Ifølge SmarTech, et konsulentfirma inden for produktionsteknologi, er luftfartsindustrien den næststørste industri, der betjenes af additiv fremstilling (AM), kun overgået af medicin. Der er dog stadig mangel på bevidsthed om potentialet i additiv fremstilling af keramiske materialer til hurtig fremstilling af luftfartskomponenter, øget fleksibilitet og omkostningseffektivitet. AM kan producere stærkere og lettere keramiske dele hurtigere og mere bæredygtigt - hvilket reducerer lønomkostninger, minimerer manuel samling og forbedrer effektivitet og ydeevne gennem design udviklet ved modellering, hvorved flyets vægt reduceres. Derudover giver additiv fremstillings-keramisk teknologi dimensionskontrol af færdige dele til funktioner mindre end 100 mikron.
Ordet keramik kan dog give anledning til den misforståelse, at det er sprødt. Faktisk producerer additivt fremstillede keramikker lettere, finere dele med stor strukturel styrke, sejhed og modstandsdygtighed over for et bredt temperaturområde. Fremsynede virksomheder vender sig mod keramiske fremstillingskomponenter, herunder dyser og propeller, elektriske isolatorer og turbineblade.
For eksempel har aluminiumoxid med høj renhed høj hårdhed og har en stærk korrosionsbestandighed og et stærkt temperaturområde. Komponenter fremstillet af aluminiumoxid er også elektrisk isolerende ved de høje temperaturer, der er almindelige i luftfartssystemer.
Zirkoniumbaseret keramik kan opfylde mange anvendelser med ekstreme materialekrav og høj mekanisk belastning, såsom high-end metalstøbning, ventiler og lejer. Siliciumnitridkeramik har høj styrke, høj sejhed og fremragende termisk stødmodstand, samt god kemisk resistens over for korrosion af en række forskellige syrer, alkalier og smeltede metaller. Siliciumnitrid bruges til isolatorer, impeller og højtemperatur lavdielektriske antenner.
Kompositkeramik har adskillige ønskelige egenskaber. Siliciumbaseret keramik tilsat aluminiumoxid og zirkon har vist sig at være god til fremstilling af enkeltkrystalstøbegods til turbineblade. Dette skyldes, at den keramiske kerne, der er fremstillet af dette materiale, har en meget lav termisk udvidelse på op til 1.500 °C, høj porøsitet, fremragende overfladekvalitet og god udvaskningsevne. Trykning 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 vanskeligt, og bearbejdning giver begrænset adgang til de komponenter, der fremstilles. Funktioner som tynde vægge er også vanskelige at bearbejde.
Lithoz bruger dog litografibaseret keramikfremstilling (LCM) til at fremstille præcise, kompleksformede 3D-keramiske komponenter.
Med udgangspunkt i CAD-modellen overføres de detaljerede specifikationer digitalt til 3D-printeren. Derefter påføres det præcist formulerede keramiske pulver på toppen af ​​det transparente kar. Den bevægelige byggeplatform nedsænkes i mudderet og eksponeres derefter selektivt for synligt lys nedefra. Lagbilledet genereres af en digital mikrospejlenhed (DMD) koblet til 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 – kombineres ved en speciel opvarmningsproces – for at producere en fuldstændig tæt keramisk del med fremragende mekaniske egenskaber og overfladekvalitet.
LCM-teknologi leverer en innovativ, omkostningseffektiv og hurtigere proces til investeringsstøbning af turbinemotorkomponenter – hvilket omgår den dyre og besværlige formfremstilling, der kræves til sprøjtestøbning og støbning med tabt voks.
LCM kan også opnå designs, der ikke kan opnås med andre metoder, samtidig med at der bruges langt færre råmaterialer end andre metoder.
Trods det store potentiale ved keramiske materialer og LCM-teknologi er der stadig en kløft mellem originaludstyrsproducenter (OEM) inden for AM og designere af luftfartsindustrien.
En årsag kan være modstand mod nye fremstillingsmetoder i brancher med særligt strenge sikkerheds- og kvalitetskrav. Luftfartsproduktion kræver mange verifikations- og kvalifikationsprocesser samt grundig og streng testning.
En anden hindring er den opfattelse, at 3D-print primært kun er egnet til engangsfremstilling af rapid prototyping, snarere end noget, der kan tages i brug i luften. Igen er dette en misforståelse, og 3D-printede keramiske komponenter har vist sig at kunne bruges i masseproduktion.
Et eksempel er fremstillingen af ​​turbineblade, hvor AM-keramikprocessen producerer enkeltkrystalkerner (SX) samt turbineblade til retningsbestemt størkning (DS) og ligeakset støbning (EX) af superlegeringer. Kerner med komplekse grenstrukturer, flere vægge og bagkanter på mindre end 200 μm kan produceres hurtigt og økonomisk, og de færdige komponenter har ensartet dimensionsnøjagtighed og fremragende overfladefinish.
Forbedret kommunikation kan bringe designere inden for luftfart og OEM'er inden for AM sammen og fuldt ud stole på keramiske komponenter fremstillet ved hjælp af LCM og andre teknologier. Teknologi og ekspertise findes. Det er nødvendigt at ændre tankegangen fra AM til forskning og udvikling samt prototyping og se det som vejen frem for store kommercielle applikationer.
Ud over uddannelse kan luftfartsvirksomheder også investere tid i personale, teknik og testning. Producenter skal være bekendt med forskellige standarder og metoder til evaluering af keramik, ikke metaller. For eksempel er Lithoz' to vigtigste ASTM-standarder for strukturel keramik ASTM C1161 til styrkeprøvning og ASTM C1421 til sejhedsprøvning. Disse standarder gælder for keramik produceret med alle metoder. I additiv fremstilling af keramisk materiale er tryktrinnet blot en formningsmetode, og delene gennemgår den 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 sikkerhed sige, at designere vil få flere data. Nye keramiske materialer vil blive udviklet og tilpasset efter specifikke tekniske behov. Dele fremstillet af AM-keramik vil gennemføre certificeringsprocessen til brug i luftfart. Og vil give bedre designværktøjer, såsom forbedret modelleringssoftware.
Ved at samarbejde med tekniske eksperter i LCM kan luftfartsvirksomheder introducere AM-keramiske processer internt – hvilket forkorter tiden, reducerer omkostningerne og skaber muligheder for udvikling af virksomhedens egen intellektuelle ejendom. Med fremsynethed og langsigtet planlægning kan luftfartsvirksomheder, der investerer i keramisk teknologi, høste betydelige fordele i hele deres produktionsportefølje i de næste ti år og fremover.
Ved at etablere et partnerskab med AM Ceramics vil producenter af originalt udstyr til luftfart 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 additiv fremstilling af keramiske materialer på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio den 1. september 2021.
Selvom udviklingen af ​​hypersoniske flyvesystemer har eksisteret i årtier, er det nu blevet den højeste prioritet for det amerikanske nationale forsvar, hvilket har bragt dette felt ind i en tilstand af hurtig vækst og forandring. Som et unikt tværfagligt felt er udfordringen at finde eksperter med de nødvendige færdigheder til at fremme dets udvikling. Men når der ikke er nok eksperter, skaber det et innovationskløft, såsom at sætte design med henblik på fremstillingsevne (DFM) først i F&U-fasen, og derefter udvikle sig til et produktionskløft, når det er for sent at foretage omkostningseffektive ændringer.
Alliancer, såsom den nyoprettede University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), skaber 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 har givet medlemmer tilladelse til at udføre en række forskellige ingeniørjob, skal der gøres mere arbejde for at dyrke forskellige og erfarne talenter, lige fra design til materialeudvikling og -udvælgelse til produktionsværksteder.
For at skabe mere varig værdi inden for området skal universitetsalliancen prioritere udvikling af arbejdsstyrken ved at tilpasse sig industriens behov, involvere medlemmer i industriel forskning og investere i programmet.
Når vi omdanner hypersonisk teknologi til storskala, der kan fremstilles, er det eksisterende kompetencegab inden for ingeniør- og produktionspersonale den største udfordring. Hvis tidlig forskning ikke krydser denne passende navngivne dødens dal – kløften mellem forskning og udvikling og produktion, og mange ambitiøse projekter er mislykkedes – så har vi mistet en anvendelig og gennemførlig løsning.
Den amerikanske fremstillingsindustri kan accelerere den supersoniske hastighed, men risikoen ved at sakke bagud er at udvide arbejdsstyrken i forhold til dette. Derfor skal regeringen og universitetsudviklingskonsortier samarbejde med producenterne for at føre disse planer ud i livet.
Branchen har oplevet kompetencekløfter fra produktionsværksteder til ingeniørlaboratorier – disse kløfter vil kun blive større i takt med at markedet for hypersoniske teknologier vokser. Nye teknologier kræver en ny arbejdsstyrke for at udvide viden på området.
Hypersonisk arbejde spænder over flere forskellige nøgleområder inden for forskellige materialer og strukturer, og hvert område har sine egne tekniske udfordringer. De kræver et højt niveau af detaljeret viden, og hvis den nødvendige ekspertise ikke findes, kan dette skabe hindringer for udvikling og produktion. Hvis vi ikke har nok folk til at opretholde 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 produktion og sikre, at studerende, der er interesserede i produktionens rolle, inkluderes. Gennem tværfaglige, dedikerede arbejdsstyrkeudviklingsindsatser vil industrien være i stand til at opretholde en konkurrencefordel inden for hypersoniske flyveplaner i de næste par år.
Ved at etablere UCAH skaber Forsvarsministeriet en mulighed for at anvende en mere fokuseret tilgang til at opbygge kapaciteter på dette område. Alle koalitionsmedlemmer skal arbejde sammen om at uddanne de studerendes nichekompetencer, så vi kan opbygge og opretholde forskningsmomentum og udvide det for at producere de resultater, vores land har brug for.
Den nu lukkede NASA Advanced Composites Alliance er et eksempel på en vellykket indsats for arbejdsstyrkeudvikling. Dens effektivitet er resultatet af at kombinere F&U-arbejde med industriens interesser, hvilket giver mulighed for at innovation kan spredes i hele udviklingsøkosystemet. Industriledere har arbejdet direkte med NASA og universiteter på projekter i to til fire år. Alle medlemmer har udviklet professionel viden og erfaring, lært at samarbejde i et ikke-konkurrencepræget miljø og støttet universitetsstuderende til at udvikle sig og 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 amerikanske nationale sikkerheds- og økonomiske sikkerhedsinitiativer.
Universitetsalliancer, herunder UCAH, er vigtige aktiver inden for hypersonisk teknologi og forsvarsindustrien. Selvom deres forskning har fremmet nye innovationer, ligger deres største værdi i deres evne til at uddanne vores næste generation af arbejdsstyrke. Konsortiet skal nu prioritere investeringer i sådanne planer. Derved kan de bidrage til at fremme den langsigtede succes for 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, højtkonstruerede produkter (såsom flykomponenter) er forpligtet til perfektion hver gang. Der er ingen manøvremuligheder.
Fordi flyproduktion er ekstremt kompleks, skal producenterne omhyggeligt styre kvalitetsprocessen og være meget opmærksomme på hvert trin. Dette kræver en dybdegående forståelse af, hvordan man håndterer og tilpasser sig dynamiske produktions-, kvalitets-, sikkerheds- og forsyningskædeproblemer, samtidig med at man overholder lovgivningsmæssige krav.
Da mange faktorer påvirker leveringen af ​​produkter af høj kvalitet, er det vanskeligt at håndtere komplekse og ofte skiftende produktionsordrer. Kvalitetsprocessen skal være dynamisk i alle aspekter af inspektion og design, produktion og testning. Takket være Industri 4.0-strategier og moderne produktionsløsninger er disse kvalitetsudfordringer blevet lettere at håndtere og overvinde.
Det traditionelle fokus i flyproduktion har altid været på materialer. Kilden til de fleste kvalitetsproblemer kan være sprødbrud, korrosion, metaludmattelse eller andre faktorer. Dagens flyproduktion omfatter dog avancerede, højtkonstruerede teknologier, der bruger modstandsdygtige materialer. Produktfremstilling bruger højt specialiserede og komplekse processer og elektroniske systemer. Generelle softwareløsninger til driftsstyring er muligvis ikke længere i stand til at løse ekstremt komplekse problemer.
Mere komplekse dele kan købes fra den globale forsyningskæde, så der skal lægges større vægt på at integrere dem i hele samleprocessen. Usikkerhed bringer nye udfordringer med sig for synligheden af ​​forsyningskæden 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 behov 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 metode til kvalitetsstyring i produktionsprocesser, der involverer produkter, processer, planlægning, overholdelse af regler og standarder. Den bygger på snarere end at erstatte traditionelle kvalitetsmetoder, og bruger mange af de samme nye teknologier som dens industrielle modstykker, herunder maskinlæring, forbundne enheder, cloud computing og digitale tvillinger, for at transformere organisationens arbejdsgang og eliminere mulige produkt- eller procesfejl. Fremkomsten af ​​Kvalitet 4.0 forventes yderligere at ændre arbejdspladskulturen ved at øge afhængigheden af ​​data og en dybere brug af kvalitet som en del af den overordnede produktskabelsesmetode.
Kvalitet 4.0 integrerer operationelle og kvalitetssikringsmæssige (QA) problemstillinger fra begyndelsen til designfasen. Dette inkluderer, hvordan man konceptualiserer og designer produkter. Nylige brancheundersøgelser viser, at de fleste markeder ikke har en automatiseret designoverførselsproces. Den manuelle proces giver plads til fejl, uanset om det er en intern fejl eller kommunikation af design og ændringer i forsyningskæden.
Udover design bruger Quality 4.0 også procescentreret maskinlæring til at reducere spild, reducere omarbejdning og optimere produktionsparametre. Derudover løser det også problemer med produktets ydeevne efter levering, bruger feedback på stedet til at opdatere produktsoftware eksternt, opretholder kundetilfredsheden og sikrer i sidste ende gentagne kunder. Det er ved at blive en uadskillelig partner for Industri 4.0.
Kvalitet gælder dog ikke kun for udvalgte produktionsled. Kvalitet 4.0's inklusion kan indgyde en omfattende kvalitetstilgang i produktionsorganisationer og gøre datas transformative kraft til en integreret del af virksomhedens tænkning. Overholdelse af regler på alle niveauer i organisationen bidrager til dannelsen af ​​en overordnet kvalitetskultur.
Ingen produktionsproces kan køre perfekt i 100% af tilfældene. Ændrede forhold udløser uforudsete begivenheder, der kræver afhjælpning. De, der har erfaring med kvalitet, forstår, at det handler om processen med at bevæge sig mod perfektion. Hvordan sikrer du, at kvalitet er indarbejdet 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 et en-til-en-forhold, og hvor kvaliteten konstant måles. Uanset hvad der sker tilfældigt, kan perfekt kvalitet opnås. Hvert arbejdscenter gennemgår indikatorer og nøglepræstationsindikatorer (KPI'er) dagligt for at identificere områder til forbedring, før der opstår problemer.
I dette lukkede kredsløbssystem har hver produktionsproces en kvalitetsinferens, som giver feedback for at stoppe processen, tillade processen at fortsætte eller foretage justeringer i realtid. Systemet påvirkes ikke af træthed eller menneskelige fejl. Et lukket kredsløbssystem 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 kvalitetssikring på produktdesign, markedsundersøgelser, leverandører, produktservice eller andre faktorer, der påvirker kundetilfredsheden, umulig. Produktdesign forstås at komme fra en højere autoritet; kvalitet handler om at udføre disse designs på samlebåndet, uanset deres mangler.
I dag gentænker mange virksomheder, hvordan de driver forretning. Status quo i 2018 er måske 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.