I følge SmarTech, et konsulentselskap for produksjonsteknologi, er romfart den nest største industrien som betjenes av additiv produksjon (AM), nest etter medisin.Imidlertid er det fortsatt en mangel på bevissthet om potensialet til additiv produksjon av keramiske materialer i rask produksjon av romfartskomponenter, økt fleksibilitet og kostnadseffektivitet.AM kan produsere sterkere og lettere keramiske deler raskere og mer bærekraftig - redusere arbeidskostnadene, minimere manuell montering, og forbedre effektiviteten og ytelsen gjennom design utviklet ved modellering, og dermed redusere vekten på flyet.I tillegg gir keramisk teknologi for additiv produksjon dimensjonskontroll av ferdige deler for funksjoner som er mindre enn 100 mikron.
Imidlertid kan ordet keramikk fremmane misforståelsen om sprøhet.Faktisk produserer additiv keramikk lettere, finere deler med stor strukturell styrke, seighet og motstand mot et bredt temperaturområde.Fremtidsrettede selskaper henvender seg til keramiske produksjonskomponenter, inkludert dyser og propeller, elektriske isolatorer og turbinblader.
For eksempel har høyrent aluminiumoksyd høy hardhet, og har en sterk korrosjonsmotstand og temperaturområde.Komponenter laget av alumina er også elektrisk isolerende ved de høye temperaturene som er vanlig i romfartssystemer.
Zirkoniumbasert keramikk kan møte mange bruksområder med ekstreme materialkrav og høy mekanisk påkjenning, slik som avansert metallstøping, ventiler og lagre.Silisiumnitridkeramikk har høy styrke, høy seighet og utmerket termisk støtmotstand, samt god kjemisk motstand mot korrosjon av en rekke syrer, alkalier og smeltede metaller.Silisiumnitrid brukes til isolatorer, impellere og høytemperatur-lavdielektriske antenner.
Kompositt keramikk gir flere ønskelige kvaliteter.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 opp til 1500°C, høy porøsitet, utmerket overflatekvalitet og god utvaskbarhet.Utskrift 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 bearbeide.
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-printeren.Påfør deretter det presist formulerte keramiske pulveret på toppen av det gjennomsiktige karet.Den bevegelige konstruksjonsplattformen senkes ned i gjørmen og eksponeres deretter selektivt for synlig lys nedenfra.Lagbildet genereres av en digital mikrospeilenhet (DMD) koblet med 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-kombinert ved en spesiell oppvarmingsprosess - for å produsere en helt tett keramisk del med utmerkede mekaniske egenskaper og overflatekvalitet.
LCM-teknologi gir en innovativ, kostnadseffektiv og raskere prosess for investeringsstøping av turbinmotorkomponenter, utenom den kostbare og arbeidskrevende formproduksjonen som kreves for sprøytestøping og tapt voksstøping.
LCM kan også oppnå design som ikke kan oppnås med andre metoder, samtidig som man bruker langt færre råvarer enn andre metoder.
Til tross for det store potensialet til keramiske materialer og LCM-teknologi, er det fortsatt et gap mellom AM original equipment manufacturers (OEM) og romfartsdesignere.
En årsak kan være motstand mot nye produksjonsmetoder i bransjer med spesielt strenge sikkerhets- og kvalitetskrav.Flyproduksjon krever mange verifikasjons- og kvalifiseringsprosesser, samt grundige og strenge tester.
En annen hindring inkluderer troen på at 3D-utskrift i hovedsak bare er egnet for engangs rask prototyping, snarere enn alt som kan tas i bruk i luften.Igjen er dette en misforståelse, og 3D-printede keramiske komponenter har vist seg å brukes i masseproduksjon.
Et eksempel er produksjonen av turbinblader, hvor AM-keramikkprosessen produserer enkeltkrystall (SX) kjerner, samt retningsbestemt størkning (DS) og equiaxed casting (EX) superlegering turbinblader.Kjerner med komplekse grenstrukturer, flere vegger og bakkanter mindre enn 200 μm kan produseres raskt og økonomisk, og de endelige komponentene har konsekvent dimensjonsnøyaktighet og utmerket overflatefinish.
Forbedring av kommunikasjonen kan bringe sammen romfartsdesignere og AM OEM og stole fullt ut på keramiske komponenter produsert ved hjelp av LCM og andre teknologier.Teknologi og kompetanse finnes.Det må endre tankegangen fra AM for FoU og prototyping, og se det som veien videre for store kommersielle applikasjoner.
I tillegg til utdanning, kan luftfartsselskaper også investere tid i personell, ingeniørfag og testing.Produsenter må være kjent med ulike standarder og metoder for å vurdere keramikk, ikke metaller.For eksempel er Lithoz sine to sentrale ASTM-standarder for strukturell keramikk ASTM C1161 for styrketesting og ASTM C1421 for seighetstesting.Disse standardene gjelder for keramikk produsert etter alle metoder.I keramisk additiv produksjon er utskriftstrinnet 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 kontinuerlig utvikling av materialer og teknologi, kan vi trygt si at designere vil få mer data.Nye keramiske materialer vil bli utviklet og tilpasset etter spesifikke ingeniørbehov.Deler laget av AM-keramikk vil fullføre sertifiseringsprosessen for bruk i romfart.Og vil gi bedre designverktøy, for eksempel forbedret modelleringsprogramvare.
Ved å samarbeide med LCM tekniske eksperter kan luftfartsselskaper introdusere AM-keramiske prosesser internt, noe som forkorter tid, reduserer kostnader og skaper muligheter for utvikling av selskapets egen immaterielle rettigheter.Med framsyn og langsiktig planlegging kan luftfartsselskaper som investerer i keramisk teknologi høste betydelige fordeler i hele sin produksjonsportefølje i løpet av de neste ti årene og utover.
Ved å etablere et partnerskap med AM Ceramics vil produsenter av originalt romfartsutstyr 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 vil snakke om vanskelighetene med å effektivt kommunisere fordelene ved produksjon av keramiske additiv på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio 1. september 2021.
Selv om utviklingen av hypersoniske flysystemer har eksistert i flere tiår, har den nå blitt toppprioriteten for USAs nasjonale forsvar, og bringer dette feltet inn i en tilstand av rask vekst og endring.Som et unikt tverrfaglig felt er utfordringen å finne eksperter med nødvendig kompetanse for å fremme utviklingen.Men når det ikke er nok eksperter, skaper det et innovasjonsgap, for eksempel å sette design for produksjonsevne (DFM) først i FoU-fasen, og deretter bli til et produksjonsgap når det er for sent å gjøre kostnadseffektive endringer.
Allianser, som den nyetablerte University Alliance for Applied Hypersonicics (UCAH), gir et viktig miljø for å dyrke talentene som trengs for å fremme feltet.Studenter kan jobbe direkte med universitetsforskere og bransjefolk for å utvikle teknologi og fremme kritisk hypersonisk forskning.
Selv om UCAH og andre forsvarskonsortier autoriserte medlemmer til å engasjere seg i en rekke ingeniørjobber, må det gjøres mer arbeid for å dyrke mangfoldige og erfarne talenter, fra design til materialutvikling og valg til produksjonsverksteder.
For å gi mer varig verdi på feltet, må universitetsalliansen gjøre utvikling av arbeidsstyrken til en prioritet ved å tilpasse seg industriens behov, involvere medlemmer i industritilpasset forskning og investere i programmet.
Når man transformerer hypersonisk teknologi til storskala prosjekter som kan produseres, er det eksisterende gapet med ingeniør- og produksjonsarbeid den største utfordringen.Hvis tidlig forskning ikke krysser denne passende navngitte dødsdalen – gapet mellom FoU og produksjon, og mange ambisiøse prosjekter har mislyktes – så har vi mistet en anvendelig og gjennomførbar løsning.
Den amerikanske produksjonsindustrien kan akselerere den supersoniske hastigheten, men risikoen for å falle bak er å utvide størrelsen på arbeidsstyrken til å matche.Derfor må regjeringen og universitetsutviklingskonsortier samarbeide med produsenter for å sette disse planene ut i livet.
Industrien har erfart kompetansegap fra produksjonsverksteder til ingeniørlaboratorier - disse gapene vil bare øke etter hvert som det hypersoniske markedet vokser.Fremvoksende teknologier krever en voksende arbeidsstyrke for å utvide kunnskapen på feltet.
Hypersonisk arbeid spenner over flere ulike nøkkelområder av ulike materialer og strukturer, og hvert område har sitt eget sett med tekniske utfordringer.De krever høy detaljkunnskap, og dersom nødvendig kompetanse 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 sluttproduktet.UCAH og andre konsortier er avgjørende for å fremme moderne produksjon og sikre at studenter som er interessert i rollen som produksjon er inkludert.Gjennom tverrfunksjonell dedikert arbeidsstyrkeutviklingsinnsats vil industrien være i stand til å opprettholde et konkurransefortrinn i hypersoniske flyplaner de neste årene.
Ved å etablere UCAH skaper forsvarsdepartementet en mulighet til å ta i bruk en mer fokusert tilnærming til å bygge kapasiteter på dette området.Alle koalisjonsmedlemmer må jobbe sammen for å trene studentenes nisjeevner slik at vi kan bygge og opprettholde farten til forskning og utvide den for å produsere resultatene landet vårt trenger.
Den nå nedlagte NASA Advanced Composites Alliance er et eksempel på en vellykket arbeidsstyrkeutviklingsinnsats.Effektiviteten er resultatet av å kombinere FoU-arbeid med industriinteresser, noe som gjør at innovasjon kan utvides gjennom hele utviklingsøkosystemet.Bransjeledere har jobbet direkte med NASA og universiteter på prosjekter i to til fire år.Alle medlemmene har utviklet faglig kunnskap og erfaring, lært å samarbeide i et ikke-konkurranseutsatt miljø, og fostret studenter til å utvikle seg for å pleie sentrale 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 bidrar til USAs nasjonale sikkerhet og økonomiske sikkerhetsinitiativer.
Universitetsallianser inkludert UCAH er viktige eiendeler i det hypersoniske feltet og forsvarsindustrien.Selv om forskningen deres har fremmet nye innovasjoner, ligger deres største verdi i deres evne til å trene vår neste generasjons 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, høyt konstruerte produkter (som flykomponenter) er forpliktet til perfeksjon hver gang.Det er ikke handlingsrom.
Fordi flyproduksjonen er ekstremt kompleks, må produsentene styre kvalitetsprosessen nøye, med stor oppmerksomhet til hvert trinn.Dette krever en grundig forståelse av hvordan man håndterer og tilpasser seg dynamiske produksjons-, kvalitet-, sikkerhets- og forsyningskjedespørsmål samtidig som man oppfyller regulatoriske krav.
Fordi mange faktorer påvirker leveringen av høykvalitetsprodukter, er det vanskelig å håndtere komplekse og hyppig skiftende produksjonsordrer.Kvalitetsprosessen må være dynamisk i alle aspekter av inspeksjon og design, produksjon og testing.Takket være Industry 4.0-strategier og moderne produksjonsløsninger har disse kvalitetsutfordringene blitt enklere å håndtere og overvinne.
Det tradisjonelle fokuset for flyproduksjon har alltid vært på materialer.Kilden til de fleste kvalitetsproblemer kan være sprø brudd, korrosjon, metalltretthet eller andre faktorer.Imidlertid inkluderer dagens flyproduksjon avanserte, høyt konstruerte teknologier som bruker motstandsdyktige materialer.Produktskaping bruker høyt spesialiserte og komplekse prosesser og elektroniske systemer.Programvareløsninger for generell drift kan ikke lenger løse ekstremt komplekse problemer.
Mer komplekse deler kan kjøpes fra den globale forsyningskjeden, så det må tas mer hensyn til å integrere dem gjennom hele monteringsprosessen.Usikkerhet gir nye utfordringer for forsyningskjedens synlighet 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 avansert teknologi for å møte strenge kvalitetskrav.Støtteteknologier inkluderer Industrial Internet of Things (IIoT), digitale tråder, utvidet virkelighet (AR) og prediktiv analyse.
Quality 4.0 beskriver en datadrevet produksjonsprosesskvalitetsmetode som involverer produkter, prosesser, planlegging, samsvar og standarder.Den er bygget på i stedet for å erstatte tradisjonelle kvalitetsmetoder, og bruker mange av de samme nye teknologiene som sine industrielle motparter, inkludert maskinlæring, tilkoblede enheter, cloud computing og digitale tvillinger for å transformere organisasjonens arbeidsflyt og eliminere mulige produkt- eller prosessfeil.Fremveksten av Quality 4.0 forventes å endre arbeidsplasskulturen ytterligere ved å øke avhengigheten av data og en dypere bruk av kvalitet som en del av den generelle metoden for produktskaping.
Quality 4.0 integrerer drifts- og kvalitetssikring (QA) problemstillinger fra begynnelsen til designstadiet.Dette inkluderer hvordan man konseptualiserer og designer produkter.Nyere bransjeundersøkelsesresultater indikerer at de fleste markeder ikke har en automatisert designoverføringsprosess.Den manuelle prosessen gir rom for feil, enten det er en intern feil eller å kommunisere design og endringer i forsyningskjeden.
I tillegg til design, bruker Quality 4.0 også prosesssentrisk maskinlæring for å redusere avfall, redusere etterarbeid og optimalisere produksjonsparametere.I tillegg løser den også problemer med produktytelse etter levering, bruker tilbakemeldinger på stedet for å eksternt oppdatere produktprogramvare, opprettholder kundetilfredshet og sikrer til slutt gjentatte forretninger.Det er i ferd med å bli en uatskillelig partner for Industry 4.0.
Kvalitet er imidlertid ikke bare aktuelt for utvalgte produksjonskoblinger.Inkluderingen av Quality 4.0 kan innpode en omfattende kvalitetstilnærming i produksjonsorganisasjoner, noe som gjør den transformative kraften til data til en integrert del av bedriftens tenkning.Overholdelse på alle nivåer i organisasjonen bidrar til dannelsen av en overordnet kvalitetskultur.
Ingen produksjonsprosess kan kjøre perfekt på 100 % av tiden.Endre forhold utløser uforutsette hendelser som krever utbedring.De som har erfaring med kvalitet forstår at alt handler om prosessen med å bevege seg mot perfeksjon.Hvordan sikrer man at kvalitet er innarbeidet 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 oppstår igjen?
Etabler en mentalitet om at hver produksjonsprosess har en relatert og relatert kvalitetsprosess.Se for deg en fremtid hvor det er et en-til-en forhold og hele tiden mål kvalitet.Uansett hva som skjer tilfeldig, kan perfekt kvalitet oppnås.Hvert arbeidssenter gjennomgår indikatorer og nøkkelytelsesindikatorer (KPIer) på daglig basis for å identifisere områder for forbedring før problemer oppstår.
I dette lukkede sløyfesystemet har hver produksjonsprosess en kvalitetsslutning, som gir tilbakemelding for å stoppe prosessen, la prosessen fortsette eller foreta sanntidsjusteringer.Systemet er ikke påvirket av tretthet eller menneskelige feil.Et lukket sløyfekvalitetssystem 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 QA på produktdesign, markedsundersøkelser, leverandører, produkttjenester eller andre faktorer som påvirker kundetilfredsheten umulig.Produktdesign forstås å komme fra en høyere autoritet;kvalitet handler om å utføre disse designene på samlebåndet, uavhengig av deres mangler.
I dag revurderer mange bedrifter hvordan de skal gjøre 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 i første omgang, med høyere effektivitet og ytelse.