Паводле звестак SmarTech, кансалтынгавай кампаніі ў галіне вытворчых тэхналогій, аэракасмічная прамысловасць з'яўляецца другой па велічыні галіной прамысловасці, якая абслугоўваецца адытыўнай вытворчасцю (АД), саступаючы толькі медыцыне. Аднак да гэтага часу недастаткова ўсведамляецца патэнцыял адытыўнай вытворчасці керамічных матэрыялаў для хуткай вытворчасці аэракасмічных кампанентаў, павышэння гнуткасці і эканамічнай эфектыўнасці. АД дазваляе вырабляць больш трывалыя і лёгкія керамічныя дэталі хутчэй і больш устойліва, зніжаючы выдаткі на працу, мінімізуючы ручную зборку, а таксама павышаючы эфектыўнасць і прадукцыйнасць за кошт распрацоўкі дызайну шляхам мадэлявання, тым самым зніжаючы вагу самалёта. Акрамя таго, тэхналогія адытыўнай вытворчасці керамікі забяспечвае кантроль памераў гатовых дэталяў для элементаў памерам менш за 100 мікрон.
Аднак слова «кераміка» можа выклікаць памылковае ўяўленне пра далікатнасць. Насамрэч, кераміка, вырабленая з дапамогай адытыўнага тэхналагічнага працэсу, дазваляе вырабляць больш лёгкія і тонкія дэталі з вялікай структурнай трываласцю, глейкасцю і ўстойлівасцю да шырокага дыяпазону тэмператур. Перспектыўныя кампаніі звяртаюцца да керамічных кампанентаў для вытворчасці, у тым ліку соплаў і прапелераў, электрычных ізалятараў і лапатак турбін.
Напрыклад, высакачысты аксід алюмінію мае высокую цвёрдасць, а таксама высокую каразійную ўстойлівасць і шырокі дыяпазон тэмператур. Кампаненты з аксіду алюмінію таксама з'яўляюцца электраізаляцыйнымі пры высокіх тэмпературах, характэрных для аэракасмічных сістэм.
Кераміка на аснове цырконія падыходзіць для многіх ужыванняў з экстрэмальнымі патрабаваннямі да матэрыялаў і высокімі механічнымі нагрузкамі, такімі як высакаякаснае металічнае ліццё, клапаны і падшыпнікі. Нітрыдкрэмніевая кераміка валодае высокай трываласцю, высокай глейкасцю і выдатнай цеплавой устойлівасцю, а таксама добрай хімічнай устойлівасцю да карозіі розных кіслот, шчолачаў і расплаўленых металаў. Нітрыдкрэмнію выкарыстоўваецца для ізалятараў, крыльчатак і высокатэмпературных нізкадыэлектрычных антэн.
Кампазітная кераміка валодае некалькімі пажаданымі якасцямі. Кераміка на аснове крэмнію з даданнем аксіду алюмінію і цыркону добра зарэкамендавала сябе ў вытворчасці монакрышталічных адлівак для лапатак турбін. Гэта тлумачыцца тым, што керамічны стрыжань з гэтага матэрыялу мае вельмі нізкае цеплавое пашырэнне да 1500°C, высокую сітаватасць, выдатную якасць паверхні і добрую вымываемасць. Друк такіх стрыжняў дазваляе ствараць канструкцыі турбін, якія могуць вытрымліваць больш высокія рабочыя тэмпературы і павышаць эфектыўнасць рухавіка.
Добра вядома, што ліццё пад ціскам або апрацоўка керамікі вельмі складаныя, і апрацоўка забяспечвае абмежаваны доступ да вырабляемых кампанентаў. Такія элементы, як тонкія сценкі, таксама цяжка апрацоўваць.
Аднак Lithoz выкарыстоўвае літаграфічную керамічную вытворчасць (LCM) для вырабу дакладных трохмерных керамічных кампанентаў складанай формы.
Пачынаючы з мадэлі CAD, падрабязныя спецыфікацыі ў лічбавым выглядзе пераносяцца на 3D-прынтар. Затым дакладна распрацаваны керамічны парашок наносіцца на верх празрыстай ёмістасці. Рухомая будаўнічая платформа апускаецца ў раствор, а затым выбарачна падвяргаецца ўздзеянню бачнага святла знізу. Выява пласта генеруецца лічбавай мікралюстэркавай прыладай (DMD) у спалучэнні з праекцыйнай сістэмай. Паўтараючы гэты працэс, можна ствараць трохмерную зялёную дэталь пласт за пластом. Пасля тэрмічнай апрацоўкі злучнае рэчыва выдаляецца, і зялёныя дэталі спякаюцца — аб'ядноўваюцца спецыяльным працэсам награвання — для атрымання цалкам шчыльнай керамічнай дэталі з выдатнымі механічнымі ўласцівасцямі і якасцю паверхні.
Тэхналогія LCM забяспечвае інавацыйны, эканамічна эфектыўны і хуткі працэс ліцця па выплавляемым мадэлям кампанентаў турбінных рухавікоў, абыходзячы дарагое і працаёмкае вырабленне прэс-формаў, неабходнае для ліцця пад ціскам і ліцця па выплавляемым мадэлям.
LCM таксама дазваляе ствараць канструкцыі, якія немагчыма рэалізаваць іншымі метадамі, выкарыстоўваючы пры гэтым значна менш сыравіны, чым іншыя метады.
Нягледзячы на ​​вялікі патэнцыял керамічных матэрыялаў і тэхналогіі LCM, паміж вытворцамі арыгінальнага абсталявання (OEM) для аддаленага вытворчасці і распрацоўшчыкамі аэракасмічнай прамысловасці ўсё яшчэ існуе разрыў.
Адной з прычын можа быць супраціўленне новым метадам вытворчасці ў галінах з асабліва строгімі патрабаваннямі бяспекі і якасці. Аэракасмічная вытворчасць патрабуе мноства працэсаў праверкі і кваліфікацыі, а таксама дбайных і строгіх выпрабаванняў.
Яшчэ адна перашкода — гэта меркаванне, што 3D-друк падыходзіць у асноўным толькі для аднаразовага хуткага прататыпавання, а не для чагосьці, што можна выкарыстоўваць у паветры. Зноў жа, гэта непаразуменне, і керамічныя кампаненты, надрукаваныя з дапамогай 3D-друку, даказалі сваю эфектыўнасць у масавай вытворчасці.
Прыкладам можа служыць вытворчасць лапатак турбін, дзе керамічны працэс адытыўнага харчавання дазваляе вырабляць монакрышталічныя (SX) стрыжні, а таксама лапаткі турбін з суперсплаваў метадам накіраванага зацвярдзення (DS) і роўнавосевага ліцця (EX). Стрыжні са складанай структурай галін, некалькімі сценкамі і заднімі беражкамі менш за 200 мкм можна вырабляць хутка і эканамічна, а канчатковыя кампаненты маюць паслядоўную дакладнасць памераў і выдатную аздабленне паверхні.
Паляпшэнне камунікацыі можа аб'яднаць аэракасмічных канструктараў і вытворцаў адміністрацыйнага абсталявання (AM) і цалкам давяраць керамічным кампанентам, вырабленым з выкарыстаннем лакальна-сярэдняга плавучага цыклу (LCM) і іншых тэхналогій. Тэхналогіі і вопыт існуюць. Неабходна змяніць спосаб мыслення ад адміністрацыйнага вытворчасці да даследаванняў і распрацовак і прататыпавання і разглядаць яго як шлях наперад для буйнамаштабнага камерцыйнага прымянення.
Акрамя адукацыі, аэракасмічныя кампаніі могуць таксама ўкладваць час у персанал, інжынерыю і тэсціраванне. Вытворцы павінны быць знаёмыя з рознымі стандартамі і метадамі ацэнкі керамікі, а не металаў. Напрыклад, два ключавыя стандарты ASTM кампаніі Lithoz для канструкцыйнай керамікі - гэта ASTM C1161 для выпрабаванняў на трываласць і ASTM C1421 для выпрабаванняў на ўдарную глейкасць. Гэтыя стандарты распаўсюджваюцца на кераміку, вырабленую ўсімі метадамі. У адытыўнай вытворчасці керамікі этап друку - гэта проста метад фармавання, і дэталі праходзяць той жа тып спякання, што і традыцыйная кераміка. Такім чынам, мікраструктура керамічных дэталяў будзе вельмі падобная на звычайную апрацоўку.
Зыходзячы з пастаяннага ўдасканалення матэрыялаў і тэхналогій, можна з упэўненасцю сказаць, што канструктары атрымаюць больш дадзеных. Новыя керамічныя матэрыялы будуць распрацаваны і адаптаваны да канкрэтных інжынерных патрэб. Дэталі з аддытыўна-аддзітвальнай керамікі пройдуць працэс сертыфікацыі для выкарыстання ў аэракасмічнай прамысловасці. А таксама забяспечаць лепшыя інструменты праектавання, такія як палепшанае праграмнае забеспячэнне для мадэлявання.
Супрацоўнічаючы з тэхнічнымі экспертамі LCM, аэракасмічныя кампаніі могуць укараняць працэсы аддаемага выпрацоўвання керамікі ўнутры кампаніі, скарачаючы час, зніжаючы выдаткі і ствараючы магчымасці для развіцця ўласнай інтэлектуальнай уласнасці кампаніі. Дзякуючы прадбачлівасці і доўгатэрміноваму планаванню аэракасмічныя кампаніі, якія інвестуюць у керамічныя тэхналогіі, могуць атрымаць значныя перавагі ва ўсім сваім вытворчым партфелі ў бліжэйшыя дзесяць гадоў і далей.
Дзякуючы партнёрству з AM Ceramics, вытворцы арыгінальнага абсталявання для аэракасмічнай прамысловасці змогуць вырабляць кампаненты, якія раней былі немагчымыя.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Алан выступіць з дакладам пра цяжкасці эфектыўнага данясення пераваг адытыўнай вытворчасці керамікі на выставе Ceramics Expo ў Кліўлендзе, штат Агаё, 1 верасня 2021 года.
Нягледзячы на ​​тое, што распрацоўка гіпергукавых сістэм палёту існуе ўжо некалькі дзесяцігоддзяў, цяпер яна стала галоўным прыярытэтам нацыянальнай абароны ЗША, што прывяло гэту галіну ў стан хуткага росту і змен. Паколькі гэта ўнікальная міждысцыплінарная галіна, задача заключаецца ў пошуку экспертаў з неабходнымі навыкамі для садзейнічання яе развіццю. Аднак, калі экспертаў недастаткова, гэта стварае інавацыйны прабел, напрыклад, калі праектаванне для вытворчасці (DFM) ставіцца спачатку на этапе даследаванняў і распрацовак, а потым ператвараецца ў прабел у вытворчасці, калі ўжо позна рабіць эканамічна эфектыўныя змены.
Такія альянсы, як нядаўна створаны Універсітэцкі альянс прыкладной гіпергукі (UCAH), ствараюць важнае асяроддзе для развіцця талентаў, неабходных для развіцця гэтай галіны. Студэнты могуць працаваць непасрэдна з універсітэцкімі даследчыкамі і спецыялістамі галіны для распрацоўкі тэхналогій і прасоўвання крытычна важных даследаванняў у галіне гіпергукі.
Нягледзячы на ​​тое, што UCAH і іншыя абаронныя кансорцыумы дазвалялі сваім членам займацца рознымі інжынернымі працамі, неабходна правесці большую працу па развіцці разнастайных і вопытных талентаў, ад праектавання да распрацоўкі і выбару матэрыялаў і вытворчых майстэрняў.
Каб забяспечыць больш працяглую каштоўнасць у гэтай галіне, універсітэцкі альянс павінен зрабіць развіццё працоўнай сілы прыярытэтам, улічваючы патрэбы галіны, уцягваючы членаў у даследаванні, адпаведныя галіны, і інвестуючы ў праграму.
Пры трансфармацыі гіпергукавых тэхналогій у маштабныя вытворчыя праекты найбольшай праблемай з'яўляецца існуючы разрыў у кваліфікацыі інжынернай і вытворчай рабочай сілы. Калі раннія даследаванні не пераадолеюць гэтую дарэчную названую даліну смерці — разрыў паміж НДДКР і вытворчасцю, і многія амбіцыйныя праекты праваляцца, — то мы страцім прыдатнае і рэальнае рашэнне.
Амерыканская вытворчая прамысловасць можа паскорыць звышгукавую хуткасць, але рызыка адставання заключаецца ў павелічэнні колькасці працоўнай сілы. Таму ўрадавыя і універсітэцкія кансорцыумы па развіцці павінны супрацоўнічаць з вытворцамі, каб рэалізаваць гэтыя планы на практыцы.
У галіны назіраецца дэфіцыт кваліфікаваных кадраў — ад вытворчых майстэрняў да інжынерных лабараторый — і гэты дэфіцыт будзе толькі павялічвацца па меры росту рынку гіпергукавой тэхнікі. Новыя тэхналогіі патрабуюць новай працоўнай сілы для пашырэння ведаў у гэтай галіне.
Гіпергукавая праца ахоплівае некалькі ключавых абласцей з рознымі матэрыяламі і канструкцыямі, і кожная вобласць мае свой уласны набор тэхнічных праблем. Яны патрабуюць высокага ўзроўню дэталёвых ведаў, і калі неабходных экспертаў няма, гэта можа стварыць перашкоды для распрацоўкі і вытворчасці. Калі ў нас не будзе дастаткова людзей для падтрымання працы, немагчыма будзе задаволіць попыт на высакахуткасную вытворчасць.
Напрыклад, нам патрэбныя людзі, якія могуць стварыць канчатковы прадукт. UCAH і іншыя кансорцыумы маюць важнае значэнне для прасоўвання сучаснай вытворчасці і забеспячэння ўключэння студэнтаў, зацікаўленых у ролі вытворчасці. Дзякуючы міжфункцыянальным мэтанакіраваным намаганням па развіцці персаналу, галіна зможа захаваць канкурэнтную перавагу ў планах палётаў гіпергукавых самалётаў у бліжэйшыя некалькі гадоў.
Стварэннем UCAH Міністэрства абароны стварае магчымасць прыняць больш мэтанакіраваны падыход да развіцця патэнцыялу ў гэтай галіне. Усе ўдзельнікі кааліцыі павінны працаваць разам, каб навучыць студэнтаў нішавым навыкам, каб мы маглі нарошчваць і падтрымліваць імпульс даследаванняў і пашыраць іх для дасягнення вынікаў, неабходных нашай краіне.
Закрыты цяпер Альянс NASA Advanced Composites Alliance з'яўляецца прыкладам паспяховых намаганняў па развіцці працоўнай сілы. Яго эфектыўнасць з'яўляецца вынікам спалучэння навукова-даследчых работ з інтарэсамі прамысловасці, што дазваляе інавацыям пашырацца па ўсёй экасістэме распрацоўкі. Лідары ​​галіны непасрэдна супрацоўнічалі з NASA і універсітэтамі над праектамі на працягу двух-чатырох гадоў. Усе ўдзельнікі атрымалі прафесійныя веды і вопыт, навучыліся супрацоўнічаць у неканкурэнтным асяроддзі і выхоўвалі студэнтаў каледжаў, каб яны развіваліся, каб у будучыні выхоўваць ключавых гульцоў галіны.
Гэты тып развіцця працоўнай сілы запаўняе прабелы ў галіне і дае магчымасці для малога бізнесу хутка ўкараняць інавацыі і дыверсіфікаваць сферу дзейнасці для дасягнення далейшага росту, што спрыяе ініцыятывам ЗША ў галіне нацыянальнай бяспекі і эканамічнай бяспекі.
Універсітэцкія альянсы, у тым ліку UCAH, з'яўляюцца важнымі актывамі ў гіпергукавай галіне і абароннай прамысловасці. Нягледзячы на ​​тое, што іх даследаванні спрыялі развіццю новых інавацый, іх найбольшая каштоўнасць заключаецца ў здольнасці навучаць наступнае пакаленне працоўнай сілы. Цяпер кансорцыум павінен прыярытэтызаваць інвестыцыі ў такія планы. Робячы гэта, яны могуць спрыяць доўгатэрміноваму поспеху гіпергукавых інавацый.
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.
Вытворцы складаных, высокатэхналагічных вырабаў (напрыклад, кампанентаў самалётаў) імкнуцца да дасканаласці кожны раз. Няма месца для манеўру.
Паколькі вытворчасць самалётаў надзвычай складаная, вытворцы павінны старанна кіраваць працэсам забеспячэння якасці, надаючы вялікую ўвагу кожнаму этапу. Гэта патрабуе глыбокага разумення таго, як кіраваць і адаптавацца да дынамічных праблем вытворчасці, якасці, бяспекі і ланцужкоў паставак, адначасова выконваючы патрабаванні рэгулятараў.
Паколькі на пастаўку высакаякаснай прадукцыі ўплывае мноства фактараў, кіраваць складанымі і часта зменлівымі вытворчымі заказамі складана. Працэс якасці павінен быць дынамічным ва ўсіх аспектах кантролю і праектавання, вытворчасці і выпрабаванняў. Дзякуючы стратэгіям Індустрыі 4.0 і сучасным вытворчым рашэнням, гэтыя праблемы з якасцю сталі лягчэй кіраваць і пераадольваць.
Традыцыйная ўвага ў вытворчасці самалётаў заўсёды надавалася матэрыялам. Крыніцай большасці праблем з якасцю могуць быць далікатнае разбурэнне, карозія, стомленасць металу або іншыя фактары. Аднак сучасная вытворчасць самалётаў уключае перадавыя, высокатэхналагічныя тэхналогіі, якія выкарыстоўваюць устойлівыя матэрыялы. Стварэнне прадукцыі выкарыстоўвае вузкаспецыялізаваныя і складаныя працэсы і электронныя сістэмы. Праграмныя рашэнні для агульнага кіравання аперацыямі могуць больш не быць здольнымі вырашаць надзвычай складаныя праблемы.
Больш складаныя дэталі можна набыць у глабальным ланцужку паставак, таму неабходна больш увагі надаць іх інтэграцыі ў працэс зборкі. Нявызначанасць стварае новыя праблемы для празрыстасці ланцужка паставак і кіравання якасцю. Забеспячэнне якасці такой колькасці дэталяў і гатовай прадукцыі патрабуе лепшых і больш інтэграваных метадаў кантролю якасці.
Прамысловасць 4.0 прадстаўляе развіццё вытворчай прамысловасці, і для задавальнення строгіх патрабаванняў да якасці патрабуюцца ўсё больш і больш перадавыя тэхналогіі. Да падтрымліваючых тэхналогій адносяцца прамысловы Інтэрнэт рэчаў (IIoT), лічбавыя патокі, дапоўненая рэальнасць (AR) і прагнастычная аналітыка.
Якасць 4.0 апісвае метад забеспячэння якасці вытворчага працэсу, заснаваны на дадзеных, які ўключае прадукты, працэсы, планаванне, адпаведнасць і стандарты. Ён заснаваны на традыцыйных метадах забеспячэння якасці, а не замяняе іх, выкарыстоўваючы многія з тых жа новых тэхналогій, што і яго прамысловыя аналагі, у тым ліку машыннае навучанне, падключаныя прылады, хмарныя вылічэнні і лічбавыя двайнікі, для трансфармацыі працоўнага працэсу арганізацыі і ліквідацыі магчымых дэфектаў прадуктаў або працэсаў. Чакаецца, што з'яўленне Якасці 4.0 яшчэ больш зменіць культуру працоўнага месца, павялічваючы залежнасць ад дадзеных і больш глыбокае выкарыстанне якасці як часткі агульнага метаду стварэння прадукту.
Якасць 4.0 аб'ядноўвае аперацыйныя пытанні і пытанні забеспячэння якасці (QA) ад пачатку да этапу праектавання. Гэта ўключае ў сябе тое, як распрацоўваць канцэпцыі і праектаваць прадукты. Вынікі нядаўніх галіновых апытанняў паказваюць, што на большасці рынкаў няма аўтаматызаванага працэсу перадачы дызайну. Ручны працэс пакідае месца для памылак, няхай гэта будзе ўнутраная памылка або паведамленне аб дызайне і зменах у ланцужку паставак.
Акрамя дызайну, Quality 4.0 таксама выкарыстоўвае працэсна-арыентаванае машыннае навучанне для скарачэння адходаў, скарачэння пераробкі і аптымізацыі вытворчых параметраў. Акрамя таго, яна вырашае праблемы з прадукцыйнасцю прадукту пасля пастаўкі, выкарыстоўвае зваротную сувязь на месцы для дыстанцыйнага абнаўлення праграмнага забеспячэння прадукту, падтрымлівае задаволенасць кліентаў і, у канчатковым выніку, забяспечвае паўторныя заказы. Яна становіцца неад'емным партнёрам Industry 4.0.
Аднак якасць датычыцца не толькі асобных вытворчых звёнаў. Інклюзіўнасць Якасці 4.0 можа прывіць комплексны падыход да якасці ў вытворчых арганізацыях, зрабіўшы трансфармацыйную сілу дадзеных неад'емнай часткай карпаратыўнага мыслення. Адпаведнасць патрабаванням на ўсіх узроўнях арганізацыі спрыяе фарміраванню агульнай культуры якасці.
Ніякі вытворчы працэс не можа працаваць ідэальна ў 100% выпадкаў. Змены ўмоў выклікаюць непрадбачаныя падзеі, якія патрабуюць выпраўлення. Тыя, хто мае вопыт у галіне якасці, разумеюць, што галоўнае — гэта працэс руху да дасканаласці. Як гарантаваць, што якасць уключана ў працэс, каб выявіць праблемы як мага раней? Што вы будзеце рабіць, калі выявіце дэфект? Ці ёсць якія-небудзь знешнія фактары, якія выклікаюць гэтую праблему? Якія змены вы можаце ўнесці ў план праверкі або працэдуру выпрабаванняў, каб прадухіліць паўтарэнне гэтай праблемы?
Сфармуйце менталітэт, што кожны вытворчы працэс мае звязаны з ім працэс забеспячэння якасці. Уявіце сабе будучыню, дзе існуюць узаемаадносіны адзін да аднаго і пастаянна вымяраецца якасць. Незалежна ад таго, што адбываецца выпадкова, ідэальнай якасці можна дасягнуць. Кожны працоўны цэнтр штодня пераглядае паказчыкі і ключавыя паказчыкі эфектыўнасці (KPI), каб вызначыць вобласці для паляпшэння, перш чым узнікнуць праблемы.
У гэтай замкнёнай сістэме кожны вытворчы працэс мае выснову аб якасці, якая забяспечвае зваротную сувязь для спынення працэсу, дазволу на працяг працэсу або ўнясення карэкціровак у рэжыме рэальнага часу. На сістэму не ўплываюць стомленасць або памылкі чалавека. Замкнёная сістэма якасці, прызначаная для вытворчасці самалётаў, мае важнае значэнне для дасягнення больш высокага ўзроўню якасці, скарачэння цыклаў і забеспячэння адпаведнасці стандартам AS9100.
Дзесяць гадоў таму ідэя сканцэнтраваць кантроль якасці на дызайне прадукту, маркетынгавых даследаваннях, пастаўшчыках, абслугоўванні прадуктаў або іншых фактарах, якія ўплываюць на задаволенасць кліентаў, была немагчымай. Разумеецца, што дызайн прадукту паходзіць ад вышэйшай інстанцыі; якасць — гэта выкананне гэтых праектаў на зборачнай лініі, незалежна ад іх недахопаў.
Сёння многія кампаніі пераасэнсоўваюць, як весці бізнес. Статус-кво 2018 года, магчыма, больш немагчымы. Усё больш вытворцаў становяцца разумнейшымі і разумнейшымі. Даступна больш ведаў, што азначае лепшы інтэлект для стварэння патрэбнага прадукту з першага разу, з больш высокай эфектыўнасцю і прадукцыйнасцю.