По данным SmarTech, консалтинговой компании в области производственных технологий, авиакосмическая отрасль является второй по величине отраслью, в которой используется аддитивное производство (АП), уступая только медицине.Однако до сих пор недостаточно осознания потенциала аддитивного производства керамических материалов в быстром производстве компонентов аэрокосмической отрасли, повышении гибкости и экономической эффективности.AM может производить более прочные и легкие керамические детали быстрее и экологичнее, сокращая трудозатраты, сводя к минимуму ручную сборку, а также повышая эффективность и производительность за счет конструкции, разработанной путем моделирования, тем самым уменьшая вес самолета.Кроме того, технология аддитивного производства керамики обеспечивает контроль размеров готовых деталей с размерами менее 100 микрон.
Однако слово «керамика» может вызвать в воображении неправильное представление о хрупкости.Фактически, керамика, изготовленная с помощью аддитивных технологий, позволяет производить более легкие и тонкие детали с высокой структурной прочностью, вязкостью и устойчивостью к широкому температурному диапазону.Дальновидные компании обращаются к производству керамических компонентов, включая сопла и пропеллеры, электрические изоляторы и лопатки турбин.
Например, оксид алюминия высокой чистоты имеет высокую твердость, высокую коррозионную стойкость и температурный диапазон.Компоненты из оксида алюминия также обладают электроизоляционными свойствами при высоких температурах, характерных для аэрокосмических систем.
Керамика на основе циркония может использоваться во многих областях применения с экстремальными требованиями к материалам и высокими механическими нагрузками, например, в высококачественных металлических отливках, клапанах и подшипниках.Керамика из нитрида кремния обладает высокой прочностью, высокой ударной вязкостью и превосходной термостойкостью, а также хорошей химической стойкостью к коррозии различных кислот, щелочей и расплавленных металлов.Нитрид кремния используется для изготовления изоляторов, крыльчаток и высокотемпературных антенн с низкой диэлектрической проницаемостью.
Композитная керамика обладает несколькими желательными качествами.Керамика на основе кремния с добавлением оксида алюминия и циркона хорошо зарекомендовала себя при производстве монокристаллических отливок лопаток турбин.Это связано с тем, что керамический сердечник, изготовленный из этого материала, имеет очень низкое тепловое расширение до 1500°C, высокую пористость, отличное качество поверхности и хорошую выщелачиваемость.Печать этих 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 сложны, а механическая обработка обеспечивает ограниченный доступ к изготавливаемым компонентам.Такие детали, как тонкие стенки, также сложно обрабатывать.
Однако Lithoz использует производство керамики на основе литографии (LCM) для производства точных 3D-керамических компонентов сложной формы.
Начиная с модели САПР, подробные спецификации передаются в цифровом виде на 3D-принтер.Затем нанесите керамический порошок точного состава на верхнюю часть прозрачной ванны.Подвижную строительную платформу погружают в грязь, а затем выборочно подвергают воздействию видимого света снизу.Изображение слоя генерируется цифровым микрозеркальным устройством (DMD), соединенным с проекционной системой.Повторяя этот процесс, можно создать трехмерную зеленую деталь слой за слоем.После термической обработки связующее вещество удаляется, а неспеченные детали спекаются 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 быстрый процесс литья по выплавляемым моделям компонентов газотурбинных двигателей, минуя дорогостоящее и трудоемкое изготовление пресс-форм, необходимое для литья под давлением и литья по выплавляемым моделям.
LCM также позволяет создавать конструкции, которые невозможно реализовать другими методами, используя при этом гораздо меньше сырья, чем другие методы.
Несмотря на большой потенциал керамических материалов и технологии LCM, между производителями оригинального оборудования AM (OEM) и разработчиками аэрокосмической отрасли все еще существует разрыв.
Одной из причин может быть сопротивление новым методам производства в отраслях с особенно строгими требованиями безопасности и качества.Аэрокосмическое производство требует множества процессов проверки и квалификации, а также тщательного и строгого тестирования.
Еще одним препятствием является убеждение, что 3D-печать в основном подходит только для одноразового быстрого прототипирования, а не для чего-либо, что можно использовать в воздухе.Опять же, это недоразумение: доказано, что керамические компоненты, напечатанные на 3D-принтере, используются в массовом производстве.
Примером является производство турбинных лопаток, где керамический процесс AM производит монокристаллические (SX) сердечники, а также турбинные лопатки из суперсплавов направленной затвердевания (DS) и равноосного литья (EX).Сердечники со сложной разветвленной структурой, множеством стенок и задней кромкой менее 200 мкм можно производить быстро и экономично, а конечные компоненты имеют постоянную точность размеров и превосходное качество поверхности.
Улучшение коммуникации может объединить проектировщиков аэрокосмической отрасли и OEM-производителей AM и полностью довериться керамическим компонентам, изготовленным с использованием LCM и других технологий.Технологии и опыт существуют.Ему необходимо изменить образ мышления с AM на исследования и разработки и прототипирование и рассматривать его как путь вперед для крупномасштабных коммерческих приложений.
Помимо образования, аэрокосмические компании также могут уделять время персоналу, проектированию и испытаниям.Производители должны быть знакомы с различными стандартами и методами оценки керамики, а не металлов.Например, два ключевых стандарта ASTM компании Lithoz для конструкционной керамики — это ASTM C1161 для испытаний на прочность и ASTM C1421 для испытаний на ударную вязкость.Эти стандарты распространяются на керамику, изготовленную всеми методами.В аддитивном производстве керамики этап печати — это всего лишь метод формования, и детали подвергаются тому же типу спекания, что и традиционная керамика.Поэтому микроструктура керамических деталей будет очень похожа на традиционную механическую обработку.
Основываясь на постоянном развитии материалов и технологий, мы можем с уверенностью сказать, что дизайнеры будут получать больше данных.Новые керамические материалы будут разработаны и адаптированы в соответствии с конкретными инженерными потребностями.Детали из АМ-керамики завершат процесс сертификации для использования в аэрокосмической отрасли.И предоставит лучшие инструменты проектирования, такие как улучшенное программное обеспечение для моделирования.
Сотрудничая с техническими экспертами LCM, аэрокосмические компании могут внедрить керамические процессы AM внутри компании, сокращая время, снижая затраты и создавая возможности для развития собственной интеллектуальной собственности компании.Благодаря дальновидности и долгосрочному планированию аэрокосмические компании, инвестирующие в керамические технологии, могут получить значительные выгоды от всего своего производственного портфеля в ближайшие десять лет и далее.
Наладив партнерство с AM Ceramics, производители оригинального оборудования для аэрокосмической отрасли смогут производить компоненты, которые ранее были невообразимы.
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 расскажет о трудностях эффективного информирования о преимуществах аддитивного производства керамики на выставке Ceramics Expo в Кливленде, штат Огайо, 1 сентября 2021 года.
Хотя разработка гиперзвуковых летных систем существует уже несколько десятилетий, сейчас она стала главным приоритетом национальной обороны США, что привело к быстрому росту и изменениям в этой области.Поскольку это уникальная междисциплинарная область, задача состоит в том, чтобы найти экспертов, обладающих необходимыми навыками для содействия ее развитию.Однако когда экспертов не хватает, это создает инновационный разрыв, например, проектирование технологичности (DFM) сначала ставится на этапе исследований и разработок, а затем превращается в производственный разрыв, когда уже слишком поздно вносить экономически эффективные изменения.
Альянсы, такие как недавно созданный Университетский альянс по прикладной гиперзвуке (UCAH), обеспечивают важную среду для развития талантов, необходимых для продвижения в этой области.Студенты могут работать напрямую с университетскими исследователями и профессионалами отрасли для разработки технологий и продвижения критически важных гиперзвуковых исследований.
Хотя UCAH и другие оборонные консорциумы разрешили членам заниматься различными инженерными работами, необходимо проделать больше работы для развития разнообразных и опытных талантов, от проектирования до разработки материалов и отбора до производственных цехов.
Чтобы обеспечить более устойчивую ценность в этой области, университетский альянс должен сделать развитие рабочей силы приоритетом, согласовывая его с потребностями отрасли, вовлекая членов в соответствующие отраслевым исследованиям и инвестируя в программу.
При преобразовании гиперзвуковых технологий в крупномасштабные производственные проекты самой большой проблемой является существующий разрыв в квалификации инженерной и производственной рабочей силы.Если ранние исследования не преодолеют эту метко названную долину смерти (разрыв между исследованиями и разработками и производством, а многие амбициозные проекты потерпели неудачу), то мы потеряем применимое и осуществимое решение.
Обрабатывающая промышленность США может ускорить сверхзвуковую скорость, но риск отставания заключается в соответствующем увеличении численности рабочей силы.Поэтому консорциумы по развитию правительства и университетов должны сотрудничать с производителями, чтобы реализовать эти планы на практике.
В отрасли наблюдается дефицит навыков — от производственных цехов до инженерных лабораторий — этот разрыв будет только увеличиваться по мере роста гиперзвукового рынка.Новые технологии требуют новой рабочей силы для расширения знаний в этой области.
Гиперзвуковая работа охватывает несколько ключевых областей с различными материалами и конструкциями, и каждая область имеет свой набор технических проблем.Они требуют высокого уровня детальных знаний, и если необходимый опыт отсутствует, это может создать препятствия для разработки и производства.Если у нас не будет достаточного количества людей для поддержания работы, будет невозможно удовлетворить спрос на высокоскоростное производство.
Например, нам нужны люди, которые смогут создать конечный продукт.UCAH и другие консорциумы необходимы для продвижения современного производства и обеспечения участия студентов, заинтересованных в роли производства.Благодаря межфункциональным усилиям по развитию специализированных кадров отрасль сможет сохранить конкурентное преимущество в планах гиперзвуковых полетов в ближайшие несколько лет.
Создавая UCAH, Министерство обороны создает возможность принять более целенаправленный подход к наращиванию потенциала в этой области.Все члены коалиции должны работать вместе, чтобы обучать нишевые способности студентов, чтобы мы могли создавать и поддерживать импульс исследований и расширять их для получения результатов, в которых нуждается наша страна.
Ныне закрытый Альянс НАСА по передовым композитам является примером успешных усилий по развитию рабочей силы.Его эффективность является результатом объединения НИОКР с интересами отрасли, что позволяет инновациям распространяться по всей экосистеме развития.Лидеры отрасли работали над проектами напрямую с НАСА и университетами в течение двух-четырех лет.Все члены приобрели профессиональные знания и опыт, научились сотрудничать в неконкурентной среде и способствовали развитию студентов колледжей для воспитания ключевых игроков отрасли в будущем.
Этот тип развития рабочей силы заполняет пробелы в отрасли и предоставляет малым предприятиям возможности быстро внедрять инновации и диверсифицировать сферу для достижения дальнейшего роста, способствующего инициативам национальной и экономической безопасности США.
Альянсы университетов, включая UCAH, являются важным активом в области гиперзвука и оборонной промышленности.Хотя их исследования способствовали появлению новых инноваций, их самая большая ценность заключается в их способности обучать наше следующее поколение рабочей силы.Теперь консорциуму необходимо определить приоритетность инвестиций в такие планы.Поступая таким образом, они могут 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 сложной, высокотехнологичной продукции (например, компонентов самолетов) каждый раз стремятся к совершенству.Нет места для маневра.
Поскольку производство самолетов чрезвычайно сложное, производители должны тщательно управлять процессом обеспечения качества, уделяя большое внимание каждому шагу.Это требует глубокого понимания того, как управлять динамичным производством, качеством, безопасностью и цепочками поставок и адаптироваться к ним, одновременно соблюдая нормативные требования.
Поскольку на поставку высококачественной продукции влияет множество факторов, сложно управлять сложными и часто меняющимися производственными заказами.Процесс обеспечения качества должен быть динамичным во всех аспектах контроля и проектирования, производства и испытаний.Благодаря стратегиям Индустрии 4.0 и современным производственным решениям этими проблемами качества стало легче управлять и преодолевать.
Традиционное внимание при производстве самолетов всегда уделялось материалам.Источником большинства проблем с качеством может быть хрупкое разрушение, коррозия, усталость металла или другие факторы.Однако сегодняшнее производство самолетов включает в себя передовые, высокотехнологичные технологии, в которых используются стойкие материалы.При создании продукта используются узкоспециализированные и сложные процессы и электронные системы.Программные решения для общего управления операциями больше не смогут решать чрезвычайно сложные проблемы.
Более сложные детали можно приобрести в глобальной цепочке поставок, поэтому необходимо уделять больше внимания их интеграции в процесс 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 обеспечения качества.
Индустрия 4.0 представляет собой развитие обрабатывающей промышленности, и для удовлетворения строгих требований к качеству необходимы все более передовые технологии.Поддерживающие технологии включают промышленный Интернет вещей (IIoT), цифровые потоки, дополненную реальность (AR) и прогнозную аналитику.
Качество 4.0 описывает метод обеспечения качества производственного процесса, основанный на данных, включающий продукты, процессы, планирование, соблюдение требований и стандарты.Он основан, а не заменяет традиционные методы обеспечения качества, используя многие из тех же новых технологий, что и его промышленные аналоги, включая машинное обучение, подключенные устройства, облачные вычисления и цифровые двойники, чтобы преобразовать рабочий процесс организации и устранить возможные дефекты продуктов или процессов.Ожидается, что появление «Качества 4.0» приведет к дальнейшему изменению культуры на рабочем месте за счет увеличения зависимости от данных и более глубокого использования качества как части общего метода создания продукта.
Качество 4.0 объединяет вопросы эксплуатации и обеспечения качества (QA) от начала до стадии проектирования.Это включает в себя то, как концептуализировать и проектировать продукты.Результаты недавнего отраслевого исследования показывают, что на большинстве рынков нет автоматизированного процесса передачи дизайна.Ручной процесс оставляет место для ошибок, будь то внутренняя ошибка или сообщение о проекте и изменениях в цепочке поставок.
Помимо проектирования, «Качество 4.0» также использует машинное обучение, ориентированное на процессы, для сокращения отходов, сокращения переделок и оптимизации производственных параметров.Кроме того, он также решает проблемы с производительностью продукта после поставки, использует обратную связь на месте для удаленного обновления программного обеспечения продукта, поддерживает удовлетворенность клиентов и, в конечном итоге, обеспечивает повторение заказов.Она становится неотъемлемым партнером Индустрии 4.0.
Однако качество применимо не только к избранным производственным звеньям.Инклюзивность Качества 4.0 может внедрить комплексный подход к обеспечению качества в производственных организациях, делая преобразующую силу данных неотъемлемой частью корпоративного мышления.Соответствие требованиям на всех уровнях организации способствует формированию общей культуры качества.
Ни один производственный процесс не может работать идеально в течение 100% времени.Изменение условий вызывает непредвиденные события, которые требуют исправления.Те, кто имеет опыт работы в области качества, понимают, что все дело в процессе движения к совершенству.Как вы можете гарантировать, что качество включено в процесс, чтобы выявить проблемы как можно раньше?Что вы будете делать, когда обнаружите дефект?Существуют ли какие-либо внешние факторы, вызывающие эту проблему?Какие изменения вы можете внести в план проверок или процедуру испытаний, чтобы предотвратить повторение этой проблемы?
Установите менталитет, согласно которому каждый производственный процесс имеет связанный и взаимосвязанный процесс обеспечения качества.Представьте себе будущее, в котором существуют отношения один к одному и постоянно измеряется качество.Независимо от того, что происходит случайно, можно добиться идеального качества.Каждый рабочий центр ежедневно анализирует показатели и ключевые показатели эффективности (KPI), чтобы определить области для улучшения до того, как возникнут проблемы.
В этой замкнутой системе каждый производственный процесс имеет вывод о качестве, который обеспечивает обратную связь, позволяющую остановить процесс, разрешить его продолжить или внести коррективы в режиме реального времени.На систему не влияют усталость или человеческие ошибки.Замкнутая система качества, разработанная для производства самолетов, необходима для достижения более высокого уровня качества, сокращения времени цикла и обеспечения соответствия стандартам AS9100.
Десять лет назад идея сосредоточить контроль качества на дизайне продукта, исследованиях рынка, поставщиках, услугах по продуктам или других факторах, влияющих на удовлетворенность клиентов, была невозможна.Подразумевается, что дизайн продукта исходит от более высокой инстанции;Качество – это воплощение этих конструкций на сборочной линии, независимо от их недостатков.
Сегодня многие компании переосмысливают способы ведения бизнеса.Статус-кво в 2018 году, возможно, уже невозможен.Все больше и больше производителей становятся умнее и умнее.Доступно больше знаний, что означает более высокий уровень интеллекта для создания правильного продукта с первого раза, с более высокой эффективностью и производительностью.