Ifølge SmarTech, et konsulentselskap innen produksjonsteknologi, er luftfart den nest største industrien som betjenes av additiv produksjon (AM), nest etter medisin. Det er imidlertid fortsatt mangel på bevissthet om potensialet for additiv produksjon av keramiske materialer for rask produksjon av luftfartskomponenter, økt fleksibilitet og kostnadseffektivitet. AM kan produsere sterkere og lettere keramiske deler raskere og mer bærekraftig – noe som reduserer lønnskostnader, minimerer manuell montering og forbedrer effektivitet og ytelse gjennom design utviklet ved modellering, og dermed reduserer vekten på flyet. I tillegg gir additiv produksjon av keramisk teknologi dimensjonskontroll av ferdige deler for funksjoner mindre enn 100 mikron.
Imidlertid kan ordet keramikk mane frem den misforståelsen om sprøhet. Faktisk produserer additivt produsert keramikk lettere, finere deler med stor strukturell styrke, seighet og motstand mot et bredt temperaturområde. Fremtidsrettede selskaper vender seg til keramiske produksjonskomponenter, inkludert dyser og propeller, elektriske isolatorer og turbinblader.
For eksempel har høyrens aluminiumoksyd høy hardhet og har sterk korrosjonsbestandighet og temperaturområde. Komponenter laget av aluminiumoksyd er også elektrisk isolerende ved de høye temperaturene som er vanlige i luftfartssystemer.
Zirkoniumbasert keramikk kan dekke mange bruksområder med ekstreme materialkrav og høy mekanisk belastning, som for eksempel støping av høy kvalitet i metall, ventiler og lagre. Silisiumnitridkeramikk har høy styrke, høy seighet og utmerket termisk sjokkmotstand, samt god kjemisk motstand mot korrosjon av en rekke syrer, alkalier og smeltede metaller. Silisiumnitrid brukes til isolatorer, impeller og antenner med høy temperatur og lav dielektrisk motstand.
Komposittkeramikk har flere ønskelige egenskaper. Silisiumbasert keramikk tilsatt alumina og zirkon har vist seg å fungere godt i produksjonen av enkeltkrystallstøpegods for turbinblader. Dette er fordi den keramiske kjernen laget av dette materialet har svært lav termisk ekspansjon opptil 1500 °C, høy porøsitet, utmerket overflatekvalitet og god utvaskbarhet. Trykking av disse kjernene kan produsere turbindesign som tåler høyere driftstemperaturer og øker motoreffektiviteten.
Det er velkjent at sprøytestøping eller maskinering av keramikk er svært vanskelig, og maskinering gir begrenset tilgang til komponentene som produseres. Funksjoner som tynne vegger er også vanskelige å maskinere.
Lithoz bruker imidlertid litografibasert keramisk produksjon (LCM) for å produsere presise, kompleksformede 3D-keramiske komponenter.
Med utgangspunkt i CAD-modellen overføres de detaljerte spesifikasjonene digitalt til 3D-skriveren. Deretter påføres det presist formulerte keramiske pulveret på toppen av det gjennomsiktige karet. Den bevegelige byggeplattformen senkes ned i gjørmen og eksponeres deretter selektivt for synlig lys nedenfra. Lagbildet genereres av en digital mikrospeilenhet (DMD) koblet til projeksjonssystemet. Ved å gjenta denne prosessen kan en tredimensjonal grønn del genereres lag for lag. Etter termisk etterbehandling fjernes bindemidlet, og de grønne delene sintres – kombineres ved en spesiell oppvarmingsprosess – for å produsere en fullstendig tett keramisk del med utmerkede mekaniske egenskaper og overflatekvalitet.
LCM-teknologi gir en innovativ, kostnadseffektiv og raskere prosess for investeringsstøping av turbinmotorkomponenter – og omgår den dyre og arbeidskrevende formproduksjonen som kreves for sprøytestøping og tapt voksstøping.
LCM kan også oppnå design som ikke kan oppnås med andre metoder, samtidig som det brukes langt færre råvarer enn andre metoder.
Til tross for det store potensialet til keramiske materialer og LCM-teknologi, er det fortsatt et gap mellom produsenter av originalutstyr (OEM) innen AM og designere av luftfart.
En årsak kan være motstand mot nye produksjonsmetoder i bransjer med spesielt strenge sikkerhets- og kvalitetskrav. Luftfartsproduksjon krever mange verifiserings- og kvalifiseringsprosesser, samt grundig og streng testing.
En annen hindring er oppfatningen om at 3D-printing i hovedsak bare er egnet for engangs rask prototyping, snarere enn noe som kan tas i bruk i luften. Igjen, dette er en misforståelse, og 3D-printede keramiske komponenter har vist seg å kunne brukes i masseproduksjon.
Et eksempel er produksjon av turbinblader, hvor AM-keramikkprosessen produserer kjerner av enkeltkrystall (SX), samt turbinblader av superlegeringer med retningsbestemt størkning (DS) og likeakset støping (EX). Kjerner med komplekse grenstrukturer, flere vegger og bakkanter på mindre enn 200 μm kan produseres raskt og økonomisk, og de endelige komponentene har jevn dimensjonsnøyaktighet og utmerket overflatefinish.
Bedre kommunikasjon kan bringe sammen luftfartsdesignere og AM-OEM-er og fullt ut stole på keramiske komponenter produsert ved hjelp av LCM og andre teknologier. Teknologi og ekspertise finnes. Det må endre tankegangen fra AM til FoU og prototyping, og se det som veien videre for storskala kommersielle applikasjoner.
I tillegg til utdanning kan luftfartsselskaper også investere tid i personell, ingeniørarbeid og testing. Produsenter må være kjent med ulike standarder og metoder for evaluering av keramikk, ikke metaller. For eksempel er Lithoz' to viktigste ASTM-standarder for strukturell keramikk ASTM C1161 for styrketesting og ASTM C1421 for seighetstesting. Disse standardene gjelder keramikk produsert med alle metoder. I additiv produksjon av keramisk materiale er trykketrinnet bare en formingsmetode, og delene gjennomgår samme type sintring som tradisjonell keramikk. Derfor vil mikrostrukturen til keramiske deler være svært lik konvensjonell maskinering.
Basert på den kontinuerlige utviklingen av materialer og teknologi, kan vi trygt si at designere vil få mer data. Nye keramiske materialer vil bli utviklet og tilpasset i henhold til spesifikke tekniske behov. Deler laget av AM-keramikk vil fullføre sertifiseringsprosessen for bruk i luftfart. Og vil gi bedre designverktøy, for eksempel forbedret modelleringsprogramvare.
Ved å samarbeide med tekniske eksperter på lavprissegmentering (LCM), kan luftfartsselskaper introdusere AM-keramiske prosesser internt – noe som forkorter tiden, reduserer kostnadene og skaper muligheter for utvikling av selskapets egen immaterielle rettigheter. Med fremsyn og langsiktig planlegging kan luftfartsselskaper som investerer i keramisk teknologi høste betydelige fordeler i hele produksjonsporteføljen sin de neste ti årene og utover.
Ved å etablere et partnerskap med AM Ceramics vil produsenter av originalutstyr til luftfart produsere komponenter som tidligere var utenkelige.
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 skal snakke om vanskelighetene med å effektivt kommunisere fordelene med additiv produksjon av keramiske materialer på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio, 1. september 2021.
Selv om utviklingen av hypersoniske flysystemer har eksistert i flere tiår, har den nå blitt topprioritet for det amerikanske nasjonale forsvaret, noe som har brakt dette feltet inn i en tilstand av rask vekst og endring. Som et unikt tverrfaglig felt er utfordringen å finne eksperter med den nødvendige kompetansen for å fremme utviklingen. Men når det ikke er nok eksperter, skaper det et innovasjonsgap, som å sette design for produksjonsevne (DFM) først i FoU-fasen, og deretter utvikle seg til et produksjonsgap når det er for sent å gjøre kostnadseffektive endringer.
Allianser, som den nyopprettede University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), gir et viktig miljø for å dyrke talentene som trengs for å fremme feltet. Studenter kan samarbeide direkte med universitetsforskere og bransjefolk for å utvikle teknologi og fremme kritisk hypersonisk forskning.
Selv om UCAH og andre forsvarskonsortier ga medlemmer tillatelse til å utføre en rekke ingeniørjobber, må det gjøres mer arbeid for å dyrke frem mangfoldige og erfarne talenter, fra design til materialutvikling og -valg til produksjonsverksteder.
For å kunne gi mer varig verdi innen feltet, må universitetsalliansen prioritere utvikling av arbeidsstyrken ved å tilpasse seg industriens behov, involvere medlemmer i industritilpasset forskning og investere i programmet.
Når vi skal transformere hypersonisk teknologi til storskala produserbare prosjekter, er det eksisterende kompetansegapet innen ingeniør- og produksjonsarbeid den største utfordringen. Hvis tidlig forskning ikke krysser denne passende navngitte dødens dal – gapet mellom FoU og produksjon, og mange ambisiøse prosjekter har mislyktes – da har vi mistet en anvendelig og gjennomførbar løsning.
Den amerikanske produksjonsindustrien kan akselerere den supersoniske hastigheten, men risikoen ved å falle akterut er å utvide arbeidsstyrken i samsvar med dette. Derfor må myndighetene og universitetsutviklingskonsortiene samarbeide med produsentene for å sette disse planene ut i livet.
Bransjen har opplevd kompetansehull fra produksjonsverksteder til ingeniørlaboratorier – disse hullene vil bare øke etter hvert som markedet for hypersoniske systemer vokser. Nye teknologier krever en ny arbeidsstyrke for å utvide kunnskapen på feltet.
Hypersonisk arbeid spenner over flere forskjellige nøkkelområder innen ulike materialer og strukturer, og hvert område har sine egne tekniske utfordringer. De krever et høyt nivå av detaljert kunnskap, og hvis den nødvendige ekspertisen ikke finnes, kan dette skape hindringer for utvikling og produksjon. Hvis vi ikke har nok folk til å opprettholde jobben, vil det være umulig å holde tritt med etterspørselen etter høyhastighetsproduksjon.
For eksempel trenger vi folk som kan bygge det endelige produktet. UCAH og andre konsortier er viktige for å fremme moderne produksjon og sikre at studenter som er interessert i produksjonens rolle inkluderes. Gjennom tverrfaglig dedikert arbeidsstyrkeutvikling vil industrien kunne opprettholde et konkurransefortrinn innen hypersoniske flyplaner de neste årene.
Ved å opprette UCAH skaper Forsvarsdepartementet en mulighet til å ta i bruk en mer fokusert tilnærming til å bygge opp kapasitet på dette området. Alle koalisjonsmedlemmer må samarbeide for å trene studentenes nisjekompetanse, slik at vi kan bygge og opprettholde momentumet i forskningen og utvide den for å produsere de resultatene landet vårt trenger.
Den nå nedlagte NASA Advanced Composites Alliance er et eksempel på en vellykket innsats for arbeidsstyrkeutvikling. Effektiviteten er et resultat av å kombinere FoU-arbeid med industriinteresser, noe som gjør at innovasjon kan utvides i hele utviklingsøkosystemet. Industriledere har jobbet direkte med NASA og universiteter på prosjekter i to til fire år. Alle medlemmer har utviklet faglig kunnskap og erfaring, lært å samarbeide i et ikke-konkurransepreget miljø og oppmuntret studenter til å utvikle seg for å fostre viktige industriaktører i fremtiden.
Denne typen arbeidsstyrkeutvikling fyller hull i bransjen og gir muligheter for små bedrifter til å innovere raskt og diversifisere feltet for å oppnå ytterligere vekst som fremmer amerikanske nasjonale sikkerhets- og økonomiske sikkerhetsinitiativer.
Universitetsallianser, inkludert UCAH, er viktige ressurser innen hypersonisk ingeniørfag og forsvarsindustrien. Selv om forskningen deres har fremmet nye innovasjoner, ligger deres største verdi i deres evne til å utdanne vår neste generasjon arbeidsstyrke. Konsortiet må nå prioritere investeringer i slike planer. Ved å gjøre det kan de bidra til å fremme den langsiktige suksessen til hypersonisk innovasjon.
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.
Produsenter av komplekse, høykonstruerte produkter (som flykomponenter) er forpliktet til perfeksjon hver gang. Det er ikke noe spillerom.
Fordi flyproduksjon er ekstremt kompleks, må produsenter nøye styre kvalitetsprosessen og legge stor vekt på hvert trinn. Dette krever en grundig forståelse av hvordan man skal håndtere og tilpasse seg dynamiske produksjons-, kvalitets-, sikkerhets- og forsyningskjedeproblemer, samtidig som man oppfyller regulatoriske krav.
Fordi mange faktorer påvirker leveransen av produkter av høy kvalitet, er det vanskelig å håndtere komplekse og ofte skiftende produksjonsordrer. Kvalitetsprosessen må være dynamisk i alle aspekter av inspeksjon og design, produksjon og testing. Takket være Industri 4.0-strategier og moderne produksjonsløsninger har disse kvalitetsutfordringene blitt enklere å håndtere og overvinne.
Det tradisjonelle fokuset i flyproduksjon har alltid vært på materialer. Kilden til de fleste kvalitetsproblemer kan være sprøbrudd, korrosjon, metallutmatting eller andre faktorer. Dagens flyproduksjon inkluderer imidlertid avanserte, høyt konstruerte teknologier som bruker motstandsdyktige materialer. Produktutvikling bruker svært spesialiserte og komplekse prosesser og elektroniske systemer. Generelle programvareløsninger for driftsstyring er kanskje ikke lenger i stand til å løse ekstremt komplekse problemer.
Mer komplekse deler kan kjøpes fra den globale forsyningskjeden, så det må legges større vekt på å integrere dem gjennom hele monteringsprosessen. Usikkerhet bringer nye utfordringer med seg for synlighet i forsyningskjeden og kvalitetsstyring. Å sikre kvaliteten på så mange deler og ferdige produkter krever bedre og mer integrerte kvalitetsmetoder.
Industri 4.0 representerer utviklingen av produksjonsindustrien, og det trengs stadig mer avanserte teknologier for å møte strenge kvalitetskrav. Støttende teknologier inkluderer Industrial Internet of Things (IIoT), digitale tråder, utvidet virkelighet (AR) og prediktiv analyse.
Kvalitet 4.0 beskriver en datadrevet metode for kvalitet i produksjonsprosesser som involverer produkter, prosesser, planlegging, samsvar og standarder. Den er bygget på, snarere enn å erstatte, tradisjonelle kvalitetsmetoder, og bruker mange av de samme nye teknologiene som sine industrielle motparter, inkludert maskinlæring, tilkoblede enheter, skytjenester og digitale tvillinger for å transformere organisasjonens arbeidsflyt og eliminere mulige produkt- eller prosessfeil. Fremveksten av Kvalitet 4.0 forventes å endre arbeidsplasskulturen ytterligere ved å øke avhengigheten av data og en dypere bruk av kvalitet som en del av den overordnede metoden for produktutvikling.
Kvalitet 4.0 integrerer driftsmessige og kvalitetssikringsmessige (QA) problemstillinger fra begynnelsen til designfasen. Dette inkluderer hvordan man konseptualiserer og designer produkter. Nylige resultater fra bransjeundersøkelser indikerer at de fleste markeder ikke har en automatisert designoverføringsprosess. Den manuelle prosessen gir rom for feil, enten det er en intern feil eller kommunikasjon av design og endringer i forsyningskjeden.
I tillegg til design bruker Quality 4.0 også prosessorientert maskinlæring for å redusere avfall, omarbeiding og optimalisere produksjonsparametere. I tillegg løser den også problemer med produktets ytelse etter levering, bruker tilbakemeldinger på stedet for å oppdatere produktprogramvare eksternt, opprettholder kundetilfredshet og sikrer til slutt gjentatte kunder. Den er i ferd med å bli en uatskillelig partner for Industri 4.0.
Kvalitet gjelder imidlertid ikke bare for utvalgte produksjonsledd. Inkluderingen av Kvalitet 4.0 kan innpode en omfattende kvalitetstilnærming i produksjonsorganisasjoner, og gjøre den transformative kraften i data til en integrert del av bedriftens tenkning. Samsvar på alle nivåer i organisasjonen bidrar til dannelsen av en overordnet kvalitetskultur.
Ingen produksjonsprosess kan kjøre perfekt 100 % av tiden. Endrede forhold utløser uforutsette hendelser som krever utbedring. De som har erfaring med kvalitet forstår at det handler om prosessen med å bevege seg mot perfeksjon. Hvordan sikrer du at kvalitet er integrert i prosessen for å oppdage problemer så tidlig som mulig? Hva vil du gjøre når du finner feilen? Er det noen eksterne faktorer som forårsaker dette problemet? Hvilke endringer kan du gjøre i inspeksjonsplanen eller testprosedyren for å forhindre at dette problemet skjer igjen?
Etabler en mentalitet om at hver produksjonsprosess har en relatert og relatert kvalitetsprosess. Se for deg en fremtid der det er et én-til-én-forhold og kontinuerlig måling av kvalitet. Uansett hva som skjer tilfeldig, kan perfekt kvalitet oppnås. Hvert arbeidssenter gjennomgår indikatorer og nøkkelindikatorer (KPI-er) daglig for å identifisere forbedringsområder før problemer oppstår.
I dette lukkede systemet har hver produksjonsprosess en kvalitetsinferens, som gir tilbakemelding for å stoppe prosessen, la prosessen fortsette eller gjøre justeringer i sanntid. Systemet påvirkes ikke av tretthet eller menneskelige feil. Et lukket kvalitetssystem designet for flyproduksjon er avgjørende for å oppnå høyere kvalitetsnivåer, forkorte syklustider og sikre samsvar med AS9100-standarder.
For ti år siden var ideen om å fokusere kvalitetssikring på produktdesign, markedsundersøkelser, leverandører, produkttjenester eller andre faktorer som påvirker kundetilfredshet umulig. Produktdesign forstås å komme fra en høyere autoritet; kvalitet handler om å utføre disse designene på samlebåndet, uavhengig av deres mangler.
I dag tenker mange selskaper nytt om hvordan de skal drive forretninger. Status quo i 2018 er kanskje ikke lenger mulig. Flere og flere produsenter blir smartere og smartere. Mer kunnskap er tilgjengelig, noe som betyr bedre intelligens for å bygge riktig produkt første gang, med høyere effektivitet og ytelse.