Samkvæmt SmarTech, ráðgjafarfyrirtæki í framleiðslutækni, er flug- og geimferðaiðnaðurinn næststærsti atvinnugreinin sem þjónustar aukefnaframleiðslu (AM), næst á eftir læknisfræði. Hins vegar er enn skortur á vitund um möguleika aukefnaframleiðslu á keramikefnum til að framleiða íhluti í geimferðaiðnaðinum á hraðari hátt, auka sveigjanleika og hagkvæmni. Aukefnaframleiðslu getur framleitt sterkari og léttari keramikhluta hraðar og á sjálfbærari hátt - sem dregur úr launakostnaði, lágmarkar handvirka samsetningu og bætir skilvirkni og afköst með hönnun sem þróuð er með líkanagerð, og dregur þannig úr þyngd flugvélarinnar. Að auki veitir aukefnaframleiðslu keramiktækni víddarstýringu á fullunnum hlutum fyrir eiginleika sem eru minni en 100 míkron.
Hins vegar gæti orðið keramik gefið til kynna misskilning á brothættni. Reyndar framleiðir keramik sem er framleitt með aukefnum léttari og fínni hluti með miklum byggingarstyrk, seiglu og viðnámi við breitt hitastigsbil. Framtíðarhorfandi fyrirtæki eru að snúa sér að framleiðslu á íhlutum í keramik, þar á meðal stútum og skrúfum, rafmagnseinangrurum og túrbínublöðum.
Til dæmis hefur hreint áloxíð mikla hörku og hefur sterka tæringarþol og hitastigsbil. Íhlutir úr áloxíði eru einnig rafeinangrandi við háan hita sem er algengur í geimferðakerfum.
Sirkon-byggð keramik getur mætt mörgum notkunum með miklum efniskröfum og miklu vélrænu álagi, svo sem í mótun hágæða málma, lokum og legum. Kísilnítríð keramik hefur mikinn styrk, mikla seiglu og framúrskarandi hitaáfallsþol, sem og góða efnaþol gegn tæringu ýmissa sýra, basa og bráðinna málma. Kísilnítríð er notað í einangrara, hjól og loftnet með háum hita og lágum rafstraumi.
Samsett keramik hefur nokkra eftirsóknarverða eiginleika. Kísil-basað keramik með áloxíði og sirkon hefur reynst vel við framleiðslu á einkristallasteypum fyrir túrbínublöð. Þetta er vegna þess að keramikkjarninn úr þessu efni hefur mjög litla varmaþenslu allt að 1.500°C, mikla gegndræpi, framúrskarandi yfirborðsgæði og góða útskolun. Prentun þessara kjarna getur framleitt túrbínuhönnun sem þolir hærra rekstrarhita og aukið skilvirkni vélarinnar.
Það er vel þekkt að sprautusteypa eða vinnsla á keramik er mjög erfið og vinnsla veitir takmarkaðan aðgang að íhlutunum sem verið er að framleiða. Eiginleikar eins og þunnir veggir eru einnig erfiðir í vinnslu.
Hins vegar notar Lithoz steinritunarbyggða keramikframleiðslu (LCM) til að framleiða nákvæma, flókna þrívíddar keramikhluta.
Byrjað er á CAD líkaninu og nákvæmar forskriftir eru fluttar stafrænt í þrívíddar prentara. Síðan er nákvæmlega samsett keramikduft borið á topp gegnsæja ílátsins. Færanlega byggingarpallurinn er dýftur í leðjuna og síðan sérstaklega útsettur fyrir sýnilegu ljósi að neðan. Lagmyndin er búin til með stafrænum örspegli (DMD) sem er tengdur við vörpunarkerfi. Með því að endurtaka þetta ferli er hægt að búa til þrívíddar grænan hluta lag fyrir lag. Eftir hitameðferð er bindiefnið fjarlægt og grænu hlutar eru sintraðir - sameinaðir með sérstöku hitunarferli - til að framleiða fullkomlega þéttan keramikhluta með framúrskarandi vélrænum eiginleikum og yfirborðsgæðum.
LCM-tækni býður upp á nýstárlega, hagkvæma og hraðari aðferð við fjárfestingarsteypu íhluta í túrbínuvélum - og kemur þannig í veg fyrir dýra og erfiða mótframleiðslu sem krafist er fyrir sprautusteypu og steypu með týndu vaxi.
LCM getur einnig náð fram hönnun sem ekki er hægt að ná með öðrum aðferðum, en notað mun minna hráefni en aðrar aðferðir.
Þrátt fyrir mikla möguleika keramikefna og LCM-tækni er enn bil á milli framleiðenda upprunalegra búnaðar fyrir framleiðslu og hönnuða geimferða.
Ein ástæða gæti verið mótspyrna gegn nýjum framleiðsluaðferðum í atvinnugreinum með sérstaklega strangar öryggis- og gæðakröfur. Framleiðsla geimferða krefst margra sannprófunar- og hæfnisprófunarferla, sem og ítarlegra og strangra prófana.
Önnur hindrun felst í þeirri trú að þrívíddarprentun henti aðallega aðeins til eins tíma hraðframleiðslu frumgerða, frekar en nokkuð sem hægt er að nota í loftinu. Þetta er aftur misskilningur og sannað hefur verið að þrívíddarprentaðir keramikhlutar eru notaðir í fjöldaframleiðslu.
Dæmi er framleiðsla á túrbínublöðum, þar sem AM-keramikferlið framleiðir kjarna úr einum kristalli (SX), sem og túrbínublöð úr stefnubundinni storknun (DS) og jafnása steypu (EX) úr ofurálfelgju. Kjarna með flóknum greinum, mörgum veggjum og afturbrúnum sem eru minni en 200 μm er hægt að framleiða fljótt og hagkvæmt, og lokaíhlutirnir hafa stöðuga víddarnákvæmni og framúrskarandi yfirborðsáferð.
Með því að bæta samskipti er hægt að sameina hönnuði geimferða og framleiðendur framleiðslu á keramík (AM) og treysta að fullu keramikhlutum sem framleiddir eru með smáum keramík (LCM) og annarri tækni. Tækni og sérþekking eru til staðar. Það þarf að breyta hugsunarhætti okkar frá framleiðslu á keramík yfir í rannsóknir og þróun og frumgerðasmíði og sjá það sem leiðina fram á við fyrir stórfelldar viðskiptaumsóknir.
Auk menntunar geta flug- og geimferðafyrirtæki einnig fjárfest tíma í starfsfólki, verkfræði og prófunum. Framleiðendur verða að vera kunnugir mismunandi stöðlum og aðferðum til að meta keramik, ekki málma. Til dæmis eru tveir lykil ASTM staðlar Lithoz fyrir byggingarkeramik ASTM C1161 fyrir styrkprófanir og ASTM C1421 fyrir seigluprófanir. Þessir staðlar eiga við um keramik sem framleitt er með öllum aðferðum. Í aukefnisframleiðslu keramiks er prentunarskrefið aðeins mótunaraðferð og hlutar gangast undir sömu tegund af sintrun og hefðbundið keramik. Þess vegna verður örbygging keramikhluta mjög svipuð og í hefðbundinni vinnslu.
Byggt á stöðugum framförum í efnum og tækni getum við með vissu sagt að hönnuðir muni fá meiri gögn. Ný keramikefni verða þróuð og sérsniðin eftir sérstökum verkfræðilegum þörfum. Hlutar úr AM keramik munu ljúka vottunarferlinu til notkunar í geimferðum. Og munu veita betri hönnunartól, svo sem bættan líkanagerðarhugbúnað.
Með samstarfi við tæknisérfræðinga í LCM geta flug- og geimferðafyrirtæki innleitt AM-keramikferli innbyrðis - sem styttir tíma, lækkar kostnað og skapar tækifæri til þróunar á eigin hugverkaréttindum fyrirtækisins. Með framsýni og langtímaáætlun geta flug- og geimferðafyrirtæki sem fjárfesta í keramiktækni notið verulegs ávinnings í allri framleiðslu sinni á næstu tíu árum og lengur.
Með því að stofna til samstarfs við AM Ceramics munu framleiðendur upprunalegra búnaðar fyrir flug- og geimferðir framleiða íhluti sem áður voru óhugsandi.
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 mun fjalla um erfiðleikana við að miðla á skilvirkan hátt kostum viðbótarframleiðslu keramiks á Keramiksýningunni í Cleveland, Ohio, þann 1. september 2021.
Þótt þróun ofurhljóðgeimkerfa hafi staðið yfir í áratugi, hefur hún nú orðið aðalforgangsverkefni bandarískra varnarmála, sem hefur leitt þetta svið í hraðvaxandi og breytingaríkan stöðu. Sem einstakt fjölgreinasvið er áskorunin að finna sérfræðinga með nauðsynlega færni til að efla þróun þess. Hins vegar, þegar ekki eru nægilega margir sérfræðingar, skapar það nýsköpunarbil, eins og að setja hönnun með tilliti til framleiðsluhæfni (DFM) í fyrsta sæti á rannsóknar- og þróunarstigi, og breytast síðan í framleiðslubil þegar það er of seint að gera hagkvæmar breytingar.
Bandalög, eins og nýstofnaða háskólabandalagið fyrir hagnýta ofurhljóðfræði (UCAH), bjóða upp á mikilvægt umhverfi til að þróa hæfileika sem þarf til að efla sviðið. Nemendur geta unnið beint með háskólarannsóknum og sérfræðingum í greininni til að þróa tækni og efla mikilvægar rannsóknir á ofurhljóðfræði.
Þótt UCAH og önnur varnarmálasamtök hafi heimilað aðildarríkjum að taka þátt í fjölbreyttum verkfræðistörfum, þarf að vinna meira til að efla fjölbreytt og reynslumikið hæfileikafólk, allt frá hönnun til efnisþróunar og vals til framleiðsluverkstæða.
Til að skapa varanlegt verðmæti á þessu sviði verður háskólabandalagið að forgangsraða þróun vinnuafls með því að samræma sig þörfum atvinnulífsins, fá félagsmenn til að taka þátt í rannsóknum sem henta atvinnulífinu og fjárfesta í náminu.
Þegar umbreyting ofurhljóðtækni í stórfelld framleiðsluhæf verkefni er núverandi hæfnibil í verkfræði og framleiðslu stærsta áskorunin. Ef snemmbúnar rannsóknir ná ekki að komast yfir þennan viðeigandi nefnda dauðadal – bilið milli rannsókna og þróunar og framleiðslu, og mörg metnaðarfull verkefni hafa mistekist – þá höfum við misst nothæfa og raunhæfa lausn.
Bandaríski framleiðsluiðnaðurinn getur aukið hraðann á ofurhljóðhraðanum, en hættan á að dragast aftur úr er að fjölga vinnuafli til að mæta þeim. Þess vegna verða stjórnvöld og háskólaþróunarsamtök að vinna með framleiðendum að því að koma þessum áformum í framkvæmd.
Iðnaðurinn hefur upplifað hæfnibil, allt frá framleiðsluverkstæðum til verkfræðistofa, og þetta bil mun aðeins aukast eftir því sem markaðurinn fyrir ofurhljóðbylgjur vex. Ný tækni krefst vaxandi vinnuafls til að auka þekkingu á þessu sviði.
Vinna við ofurhljóðtækni spannar nokkur lykilsvið, þar sem mismunandi efni og mannvirki eru notuð, og hvert svið hefur sínar eigin tæknilegu áskoranir. Þær krefjast mikillar ítarlegrar þekkingar og ef nauðsynleg þekking er ekki til staðar getur það skapað hindranir fyrir þróun og framleiðslu. Ef við höfum ekki nægjanlegt fólk til að halda starfinu gangandi verður ómögulegt að halda í við eftirspurn eftir hraðframleiðslu.
Til dæmis þurfum við fólk sem getur smíðað lokaafurðina. Háskólinn í Kaliforníu (UCAH) og önnur samtök eru nauðsynleg til að efla nútíma framleiðslu og tryggja að nemendur sem hafa áhuga á hlutverki framleiðslu séu með. Með þverfaglegri sérhæfðri vinnuaflsþróun mun iðnaðurinn geta viðhaldið samkeppnisforskoti í flugáætlunum fyrir ofurhljóðgeisla á næstu árum.
Með stofnun UCAH skapar varnarmálaráðuneytið tækifæri til að tileinka sér markvissari nálgun á uppbyggingu getu á þessu sviði. Allir aðildarríki bandalagsins verða að vinna saman að því að þjálfa sérhæfða getu nemendanna svo að við getum byggt upp og viðhaldið skriðþunga rannsókna og aukið hann til að skila þeim árangri sem landið okkar þarfnast.
Bandalag NASA Advanced Composites, sem nú er lokað, er dæmi um farsælt átak í þróun vinnuafls. Árangur þess er afleiðing þess að sameina rannsóknar- og þróunarvinnu við hagsmuni iðnaðarins, sem gerir nýsköpun kleift að breiðast út um allt þróunarvistkerfið. Leiðtogar iðnaðarins hafa unnið beint með NASA og háskólum að verkefnum í tvö til fjögur ár. Allir meðlimir hafa þróað með sér fagþekkingu og reynslu, lært að vinna saman í samkeppnislausu umhverfi og hvatt háskólanema til að þróast og hlúa að lykilaðilum í iðnaðinum í framtíðinni.
Þessi tegund vinnuaflsþróunar fyllir skarð í greininni og veitir litlum fyrirtækjum tækifæri til að skapa hraðar nýjungar og auka fjölbreytni í greininni til að ná frekari vexti sem stuðlar að þjóðaröryggis- og efnahagsöryggisverkefnum Bandaríkjanna.
Bandalög háskóla, þar á meðal UCAH, eru mikilvæg auðlind á sviði ofurhljóðgeimferða og varnarmálaiðnaðarins. Þótt rannsóknir þeirra hafi stuðlað að nýjum nýjungum, liggur mesta gildi þeirra í getu þeirra til að þjálfa næstu kynslóð vinnuafls. Samtökin þurfa nú að forgangsraða fjárfestingum í slíkum áætlunum. Með því að gera það geta þau stuðlað að langtímaárangri ofurhljóðgeimferða nýsköpunar.
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.
Framleiðendur flókinna, háþróaðra vara (eins og flugvélaíhluta) eru staðráðnir í að ná fullkomnun í hvert skipti. Það er ekkert svigrúm fyrir breytingar.
Þar sem framleiðsla flugvéla er afar flókin verða framleiðendur að stýra gæðaferlinu vandlega og veita hverju skrefi mikla athygli. Þetta krefst ítarlegrar skilnings á því hvernig á að stjórna og aðlagast breytilegum framleiðslu-, gæða-, öryggis- og framboðskeðjumálum, jafnframt því að uppfylla reglugerðir.
Þar sem margir þættir hafa áhrif á afhendingu hágæða vara er erfitt að stjórna flóknum og tíðum breytingum á framleiðslupöntunum. Gæðaferlið verður að vera kraftmikið í öllum þáttum skoðunar og hönnunar, framleiðslu og prófana. Þökk sé Iðnaðarstefnum 4.0 og nútímalegum framleiðslulausnum hefur orðið auðveldara að stjórna og sigrast á þessum gæðaáskorunum.
Hefðbundin áhersla í flugvélaframleiðslu hefur alltaf verið á efni. Uppspretta flestra gæðavandamála getur verið brothætt brot, tæring, málmþreyta eða aðrir þættir. Hins vegar felur flugvélaframleiðsla nútímans í sér háþróaða, háþróaða tækni sem notar þolin efni. Vöruframleiðsla notar mjög sérhæfð og flókin ferli og rafeindakerfi. Almennar hugbúnaðarlausnir fyrir rekstrarstjórnun geta hugsanlega ekki lengur leyst afar flókin vandamál.
Hægt er að kaupa flóknari hluti úr alþjóðlegri framboðskeðju, þannig að meiri athygli þarf að leggja á að samþætta þá í öllu samsetningarferlinu. Óvissa færir nýjar áskoranir fyrir sýnileika framboðskeðjunnar og gæðastjórnun. Til að tryggja gæði svo margra hluta og fullunninna vara þarf betri og samþættari gæðaaðferðir.
Iðnaður 4.0 stendur fyrir þróun framleiðsluiðnaðarins og þörf er á sífellt háþróaðri tækni til að uppfylla strangar gæðakröfur. Meðal stuðningstækni eru iðnaðarnet hlutanna (IIoT), stafrænir þræðir, aukinn veruleiki (AR) og spágreiningar.
Gæði 4.0 lýsir gagnadrifinni gæðaaðferð í framleiðsluferli sem felur í sér vörur, ferla, áætlanagerð, reglufylgni og staðla. Hún byggir á hefðbundnum gæðaaðferðum frekar en að koma í stað þeirra, og notar margar af sömu nýju tækni og iðnaðarframleiðendur nota, þar á meðal vélanám, tengd tæki, skýjatölvur og stafrænar tvíbura, til að umbreyta vinnuflæði fyrirtækisins og útrýma hugsanlegum göllum í vörum eða ferlum. Gert er ráð fyrir að tilkoma Gæða 4.0 muni breyta vinnustaðamenningu enn frekar með því að auka traust á gögnum og dýpri notkun gæða sem hluta af heildaraðferðinni við vörusköpun.
Gæði 4.0 samþættir rekstrarleg og gæðatryggingarmál (QA) frá upphafi til hönnunarstigs. Þetta felur í sér hvernig á að hugmynda og hanna vörur. Nýlegar kannanir í greininni benda til þess að flestir markaðir hafi ekki sjálfvirkt ferli fyrir hönnunarflutning. Handvirka ferlið gefur svigrúm fyrir mistök, hvort sem það er innri villa eða miðlun hönnunar og breytinga á framboðskeðjunni.
Auk hönnunar notar Quality 4.0 einnig ferlamiðað vélanám til að draga úr sóun, endurvinnslu og hámarka framleiðslubreytur. Þar að auki leysir það einnig vandamál með afköst vöru eftir afhendingu, notar endurgjöf á staðnum til að uppfæra hugbúnað vörunnar lítillega, viðheldur ánægju viðskiptavina og tryggir að lokum endurtekna viðskipti. Það er að verða óaðskiljanlegur samstarfsaðili Iðnaðar 4.0.
Gæði eiga þó ekki aðeins við um tiltekna framleiðslutengi. Að vera alhliða í Quality 4.0 getur innleitt alhliða gæðaaðferð í framleiðslufyrirtækjum og gert umbreytingarkraft gagna að óaðskiljanlegum hluta af hugsun fyrirtækja. Fylgni á öllum stigum fyrirtækisins stuðlar að myndun almennrar gæðamenningar.
Ekkert framleiðsluferli getur gengið fullkomlega í 100% tilfella. Breytingar á aðstæðum valda ófyrirséðum atburðum sem krefjast úrbóta. Þeir sem hafa reynslu af gæðamálum skilja að þetta snýst allt um ferlið að stefna að fullkomnun. Hvernig tryggir þú að gæði séu felld inn í ferlið til að greina vandamál eins snemma og mögulegt er? Hvað gerir þú þegar þú finnur gallann? Eru einhverjir utanaðkomandi þættir sem valda þessu vandamáli? Hvaða breytingar geturðu gert á skoðunaráætluninni eða prófunarferlinu til að koma í veg fyrir að þetta vandamál komi upp aftur?
Skapaðu það hugarfar að hvert framleiðsluferli hafi tengt gæðaferli. Ímyndaðu þér framtíð þar sem ríkir einstaklingsbundið samband og gæði eru stöðugt mæld. Sama hvað gerist af handahófi er hægt að ná fullkomnum gæðum. Hver vinnustöð fer yfir vísbendingar og lykilframmistöðuvísa (KPI) daglega til að bera kennsl á svið sem þarf að bæta áður en vandamál koma upp.
Í þessu lokaða kerfi hefur hvert framleiðsluferli gæðaákvörðun sem veitir endurgjöf til að stöðva ferlið, leyfa því að halda áfram eða gera rauntíma leiðréttingar. Kerfið verður ekki fyrir áhrifum af þreytu eða mannlegum mistökum. Lokað gæðakerfi sem er hannað fyrir flugvélaframleiðslu er nauðsynlegt til að ná hærri gæðastigum, stytta framleiðslutíma og tryggja samræmi við AS9100 staðla.
Fyrir tíu árum var hugmyndin um að einbeita gæðaeftirliti að vöruhönnun, markaðsrannsóknum, birgjum, vöruþjónustu eða öðrum þáttum sem hafa áhrif á ánægju viðskiptavina ómöguleg. Vöruhönnun er skilin sem æðri yfirvaldi; gæði snúast um að framkvæma þessar hönnunir á samsetningarlínunni, óháð göllum þeirra.
Í dag eru mörg fyrirtæki að endurhugsa hvernig þau eiga að stunda viðskipti. Staðan sem var árið 2018 er hugsanlega ekki lengur möguleg. Fleiri og fleiri framleiðendur eru að verða klárari og klárari. Meiri þekking er tiltæk, sem þýðir betri upplýsingaöflun til að smíða réttu vöruna í fyrsta skipti, með meiri skilvirkni og afköstum.