Uanset hvad der sker tilfældigt, kan perfekt kvalitet opnås.Hvert arbejdscenter gennemgår indikatorer og nøglepræstationsindikatorer (KPI'er) på daglig basis for at identificere områder, der kan forbedres, før der opstår problemer.
I dette lukkede sløjfesystem har hver produktionsproces en kvalitetsslutning, som giver feedback for at stoppe processen, tillade processen at fortsætte eller foretage justeringer i realtid.Systemet er ikke påvirket af træthed eller menneskelige fejl.Et lukket sløjfekvalitetssystem designet til flyproduktion er afgørende for at opnå højere kvalitetsniveauer, forkorte cyklustider og sikre overholdelse af AS9100-standarder.
For ti år siden var ideen om at fokusere QA på produktdesign, markedsundersøgelser, leverandører, produkttjenester eller andre faktorer, der påvirker kundetilfredsheden, umulig.Produktdesign forstås at komme fra en højere autoritet;kvalitet handler om at udføre disse designs på samlebånd, uanset deres mangler.
I dag gentænker mange virksomheder, hvordan man driver forretning.Status quo i 2018 er muligvis ikke længere mulig.Flere og flere producenter bliver klogere og klogere.Mere viden er tilgængelig, hvilket betyder bedre intelligens til at bygge det rigtige produkt i første omgang med højere effektivitet og ydeevne.