Enligt SmarTech, ett konsultföretag inom tillverkningsteknik, är flyg- och rymdindustrin den näst största industrin som betjänas av additiv tillverkning (AM), näst efter medicin.Det råder dock fortfarande en bristande medvetenhet om potentialen för additiv tillverkning av keramiska material vid snabb tillverkning av flygkomponenter, ökad flexibilitet och kostnadseffektivitet.AM kan producera starkare och lättare keramiska delar snabbare och mer hållbart, vilket minskar arbetskostnaderna, minimerar manuell montering och förbättrar effektivitet och prestanda genom design utvecklad genom modellering, vilket minskar flygplanets vikt.Dessutom ger additiv tillverkning av keramisk teknologi dimensionskontroll av färdiga delar för detaljer som är mindre än 100 mikron.
Men ordet keramik kan frammana missuppfattningen om sprödhet.Faktum är att additivtillverkad keramik producerar lättare, finare delar med stor strukturell styrka, seghet och motståndskraft mot ett brett temperaturområde.Framtidsinriktade företag vänder sig till keramiska tillverkningskomponenter, inklusive munstycken och propellrar, elektriska isolatorer och turbinblad.
Till exempel har aluminiumoxid med hög renhet hög hårdhet och har en stark korrosionsbeständighet och temperaturområde.Komponenter gjorda av aluminiumoxid är också elektriskt isolerande vid de höga temperaturer som är vanliga i flyg- och rymdsystem.
Zirkoniumbaserad keramik kan möta många applikationer med extrema materialkrav och hög mekanisk påfrestning, såsom avancerad metallgjutning, ventiler och lager.Kiselnitridkeramik har hög hållfasthet, hög seghet och utmärkt värmechockbeständighet, samt god kemisk beständighet mot korrosion av en mängd olika syror, alkalier och smälta metaller.Kiselnitrid används för isolatorer, pumphjul och lågdielektriska högtemperaturantenner.
Kompositkeramik ger flera önskvärda egenskaper.Kiselbaserad keramik tillsatt aluminiumoxid och zirkon har visat sig fungera bra vid tillverkning av enkristallgjutgods för turbinblad.Detta beror på att den keramiska kärnan gjord av detta material har mycket låg termisk expansion upp till 1 500°C, hög porositet, utmärkt ytkvalitet och god urlakningsförmåga.Utskrift av dessa kärnor kan producera turbinkonstruktioner som tål högre driftstemperaturer och ökar motorns effektivitet.
Det är välkänt att formsprutning eller bearbetning av keramik är mycket svårt, och bearbetning ger begränsad tillgång till komponenterna som tillverkas.Funktioner som tunna väggar är också svåra att bearbeta.
Lithoz använder dock litografibaserad keramisk tillverkning (LCM) för att tillverka exakta, komplext formade 3D-keramiska komponenter.
Utgående från CAD-modellen överförs de detaljerade specifikationerna digitalt till 3D-skrivaren.Applicera sedan det exakt formulerade keramiska pulvret på toppen av det genomskinliga karet.Den rörliga byggplattformen sänks ned i leran och exponeras sedan selektivt för synligt ljus underifrån.Lagerbilden genereras av en digital mikrospegelanordning (DMD) kopplad till projektionssystemet.Genom att upprepa denna process kan en tredimensionell grön del genereras lager för lager.Efter termisk efterbehandling avlägsnas bindemedlet och de gröna delarna sintras - kombineras med en speciell uppvärmningsprocess - för att producera en helt tät keramisk del med utmärkta mekaniska egenskaper och ytkvalitet.
LCM-teknologin ger en innovativ, kostnadseffektiv och snabbare process för investeringsgjutning av turbinmotorkomponenter som går förbi den dyra och mödosamma formtillverkningen som krävs för formsprutning och förlorad vaxgjutning.
LCM kan också uppnå design som inte kan uppnås med andra metoder, samtidigt som man använder mycket färre råvaror än andra metoder.
Trots den stora potentialen hos keramiska material och LCM-teknik finns det fortfarande ett gap mellan AM original equipment manufacturers (OEM) och flygdesigners.
En anledning kan vara motstånd mot nya tillverkningsmetoder i industrier med särskilt höga säkerhets- och kvalitetskrav.Flygtillverkning kräver många verifierings- och kvalificeringsprocesser, såväl som noggranna och rigorösa tester.
Ett annat hinder inkluderar tron ​​att 3D-utskrift i huvudsak bara lämpar sig för engångssnabbprototypframställning, snarare än allt som kan tas i bruk i luften.Återigen är detta ett missförstånd, och 3D-printade keramiska komponenter har visat sig användas i massproduktion.
Ett exempel är tillverkningen av turbinblad, där AM keramiska processen producerar enkristallkärnor (SX), såväl som riktningsstelnande (DS) och ekviaxlade gjutna (EX) turbinblad i superlegering.Kärnor med komplexa grenstrukturer, flera väggar och bakkanter mindre än 200 μm kan produceras snabbt och ekonomiskt, och de slutliga komponenterna har konsekvent dimensionsnoggrannhet och utmärkt ytfinish.
Förbättrad kommunikation kan föra samman flygdesigners och AM OEM och lita fullt ut på keramiska komponenter tillverkade med LCM och andra teknologier.Teknik och expertis finns.Det måste ändra sättet att tänka från AM för FoU och prototyper, och se det som vägen framåt för storskaliga kommersiella tillämpningar.
Förutom utbildning kan flygföretag också investera tid i personal, teknik och testning.Tillverkare måste känna till olika standarder och metoder för att utvärdera keramik, inte metaller.Till exempel är Lithoz två viktiga ASTM-standarder för strukturell keramik ASTM C1161 för hållfasthetstestning och ASTM C1421 för seghetstestning.Dessa standarder gäller för keramik tillverkad med alla metoder.Vid tillverkning av keramiska tillsatser är tryckningssteget bara en formningsmetod, och delarna genomgår samma typ av sintring som traditionell keramik.Därför kommer mikrostrukturen av keramiska delar att vara mycket lik konventionell bearbetning.
Baserat på den kontinuerliga utvecklingen av material och teknik kan vi med säkerhet säga att designers kommer att få mer data.Nya keramiska material kommer att utvecklas och anpassas efter specifika tekniska behov.Delar gjorda av AM-keramik kommer att slutföra certifieringsprocessen för användning inom flyg- och rymdindustrin.Och kommer att ge bättre designverktyg, såsom förbättrad modelleringsprogramvara.
Genom att samarbeta med LCM tekniska experter kan flygföretag införa AM-keramiska processer internt, vilket förkortar tid, minskar kostnader och skapar möjligheter för utveckling av företagets egna immateriella rättigheter.Med framförhållning och långsiktig planering kan flygbolag som investerar i keramisk teknologi skörda betydande fördelar i hela sin produktionsportfölj under de kommande tio åren och därefter.
Genom att etablera ett partnerskap med AM Ceramics kommer tillverkare av originalutrustning inom flygindustrin att producera komponenter som tidigare var otänkbara.
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 kommer att tala om svårigheterna med att effektivt kommunicera fördelarna med tillverkning av keramiska tillsatser på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio den 1 september 2021.
Även om utvecklingen av hypersoniska flygsystem har funnits i decennier, har det nu blivit högsta prioritet för USA:s nationella försvar, vilket fört detta område i ett tillstånd av snabb tillväxt och förändring.Som ett unikt tvärvetenskapligt område är utmaningen att hitta experter med nödvändig kompetens för att främja dess utveckling.Men när det inte finns tillräckligt med experter skapar det en innovationsklyfta, som att sätta design för tillverkningsbarhet (DFM) först i FoU-fasen och sedan förvandlas till ett tillverkningsklyfta när det är för sent att göra kostnadseffektiva förändringar.
Allianser, som den nyinrättade University Alliance for Applied Hypersonic (UCAH), ger en viktig miljö för att odla de talanger som behövs för att avancera området.Studenter kan arbeta direkt med universitetsforskare och branschfolk för att utveckla teknik och främja kritisk hypersonisk forskning.
Även om UCAH och andra försvarskonsortier godkände medlemmarna att engagera sig i en mängd olika ingenjörsjobb, måste mer arbete göras för att odla olika och erfarna talanger, från design till materialutveckling och urval till tillverkningsverkstäder.
För att ge mer bestående värde på området måste universitetsalliansen göra utvecklingen av arbetskraften till en prioritet genom att anpassa sig till industrins behov, involvera medlemmar i branschanpassad forskning och investera i programmet.
När man omvandlar hypersonisk teknologi till storskaliga tillverkningsbara projekt är den befintliga klyftan inom ingenjörs- och tillverkningsarbete den största utmaningen.Om tidig forskning inte korsar denna passande namngivna dödsdal – gapet mellan FoU och tillverkning, och många ambitiösa projekt har misslyckats – då har vi förlorat en tillämplig och genomförbar lösning.
Den amerikanska tillverkningsindustrin kan accelerera överljudshastigheten, men risken för att hamna på efterkälken är att utöka storleken på arbetskraften för att matcha.Därför måste regeringen och universitetsutvecklingskonsortier samarbeta med tillverkare för att omsätta dessa planer i praktiken.
Branschen har upplevt kompetensklyftor från tillverkningsverkstäder till ingenjörslaboratorier - dessa klyftor kommer bara att öka när den hypersoniska marknaden växer.Framväxande teknologier kräver en framväxande arbetskraft för att utöka kunskapen inom området.
Hypersoniskt arbete spänner över flera olika nyckelområden av olika material och strukturer, och varje område har sin egen uppsättning tekniska utmaningar.De kräver hög detaljkunskap och om den kompetens som krävs inte finns kan det skapa hinder för utveckling och produktion.Om vi ​​inte har tillräckligt med folk för att behålla jobbet blir det omöjligt att hålla jämna steg med efterfrågan på höghastighetsproduktion.
Vi behöver till exempel människor som kan bygga slutprodukten.UCAH och andra konsortier är viktiga för att främja modern tillverkning och se till att studenter som är intresserade av rollen som tillverkning ingår.Genom tvärfunktionella dedikerade arbetskraftsutvecklingsinsatser kommer branschen att kunna upprätthålla en konkurrensfördel i hypersoniska färdplaner under de närmaste åren.
Genom att etablera UCAH skapar försvarsdepartementet en möjlighet att anta ett mer fokuserat tillvägagångssätt för att bygga kapacitet inom detta område.Alla koalitionsmedlemmar måste arbeta tillsammans för att träna elevernas nischförmågor så att vi kan bygga upp och bibehålla forskningens fart och utöka den för att producera de resultat vårt land behöver.
Den nu stängda NASA Advanced Composites Alliance är ett exempel på en framgångsrik arbetskraftsutvecklingsinsats.Dess effektivitet är resultatet av att kombinera FoU-arbete med industriintressen, vilket gör att innovation kan expandera genom hela utvecklingsekosystemet.Branschledare har arbetat direkt med NASA och universitet i projekt i två till fyra år.Alla medlemmar har utvecklat professionell kunskap och erfarenhet, lärt sig att samarbeta i en icke-konkurrensutsatt miljö och fostrat högskolestudenter att utvecklas för att vårda viktiga industriaktörer i framtiden.
Denna typ av arbetskraftsutveckling fyller luckor i branschen och ger möjligheter för småföretag att snabbt förnya och diversifiera fältet för att uppnå ytterligare tillväxt som främjar USA:s nationella säkerhets- och ekonomiska säkerhetsinitiativ.
Universitetsallianser inklusive UCAH är viktiga tillgångar inom det hypersoniska området och försvarsindustrin.Även om deras forskning har främjat nya innovationer, ligger deras största värde i deras förmåga att utbilda vår nästa generations arbetskraft.Konsortiet behöver nu prioritera investeringar i sådana planer.Genom att göra det kan de hjälpa till att främja den långsiktiga framgången för hypersonisk innovation.
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.
Tillverkare av komplexa, högkonstruerade produkter (såsom flygplanskomponenter) strävar efter perfektion varje gång.Det finns inget manöverutrymme.
Eftersom flygplanstillverkningen är extremt komplex måste tillverkarna noggrant hantera kvalitetsprocessen och ägna stor uppmärksamhet åt varje steg.Detta kräver en djupgående förståelse för hur man hanterar och anpassar sig till dynamiska produktions-, kvalitet-, säkerhets- och försörjningskedjan samtidigt som man uppfyller regulatoriska krav.
Eftersom många faktorer påverkar leveransen av högkvalitativa produkter är det svårt att hantera komplexa och ofta föränderliga produktionsorder.Kvalitetsprocessen måste vara dynamisk i varje aspekt av inspektion och design, produktion och testning.Tack vare Industry 4.0-strategier och moderna tillverkningslösningar har dessa kvalitetsutmaningar blivit lättare att hantera och övervinna.
Flygplanstillverkningens traditionella fokus har alltid legat på material.Källan till de flesta kvalitetsproblem kan vara spröda brott, korrosion, metallutmattning eller andra faktorer.Men dagens flygplansproduktion inkluderar avancerad, högkonstruerad teknik som använder resistenta material.Produktskapandet använder mycket specialiserade och komplexa processer och elektroniska system.Programvarulösningar för generell drift kanske inte längre kan lösa extremt komplexa problem.
Mer komplexa delar kan köpas från den globala försörjningskedjan, så större hänsyn måste tas till att integrera dem under hela monteringsprocessen.Osäkerhet medför nya utmaningar för synlighet och kvalitetsstyrning av försörjningskedjan.Att säkerställa kvaliteten på så många delar och färdiga produkter kräver bättre och mer integrerade kvalitetsmetoder.
Industry 4.0 representerar tillverkningsindustrins utveckling och allt mer avancerad teknik behövs för att möta stränga kvalitetskrav.Stödteknik inkluderar Industrial Internet of Things (IIoT), digitala trådar, augmented reality (AR) och prediktiv analys.
Quality 4.0 beskriver en datadriven produktionsprocesskvalitetsmetod som involverar produkter, processer, planering, efterlevnad och standarder.Den bygger på snarare än att ersätta traditionella kvalitetsmetoder, och använder många av samma nya teknologier som dess industriella motsvarigheter, inklusive maskininlärning, anslutna enheter, molnberäkningar och digitala tvillingar för att transformera organisationens arbetsflöde och eliminera möjliga produkter eller processdefekter.Framväxten av Quality 4.0 förväntas ytterligare förändra arbetsplatskulturen genom att öka beroendet av data och en djupare användning av kvalitet som en del av den övergripande metoden för produktskapande.
Quality 4.0 integrerar drifts- och kvalitetssäkringsfrågor (QA) från början till designstadiet.Detta inkluderar hur man konceptualiserar och designar produkter.Nyligen genomförda branschundersökningsresultat indikerar att de flesta marknader inte har en automatiserad designöverföringsprocess.Den manuella processen lämnar utrymme för fel, oavsett om det är ett internt fel eller att kommunicera design och förändringar i försörjningskedjan.
Förutom design använder Quality 4.0 också processcentrerad maskininlärning för att minska slöseri, minska omarbetning och optimera produktionsparametrar.Dessutom löser den också problem med produktprestanda efter leverans, använder feedback på plats för att fjärruppdatera produktprogramvara, upprätthåller kundnöjdhet och säkerställer i slutändan återkommande affärer.Det håller på att bli en oskiljaktig partner till Industry 4.0.
Kvalitet är dock inte bara tillämplig på utvalda tillverkningslänkar.Inkluderandet av Quality 4.0 kan ingjuta ett heltäckande kvalitetstänkande i tillverkningsorganisationer, vilket gör datas transformerande kraft till en integrerad del av företagstänkandet.Efterlevnad på alla nivåer i organisationen bidrar till bildandet av en övergripande kvalitetskultur.
Ingen produktionsprocess kan fungera perfekt på 100 % av tiden.Förändrade förhållanden utlöser oförutsedda händelser som kräver åtgärdande.De som har erfarenhet av kvalitet förstår att allt handlar om processen att gå mot perfektion.Hur säkerställer man att kvalitet införlivas i processen för att upptäcka problem så tidigt som möjligt?Vad ska du göra när du hittar defekten?Finns det några externa faktorer som orsakar detta problem?Vilka ändringar kan du göra i inspektionsplanen eller testproceduren för att förhindra att detta problem uppstår igen?
Etablera en mentalitet att varje produktionsprocess har en relaterad och relaterad kvalitetsprocess.Föreställ dig en framtid där det finns en en-till-en relation och ständigt mäta kvalitet.Oavsett vad som händer slumpmässigt kan perfekt kvalitet uppnås.Varje arbetscenter granskar indikatorer och nyckelprestandaindikatorer (KPI:er) dagligen för att identifiera områden för förbättringar innan problem uppstår.
I detta slutna system har varje produktionsprocess en kvalitetsslutning, som ger feedback för att stoppa processen, låta processen fortsätta eller göra realtidsjusteringar.Systemet påverkas inte av trötthet eller mänskliga fel.Ett slutet kvalitetssystem designat för flygplansproduktion är väsentligt för att uppnå högre kvalitetsnivåer, förkorta cykeltider och säkerställa överensstämmelse med AS9100-standarder.
För tio år sedan var idén att fokusera QA på produktdesign, marknadsundersökningar, leverantörer, produkttjänster eller andra faktorer som påverkar kundnöjdheten omöjlig.Produktdesign förstås komma från en högre myndighet;kvalitet handlar om att utföra dessa konstruktioner på löpande band, oavsett deras brister.
Idag tänker många företag om hur man gör affärer.Status quo 2018 kanske inte längre är möjligt.Fler och fler tillverkare blir smartare och smartare.Mer kunskap finns tillgänglig, vilket innebär bättre intelligens för att bygga rätt produkt första gången, med högre effektivitet och prestanda.