Podle SmarTech, konzultační společnosti v oblasti výrobních technologií, je letecký a kosmický průmysl druhým největším průmyslovým odvětvím, kterému slouží aditivní výroba (AM), na druhém místě za medicínou.Stále však chybí povědomí o potenciálu aditivní výroby keramických materiálů při rychlé výrobě komponentů pro letectví a kosmonautiku, zvýšení flexibility a hospodárnosti.AM může vyrábět pevnější a lehčí keramické díly rychleji a udržitelněji – snižuje náklady na pracovní sílu, minimalizuje ruční montáž a zlepšuje efektivitu a výkon díky designu vyvinutému modelováním, čímž se snižuje hmotnost letadla.Keramická technologie aditivní výroby navíc poskytuje rozměrovou kontrolu hotových dílů pro prvky menší než 100 mikronů.
Slovo keramika však může vyvolat mylnou představu křehkosti.Ve skutečnosti aditivně vyráběná keramika produkuje lehčí, jemnější díly s velkou strukturální pevností, houževnatostí a odolností vůči širokému teplotnímu rozsahu.Společnosti zaměřené na budoucnost se obracejí na keramické výrobní komponenty, včetně trysek a vrtulí, elektrických izolátorů a lopatek turbín.
Například vysoce čistý oxid hlinitý má vysokou tvrdost a má silnou odolnost proti korozi a teplotní rozsah.Komponenty vyrobené z oxidu hlinitého jsou také elektricky izolující při vysokých teplotách běžných v leteckých systémech.
Keramika na bázi oxidu zirkoničitého může splnit mnoho aplikací s extrémními požadavky na materiál a vysokým mechanickým namáháním, jako jsou špičkové kovové výlisky, ventily a ložiska.Keramika z nitridu křemíku má vysokou pevnost, vysokou houževnatost a vynikající odolnost proti tepelným šokům, stejně jako dobrou chemickou odolnost vůči korozi různých kyselin, zásad a roztavených kovů.Nitrid křemíku se používá pro izolátory, oběžná kola a vysokoteplotní nízkodielektrické antény.
Kompozitní keramika poskytuje několik žádoucích vlastností.Keramika na bázi křemíku s přídavkem oxidu hlinitého a zirkonu se osvědčila při výrobě monokrystalických odlitků pro lopatky turbín.Keramické jádro z tohoto materiálu má totiž velmi nízkou tepelnou roztažnost do 1 500°C, vysokou pórovitost, vynikající kvalitu povrchu a dobrou vyluhovatelnost.Tisk těchto jader může vytvořit design turbín, které vydrží vyšší provozní teploty a zvýší účinnost motoru.
Je dobře známo, že vstřikování nebo obrábění keramiky je velmi obtížné a obrábění poskytuje omezený přístup k vyráběným součástem.Prvky, jako jsou tenké stěny, se také obtížně obrábějí.
Společnost Lithoz však používá výrobu keramiky na bázi litografie (LCM) k výrobě přesných 3D keramických součástí složitého tvaru.
Počínaje modelem CAD se podrobné specifikace digitálně přenesou do 3D tiskárny.Poté naneste přesně formulovaný keramický prášek na horní část průhledné vany.Pohyblivá konstrukční plošina je ponořena do bahna a poté selektivně vystavena viditelnému světlu zespodu.Obraz vrstvy je generován digitálním mikrozrcadlovým zařízením (DMD) spojeným s projekčním systémem.Opakováním tohoto procesu lze vrstvu po vrstvě generovat trojrozměrnou zelenou část.Po tepelné dodatečné úpravě je pojivo odstraněno a surové části jsou sintrovány – kombinovány speciálním procesem ohřevu – za vzniku zcela hustého keramického dílu s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a kvalitou povrchu.
Technologie LCM poskytuje inovativní, nákladově efektivní a rychlejší proces investičního lití součástí turbínových motorů, čímž se obchází nákladná a pracná výroba forem potřebná pro vstřikování a lití do ztraceného vosku.
LCM může také dosáhnout návrhů, které nelze dosáhnout jinými metodami, a přitom používat mnohem méně surovin než jiné metody.
Navzdory velkému potenciálu keramických materiálů a technologie LCM stále existuje propast mezi výrobci AM originálního vybavení (OEM) a leteckými konstruktéry.
Jedním z důvodů může být odolnost vůči novým výrobním metodám v odvětvích s obzvláště přísnými požadavky na bezpečnost a kvalitu.Letecká výroba vyžaduje mnoho ověřovacích a kvalifikačních procesů, stejně jako důkladné a přísné testování.
Další překážkou je přesvědčení, že 3D tisk je vhodný především pouze pro jednorázové rychlé prototypování, než cokoli, co lze použít ve vzduchu.Opět jde o nedorozumění a 3D tištěné keramické komponenty se prokazatelně používají v hromadné výrobě.
Příkladem je výroba turbínových lopatek, kde keramickým procesem AM vznikají monokrystalická (SX) jádra, jakož i turbínové lopatky z vysoce legované slitiny se směrovým tuhnutím (DS) a rovnoosým litím (EX).Jádra se složitou strukturou větví, více stěnami a odtokovými hranami menšími než 200 μm lze vyrábět rychle a ekonomicky a finální komponenty mají konzistentní rozměrovou přesnost a vynikající povrchovou úpravu.
Posílení komunikace může spojit letecké konstruktéry a AM OEM a plně důvěřovat keramickým součástem vyrobeným pomocí LCM a dalších technologií.Technologie a odbornost existují.Musí změnit způsob myšlení z AM pro výzkum a vývoj a prototypování a vidět to jako cestu vpřed pro rozsáhlé komerční aplikace.
Kromě vzdělávání mohou letecké společnosti také investovat čas do personálu, inženýrství a testování.Výrobci musí znát různé normy a metody hodnocení keramiky, nikoli kovů.Například dvě klíčové normy ASTM společnosti Lithoz pro strukturální keramiku jsou ASTM C1161 pro testování pevnosti a ASTM C1421 pro testování houževnatosti.Tyto normy platí pro keramiku vyráběnou všemi metodami.Při výrobě keramických přísad je krok tisku pouze metodou tvarování a díly procházejí stejným typem slinování jako tradiční keramika.Proto bude mikrostruktura keramických dílů velmi podobná konvenčnímu obrábění.
Na základě neustálého pokroku v oblasti materiálů a technologií můžeme s jistotou říci, že návrháři získají více dat.Nové keramické materiály budou vyvinuty a přizpůsobeny podle specifických technických potřeb.Díly vyrobené z AM keramiky dokončí certifikační proces pro použití v letectví.A poskytne lepší návrhářské nástroje, jako je vylepšený modelovací software.
Díky spolupráci s technickými odborníky LCM mohou letecké společnosti interně zavést AM keramické procesy – zkrátit čas, snížit náklady a vytvořit příležitosti pro rozvoj vlastního duševního vlastnictví společnosti.S prozíravostí a dlouhodobým plánováním mohou letecké společnosti, které investují do keramické technologie, v příštích deseti letech a dále těžit z významných výhod v celém svém výrobním portfoliu.
Navázáním partnerství s AM Ceramics budou výrobci originálního leteckého vybavení vyrábět součásti, které byly dříve nepředstavitelné.
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 bude hovořit o potížích efektivní komunikace o výhodách výroby keramických přísad na výstavě Ceramics Expo v Clevelandu ve státě Ohio dne 1. září 2021.
Přestože vývoj hypersonických letových systémů existuje již desítky let, nyní se stal nejvyšší prioritou americké národní obrany a přivedl tuto oblast do stavu rychlého růstu a změn.Vzhledem k tomu, že jde o jedinečný multidisciplinární obor, je úkolem najít odborníky s nezbytnými dovednostmi pro podporu jeho rozvoje.Pokud však není dostatek odborníků, vytváří se mezera v inovacích, jako je uvedení návrhu pro vyrobitelnost (DFM) na první místo ve fázi výzkumu a vývoje a poté se promění ve výrobní mezeru, když je příliš pozdě na nákladově efektivní změny.
Aliance, jako je nově založená University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), poskytují důležité prostředí pro kultivaci talentů potřebných k pokroku v oboru.Studenti mohou pracovat přímo s univerzitními výzkumníky a odborníky z oboru na vývoji technologie a pokroku v kritickém hypersonickém výzkumu.
Ačkoli UCAH a další obranná konsorcia opravňovala členy k zapojení do různých inženýrských prací, je třeba udělat více práce pro kultivaci různorodých a zkušených talentů, od návrhu přes vývoj materiálů a výběr až po výrobní dílny.
Aby univerzitní aliance zajistila trvalejší hodnotu v oboru, musí učinit z rozvoje pracovní síly prioritu tím, že se přizpůsobí potřebám průmyslu, zapojí členy do výzkumu vhodného pro průmysl a investuje do programu.
Při transformaci hypersonické technologie do rozsáhlých vyrobitelných projektů je největší výzvou stávající mezera v kvalifikaci inženýrské a výrobní pracovní síly.Pokud raný výzkum nepřekročí toto příhodně pojmenované údolí smrti – propast mezi výzkumem a vývojem a výrobou a mnoho ambiciózních projektů selže – pak jsme ztratili použitelné a proveditelné řešení.
Americký zpracovatelský průmysl může zrychlit nadzvukovou rychlost, ale riziko zaostávání spočívá v rozšíření velikosti pracovní síly, aby odpovídala.Vláda a univerzitní rozvojová konsorcia proto musí spolupracovat s výrobci, aby tyto plány uvedli do praxe.
Odvětví zažilo mezery v dovednostech od výrobních dílen po inženýrské laboratoře – tyto mezery se budou s růstem hypersonického trhu jen zvětšovat.Rozvíjející se technologie vyžadují rozvíjející se pracovní sílu k rozšíření znalostí v oboru.
Hypersonická práce zahrnuje několik různých klíčových oblastí různých materiálů a struktur a každá oblast má svůj vlastní soubor technických výzev.Vyžadují vysokou úroveň detailních znalostí, a pokud požadovaná odbornost neexistuje, může to vytvářet překážky pro vývoj a výrobu.Pokud nebudeme mít dostatek lidí na udržení práce, nebude možné držet krok s poptávkou po vysokorychlostní výrobě.
Potřebujeme například lidi, kteří dokážou vytvořit finální produkt.UCAH a další konsorcia jsou zásadní pro propagaci moderní výroby a zajištění toho, aby byli zahrnuti studenti, kteří se zajímají o roli výroby.Prostřednictvím víceúčelového úsilí o rozvoj specializované pracovní síly bude odvětví schopno v příštích několika letech udržet konkurenční výhodu v hypersonických letových plánech.
Založením UCAH vytváří ministerstvo obrany příležitost zaujmout cílenější přístup k budování kapacit v této oblasti.Všichni členové koalice musí spolupracovat na trénování specializovaných schopností studentů, abychom mohli vybudovat a udržet dynamiku výzkumu a rozšířit jej tak, aby produkoval výsledky, které naše země potřebuje.
Nyní uzavřená NASA Advanced Composites Alliance je příkladem úspěšného úsilí o rozvoj pracovní síly.Jeho efektivita je výsledkem spojení výzkumné a vývojové práce se zájmy průmyslu, což umožňuje inovaci rozšířit se v celém vývojovém ekosystému.Vedoucí představitelé tohoto odvětví spolupracovali přímo s NASA a univerzitami na projektech dva až čtyři roky.Všichni členové získali odborné znalosti a zkušenosti, naučili se spolupracovat v nekonkurenčním prostředí a vychovali vysokoškoláky, aby se rozvíjeli tak, aby v budoucnu vychovávali klíčové hráče v oboru.
Tento typ rozvoje pracovní síly zaplňuje mezery v odvětví a poskytuje malým podnikům příležitosti k rychlé inovaci a diverzifikaci oboru, aby dosáhly dalšího růstu, který povede k iniciativám národní bezpečnosti a ekonomické bezpečnosti USA.
Univerzitní aliance včetně UCAH jsou důležitými aktivy v hypersonické oblasti a obranném průmyslu.Přestože jejich výzkum podpořil vznikající inovace, jejich největší hodnota spočívá v jejich schopnosti vyškolit naši další generaci pracovních sil.Konsorcium nyní musí upřednostnit investice do takových plánů.Tím mohou pomoci podpořit dlouhodobý úspěch hypersonických inovací.
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.
Výrobci složitých, vysoce konstruovaných produktů (jako jsou součásti letadel) jsou vždy odhodláni k dokonalosti.Není zde žádný manévrovací prostor.
Protože výroba letadel je extrémně složitá, musí výrobci pečlivě řídit proces kvality a věnovat velkou pozornost každému kroku.To vyžaduje důkladné pochopení toho, jak řídit a přizpůsobovat se dynamické výrobě, kvalitě, bezpečnosti a problémům dodavatelského řetězce a zároveň splňovat regulační požadavky.
Protože dodávky vysoce kvalitních produktů ovlivňuje mnoho faktorů, je obtížné řídit složité a často se měnící výrobní zakázky.Proces kvality musí být dynamický v každém aspektu kontroly a návrhu, výroby a testování.Díky strategiím Průmyslu 4.0 a moderním výrobním řešením se tyto výzvy v oblasti kvality staly snadněji zvládnutelné a překonatelné.
Tradiční zaměření letecké výroby bylo vždy na materiály.Zdrojem většiny problémů s kvalitou může být křehký lom, koroze, únava kovu nebo jiné faktory.Současná letecká výroba však zahrnuje pokročilé, vysoce inženýrské technologie, které využívají odolné materiály.Tvorba produktu využívá vysoce specializované a složité procesy a elektronické systémy.Softwarová řešení pro obecnou správu operací již nemusí být schopna řešit extrémně složité problémy.
Složitější díly lze zakoupit z globálního dodavatelského řetězce, takže je třeba více zvážit jejich integraci do celého procesu montáže.Nejistota přináší nové výzvy pro viditelnost dodavatelského řetězce a řízení kvality.Zajištění kvality tolika dílů a hotových výrobků vyžaduje lepší a integrovanější metody kvality.
Průmysl 4.0 představuje rozvoj zpracovatelského průmyslu a ke splnění přísných kvalitativních požadavků jsou potřeba stále pokročilejší technologie.Mezi podpůrné technologie patří průmyslový internet věcí (IIoT), digitální vlákna, rozšířená realita (AR) a prediktivní analytika.
Kvalita 4.0 popisuje metodu kvality výrobního procesu řízenou daty, která zahrnuje produkty, procesy, plánování, shodu a normy.Je postaven spíše na tradičních metodách kvality, než aby je nahrazoval, a využívá mnoho stejných nových technologií jako jeho průmyslové protějšky, včetně strojového učení, připojených zařízení, cloud computingu a digitálních dvojčat, aby transformoval pracovní tok organizace a eliminoval možné vady produktů nebo procesů.Očekává se, že nástup kvality 4.0 dále změní kulturu pracoviště tím, že se bude více spoléhat na data a hlubší využití kvality jako součásti celkové metody vytváření produktu.
Kvalita 4.0 integruje problémy provozu a zajištění kvality (QA) od začátku až po fázi návrhu.To zahrnuje, jak koncipovat a navrhovat produkty.Nedávné výsledky průmyslového průzkumu ukazují, že většina trhů nemá automatizovaný proces přenosu návrhu.Manuální proces ponechává prostor pro chyby, ať už jde o interní chybu nebo komunikaci designu a změn v dodavatelském řetězci.
Kromě designu používá Quality 4.0 také procesně orientované strojové učení ke snížení plýtvání, omezení přepracování a optimalizaci výrobních parametrů.Kromě toho také řeší problémy s výkonem produktu po dodání, využívá zpětnou vazbu na místě ke vzdálené aktualizaci softwaru produktu, udržuje spokojenost zákazníků a v konečném důsledku zajišťuje opakované obchody.Stává se nerozlučným partnerem Průmyslu 4.0.
Kvalita se však nevztahuje pouze na vybrané výrobní články.Začlenění kvality 4.0 může výrobním organizacím vštípit komplexní přístup ke kvalitě, díky čemuž se transformační síla dat stává nedílnou součástí podnikového myšlení.Dodržování předpisů na všech úrovních organizace přispívá k utváření celkové kultury kvality.
Žádný výrobní proces nemůže běžet dokonale ve 100 % času.Měnící se podmínky spouštějí nepředvídané události, které vyžadují nápravu.Ti, kteří mají zkušenosti s kvalitou, chápou, že je to všechno o procesu směřování k dokonalosti.Jak zajistíte, aby byla kvalita začleněna do procesu, aby byly problémy odhaleny co nejdříve?Co uděláte, když zjistíte závadu?Existují nějaké vnější faktory způsobující tento problém?Jaké změny můžete provést v plánu kontrol nebo zkušebním postupu, abyste zabránili opakování tohoto problému?
Zavést mentalitu, že každý výrobní proces má související a související proces kvality.Představte si budoucnost, kde bude vztah jeden k jednomu, a neustále měřte kvalitu.Bez ohledu na to, co se stane náhodně, lze dosáhnout dokonalé kvality.Každé pracovní středisko denně kontroluje ukazatele a klíčové ukazatele výkonu (KPI), aby identifikovalo oblasti, které je třeba zlepšit, dříve než nastanou problémy.
V tomto uzavřeném systému má každý výrobní proces vyvození kvality, které poskytuje zpětnou vazbu k zastavení procesu, umožnění pokračování procesu nebo provádění úprav v reálném čase.Systém není ovlivněn únavou nebo lidskou chybou.Systém kvality s uzavřenou smyčkou určený pro výrobu letadel je nezbytný pro dosažení vyšší úrovně kvality, zkrácení doby cyklu a zajištění souladu s normami AS9100.
Před deseti lety byla myšlenka zaměřit se QA na design produktu, průzkum trhu, dodavatele, produktové služby nebo jiné faktory, které ovlivňují spokojenost zákazníků, nemožná.Předpokládá se, že design produktu pochází od vyšší autority;kvalita je o provedení těchto návrhů na montážní lince bez ohledu na jejich nedostatky.
Dnes mnoho společností přehodnocuje, jak podnikat.Status quo v roce 2018 již nemusí být možný.Stále více výrobců je čím dál chytřejší.K dispozici je více znalostí, což znamená lepší inteligenci pro vytvoření správného produktu hned napoprvé, s vyšší účinností a výkonem.