По данным консалтинговой компании SmarTech, специализирующейся на производственных технологиях, аэрокосмическая отрасль является второй по величине отраслью, использующей аддитивное производство (АМ), уступая только медицине. Однако до сих пор недостаточно осведомленности о потенциале аддитивного производства керамических материалов в быстром изготовлении компонентов для аэрокосмической отрасли, повышении гибкости и экономической эффективности. АМ позволяет производить более прочные и легкие керамические детали быстрее и экологичнее, снижая трудозатраты, минимизируя ручную сборку и повышая эффективность и производительность за счет проектирования на основе моделирования, тем самым уменьшая вес летательного аппарата. Кроме того, технология аддитивного производства керамики обеспечивает контроль размеров готовых деталей с элементами размером менее 100 микрон.
Однако само слово «керамика» может вызывать ошибочное представление о хрупкости. На самом деле, керамика, изготовленная методом аддитивного производства, позволяет создавать более легкие и тонкие детали с высокой структурной прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к широкому диапазону температур. Перспективные компании обращаются к производству керамических компонентов, включая сопла и пропеллеры, электрические изоляторы и лопатки турбин.
Например, высокочистый оксид алюминия обладает высокой твердостью, сильной коррозионной стойкостью и широким температурным диапазоном. Компоненты, изготовленные из оксида алюминия, также являются электрическими изоляторами при высоких температурах, характерных для аэрокосмических систем.
Керамика на основе диоксида циркония может использоваться во многих областях с экстремальными требованиями к материалам и высокими механическими нагрузками, таких как высококачественное литье металлов, клапаны и подшипники. Керамика на основе нитрида кремния обладает высокой прочностью, ударной вязкостью и превосходной термостойкостью, а также хорошей химической стойкостью к коррозии под воздействием различных кислот, щелочей и расплавленных металлов. Нитрид кремния используется в качестве изолятора, рабочих колес и высокотемпературных антенн с низкой диэлектрической проницаемостью.
Композитная керамика обладает рядом желаемых качеств. Кремниевая керамика с добавлением оксида алюминия и циркония показала хорошие результаты при изготовлении монокристаллических отливок для лопаток турбин. Это объясняется тем, что керамический сердечник из этого материала имеет очень низкое термическое расширение до 1500 °C, высокую пористость, превосходное качество поверхности и хорошую выщелачиваемость. Печать таких сердечников позволяет создавать конструкции турбин, способные выдерживать более высокие рабочие температуры и повышать эффективность двигателя.
Хорошо известно, что литье под давлением или механическая обработка керамики — очень сложные процессы, а механическая обработка обеспечивает ограниченный доступ к изготавливаемым компонентам. Обработка таких элементов, как тонкие стенки, также представляет собой сложную задачу.
Однако компания Lithoz использует технологию литографического производства керамики (LCM) для изготовления точных, сложных по форме 3D-керамических компонентов.
Начиная с CAD-модели, подробные технические характеристики передаются в цифровом виде на 3D-принтер. Затем точно подобранный керамический порошок наносится на поверхность прозрачной ванны. Подвижная строительная платформа погружается в глину, а затем выборочно подвергается воздействию видимого света снизу. Изображение слоя генерируется цифровым микрозеркальным устройством (DMD), соединенным с проекционной системой. Повторяя этот процесс, можно послойно создавать трехмерную заготовку. После термической обработки удаляется связующее вещество, а заготовки спекаются — соединяются с помощью специального процесса нагрева — для получения полностью плотной керамической детали с превосходными механическими свойствами и качеством поверхности.
Технология LCM обеспечивает инновационный, экономически эффективный и более быстрый процесс литья по выплавляемым моделям компонентов турбинных двигателей, позволяя обойтись без дорогостоящего и трудоемкого изготовления пресс-форм, необходимого для литья под давлением и литья по восковым моделям.
Кроме того, технология LCM позволяет создавать конструкции, недоступные другими методами, при этом используя значительно меньше сырья.
Несмотря на огромный потенциал керамических материалов и технологии LCM, между производителями оригинального оборудования (OEM), занимающимися аддитивным производством, и аэрокосмическими конструкторами по-прежнему существует разрыв.
Одной из причин может быть сопротивление внедрению новых методов производства в отраслях со строгой политикой в ​​отношении безопасности и качества. Аэрокосмическое производство требует множества процессов проверки и квалификации, а также тщательного и строгого тестирования.
Ещё одним препятствием является убеждение, что 3D-печать подходит в основном только для одноразового быстрого прототипирования, а не для чего-либо, что можно использовать в воздухе. Опять же, это заблуждение, и доказано, что керамические компоненты, напечатанные на 3D-принтере, могут использоваться в массовом производстве.
Примером может служить производство лопаток турбин, где в процессе аддитивного производства керамики получаются монокристаллические (SX) стержни, а также лопатки турбин из суперсплавов, изготовленные методом направленной кристаллизации (DS) и равноосного литья (EX). Стержни со сложной структурой разветвлений, множеством стенок и задними кромками толщиной менее 200 мкм могут быть изготовлены быстро и экономично, а конечные компоненты обладают стабильной точностью размеров и превосходной чистотой поверхности.
Улучшение коммуникации может объединить аэрокосмических конструкторов и производителей оборудования, использующих аддитивные технологии, и обеспечить полное доверие к керамическим компонентам, изготовленным с использованием технологии лазерной кристаллизации и других технологий. Технологии и опыт уже существуют. Необходимо изменить подход к аддитивным технологиям, перейдя от исследований и разработок и прототипирования к рассмотрению их как перспективного направления для крупномасштабных коммерческих применений.
Помимо обучения, аэрокосмические компании могут также инвестировать время в персонал, проектирование и тестирование. Производители должны быть знакомы с различными стандартами и методами оценки керамики, а не металлов. Например, два ключевых стандарта ASTM для конструкционной керамики, используемые компанией Lithoz, — это ASTM C1161 для испытаний на прочность и ASTM C1421 для испытаний на ударную вязкость. Эти стандарты применяются к керамике, производимой всеми методами. В аддитивном производстве керамики этап печати — это всего лишь метод формования, а детали подвергаются тому же типу спекания, что и традиционная керамика. Поэтому микроструктура керамических деталей будет очень похожа на микроструктуру, полученную при традиционной механической обработке.
Основываясь на постоянном совершенствовании материалов и технологий, мы можем с уверенностью сказать, что у конструкторов будет больше данных. Будут разрабатываться и адаптироваться новые керамические материалы в соответствии со специфическими инженерными потребностями. Детали, изготовленные из аддитивной керамики, пройдут процесс сертификации для использования в аэрокосмической отрасли. И будут предоставлены более совершенные инструменты проектирования, такие как улучшенное программное обеспечение для моделирования.
Сотрудничая с техническими экспертами LCM, аэрокосмические компании могут внедрять керамические процессы аддитивного производства внутри компании, сокращая время, снижая затраты и создавая возможности для развития собственной интеллектуальной собственности. Благодаря дальновидности и долгосрочному планированию, аэрокосмические компании, инвестирующие в керамические технологии, могут получить значительные выгоды во всем своем производственном портфеле в течение следующих десяти лет и далее.
Благодаря партнерству с AM Ceramics, производители оригинального оборудования для аэрокосмической отрасли смогут выпускать компоненты, которые ранее были немыслимы.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Аллан выступит на выставке Ceramics Expo в Кливленде, штат Огайо, 1 сентября 2021 года, рассказав о трудностях эффективного донесения преимуществ аддитивного производства керамики.
Несмотря на то, что разработка гиперзвуковых летательных аппаратов ведется уже несколько десятилетий, сейчас она стала первоочередной задачей национальной обороны США, что привело к быстрому росту и изменениям в этой области. Как уникальная междисциплинарная область, она сталкивается с проблемой поиска экспертов, обладающих необходимыми навыками для ее развития. Однако, когда экспертов недостаточно, возникает инновационный разрыв, например, приоритет проектирования с учетом технологичности производства (DFM) на этапе НИОКР, который затем превращается в производственный разрыв, когда уже слишком поздно вносить экономически эффективные изменения.
Такие альянсы, как недавно созданный Университетский альянс по прикладной гиперзвуковой технике (UCAH), предоставляют важную среду для подготовки специалистов, необходимых для развития этой области. Студенты могут напрямую сотрудничать с университетскими исследователями и профессионалами из промышленности для разработки технологий и продвижения важнейших гиперзвуковых исследований.
Хотя UCAH и другие оборонные консорциумы уполномочили своих членов заниматься различными инженерными работами, необходимо приложить больше усилий для развития разнообразных и опытных талантов, от проектирования и разработки материалов до производственных цехов.
Для того чтобы обеспечить более долгосрочную ценность в этой области, университетский альянс должен сделать приоритетом развитие трудовых ресурсов, согласовывая свои действия с потребностями отрасли, вовлекая членов в соответствующие отрасли исследования и инвестируя в программу.
При преобразовании гиперзвуковых технологий в крупномасштабные производственные проекты, существующий дефицит квалифицированных инженерных и производственных кадров является самой большой проблемой. Если ранние исследования не преодолеют эту метко названную «долину смерти» — разрыв между НИОКР и производством, — и многие амбициозные проекты потерпят неудачу, — то мы упустим применимое и осуществимое решение.
Американская обрабатывающая промышленность может ускорить темпы развития, но риск отставания заключается в необходимости увеличения численности рабочей силы для соответствия этим темпам. Поэтому правительство и университетские консорциумы по развитию должны сотрудничать с производителями для реализации этих планов на практике.
В отрасли наблюдается дефицит квалифицированных кадров — от производственных цехов до инженерных лабораторий, и этот дефицит будет только увеличиваться по мере роста гиперзвукового рынка. Новые технологии требуют появления новых специалистов для расширения знаний в этой области.
Разработка гиперзвуковых аппаратов охватывает несколько ключевых областей, использующих различные материалы и конструкции, и каждая область имеет свой набор технических задач. Они требуют высокого уровня детальных знаний, и если необходимая экспертиза отсутствует, это может создать препятствия для разработки и производства. Если у нас не будет достаточного количества специалистов для выполнения этой работы, будет невозможно удовлетворить спрос на высокоскоростное производство.
Например, нам нужны люди, способные создать конечный продукт. UCAH и другие консорциумы играют важную роль в продвижении современного производства и обеспечении вовлечения студентов, заинтересованных в роли производства. Благодаря междисциплинарным целенаправленным усилиям по развитию кадров, отрасль сможет сохранить конкурентное преимущество в планах гиперзвуковых полетов в ближайшие несколько лет.
Создав UCAH, Министерство обороны получает возможность применить более целенаправленный подход к наращиванию потенциала в этой области. Все члены коалиции должны работать вместе над подготовкой студентов по узкоспециализированным направлениям, чтобы мы могли поддерживать и развивать исследовательскую деятельность, расширять ее и получать результаты, необходимые нашей стране.
Закрывшийся ныне Альянс НАСА по передовым композитным материалам является примером успешной программы развития трудовых ресурсов. Его эффективность обусловлена ​​сочетанием научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с интересами промышленности, что позволяет инновациям распространяться по всей экосистеме разработок. Лидеры отрасли работали напрямую с НАСА и университетами над проектами в течение двух-четырех лет. Все участники приобрели профессиональные знания и опыт, научились сотрудничать в неконкурентной среде и помогали студентам развивать свои навыки, чтобы в будущем подготовить ключевых игроков отрасли.
Такой подход к развитию трудовых ресурсов восполняет пробелы в отрасли и предоставляет малым предприятиям возможности для быстрого внедрения инноваций и диверсификации сферы деятельности с целью достижения дальнейшего роста, что способствует реализации инициатив в области национальной безопасности и экономической безопасности США.
Университетские альянсы, включая UCAH, являются важным активом в области гиперзвуковых технологий и оборонной промышленности. Хотя их исследования способствовали появлению новых инноваций, их наибольшая ценность заключается в способности готовить следующее поколение специалистов. Консорциуму теперь необходимо уделить приоритетное внимание инвестициям в такие проекты. Таким образом, они смогут способствовать долгосрочному успеху гиперзвуковых инноваций.
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.
Производители сложных, высокотехнологичных изделий (таких как компоненты для самолетов) всегда стремятся к совершенству. Здесь нет места для маневров.
Поскольку производство самолетов чрезвычайно сложно, производители должны тщательно контролировать процесс обеспечения качества, уделяя большое внимание каждому этапу. Это требует глубокого понимания того, как управлять и адаптироваться к динамично меняющимся вопросам производства, качества, безопасности и цепочки поставок, одновременно соблюдая нормативные требования.
Поскольку на поставку высококачественной продукции влияет множество факторов, управление сложными и часто меняющимися производственными заказами представляет собой сложную задачу. Процесс обеспечения качества должен быть динамичным на всех этапах: от контроля и проектирования до производства и тестирования. Благодаря стратегиям Индустрии 4.0 и современным производственным решениям, управлять этими задачами в области качества и преодолевать их стало проще.
Традиционно в авиастроении основное внимание всегда уделялось материалам. Источником большинства проблем с качеством могут быть хрупкое разрушение, коррозия, усталость металла или другие факторы. Однако современное авиастроение включает в себя передовые, высокотехнологичные решения, использующие износостойкие материалы. Создание продукции требует применения высокоспециализированных и сложных процессов и электронных систем. Программные решения для управления производственными процессами уже не всегда способны решать чрезвычайно сложные задачи.
Более сложные детали можно закупать в рамках глобальной цепочки поставок, поэтому необходимо уделять больше внимания их интеграции на протяжении всего процесса сборки. Неопределенность создает новые проблемы для прозрачности цепочки поставок и управления качеством. Обеспечение качества такого большого количества деталей и готовой продукции требует более совершенных и интегрированных методов контроля качества.
Индустрия 4.0 представляет собой развитие обрабатывающей промышленности, и для соответствия строгим требованиям к качеству требуется все больше передовых технологий. К вспомогательным технологиям относятся промышленный интернет вещей (IIoT), цифровые потоки, дополненная реальность (AR) и предиктивная аналитика.
Концепция «Качество 4.0» описывает основанный на данных метод обеспечения качества производственного процесса, охватывающий продукцию, процессы, планирование, соответствие требованиям и стандарты. Она строится на основе традиционных методов обеспечения качества, а не заменяет их, используя многие из тех же новых технологий, что и ее промышленные аналоги, включая машинное обучение, подключенные устройства, облачные вычисления и цифровые двойники, для преобразования рабочих процессов организации и устранения возможных дефектов продукции или процессов. Ожидается, что появление концепции «Качество 4.0» еще больше изменит культуру рабочего места за счет увеличения опоры на данные и более глубокого использования качества как части общего метода создания продукции.
Концепция «Качество 4.0» объединяет операционные вопросы и вопросы обеспечения качества (QA) от начала до стадии проектирования. Это включает в себя разработку концепции и дизайна продукции. Результаты недавних отраслевых исследований показывают, что на большинстве рынков отсутствует автоматизированный процесс передачи проектной документации. Ручной процесс оставляет место для ошибок, будь то внутренние ошибки или ошибки в передаче информации о проекте и изменениях в цепочку поставок.
Помимо проектирования, Quality 4.0 также использует процесс-ориентированное машинное обучение для сокращения отходов, уменьшения объема переделок и оптимизации производственных параметров. Кроме того, она решает проблемы с производительностью продукции после отгрузки, использует обратную связь с места производства для удаленного обновления программного обеспечения, поддерживает удовлетворенность клиентов и, в конечном итоге, обеспечивает повторные заказы. Она становится неотъемлемым партнером Индустрии 4.0.
Однако качество применимо не только к отдельным звеньям производственного процесса. Концепция «Качество 4.0» может внедрить комплексный подход к качеству в производственных организациях, сделав преобразующую силу данных неотъемлемой частью корпоративного мышления. Соблюдение требований на всех уровнях организации способствует формированию общей культуры качества.
Ни один производственный процесс не может работать идеально на 100% времени. Изменение условий приводит к непредвиденным событиям, требующим устранения неполадок. Те, кто имеет опыт в области качества, понимают, что все дело в процессе стремления к совершенству. Как обеспечить включение качества в процесс для выявления проблем на самой ранней стадии? Что вы будете делать, когда обнаружите дефект? Есть ли какие-либо внешние факторы, вызывающие эту проблему? Какие изменения можно внести в план контроля или процедуру тестирования, чтобы предотвратить повторение этой проблемы?
Внедрите в сознание подход, согласно которому каждый производственный процесс имеет связанные с ним процессы контроля качества. Представьте будущее, где существует взаимосвязь «один к одному», и качество постоянно измеряется. Независимо от случайных событий, можно достичь идеального качества. Каждый рабочий центр ежедневно анализирует показатели и ключевые показатели эффективности (KPI), чтобы выявлять области для улучшения до возникновения проблем.
В этой замкнутой системе каждый производственный процесс имеет систему контроля качества, которая обеспечивает обратную связь для остановки процесса, продолжения процесса или внесения корректировок в режиме реального времени. На систему не влияют усталость или человеческие ошибки. Замкнутая система контроля качества, разработанная для авиационного производства, необходима для достижения более высоких уровней качества, сокращения циклов и обеспечения соответствия стандартам AS9100.
Десять лет назад идея сосредоточить внимание отдела контроля качества на дизайне продукта, маркетинговых исследованиях, поставщиках, услугах или других факторах, влияющих на удовлетворенность клиентов, казалась невозможной. Дизайн продукта воспринимался как нечто, исходящее от вышестоящего руководства; качество же заключается в реализации этих разработок на сборочной линии, независимо от их недостатков.
Сегодня многие компании переосмысливают способы ведения бизнеса. Нынешнее положение дел в 2018 году может оказаться невозможным. Всё больше производителей становятся всё умнее. Доступно больше знаний, а значит, и более совершенные технологии для создания нужного продукта с первого раза, с большей эффективностью и производительностью.