Pasak gamybos technologijų konsultacijų bendrovės „SmarTech“, aviacijos ir kosmoso pramonė yra antra pagal dydį pramonės šaka, kurioje naudojama pridėtinė gamyba (AM), nusileisdama tik medicinai. Tačiau vis dar trūksta supratimo apie keraminių medžiagų pridėtinės gamybos potencialą sparčiai gaminant aviacijos ir kosmoso komponentus, didinant lankstumą ir ekonomiškumą. AM gali greičiau ir tvariau pagaminti tvirtesnes ir lengvesnes keramines detales, sumažindama darbo sąnaudas, rankinį surinkimą ir pagerindama efektyvumą bei našumą, nes dizainas kuriamas modeliuojant, taip sumažinant orlaivio svorį. Be to, pridėtinės gamybos keramikos technologija užtikrina gatavų detalių matmenų kontrolę, kai elementai yra mažesni nei 100 mikronų.
Tačiau žodis „keramika“ gali sukelti klaidingą trapumo sampratą. Iš tiesų, priedų gamybos būdu pagaminta keramika gamina lengvesnes, smulkesnes detales, pasižyminčias dideliu konstrukciniu stiprumu, tvirtumu ir atsparumu plačiam temperatūrų diapazonui. Į ateitį orientuotos įmonės atsigręžia į keramikos gamybos komponentus, įskaitant purkštukus ir sraigtus, elektros izoliatorius ir turbinų mentes.
Pavyzdžiui, didelio grynumo aliuminio oksidas yra labai kietas, atsparus korozijai ir veikia įvairioje temperatūros srityje. Iš aliuminio oksido pagaminti komponentai taip pat yra elektrinės izoliacijos savybės, esant aukštai temperatūrai, būdingai aviacijos ir kosmoso sistemoms.
Cirkonio oksido pagrindu pagaminta keramika gali būti naudojama daugelyje sričių, kurioms keliami aukšti medžiagų reikalavimai ir didelis mechaninis įtempis, pavyzdžiui, aukštos klasės metalo liejiniams, vožtuvams ir guoliams. Silicio nitrido keramika pasižymi dideliu stiprumu, dideliu tvirtumu ir puikiu atsparumu šiluminiam smūgiui, taip pat geru cheminiu atsparumu įvairių rūgščių, šarmų ir išlydytų metalų korozijai. Silicio nitridas naudojamas izoliatoriams, sparnuotėms ir aukštos temperatūros mažo dielektriškumo antenoms.
Kompozitinė keramika pasižymi keliomis pageidaujamomis savybėmis. Silicio pagrindo keramika su aliuminio oksidu ir cirkoniu pasirodė esanti tinkama naudoti gaminant monokristalius liejinius turbinų mentėms. Taip yra todėl, kad iš šios medžiagos pagaminta keraminė šerdis pasižymi labai mažu šiluminiu plėtimusi iki 1500 °C, dideliu poringumu, puikia paviršiaus kokybe ir geru išplovimu. Spausdinant šias šerdis galima sukurti turbinų konstrukcijas, kurios gali atlaikyti aukštesnę darbinę temperatūrą ir padidinti variklio efektyvumą.
Gerai žinoma, kad keramikos liejimas įpurškimu arba mechaninis apdirbimas yra labai sudėtingas, o apdirbimas suteikia ribotą prieigą prie gaminamų komponentų. Tokias savybes kaip plonos sienelės taip pat sunku apdirbti.
Tačiau „Lithoz“ naudoja litografijos pagrindu veikiančią keramikos gamybą (LCM), kad pagamintų tikslius, sudėtingos formos 3D keramikos komponentus.
Remiantis CAD modeliu, detalios specifikacijos skaitmeniniu būdu perkeliamos į 3D spausdintuvą. Tada tiksliai suformuoti keraminiai milteliai užtepami ant permatomo indo viršaus. Kilnojama konstrukcinė platforma panardinama į purvą ir selektyviai veikiama matoma šviesa iš apačios. Sluoksnio vaizdas generuojamas skaitmeniniu mikroveidrodžiu (DMD), sujungtu su projekcine sistema. Kartojant šį procesą, sluoksnis po sluoksnio galima sukurti trimatę žalią detalę. Po terminio apdorojimo rišiklis pašalinamas, o žalios detalės sujungiamos specialiu kaitinimo procesu, kad būtų gauta visiškai tanki keraminė detalė, pasižyminti puikiomis mechaninėmis savybėmis ir paviršiaus kokybe.
LCM technologija suteikia novatorišką, ekonomišką ir greitesnį turbininių variklių komponentų investicinio liejimo procesą, apeinant brangią ir daug darbo reikalaujančią liejimo formų gamybą, reikalingą liejimui įpurškimu ir liejimui parafinu.
LCM taip pat gali pasiekti dizainus, kurių negalima pasiekti kitais metodais, naudojant daug mažiau žaliavų nei kitais metodais.
Nepaisant didelio keraminių medžiagų ir LCM technologijos potencialo, vis dar yra atotrūkis tarp additinės gamybos originalios įrangos gamintojų (OEM) ir aviacijos ir kosmoso dizainerių.
Viena iš priežasčių gali būti pasipriešinimas naujiems gamybos metodams pramonės šakose, kuriose keliami ypač griežti saugos ir kokybės reikalavimai. Aviacijos ir kosmoso gamyboje reikia daug tikrinimo ir kvalifikavimo procesų, taip pat atlikti išsamius ir griežtus bandymus.
Kita kliūtis – įsitikinimas, kad 3D spausdinimas daugiausia tinka tik vienkartiniam greitam prototipų kūrimui, o ne bet kam, ką galima panaudoti ore. Vėlgi, tai yra nesusipratimas, o 3D spausdinti keraminiai komponentai pasirodė esantys tinkami masinei gamybai.
Pavyzdys yra turbinų menčių gamyba, kur AM keramikos procesu gaunami monokristaliniai (SX) šerdys, taip pat kryptinio kietėjimo (DS) ir lygiaašio liejimo (EX) superlydinio turbinų mentės. Šerdys su sudėtingomis šakotomis struktūromis, daugiasienėmis ir mažesnėmis nei 200 μm užpakalinėmis briaunomis gali būti pagamintos greitai ir ekonomiškai, o galutiniai komponentai pasižymi nuosekliu matmenų tikslumu ir puikia paviršiaus apdaila.
Geresnis bendravimas gali suvienyti aviacijos ir kosmoso dizainerius bei adityvinės gamybos originalios įrangos gamintojus (AM), kad būtų galima visiškai pasitikėti keramikos komponentais, pagamintais naudojant skysto kietėjimo plazmoną (LCM) ir kitas technologijas. Technologijos ir patirtis jau egzistuoja. Reikia pakeisti mąstymą nuo adityvinės gamybos į mokslinius tyrimus ir plėtrą bei prototipų kūrimą ir laikyti tai didelio masto komercinių pritaikymų ateities keliu.
Be švietimo, aviacijos ir kosmoso kompanijos taip pat gali investuoti laiką į personalą, inžineriją ir bandymus. Gamintojai turi būti susipažinę su skirtingais keramikos, o ne metalų vertinimo standartais ir metodais. Pavyzdžiui, du pagrindiniai „Lithoz“ ASTM standartai konstrukcinei keramikai yra ASTM C1161 stiprumo bandymams ir ASTM C1421 tvirtumo bandymams. Šie standartai taikomi visais metodais pagamintai keramikai. Keramikos priedų gamyboje spausdinimo etapas yra tik formavimo metodas, o detalės yra sukepinamos tokiu pačiu būdu kaip ir tradicinė keramika. Todėl keraminių detalių mikrostruktūra bus labai panaši į įprastinio apdirbimo.
Remdamiesi nuolatine medžiagų ir technologijų pažanga, galime užtikrintai teigti, kad projektuotojai gaus daugiau duomenų. Naujos keraminės medžiagos bus sukurtos ir pritaikytos pagal konkrečius inžinerinius poreikius. Iš adityvios gamybos keramikos pagamintos dalys bus sertifikuotos naudoti aviacijos ir kosmoso pramonei. Be to, bus suteiktos geresnės projektavimo priemonės, pavyzdžiui, patobulinta modeliavimo programinė įranga.
Bendradarbiaudamos su LCM technikos ekspertais, aviacijos ir kosmoso įmonės gali diegti adityvinės gamybos keramikos procesus įmonės viduje – taip sutrumpindamos laiką, sumažindamos sąnaudas ir sudarydamos galimybes plėtoti savo intelektinę nuosavybę. Numatydamos ateitį ir planuodamos ilgalaikį planavimą, aviacijos ir kosmoso įmonės, investuojančios į keramikos technologijas, per ateinančius dešimt metų ir vėliau gali gauti didelę naudą visame savo gamybos portfelyje.
Užmegzdami partnerystę su „AM Ceramics“, originalios aviacijos ir kosmoso įrangos gamintojai gamins komponentus, kurie anksčiau buvo neįsivaizduojami.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
2021 m. rugsėjo 1 d. Klivlande, Ohajo valstijoje, vyksiančioje parodoje „Ceramics Expo“ Shawnas Allanas kalbės apie sunkumus, su kuriais susiduriama veiksmingai perteikiant keramikos adityvinės gamybos privalumus.
Nors hipergarsinių skrydžių sistemų kūrimas vyksta jau dešimtmečius, dabar jis tapo svarbiausiu JAV nacionalinės gynybos prioritetu, todėl ši sritis sparčiai auga ir keičiasi. Kadangi tai unikali daugiadisciplinė sritis, iššūkis yra rasti ekspertų, turinčių reikiamų įgūdžių jos plėtrai skatinti. Tačiau kai ekspertų nepakanka, susidaro inovacijų spraga, pavyzdžiui, mokslinių tyrimų ir plėtros etape pirmiausia atsižvelgiama į gaminamumo projektavimą (DFM), o vėliau, kai jau per vėlu imtis ekonomiškai efektyvių pokyčių, tai virsta gamybos spraga.
Aljansai, tokie kaip naujai įkurtas universitetų taikomosios hipergarsinės technikos aljansas (UCAH), suteikia svarbią aplinką ugdyti talentus, reikalingus šios srities pažangai. Studentai gali tiesiogiai bendradarbiauti su universiteto tyrėjais ir pramonės specialistais, kad sukurtų technologijas ir atliktų svarbius hipergarsinės technikos tyrimus.
Nors UCAH ir kiti gynybos konsorciumai leido nariams užsiimti įvairiais inžineriniais darbais, reikia įdėti daugiau darbo, kad būtų ugdomi įvairūs ir patyrę talentai – nuo ​​projektavimo iki medžiagų kūrimo ir parinkimo bei gamybos dirbtuvių.
Siekdamas užtikrinti ilgalaikę vertę šioje srityje, universitetų aljansas turi teikti prioritetą darbo jėgos ugdymui, atsižvelgdamas į pramonės poreikius, įtraukdamas narius į pramonei tinkamus tyrimus ir investuodamas į programą.
Transformuojant hipergarsines technologijas į didelio masto gamybos projektus, didžiausias iššūkis yra esamas inžinerijos ir gamybos darbo jėgos įgūdžių trūkumas. Jei ankstyvieji tyrimai neperžengs šio taikliai pavadinto mirties slėnio – atotrūkio tarp mokslinių tyrimų ir plėtros bei gamybos, o daugelis ambicingų projektų žlugo – tuomet prarasime pritaikomą ir įgyvendinamą sprendimą.
JAV gamybos pramonė gali paspartinti viršgarsinį greitį, tačiau atsilikimo rizika kyla didinant darbo jėgos dydį, kad jis atitiktų šį rodiklį. Todėl vyriausybė ir universitetų plėtros konsorciumai turi bendradarbiauti su gamintojais, kad šie planai būtų įgyvendinti.
Pramonėje susiduriama su įgūdžių spragomis nuo gamybos dirbtuvių iki inžinerinių laboratorijų – šios spragos tik didės augant hipergarsinių technologijų rinkai. Besiformuojančioms technologijoms reikalinga besiformuojanti darbo jėga, kad būtų galima plėsti žinias šioje srityje.
Hipergarsinis darbas apima kelias skirtingas pagrindines įvairių medžiagų ir konstrukcijų sritis, ir kiekviena sritis turi savų techninių iššūkių. Joms reikalingos aukšto lygio išsamios žinios, o jei reikiamos patirties nėra, tai gali sukelti kliūčių plėtrai ir gamybai. Jei neturėsime pakankamai žmonių šiam darbui išlaikyti, bus neįmanoma patenkinti greitosios gamybos paklausos.
Pavyzdžiui, mums reikia žmonių, kurie galėtų sukurti galutinį produktą. UCAH ir kiti konsorciumai yra būtini siekiant skatinti šiuolaikinę gamybą ir užtikrinti, kad būtų įtraukti studentai, besidomintys gamybos vaidmeniu. Įgyvendindama tarpfunkcines specializuotas darbo jėgos ugdymo pastangas, pramonė per ateinančius kelerius metus galės išlaikyti konkurencinį pranašumą hipergarsinių skrydžių planuose.
Įsteigdamas UCAH, Gynybos departamentas sudaro galimybę taikyti labiau sutelktą požiūrį į pajėgumų stiprinimą šioje srityje. Visos koalicijos narės turi bendradarbiauti, kad apmokytų studentus nišinių gebėjimų srityje, jog galėtume stiprinti ir išlaikyti mokslinių tyrimų pagreitį bei juos plėsti, kad būtų pasiekti mūsų šaliai reikalingi rezultatai.
Dabar jau uždaryta NASA „Advanced Composites Alliance“ aljansas yra sėkmingų darbo jėgos ugdymo pastangų pavyzdys. Jo veiksmingumas yra mokslinių tyrimų ir plėtros darbo su pramonės interesais derinimo rezultatas, o tai leidžia inovacijoms plėstis visoje plėtros ekosistemoje. Pramonės lyderiai dvejus–ketverius metus tiesiogiai bendradarbiavo su NASA ir universitetais įgyvendindami projektus. Visi nariai įgijo profesinių žinių ir patirties, išmoko bendradarbiauti nekonkurencinėje aplinkoje ir ugdė kolegijų studentus, kad šie ateityje galėtų ugdyti pagrindinius pramonės atstovus.
Toks darbo jėgos ugdymas užpildo pramonės spragas ir suteikia mažoms įmonėms galimybių greitai diegti inovacijas ir įvairinti sritį, kad būtų pasiektas tolesnis augimas, palankus JAV nacionalinio saugumo ir ekonominio saugumo iniciatyvoms.
Universitetų aljansai, įskaitant UCAH, yra svarbūs hipergarsinių inovacijų srityje ir gynybos pramonėje. Nors jų tyrimai skatino besiformuojančias inovacijas, didžiausia jų vertė slypi gebėjime apmokyti mūsų naujos kartos darbuotojus. Dabar konsorciumas turi teikti pirmenybę investicijoms į tokius planus. Taip jie gali padėti skatinti ilgalaikę hipergarsinių inovacijų sėkmę.
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.
Sudėtingų, labai inžinerinių gaminių (pvz., orlaivių komponentų) gamintojai visada siekia tobulumo. Nėra jokios erdvės manevravimui.
Kadangi orlaivių gamyba yra itin sudėtinga, gamintojai privalo atidžiai valdyti kokybės procesą, skirdami daug dėmesio kiekvienam žingsniui. Tam reikia nuodugniai suprasti, kaip valdyti ir prisitaikyti prie dinamiškų gamybos, kokybės, saugos ir tiekimo grandinės problemų, kartu laikantis norminių reikalavimų.
Kadangi aukštos kokybės produktų pristatymui įtakos turi daug veiksnių, sunku valdyti sudėtingus ir dažnai kintančius gamybos užsakymus. Kokybės procesas turi būti dinamiškas kiekviename patikrinimo ir projektavimo, gamybos ir bandymų aspekte. Dėl „Industry 4.0“ strategijų ir modernių gamybos sprendimų šiuos kokybės iššūkius tapo lengviau valdyti ir įveikti.
Tradicinis orlaivių gamybos dėmesys visada buvo skiriamas medžiagoms. Daugelio kokybės problemų šaltinis gali būti trapūs lūžiai, korozija, metalo nuovargis ar kiti veiksniai. Tačiau šiandien orlaivių gamyboje naudojamos pažangios, labai inžinerinės technologijos, kuriose naudojamos atsparios medžiagos. Produktų kūrimui naudojami labai specializuoti ir sudėtingi procesai bei elektroninės sistemos. Bendrieji operacijų valdymo programinės įrangos sprendimai gali nebegalėti išspręsti itin sudėtingų problemų.
Sudėtingesnes dalis galima įsigyti iš pasaulinės tiekimo grandinės, todėl reikia daugiau dėmesio skirti jų integravimui į visą surinkimo procesą. Neapibrėžtumas kelia naujų iššūkių tiekimo grandinės matomumui ir kokybės valdymui. Norint užtikrinti tiek daug dalių ir gatavų gaminių kokybę, reikia geresnių ir labiau integruotų kokybės metodų.
Ketvirtoji pramonės revoliucija (Pramonė 4.0) atspindi gamybos pramonės plėtrą, ir norint atitikti griežtus kokybės reikalavimus, reikia vis pažangesnių technologijų. Palaikomosios technologijos apima pramoninį daiktų internetą (IIoT), skaitmeninius gijas, papildytąją realybę (AR) ir nuspėjamąją analizę.
„Kokybė 4.0“ apibūdina duomenimis pagrįstą gamybos proceso kokybės metodą, apimantį produktus, procesus, planavimą, atitiktį ir standartus. Jis yra sukurtas remiantis tradiciniais kokybės metodais, o ne juos pakeičia, naudojant daugelį tų pačių naujų technologijų, kaip ir pramoniniai atitikmenys, įskaitant mašininį mokymąsi, prijungtus įrenginius, debesų kompiuteriją ir skaitmeninius dvynius, siekiant transformuoti organizacijos darbo eigą ir pašalinti galimus produktų ar procesų defektus. Tikimasi, kad „Kokybės 4.0“ atsiradimas dar labiau pakeis darbo vietos kultūrą, padidindamas pasikliovimą duomenimis ir giliau naudodamas kokybę kaip bendro produkto kūrimo metodo dalį.
„Quality 4.0“ integruoja veiklos ir kokybės užtikrinimo (QA) klausimus nuo pradžios iki projektavimo etapo. Tai apima ir produktų koncepcijos kūrimą bei projektavimą. Naujausi pramonės tyrimų rezultatai rodo, kad daugumoje rinkų nėra automatizuoto projektavimo perdavimo proceso. Rankinis procesas palieka erdvės klaidoms – tiek vidinėms klaidoms, tiek projektavimo ir pakeitimų perdavimui tiekimo grandinei.
Be projektavimo, „Quality 4.0“ taip pat naudoja į procesą orientuotą mašininį mokymąsi, kad sumažintų atliekas, sumažintų pakartotinio apdorojimo poreikį ir optimizuotų gamybos parametrus. Be to, ji taip pat sprendžia produkto našumo problemas po pristatymo, naudoja atsiliepimus vietoje, kad nuotoliniu būdu atnaujintų produkto programinę įrangą, palaiko klientų pasitenkinimą ir galiausiai užtikrina pakartotinius pirkimus. Ji tampa neatsiejama „Industry 4.0“ partnere.
Tačiau kokybė taikoma ne tik pasirinktiems gamybos padaliniams. „Quality 4.0“ įtraukumas gali įdiegti visapusišką požiūrį į kokybę gamybos organizacijose, paversdamas duomenų transformacinę galią neatsiejama įmonės mąstymo dalimi. Atitiktis visais organizacijos lygmenimis prisideda prie bendros kokybės kultūros formavimo.
Nė vienas gamybos procesas negali vykti tobulai 100 % laiko. Besikeičiančios sąlygos sukelia nenumatytus įvykius, kuriems reikia imtis taisomųjų veiksmų. Tie, kurie turi patirties kokybės srityje, supranta, kad svarbiausia yra procesas, siekiant tobulumo. Kaip užtikrinate, kad kokybė būtų įtraukta į procesą, kad problemos būtų aptiktos kuo anksčiau? Ką darysite radę defektą? Ar yra kokių nors išorinių veiksnių, sukeliančių šią problemą? Kokius pakeitimus galite atlikti patikrinimo plane ar bandymo procedūroje, kad ši problema nepasikartotų?
Įtvirtinkite mąstyseną, kad kiekvienas gamybos procesas yra susijęs su kokybės užtikrinimo procesu. Įsivaizduokite ateitį, kurioje yra tiesioginis ryšys ir nuolat vertinama kokybė. Kad ir kas nutiktų atsitiktinai, galima pasiekti tobulą kokybę. Kiekvienas darbo centras kasdien peržiūri rodiklius ir pagrindinius veiklos rodiklius (KPI), kad nustatytų tobulintinas sritis, kol dar neatsirado problemų.
Šioje uždarojo ciklo sistemoje kiekvienas gamybos procesas turi kokybės išvadą, kuri suteikia grįžtamąjį ryšį, leidžiantį sustabdyti procesą, leisti jam tęstis arba atlikti koregavimus realiuoju laiku. Sistemai įtakos neturi nuovargis ar žmogiškosios klaidos. Uždarojo ciklo kokybės sistema, skirta orlaivių gamybai, yra būtina norint pasiekti aukštesnį kokybės lygį, sutrumpinti ciklo laiką ir užtikrinti atitiktį AS9100 standartams.
Prieš dešimt metų idėja sutelkti kokybės užtikrinimą į produkto dizainą, rinkos tyrimus, tiekėjus, produkto paslaugas ar kitus veiksnius, turinčius įtakos klientų pasitenkinimui, buvo neįmanoma. Suprantama, kad produkto dizainas kyla iš aukštesnės valdžios; kokybė – tai šių dizainų įgyvendinimas konvejeryje, nepaisant jų trūkumų.
Šiandien daugelis įmonių permąsto, kaip vykdyti verslą. 2018 m. status quo gali būti nebeįmanoma. Vis daugiau gamintojų tampa vis sumanesni. Prieinama daugiau žinių, o tai reiškia geresnį intelektą, kad būtų galima sukurti tinkamą produktą iš pirmo karto, pasižymint didesniu efektyvumu ir našumu.