Podle společnosti SmarTech, konzultační společnosti v oblasti výrobních technologií, je letecký průmysl druhým největším odvětvím, v němž se využívá aditivní výroba (AM), hned po medicíně. Stále však chybí povědomí o potenciálu aditivní výroby keramických materiálů pro rychlou výrobu leteckých a kosmických komponentů, zvýšenou flexibilitu a nákladovou efektivitu. AM umožňuje vyrábět pevnější a lehčí keramické díly rychleji a udržitelněji, čímž se snižují náklady na pracovní sílu, minimalizuje ruční montáž a zlepšuje se efektivita a výkon díky návrhu vyvinutému modelováním, čímž se snižuje hmotnost letadla. Technologie aditivní výroby keramiky navíc umožňuje rozměrovou kontrolu hotových dílů u prvků menších než 100 mikronů.
Slovo keramika však může vyvolat mylnou představu o křehkosti. Ve skutečnosti aditivní výroba keramiky produkuje lehčí a jemnější díly s velkou strukturální pevností, houževnatostí a odolností vůči širokému teplotnímu rozsahu. Progresivní společnosti se obracejí na keramické výrobní komponenty, včetně trysek a vrtulí, elektrických izolátorů a lopatek turbín.
Například vysoce čistý oxid hlinitý má vysokou tvrdost a silnou odolnost proti korozi a teplotní rozsah. Součásti vyrobené z oxidu hlinitého jsou také elektricky izolační při vysokých teplotách běžných v leteckých a kosmických systémech.
Keramika na bázi oxidu zirkoničitého může splňovat mnoho aplikací s extrémními požadavky na materiál a vysokým mechanickým namáháním, jako je například výroba vysoce kvalitních kovových výlisků, ventilů a ložisek. Keramika z nitridu křemíku má vysokou pevnost, vysokou houževnatost a vynikající odolnost proti tepelným šokům, stejně jako dobrou chemickou odolnost vůči korozi způsobené různými kyselinami, zásadami a roztavenými kovy. Nitrid křemíku se používá pro izolátory, oběžná kola a antény pro vysoké teploty a nízké dielektrické napětí.
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. Je to proto, že keramické jádro vyrobené z tohoto materiálu má velmi nízkou tepelnou roztažnost až do 1 500 °C, vysokou pórovitost, vynikající kvalitu povrchu a dobrou vyluhovatelnost. Tisk těchto jader umožňuje výrobu turbín, které odolávají vyšším provozním teplotám a zvyšují účinnost motoru.
Je dobře známo, že vstřikování nebo obrábění keramiky je velmi obtížné a obrábění poskytuje omezený přístup k vyráběným součástem. Obtížně se obrábějí i prvky, jako jsou tenké stěny.
Společnost Lithoz však k výrobě přesných, složitých 3D keramických komponentů využívá litiografickou keramickou výrobu (LCM).
Vychází se z CAD modelu a podrobné specifikace se digitálně přenesou do 3D tiskárny. Poté se na horní část průhledné vany nanese přesně formulovaný keramický prášek. Pohyblivá konstrukční plošina se ponoří do bahna a poté se selektivně vystaví viditelnému světlu zespodu. Obraz vrstvy je generován digitálním mikrozrcadlem (DMD) ve spojení s projekčním systémem. Opakováním tohoto procesu lze vrstvu po vrstvě generovat trojrozměrný zelený díl. Po tepelném dodatečném zpracování se pojivo odstraní a zelené díly se spékají – spojí speciálním procesem ohřevu – za vzniku zcela hustého keramického dílu s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a kvalitou povrchu.
Technologie LCM poskytuje inovativní, cenově efektivní a rychlejší proces pro lití do vytavitelných forem součástí turbínových motorů – obchází tak drahou a pracnou výrobu forem potřebnou pro vstřikování plastů a odlévání metodou vytraceného vosku.
LCM dokáže také dosáhnout návrhů, kterých nelze dosáhnout jinými metodami, a to s použitím mnohem menšího množství surovin než jiné metody.
Navzdory velkému potenciálu keramických materiálů a technologie LCM stále existuje propast mezi výrobci originálních zařízení (OEM) pro aditivní výrobu a konstruktéry v leteckém průmyslu.
Jedním z důvodů může být odpor k novým výrobním metodám v odvětvích s obzvláště přísnými požadavky na bezpečnost a kvalitu. Výroba v leteckém průmyslu vyžaduje mnoho ověřovacích a kvalifikačních procesů, stejně jako důkladné a přísné testování.
Další překážkou je přesvědčení, že 3D tisk je vhodný hlavně pro jednorázové rychlé prototypování, spíše než pro cokoli, co lze použít ve vzduchu. Opět je to nedorozumění a 3D tištěné keramické součástky se prokazatelně používají v hromadné výrobě.
Příkladem je výroba lopatek turbín, kde keramický proces AM produkuje jádra z monokrystalů (SX), stejně jako lopatky turbín ze superslitin získané metodou směrového tuhnutí (DS) a litím v rovnoměrných osách (EX). Jádra se složitými větvenými strukturami, více stěnami a zadními hranami menšími než 200 μm lze vyrobit rychle a ekonomicky a finální komponenty mají konzistentní rozměrovou přesnost a vynikající povrchovou úpravu.
Zlepšení komunikace může spojit letecké konstruktéry a výrobce originálního vybavení pro aditivní výrobu (AM) a plně důvěřovat keramickým součástkám vyrobeným pomocí LCM a dalších technologií. Technologie a odborné znalosti existují. Je třeba změnit způsob myšlení od aditivní výroby k výzkumu, vývoji a prototypování a vnímat ji jako cestu vpřed pro rozsáhlé komerční aplikace.
Kromě vzdělávání mohou letecké a kosmické společnosti investovat čas také do personálu, inženýrství a testování. Výrobci musí být obeznámeni s různými normami a metodami pro 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 vyrobenou všemi metodami. V keramické aditivní výrobě je krok tisku pouze tvářecí metodou a díly procházejí stejným typem spékání jako tradiční keramika. Mikrostruktura keramických dílů bude proto velmi podobná konvenčnímu obrábění.
Vzhledem k neustálému pokroku v oblasti materiálů a technologií můžeme s jistotou říci, že konstruktéři získají více dat. Budou vyvíjeny nové keramické materiály a upravovány podle specifických inženýrských potřeb. Díly vyrobené z aditivní keramiky projdou certifikačním procesem pro použití v leteckém průmyslu. A poskytnou lepší konstrukční nástroje, jako je vylepšený modelovací software.
Spoluprácí s technickými experty na LCM mohou letecké a kosmické společnosti interně zavádět procesy aditivní výroby keramiky, což zkracuje čas, snižuje náklady a vytváří příležitosti pro rozvoj vlastního duševního vlastnictví společnosti. Díky předvídavosti a dlouhodobému plánování mohou letecké a kosmické společnosti, které investují do keramických technologií, v příštích deseti letech a dále dosáhnout významných výhod v celém svém výrobním portfoliu.
Díky navázání partnerství se společností AM Ceramics budou výrobci originálních zařízení pro letecký průmysl vyrábět komponenty, 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 1. září 2021 na veletrhu Ceramics Expo v Clevelandu ve státě Ohio hovořit o obtížích efektivní komunikace výhod aditivní výroby v keramických materiálech.
Přestože vývoj hypersonických letových systémů existuje již desítky let, stal se nyní nejvyšší prioritou národní obrany USA, což tuto oblast přivedlo do stavu rychlého růstu a změn. Jelikož se jedná o jedinečný multidisciplinární obor, je výzvou najít odborníky s potřebnými dovednostmi k podpoře jeho rozvoje. Pokud však není dostatek odborníků, vzniká inovační mezera, například když se design pro vyrobitelnost (DFM) umístí na první místo ve fázi výzkumu a vývoje a poté se změní ve výrobní mezeru, když je na provedení nákladově efektivních změn příliš pozdě.
Aliance, jako například nově založená Univerzitní aliance pro aplikovanou hypersoniku (UCAH), poskytují důležité prostředí pro rozvoj talentů potřebných k rozvoji oboru. Studenti mohou přímo spolupracovat s univerzitními výzkumníky a odborníky z průmyslu na vývoji technologií a prosazování kritického výzkumu hypersoniky.
Přestože UCAH a další obranná konsorcia povolila členům vykonávat řadu inženýrských prací, je třeba vynaložit více úsilí na rozvoj rozmanitých a zkušených talentů, od návrhu přes vývoj a výběr materiálů až po výrobní dílny.
Aby aliance univerzit poskytovala trvalejší hodnotu v oboru, musí stanovit rozvoj pracovní síly za prioritu tím, že se bude přizpůsobovat potřebám průmyslu, zapojí členy do výzkumu vhodného pro dané odvětví a investuje do programu.
Při transformaci hypersonické technologie do rozsáhlých vyrobitelných projektů je největší výzvou stávající mezera v dovednostech inženýrské a výrobní pracovní síly. Pokud raný výzkum nepřekoná toto příhodně pojmenované údolí smrti – propast mezi výzkumem a vývojem a výrobou, a mnoho ambiciózních projektů selže – pak ztratíme použitelné a proveditelné řešení.
Americký výrobní průmysl může zrychlit nadzvukovou rychlost, ale riziko zaostávání spočívá v odpovídajícím rozšíření pracovní síly. Proto musí vládní a univerzitní vývojová konsorcia spolupracovat s výrobci, aby tyto plány uvedla do praxe.
Toto odvětví se potýká s nedostatkem kvalifikovaných pracovníků, od výrobních dílen až po technické laboratoře – tyto nedostatky se budou s růstem trhu s hypersonickou technologií jen prohlubovat. Nově vznikající technologie vyžadují nově vznikající pracovní sílu, která by rozšiřovala znalosti v oboru.
Práce v oblasti hypersonických technologií zahrnuje několik klíčových oblastí zahrnujících různé materiály a struktury a každá oblast má svou vlastní sadu technických výzev. Vyžadují vysokou úroveň detailních znalostí a pokud neexistují potřebné odborné znalosti, může to vytvořit překážky pro vývoj a výrobu. Pokud nebudeme mít dostatek lidí k udržení práce, bude nemožné držet krok s poptávkou po vysokorychlostní výrobě.
Například potřebujeme lidi, kteří dokáží vyrobit finální produkt. UCAH a další konsorcia jsou nezbytná pro podporu moderní výroby a pro zajištění toho, aby byli zapojeni studenti, kteří se o roli výroby zajímají. Prostřednictvím mezioborového úsilí o rozvoj specializované pracovní síly si toto odvětví bude schopno v příštích několika letech udržet konkurenční výhodu v oblasti hypersonických letových plánů.
Zřízením UCAH vytváří Ministerstvo obrany příležitost k zaujmutí cílenějšího přístupu k budování schopností v této oblasti. Všichni členové koalice musí spolupracovat na školení studentů v jejich specializovaných oblastech, abychom mohli budovat a udržovat dynamiku výzkumu a rozšiřovat ho tak, abychom dosáhli výsledků, které naše země potřebuje.
Nyní uzavřená aliance NASA Advanced Composites Alliance je příkladem úspěšného úsilí o rozvoj pracovní síly. Její efektivita je výsledkem kombinace výzkumu a vývoje se zájmy průmyslu, což umožňuje rozšíření inovací v celém vývojovém ekosystému. Přední představitelé průmyslu spolupracovali přímo s NASA a univerzitami na projektech po dobu dvou až čtyř let. Všichni členové si osvojili odborné znalosti a zkušenosti, naučili se spolupracovat v nekonkurenčním prostředí a vychovávali vysokoškolské studenty k rozvoji klíčových hráčů v průmyslu v budoucnu.
Tento typ rozvoje pracovní síly vyplňuje mezery v odvětví a poskytuje malým podnikům příležitosti k rychlé inovaci a diverzifikaci oboru s cílem dosáhnout dalšího růstu, který bude příznivý pro iniciativy v oblasti národní bezpečnosti a ekonomické bezpečnosti USA.
Univerzitní aliance včetně UCAH jsou důležitými aktivy v oblasti hypersonických technologií a obranného průmyslu. Ačkoli jejich výzkum podpořil vznikající inovace, jejich největší hodnota spočívá ve schopnosti vyškolit naši další generaci pracovní síly. Konsorcium nyní musí upřednostnit investice do takových plánů. Tímto způsobem 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 technicky vyspělých produktů (jako jsou letecké součástky) se vždy snaží o dokonalost. Není zde žádný prostor pro manévrování.
Protože výroba letadel je extrémně složitá, musí výrobci pečlivě řídit proces kvality a věnovat velkou pozornost každému kroku. To vyžaduje hluboké 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, návrhu, výroby a testování. Díky strategiím Průmyslu 4.0 a moderním výrobním řešením se tyto problémy s kvalitou snáze řeší a překonávají.
Tradiční zaměření výroby letadel bylo vždy na materiály. Zdrojem většiny problémů s kvalitou může být křehký lom, koroze, únava kovu nebo jiné faktory. Dnešní výroba letadel však zahrnuje pokročilé, vysoce konstruované technologie, které využívají odolné materiály. Výroba produktů využívá vysoce specializované a složité procesy a elektronické systémy. Softwarová řešení pro obecné řízení provozu již nemusí být schopna řešit extrémně složité problémy.
Složitější díly lze zakoupit z globálního dodavatelského řetězce, proto je třeba věnovat větší pozornost jejich integraci do celého procesu montáže. Nejistota přináší nové výzvy, pokud jde o přehled o dodavatelském řetězci a řízení kvality. Zajištění kvality tolika dílů a hotových výrobků vyžaduje lepší a integrovanější metody kontroly kvality.
Průmysl 4.0 představuje rozvoj výrobního průmyslu a pro splnění přísných požadavků na kvalitu je zapotřebí stále pokročilejších technologií. 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, dodržování předpisů a standardy. Je postavena na tradičních metodách kvality, nikoliv je nahrazuje, a využívá mnoho stejných nových technologií jako její průmyslové protějšky, včetně strojového učení, připojených zařízení, cloud computingu a digitálních dvojčat, aby transformovala pracovní postupy organizace a eliminovala možné vady produktů nebo procesů. Očekává se, že vznik Kvality 4.0 dále změní kulturu na pracovišti zvýšením závislosti na datech a hlubším využíváním kvality jako součásti celkové metody tvorby produktů.
Kvalita 4.0 integruje provozní a kontrolní otázky (QA) od začátku až po fázi návrhu. To zahrnuje i konceptualizaci a návrh produktů. Výsledky nedávných průzkumů v oboru naznačují, že většina trhů nemá automatizovaný proces přenosu návrhu. Manuální proces ponechává prostor pro chyby, ať už se jedná o interní chybu nebo o komunikaci návrhu a změn v dodavatelském řetězci.
Kromě designu využívá Quality 4.0 také procesně orientované strojové učení ke snížení odpadu, omezení přepracování a optimalizaci výrobních parametrů. Kromě toho řeší problémy s výkonem produktů po dodání, využívá zpětnou vazbu z místa k vzdálené aktualizaci softwaru produktů, udržuje spokojenost zákazníků a v konečném důsledku zajišťuje opakované obchody. Stává se nedílným partnerem Průmyslu 4.0.
Kvalita se však nevztahuje pouze na vybrané výrobní linky. Inkluzivnost Kvality 4.0 může vštípit výrobním organizacím komplexní přístup ke kvalitě, čímž se transformační síla dat stane nedílnou součástí podnikového myšlení. Dodržování předpisů na všech úrovních organizace přispívá k formování celkové kultury kvality.
Žádný výrobní proces nemůže probíhat perfektně ve 100 % případů. Měnící se podmínky spouštějí nepředvídané události, které vyžadují nápravu. Ti, kteří mají zkušenosti s kvalitou, chápou, že jde především o proces směřování k dokonalosti. Jak zajistíte, aby byla kvalita začleněna do procesu, aby se problémy odhalily co nejdříve? Co uděláte, když zjistíte vadu? Existují nějaké vnější faktory, které tento problém způsobují? Jaké změny můžete provést v plánu kontrol nebo zkušebním postupu, abyste zabránili jeho opakování?
Vytvořte si mentalitu, že každý výrobní proces má související proces kvality. Představte si budoucnost, kde existuje vztah jedna k jedné a kde se neustále měří kvalita. Ať se děje cokoli náhodně, lze dosáhnout perfektní kvality. Každé pracovní středisko denně kontroluje ukazatele a klíčové ukazatele výkonnosti (KPI), aby identifikovalo oblasti pro zlepšení dříve, než nastanou problémy.
V tomto uzavřeném systému má každý výrobní proces inferenci kvality, která poskytuje zpětnou vazbu pro zastavení procesu, povolení jeho pokračování nebo provedení úprav v reálném čase. Systém není ovlivněn únavou ani lidskou chybou. Uzavřený systém kvality 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 zaměření QA na produktový design, průzkum trhu, dodavatele, produktové služby nebo jiné faktory, které ovlivňují spokojenost zákazníků, nemožná. Produktový design je chápán jako návrh pocházející od vyšší autority; kvalita spočívá v realizaci těchto návrhů na montážní lince bez ohledu na jejich nedostatky.
Dnes mnoho společností přehodnocuje, jak podnikat. Status quo z roku 2018 už možná není možný. Stále více výrobců se stává chytřejšími a chytřejšími. K dispozici je více znalostí, což znamená lepší inteligenci pro výrobu správného produktu hned napoprvé s vyšší efektivitou a výkonem.