Enligt SmarTech, ett konsultföretag inom tillverkningsteknik, är flyg- och rymdindustrin den näst största industrin som betjänas av additiv tillverkning (AM), näst efter medicin. Det finns dock fortfarande en bristande medvetenhet om potentialen i additiv tillverkning av keramiska material för snabb tillverkning av flyg- och rymdkomponenter, 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 teknik dimensionskontroll av färdiga delar för funktioner mindre än 100 mikron.
Ordet keramik kan dock frammana missuppfattningen om sprödhet. Faktum är att additivt tillverkad keramik producerar lättare, finare delar med hög strukturell styrka, seghet och motståndskraft mot ett brett temperaturområde. Framåtblickande företag vänder sig till keramiska tillverkningskomponenter, inklusive munstycken och propellrar, elektriska isolatorer och turbinblad.
Till exempel har högren aluminiumoxid hög hårdhet och har ett starkt korrosionsbeständighet och temperaturområde. Komponenter tillverkade av aluminiumoxid är också elektriskt isolerande vid de höga temperaturer som är vanliga i flyg- och rymdsystem.
Zirkoniumbaserade keramiker kan uppfylla många tillämpningar med extrema materialkrav och hög mekanisk påfrestning, såsom avancerad metallgjutning, ventiler och lager. Kiselnitridkeramik har hög hållfasthet, hög seghet och utmärkt termisk chockbeständighet, samt god kemisk resistens mot korrosion av en mängd olika syror, alkalier och smälta metaller. Kiselnitrid används för isolatorer, impeller och högtemperatur-lågdielektriska antenner.
Kompositkeramik har flera önskvärda egenskaper. Kiselbaserade keramiker tillsatta med aluminiumoxid och zirkon har visat sig fungera bra vid tillverkning av enkristallgjutgods för turbinblad. Detta beror på att den keramiska kärnan av detta material har mycket låg värmeutvidgning upp till 1 500 °C, hög porositet, utmärkt ytkvalitet och god lakbarhet. Genom att trycka dessa kärnor kan man producera turbinkonstruktioner som tål högre driftstemperaturer och öka motorns effektivitet.
Det är välkänt att formsprutning eller bearbetning av keramik är mycket svårt, och bearbetning ger begränsad åtkomst till de komponenter som tillverkas. Funktioner som tunna väggar är också svåra att bearbeta.
Lithoz använder dock litografibaserad keramisk tillverkning (LCM) för att tillverka exakta, komplexformade 3D-keramiska komponenter.
Med utgångspunkt i CAD-modellen överförs de detaljerade specifikationerna digitalt till 3D-skrivaren. Därefter appliceras det exakt formulerade keramiska pulvret på toppen av det transparenta karet. Den rörliga konstruktionsplattformen sänks ner i leran och exponeras sedan selektivt för synligt ljus underifrån. Skiktbilden 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 genom en speciell uppvärmningsprocess – för att producera en helt tät keramisk del med utmärkta mekaniska egenskaper och ytkvalitet.
LCM-tekniken erbjuder en innovativ, kostnadseffektiv och snabbare process för investeringsgjutning av turbinmotorkomponenter – vilket kringgår den dyra och mödosamma formtillverkning som krävs för formsprutning och gjutning av förlorat vax.
LCM kan också uppnå design som inte kan uppnås med andra metoder, samtidigt som man använder betydligt färre råmaterial än andra metoder.
Trots den stora potentialen hos keramiska material och LCM-teknik finns det fortfarande en klyfta mellan tillverkare av originalutrustning (OEM) inom AM och flyg- och rymdteknik.
En orsak kan vara motstånd mot nya tillverkningsmetoder inom industrier med särskilt strikta säkerhets- och kvalitetskrav. Tillverkning inom flyg- och rymdindustrin kräver många verifierings- och kvalificeringsprocesser, samt grundliga och rigorösa tester.
Ett annat hinder är uppfattningen att 3D-utskrift i huvudsak endast är lämplig för engångsframställning av snabba prototyper, snarare än något som kan användas i luften. Återigen, detta är ett missförstånd, och 3D-utskrivna keramiska komponenter har visat sig kunna användas i massproduktion.
Ett exempel är tillverkningen av turbinblad, där den keramiska AM-processen producerar enkristallkärnor (SX), såväl som turbinblad av superlegeringar för riktningsstelning (DS) och ekviaxlig gjutning (EX). Kärnor med komplexa grenstrukturer, flera väggar och bakkanter mindre än 200 μm kan produceras snabbt och ekonomiskt, och de slutliga komponenterna har konsekvent måttnoggrannhet och utmärkt ytfinish.
Förbättrad kommunikation kan sammanföra flyg- och rymddesigners och OEM-tillverkare av AM-produkter och fullt ut lita på keramiska komponenter som tillverkas med hjälp av LCM och andra tekniker. Teknik och expertis finns. Det behöver förändra tankesättet från AM till FoU och prototypframställning, och se det som vägen framåt för storskaliga kommersiella tillämpningar.
Förutom utbildning kan flyg- och rymdföretag också investera tid i personal, teknik och testning. Tillverkare måste vara bekanta med olika standarder och metoder för att utvärdera keramik, inte metaller. Till exempel är Lithoz två viktiga ASTM-standarder för strukturkeramik ASTM C1161 för hållfasthetsprovning och ASTM C1421 för seghetsprovning. Dessa standarder gäller keramik som produceras med alla metoder. Vid additiv tillverkning av keramik är trycksteget bara en formningsmetod, och delarna genomgår samma typ av sintring som traditionell keramik. Därför kommer mikrostrukturen hos keramiska delar att vara mycket lik den vid konventionell bearbetning.
Baserat på den kontinuerliga utvecklingen av material och teknik kan vi med säkerhet säga att konstruktörer kommer att få mer data. Nya keramiska material kommer att utvecklas och anpassas efter specifika tekniska behov. Delar tillverkade av AM-keramik kommer att slutföra certifieringsprocessen för användning inom flyg- och rymdteknik. Och kommer att ge bättre designverktyg, såsom förbättrad modelleringsprogramvara.
Genom att samarbeta med tekniska experter inom LCM kan flyg- och rymdindustrin införa AM-keramikprocesser internt – vilket förkortar tiden, minskar kostnaderna och skapar möjligheter för utveckling av företagets egna immateriella rättigheter. Med framsynthet och långsiktig planering kan flyg- och rymdindustrin som investerar i keramisk teknik skörda betydande fördelar i hela sin produktionsportfölj under de kommande tio åren och framåt.
Genom att etablera ett partnerskap med AM Ceramics kommer tillverkare av originalutrustning för flyg- och rymdindustrin att producera komponenter som tidigare varit 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 additiv tillverkning av keramiska material på Ceramics Expo i Cleveland, Ohio den 1 september 2021.
Även om utvecklingen av hypersoniska flygsystem har funnits i årtionden har den nu blivit högsta prioritet för USA:s nationella försvar, vilket har fört detta område in 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 skapas ett innovationsgap, som att sätta design för tillverkningsbarhet (DFM) först i FoU-fasen, och sedan förvandlas till ett tillverkningsgap när det är för sent att göra kostnadseffektiva förändringar.
Allianser, som den nybildade University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), erbjuder en viktig miljö för att odla de talanger som behövs för att utveckla området. Studenter kan arbeta direkt med universitetsforskare och branschfolk för att utveckla teknik och främja kritisk hypersonisk forskning.
Även om UCAH och andra försvarskonsortier gav medlemmar tillstånd att utföra 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 skapa ett mer bestående värde inom området måste universitetsalliansen prioritera arbetskraftsutveckling genom att anpassa sig till branschens behov, involvera medlemmar i branschrelevant forskning och investera i programmet.
När man omvandlar hypersonisk teknologi till storskaliga tillverkningsbara projekt är det befintliga kompetensgapet inom ingenjörs- och tillverkningspersonal den största utmaningen. Om tidig forskning inte korsar denna passande namngivna dödens dal – klyftan mellan FoU och tillverkning, och många ambitiösa projekt har misslyckats – då har vi förlorat en tillämplig och genomförbar lösning.
Den amerikanska tillverkningsindustrin kan öka den överljudsmässiga hastigheten, men risken att hamna på efterkälken är att utöka arbetskraften i motsvarande grad. Därför måste regeringen och universitetsutvecklingskonsortier samarbeta med tillverkarna för att omsätta dessa planer i praktiken.
Branschen har upplevt kompetensgap från tillverkningsverkstäder till tekniska laboratorier – dessa gap kommer bara att öka i takt med att hypersonisk utrustning växer. Framväxande teknologier kräver en framväxande arbetskraft för att utöka kunskapen inom området.
Hypersoniskt arbete spänner över flera olika nyckelområden med olika material och strukturer, och varje område har sin egen uppsättning tekniska utmaningar. De kräver en hög nivå av detaljerad kunskap, och om den nödvändiga expertisen inte finns kan detta skapa hinder för utveckling och produktion. Om vi ​​inte har tillräckligt med personal för att upprätthålla arbetet kommer det att vara omöjligt att hålla jämna steg med efterfrågan på höghastighetsproduktion.
Till exempel behöver vi personer som kan bygga slutprodukten. UCAH och andra konsortier är viktiga för att främja modern tillverkning och säkerställa att studenter som är intresserade av tillverkningsindustrins roll inkluderas. Genom tvärfunktionella, dedikerade insatser för arbetskraftsutveckling kommer industrin att kunna behålla en konkurrensfördel inom hypersoniska flygplaner under de närmaste åren.
Genom att etablera UCAH skapar försvarsdepartementet en möjlighet att anta en mer fokuserad strategi för att bygga upp kapacitet inom detta område. Alla koalitionsmedlemmar måste arbeta tillsammans för att utbilda studenternas nischförmågor så att vi kan bygga upp och bibehålla forskningsframgången och utöka den för att producera de resultat vårt land behöver.
Den numera nedlagda NASA Advanced Composites Alliance är ett exempel på en framgångsrik insats för arbetskraftsutveckling. Dess effektivitet är resultatet av att kombinera FoU-arbete med industriintressen, vilket gör att innovation kan expandera i hela utvecklingsekosystemet. Industriledare har arbetat direkt med NASA och universitet på 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 för att utvecklas för att fostra viktiga industriaktörer i framtiden.
Denna typ av arbetskraftsutveckling fyller luckor i branschen och ger möjligheter för småföretag att snabbt förnya sig och diversifiera branschen för att uppnå ytterligare tillväxt som främjar amerikanska nationella säkerhets- och ekonomiska säkerhetsinitiativ.
Universitetsallianser, inklusive UCAH, är viktiga tillgångar inom hypersoniskt område och försvarsindustrin. Även om deras forskning har främjat nya innovationer, ligger deras största värde i deras förmåga att utbilda nästa generations arbetskraft. Konsortiet behöver nu prioritera investeringar i sådana planer. Genom att göra det kan de bidra 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 (som flygplanskomponenter) strävar efter perfektion varje gång. Det finns inget manöverutrymme.
Eftersom flygplansproduktion är extremt komplex måste tillverkare noggrant hantera kvalitetsprocessen och vara mycket noggranna med varje steg. Detta kräver en djupgående förståelse för hur man hanterar och anpassar sig till dynamiska produktions-, kvalitets-, säkerhets- och leveranskedjeproblem samtidigt som man uppfyller myndighetskrav.
Eftersom många faktorer påverkar leveransen av högkvalitativa produkter är det svårt att hantera komplexa och ofta föränderliga produktionsorder. Kvalitetsprocessen måste vara dynamisk i alla aspekter av inspektion och design, produktion och testning. Tack vare Industri 4.0-strategier och moderna tillverkningslösningar har dessa kvalitetsutmaningar blivit enklare att hantera och övervinna.
Det traditionella fokuset inom flygplansproduktion har alltid legat på material. Källan till de flesta kvalitetsproblem kan vara spröda brott, korrosion, metallutmattning eller andra faktorer. Dagens flygplansproduktion inkluderar dock avancerad, högkonstruerad teknik som använder resistenta material. Produktskapande använder högspecialiserade och komplexa processer och elektroniska system. Generella programvarulösningar för drifthantering kanske inte längre kan lösa extremt komplexa problem.
Mer komplexa delar kan köpas från den globala leveranskedjan, så mer hänsyn måste tas till att integrera dem genom hela monteringsprocessen. Osäkerhet medför nya utmaningar för leveranskedjans synlighet och kvalitetsledning. Att säkerställa kvaliteten på så många delar och färdiga produkter kräver bättre och mer integrerade kvalitetsmetoder.
Industri 4.0 representerar utvecklingen av tillverkningsindustrin, och alltmer avancerad teknik behövs för att uppfylla strikta kvalitetskrav. Stödjande tekniker inkluderar Industrial Internet of Things (IIoT), digitala trådar, förstärkt verklighet (AR) och prediktiv analys.
Kvalitet 4.0 beskriver en datadriven kvalitetsmetod för produktionsprocesser som involverar produkter, processer, planering, efterlevnad och standarder. Den bygger på snarare än att ersätta traditionella kvalitetsmetoder, och använder många av samma nya tekniker som sina industriella motsvarigheter, inklusive maskininlärning, uppkopplade enheter, molntjänster och digitala tvillingar för att omvandla organisationens arbetsflöde och eliminera eventuella produkt- eller processdefekter. Framväxten av Kvalitet 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.
Kvalitet 4.0 integrerar operativa frågor och kvalitetssäkringsfrågor (QA) från början till designfasen. Detta inkluderar hur man konceptualiserar och designar produkter. Resultat från nya branschundersökningar visar att de flesta marknader inte har en automatiserad designöverföringsprocess. Den manuella processen lämnar utrymme för fel, oavsett om det är ett internt fel eller kommunikationsfel kring design och förändringar i leveranskedjan.
Förutom design använder Quality 4.0 även processcentrerad maskininlärning för att minska avfall, omarbetning och optimera produktionsparametrar. Dessutom löser det även produktprestandaproblem efter leverans, använder feedback på plats för att fjärruppdatera produktprogramvara, upprätthåller kundnöjdheten och säkerställer slutligen återkommande affärer. Det håller på att bli en oskiljaktig partner till Industri 4.0.
Kvalitet gäller dock inte bara utvalda tillverkningslänkar. Kvalitet 4.0:s inkludering kan ingjuta en heltäckande kvalitetsstrategi i tillverkningsorganisationer, vilket gör datas transformerande kraft till en integrerad del av företagens tänkande. Regelefterlevnad på alla nivåer i organisationen bidrar till att skapa en övergripande kvalitetskultur.
Ingen produktionsprocess kan fungera perfekt till 100 % av tiden. Förändrade förhållanden utlöser oförutsedda händelser som kräver åtgärd. De som har erfarenhet av kvalitet förstår att allt handlar om processen att arbeta mot perfektion. Hur säkerställer man att kvalitet integreras i processen för att upptäcka problem så tidigt som möjligt? Vad gör man när man hittar felet? Finns det några externa faktorer som orsakar problemet? Vilka ändringar kan man göra i inspektionsplanen eller testproceduren för att förhindra att problemet uppstår igen?
Skapa en mentalitet där varje produktionsprocess har en relaterad och relaterad kvalitetsprocess. Föreställ dig en framtid där det finns en personlig relation och där man ständigt mäter kvaliteten. Oavsett vad som händer slumpmässigt kan perfekt kvalitet uppnås. Varje arbetsstation granskar indikatorer och nyckeltal (KPI:er) dagligen för att identifiera förbättringsområden innan problem uppstår.
I detta slutna system har varje produktionsprocess en kvalitetsinferens som ger feedback för att stoppa processen, låta processen fortsätta eller göra justeringar i realtid. Systemet påverkas inte av utmattning eller mänskliga fel. Ett slutet kvalitetssystem utformat för flygplansproduktion är avgörande för att uppnå högre kvalitetsnivåer, förkorta cykeltider och säkerställa överensstämmelse med AS9100-standarder.
För tio år sedan var idén att fokusera kvalitetssäkring på produktdesign, marknadsundersökningar, leverantörer, produkttjänster eller andra faktorer som påverkar kundnöjdheten omöjlig. Produktdesign förstås komma från en högre auktoritet; kvalitet handlar om att utföra dessa konstruktioner på monteringsbandet, oavsett deras brister.
Idag omprövar många företag hur de ska göra affärer. Status quo år 2018 kanske inte längre är möjlig. Fler och fler tillverkare blir smartare och smartare. Mer kunskap finns tillgänglig, vilket innebär bättre intelligens för att bygga rätt produkt på första försöket, med högre effektivitet och prestanda.