Saskaņā ar ražošanas tehnoloģiju konsultāciju uzņēmuma SmarTech datiem, kosmosa rūpniecība ir otra lielākā nozare, kurā darbojas aditīvā ražošana (AM), atpaliekot tikai no medicīnas. Tomēr joprojām trūkst izpratnes par keramikas materiālu aditīvās ražošanas potenciālu ātrā kosmosa komponentu ražošanā, palielinot elastību un rentabilitāti. AM var ātrāk un ilgtspējīgāk ražot izturīgākas un vieglākas keramikas detaļas, samazinot darbaspēka izmaksas, minimizējot manuālo montāžu un uzlabojot efektivitāti un veiktspēju, izmantojot modelēšanas ceļā izstrādātu dizainu, tādējādi samazinot lidaparāta svaru. Turklāt aditīvās ražošanas keramikas tehnoloģija nodrošina gatavo detaļu izmēru kontroli elementiem, kas ir mazāki par 100 mikroniem.
Tomēr vārds "keramika" var radīt nepareizu priekšstatu par trauslumu. Patiesībā ar aditīvo ražošanas metodi ražotā keramika rada vieglākas, smalkākas detaļas ar lielu strukturālo izturību, izturību un izturību plašā temperatūras diapazonā. Uz nākotni orientēti uzņēmumi pievēršas keramikas ražošanas komponentiem, tostarp sprauslām un propelleriem, elektriskajiem izolatoriem un turbīnu lāpstiņām.
Piemēram, augstas tīrības pakāpes alumīnija oksīdam ir augsta cietība, un tam ir spēcīga izturība pret koroziju un temperatūras diapazons. No alumīnija oksīda izgatavotās detaļas ir arī elektriski izolējošas augstās temperatūrās, kas ir izplatītas kosmosa sistēmās.
Cirkonija bāzes keramika var atbilst daudziem pielietojumiem ar augstām materiālu prasībām un augstu mehānisko spriegumu, piemēram, augstas klases metāla līsēm, vārstiem un gultņiem. Silīcija nitrīda keramikai ir augsta izturība, augsta sīkstums un lieliska termiskā trieciena izturība, kā arī laba ķīmiskā izturība pret dažādu skābju, sārmu un izkausētu metālu koroziju. Silīcija nitrīdu izmanto izolatoriem, lāpstiņriteņiem un augstas temperatūras zemas dielektriskās antenas ražošanai.
Kompozītkeramikai ir vairākas vēlamas īpašības. Silīcija bāzes keramika, kurai pievienots alumīnija oksīds un cirkons, ir pierādījusi savu efektivitāti turbīnu lāpstiņu monokristālu lējumu ražošanā. Tas ir tāpēc, ka no šī materiāla izgatavotajam keramikas serdenim ir ļoti zema termiskā izplešanās līdz 1500 °C, augsta porainība, lieliska virsmas kvalitāte un laba izskalojamība. Šo serdeņu drukāšana var radīt turbīnu konstrukcijas, kas var izturēt augstāku darba temperatūru un palielināt dzinēja efektivitāti.
Ir labi zināms, ka keramikas iesmidzināšanas formēšana vai mehāniskā apstrāde ir ļoti sarežģīta, un apstrāde nodrošina ierobežotu piekļuvi ražojamajām detaļām. Arī tādas detaļas kā plānas sienas ir grūti apstrādāt.
Tomēr Lithoz izmanto uz litogrāfijas balstītu keramikas ražošanu (LCM), lai izgatavotu precīzas, sarežģītas formas 3D keramikas detaļas.
Sākot no CAD modeļa, detalizētās specifikācijas tiek digitāli pārsūtītas uz 3D printeri. Pēc tam precīzi formulētais keramikas pulveris tiek uzklāts uz caurspīdīgās tvertnes augšdaļas. Kustīgā konstrukcijas platforma tiek iegremdēta dubļos un pēc tam selektīvi pakļauta redzamai gaismai no apakšas. Slāņa attēlu ģenerē digitālā mikrospoguļa ierīce (DMD), kas savienota ar projekcijas sistēmu. Atkārtojot šo procesu, slāni pa slānim var ģenerēt trīsdimensiju zaļo detaļu. Pēc termiskās pēcapstrādes saistviela tiek noņemta, un zaļās detaļas tiek saķepinātas - savienotas ar īpašu sildīšanas procesu -, lai iegūtu pilnīgi blīvu keramikas detaļu ar izcilām mehāniskām īpašībām un virsmas kvalitāti.
LCM tehnoloģija nodrošina inovatīvu, rentablu un ātrāku turbīnu dzinēju komponentu investīciju liešanas procesu, apejot dārgo un darbietilpīgo veidņu ražošanu, kas nepieciešama iesmidzināšanas formēšanai un vaska zudumu liešanai.
LCM var panākt arī dizainus, ko nevar panākt ar citām metodēm, vienlaikus izmantojot daudz mazāk izejvielu nekā citas metodes.
Neskatoties uz keramikas materiālu un LCM tehnoloģijas lielo potenciālu, joprojām pastāv plaisa starp AM oriģinālo iekārtu ražotājiem (OEM) un kosmosa dizaineriem.
Viens no iemesliem varētu būt pretestība jaunām ražošanas metodēm nozarēs ar īpaši stingrām drošības un kvalitātes prasībām. Aviācijas un kosmosa ražošanā ir nepieciešami daudzi verifikācijas un kvalifikācijas procesi, kā arī rūpīga un stingra testēšana.
Vēl viens šķērslis ir uzskats, ka 3D drukāšana galvenokārt ir piemērota tikai vienreizējai ātrai prototipu izgatavošanai, nevis jebkam, ko var izmantot gaisā. Atkal tas ir pārpratums, un ir pierādīts, ka 3D drukātas keramikas detaļas tiek izmantotas masveida ražošanā.
Kā piemēru var minēt turbīnu lāpstiņu ražošanu, kur AM keramikas procesā tiek iegūti monokristāla (SX) serdeņi, kā arī virziena sacietēšanas (DS) un vienādi liešanas (EX) supersakausējuma turbīnu lāpstiņas. Serdeņus ar sarežģītām zaru struktūrām, vairākām sienām un aizmugurējām malām, kas ir mazākas par 200 μm, var izgatavot ātri un ekonomiski, un gala komponentiem ir nemainīga izmēru precizitāte un lieliska virsmas apdare.
Uzlabojot komunikāciju, var apvienot kosmosa dizainerus un aditīvās ražošanas (AM) oriģinālā aprīkojuma ražotājus (OEM) un pilnībā uzticēties keramikas komponentiem, kas ražoti, izmantojot šķidro ķīmisko apstrādi (LCM) un citas tehnoloģijas. Tehnoloģijas un zināšanas jau pastāv. Ir jāmaina domāšanas veids no AM uz pētniecību un attīstību, kā arī prototipu veidošanu un jāuztver tas kā ceļš uz priekšu liela mēroga komerciāliem pielietojumiem.
Papildus izglītībai aviācijas un kosmosa uzņēmumi var ieguldīt laiku arī personālā, inženierzinātnēs un testēšanā. Ražotājiem ir jāpārzina dažādi standarti un metodes keramikas, nevis metālu novērtēšanai. Piemēram, divi galvenie Lithoz ASTM standarti strukturālajai keramikai ir ASTM C1161 izturības pārbaudei un ASTM C1421 sīkstuma pārbaudei. Šie standarti attiecas uz keramiku, kas ražota ar visām metodēm. Keramikas aditīvajā ražošanā drukāšanas solis ir tikai formēšanas metode, un detaļas tiek pakļautas tāda paša veida saķepināšanai kā tradicionālā keramika. Tāpēc keramikas detaļu mikrostruktūra būs ļoti līdzīga tradicionālajai apstrādei.
Balstoties uz materiālu un tehnoloģiju nepārtraukto attīstību, varam droši apgalvot, ka dizaineri iegūs vairāk datu. Tiks izstrādāti jauni keramikas materiāli un pielāgoti atbilstoši konkrētām inženiertehniskajām vajadzībām. No aditīvās ražošanas keramikas izgatavotās detaļas pabeigs sertifikācijas procesu izmantošanai kosmosā. Un tiks nodrošināti labāki projektēšanas rīki, piemēram, uzlabota modelēšanas programmatūra.
Sadarbojoties ar šķidrās masas apstrādes (LCM) tehniskajiem ekspertiem, aviācijas un kosmosa uzņēmumi var ieviest aditīvās ražošanas (AM) keramikas procesus iekšēji, saīsinot laiku, samazinot izmaksas un radot iespējas uzņēmuma intelektuālā īpašuma attīstībai. Ar tālredzību un ilgtermiņa plānošanu aviācijas un kosmosa uzņēmumi, kas iegulda keramikas tehnoloģijās, nākamo desmit gadu laikā un turpmāk var gūt ievērojamu labumu visā savā ražošanas portfelī.
Izveidojot partnerību ar AM Ceramics, kosmosa oriģinālo iekārtu ražotāji ražos komponentus, kas iepriekš nebija iedomājami.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Šons Alans 2021. gada 1. septembrī Keramikas izstādē Klīvlendā, Ohaio štatā, runās par grūtībām efektīvi komunicēt par keramikas aditīvās ražošanas priekšrocībām.
Lai gan hiperskaņas lidojumu sistēmu izstrāde notiek jau gadu desmitiem, tā tagad ir kļuvusi par ASV nacionālās aizsardzības galveno prioritāti, kas novedusi šo jomu straujas izaugsmes un pārmaiņu stāvoklī. Kā unikālai daudznozaru jomai, izaicinājums ir atrast ekspertus ar nepieciešamajām prasmēm, lai veicinātu tās attīstību. Tomēr, ja ekspertu nav pietiekami, tas rada inovāciju plaisu, piemēram, pētniecības un attīstības fāzē vispirms izvirzot ražojamības projektēšanu (DFM), un pēc tam, kad ir par vēlu veikt rentablas izmaiņas, tā pārvēršas ražošanas plaisā.
Alianses, piemēram, jaunizveidotā Universitātes alianse lietišķās hiperskaņas pētniecībai (UCAH), nodrošina svarīgu vidi talantu attīstīšanai, kas nepieciešami nozares attīstībai. Studenti var tieši sadarboties ar universitātes pētniekiem un nozares profesionāļiem, lai izstrādātu tehnoloģijas un veicinātu kritiskus hiperskaņas pētījumus.
Lai gan UCAH un citi aizsardzības konsorciji pilnvaroja biedrus iesaistīties dažādos inženiertehniskos darbos, ir jāpieliek vairāk darba, lai attīstītu daudzveidīgus un pieredzējušus talantus, sākot no dizaina līdz materiālu izstrādei un izvēlei, kā arī ražošanas darbnīcām.
Lai nodrošinātu ilgstošāku vērtību šajā jomā, universitāšu aliansei darbaspēka attīstībai ir jābūt prioritātei, pielāgojoties nozares vajadzībām, iesaistot biedrus nozarei atbilstošos pētījumos un ieguldot programmā.
Pārveidojot hiperskaņas tehnoloģiju liela mēroga ražojamos projektos, lielākā problēma ir esošā inženierzinātņu un ražošanas darbaspēka prasmju plaisa. Ja agrīnie pētījumi nepārvarēs šo atbilstoši nosaukto nāves ieleju — plaisu starp pētniecību un attīstību un ražošanu, un daudzi ambiciozi projekti būs cietuši neveiksmi —, tad mēs būsim zaudējuši piemērojamu un realizējamu risinājumu.
ASV ražošanas nozare var paātrināt virsskaņas ātrumu, taču pastāv risks atpalikt, palielinot darbaspēka apjomu, lai tas atbilstu. Tāpēc valdības un universitāšu attīstības konsorcijiem ir jāsadarbojas ar ražotājiem, lai šos plānus īstenotu praksē.
Nozare ir saskārusies ar prasmju trūkumu no ražošanas darbnīcām līdz inženiertehniskajām laboratorijām, un šī plaisa tikai palielināsies, augot hiperskaņas tirgum. Jaunām tehnoloģijām ir nepieciešams jauns darbaspēks, lai paplašinātu zināšanas šajā jomā.
Hipersoniskā apstrāde aptver vairākas dažādas materiālu un konstrukciju galvenās jomas, un katrai jomai ir savs tehnisko izaicinājumu kopums. Tā prasa augsta līmeņa detalizētas zināšanas, un, ja nepieciešamās zināšanas nav, tas var radīt šķēršļus attīstībai un ražošanai. Ja mums nebūs pietiekami daudz cilvēku, lai uzturētu darbu, nebūs iespējams apmierināt pieprasījumu pēc ātrgaitas ražošanas.
Piemēram, mums ir nepieciešami cilvēki, kas var izveidot gala produktu. UCAH un citi konsorciji ir būtiski, lai veicinātu mūsdienīgu ražošanu un nodrošinātu, ka tiek iekļauti studenti, kurus interesē ražošanas loma. Ar starpfunkcionāliem, mērķtiecīgiem darbaspēka attīstības centieniem nozare nākamajos gados spēs saglabāt konkurences priekšrocības hiperskaņas lidojumu plānos.
Izveidojot UCAH, Aizsardzības departaments rada iespēju pieņemt mērķtiecīgāku pieeju spēju veidošanai šajā jomā. Visiem koalīcijas dalībniekiem ir jāsadarbojas, lai apmācītu studentu nišas spējas, lai mēs varētu veidot un uzturēt pētniecības impulsu un paplašināt to, lai sasniegtu mūsu valstij nepieciešamos rezultātus.
Tagad slēgtā NASA Advanced Composites Alliance ir veiksmīgas darbaspēka attīstības centienu piemērs. Tās efektivitāte ir pētniecības un attīstības darba apvienošanas ar nozares interesēm rezultāts, kas ļauj inovācijām paplašināties visā attīstības ekosistēmā. Nozares līderi divus līdz četrus gadus ir tieši sadarbojušies ar NASA un universitātēm projektu ietvaros. Visi dalībnieki ir attīstījuši profesionālās zināšanas un pieredzi, iemācījušies sadarboties nekonkurējošā vidē un audzinājuši koledžas studentus, lai viņi varētu attīstīties, lai nākotnē veicinātu galveno nozares dalībnieku attīstību.
Šāda veida darbaspēka attīstība aizpilda nozares nepilnības un sniedz mazajiem uzņēmumiem iespējas ātri ieviest jauninājumus un dažādot jomu, lai panāktu turpmāku izaugsmi, kas veicina ASV nacionālās drošības un ekonomiskās drošības iniciatīvas.
Universitāšu alianses, tostarp UCAH, ir svarīgi aktīvi hiperskaņas jomā un aizsardzības nozarē. Lai gan to pētījumi ir veicinājuši jaunas inovācijas, to lielākā vērtība ir spēja apmācīt mūsu nākamo darbaspēka paaudzi. Konsorcijam tagad ir jāpiešķir prioritāte investīcijām šādos plānos. To darot, tie var palīdzēt veicināt hiperskaņas inovāciju ilgtermiņa panākumus.
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.
Sarežģītu, ļoti inženiertehnisku produktu (piemēram, lidmašīnu detaļu) ražotāji vienmēr ir apņēmušies sasniegt pilnību. Manevrēšanas iespējas nav.
Tā kā lidmašīnu ražošana ir ārkārtīgi sarežģīta, ražotājiem rūpīgi jāpārvalda kvalitātes process, pievēršot lielu uzmanību katram solim. Tas prasa padziļinātu izpratni par to, kā pārvaldīt un pielāgoties dinamiskiem ražošanas, kvalitātes, drošības un piegādes ķēdes jautājumiem, vienlaikus ievērojot normatīvās prasības.
Tā kā augstas kvalitātes produktu piegādi ietekmē daudzi faktori, ir grūti pārvaldīt sarežģītus un bieži mainīgus ražošanas pasūtījumus. Kvalitātes procesam jābūt dinamiskam visos pārbaudes un projektēšanas, ražošanas un testēšanas aspektos. Pateicoties Industrijas 4.0 stratēģijām un mūsdienīgiem ražošanas risinājumiem, šīs kvalitātes problēmas ir kļuvušas vieglāk pārvaldīt un pārvarēt.
Tradicionāli lidmašīnu ražošanā uzmanība vienmēr ir bijusi pievērsta materiāliem. Lielākās daļas kvalitātes problēmu avots var būt trausli lūzumi, korozija, metāla nogurums vai citi faktori. Tomēr mūsdienu lidmašīnu ražošanā tiek izmantotas progresīvas, augsti konstruētas tehnoloģijas, kurās tiek izmantoti izturīgi materiāli. Produktu radīšanā tiek izmantoti ļoti specializēti un sarežģīti procesi un elektroniskas sistēmas. Vispārējie operāciju vadības programmatūras risinājumi, iespējams, vairs nevarēs atrisināt ārkārtīgi sarežģītas problēmas.
Sarežģītākas detaļas var iegādāties no globālās piegādes ķēdes, tāpēc vairāk uzmanības jāpievērš to integrācijai visā montāžas procesā. Nenoteiktība rada jaunus izaicinājumus piegādes ķēdes pārskatāmībai un kvalitātes vadībai. Lai nodrošinātu tik daudzu detaļu un gatavo produktu kvalitāti, ir nepieciešamas labākas un integrētākas kvalitātes metodes.
4.0 rūpniecība atspoguļo ražošanas nozares attīstību, un, lai izpildītu stingras kvalitātes prasības, ir nepieciešamas arvien modernākas tehnoloģijas. Atbalsta tehnoloģijas ietver rūpniecisko lietu internetu (IIoT), digitālos pavedienus, papildināto realitāti (AR) un paredzošo analītiku.
Kvalitāte 4.0 apraksta uz datiem balstītu ražošanas procesa kvalitātes nodrošināšanas metodi, kas ietver produktus, procesus, plānošanu, atbilstību un standartus. Tā ir veidota uz tradicionālajām kvalitātes nodrošināšanas metodēm, nevis to aizstāšanu, izmantojot daudzas no tām pašām jaunajām tehnoloģijām kā tās rūpnieciskās metodes, tostarp mašīnmācīšanos, savienotas ierīces, mākoņdatošanu un digitālos dvīņus, lai pārveidotu organizācijas darbplūsmu un novērstu iespējamus produktu vai procesu defektus. Paredzams, ka Kvalitātes 4.0 parādīšanās vēl vairāk mainīs darba vietas kultūru, palielinot paļaušanos uz datiem un dziļāk izmantojot kvalitāti kā daļu no kopējās produktu radīšanas metodes.
Kvalitāte 4.0 integrē darbības un kvalitātes nodrošināšanas (QA) jautājumus no sākuma līdz projektēšanas posmam. Tas ietver arī produktu koncepcijas izstrādi un projektēšanu. Jaunākie nozares apsekojumu rezultāti liecina, ka lielākajā daļā tirgu nav automatizēta dizaina nodošanas procesa. Manuālais process atstāj vietu kļūdām, neatkarīgi no tā, vai tā ir iekšēja kļūda vai dizaina un izmaiņu paziņošana piegādes ķēdē.
Papildus dizainam Kvalitāte 4.0 izmanto arī uz procesu orientētu mašīnmācīšanos, lai samazinātu atkritumus, samazinātu atkārtotas apstrādes nepieciešamību un optimizētu ražošanas parametrus. Turklāt tā arī risina produktu veiktspējas problēmas pēc piegādes, izmanto atsauksmes uz vietas, lai attālināti atjauninātu produktu programmatūru, uztur klientu apmierinātību un galu galā nodrošina atkārtotus darījumus. Tā kļūst par neatņemamu Industrijas 4.0 partneri.
Tomēr kvalitāte neattiecas tikai uz atsevišķām ražošanas saitēm. Kvalitātes 4.0 iekļautība var ieviest visaptverošu kvalitātes pieeju ražošanas organizācijās, padarot datu pārveidojošo spēku par neatņemamu korporatīvās domāšanas sastāvdaļu. Atbilstība visos organizācijas līmeņos veicina vispārējas kvalitātes kultūras veidošanos.
Neviens ražošanas process nevar noritēt perfekti 100% laika. Mainīgi apstākļi izraisa neparedzētus notikumus, kas prasa risinājumu. Tie, kam ir pieredze kvalitātes jomā, saprot, ka galvenais ir virzība uz pilnību. Kā jūs nodrošināt, ka kvalitāte tiek iekļauta procesā, lai problēmas atklātu pēc iespējas agrāk? Ko jūs darīsiet, kad atradīsit defektu? Vai pastāv kādi ārēji faktori, kas izraisa šo problēmu? Kādas izmaiņas jūs varat veikt pārbaudes plānā vai testa procedūrā, lai novērstu šīs problēmas atkārtošanos?
Iedibināt mentalitāti, ka katram ražošanas procesam ir saistīts un ar to saistīts kvalitātes process. Iztēlojieties nākotni, kurā pastāv tiešas attiecības un pastāvīgi tiek mērīta kvalitāte. Neatkarīgi no tā, kas notiek nejauši, var sasniegt nevainojamu kvalitāti. Katrs darba centrs katru dienu pārskata rādītājus un galvenos snieguma rādītājus (KPI), lai noteiktu uzlabošanas jomas, pirms rodas problēmas.
Šajā slēgtā cikla sistēmā katram ražošanas procesam ir kvalitātes secinājums, kas sniedz atgriezenisko saiti, lai apturētu procesu, ļautu procesam turpināties vai veiktu korekcijas reāllaikā. Sistēmu neietekmē nogurums vai cilvēciskas kļūdas. Slēgta cikla kvalitātes sistēma, kas paredzēta lidmašīnu ražošanai, ir būtiska, lai sasniegtu augstāku kvalitātes līmeni, saīsinātu cikla laikus un nodrošinātu atbilstību AS9100 standartiem.
Pirms desmit gadiem ideja par kvalitātes nodrošināšanu (QA) koncentrēšanu uz produktu dizainu, tirgus izpēti, piegādātājiem, produktu pakalpojumiem vai citiem faktoriem, kas ietekmē klientu apmierinātību, bija neiespējama. Tiek saprasts, ka produktu dizains nāk no augstākas iestādes; kvalitāte ir saistīta ar šo dizainu izpildi montāžas līnijā neatkarīgi no to trūkumiem.
Mūsdienās daudzi uzņēmumi pārdomā, kā veikt uzņēmējdarbību. 2018. gada status quo, iespējams, vairs nav iespējams. Arvien vairāk ražotāju kļūst gudrāki un gudrāki. Ir pieejams vairāk zināšanu, kas nozīmē labāku intelektu, lai jau pirmajā reizē izveidotu pareizo produktu ar augstāku efektivitāti un veiktspēju.