Volgens SmarTech, een adviesbureau voor productietechnologie, is de lucht- en ruimtevaart de op één na grootste sector die gebruikmaakt van additive manufacturing (AM), na de medische sector. Er is echter nog steeds weinig bekendheid met het potentieel van additive manufacturing van keramische materialen voor de snelle productie van ruimtevaartonderdelen, de toegenomen flexibiliteit en de kosteneffectiviteit. AM kan sterkere en lichtere keramische onderdelen sneller en duurzamer produceren, waardoor de arbeidskosten dalen, handmatige assemblage wordt geminimaliseerd en de efficiëntie en prestaties worden verbeterd door middel van modellering, wat uiteindelijk leidt tot een lager gewicht van het vliegtuig. Bovendien biedt additive manufacturing-technologie voor keramiek dimensionale controle van afgewerkte onderdelen voor details kleiner dan 100 micron.
Het woord keramiek kan echter de misvatting van broosheid oproepen. In werkelijkheid levert met 3D-printing vervaardigde keramiek lichtere, fijnere onderdelen op met een grote structurele sterkte, taaiheid en weerstand tegen een breed temperatuurbereik. Toekomstgerichte bedrijven stappen over op keramische productie van componenten, waaronder sproeiers en propellers, elektrische isolatoren en turbinebladen.
Zo heeft bijvoorbeeld zeer zuiver aluminiumoxide een hoge hardheid en een sterke corrosiebestendigheid en een breed temperatuurbereik. Componenten van aluminiumoxide zijn bovendien elektrisch isolerend bij de hoge temperaturen die vaak voorkomen in ruimtevaartsystemen.
Keramiek op basis van zirkonia kan voldoen aan vele toepassingen met extreme materiaaleisen en hoge mechanische spanningen, zoals hoogwaardige metaalgietwerk, kleppen en lagers. Siliciumnitridekeramiek heeft een hoge sterkte, hoge taaiheid en uitstekende thermische schokbestendigheid, evenals een goede chemische bestendigheid tegen corrosie door diverse zuren, basen en gesmolten metalen. Siliciumnitride wordt gebruikt voor isolatoren, waaiers en hittebestendige antennes met een lage diëlektrische constante.
Composietkeramiek biedt diverse aantrekkelijke eigenschappen. Op silicium gebaseerde keramiek, waaraan aluminiumoxide en zirkoon zijn toegevoegd, heeft bewezen goed te presteren bij de productie van enkelkristallen voor turbinebladen. Dit komt doordat de keramische kern van dit materiaal een zeer lage thermische uitzetting heeft tot 1500 °C, een hoge porositeit, een uitstekende oppervlaktekwaliteit en een goede uitloogbaarheid. Door deze kernen te printen, kunnen turbineontwerpen worden geproduceerd die bestand zijn tegen hogere bedrijfstemperaturen en de efficiëntie van de motor verhogen.
Het is algemeen bekend dat spuitgieten of bewerken van keramiek zeer moeilijk is, en dat bewerkingstechnieken de toegang tot de te produceren onderdelen beperken. Ook kenmerken zoals dunne wanden zijn moeilijk te bewerken.
Lithoz maakt echter gebruik van lithografiegebaseerde keramische productie (LCM) om nauwkeurige, complex gevormde 3D-keramische componenten te vervaardigen.
Uitgaande van het CAD-model worden de gedetailleerde specificaties digitaal overgebracht naar de 3D-printer. Vervolgens wordt het nauwkeurig samengestelde keramische poeder op de bovenkant van de transparante bak aangebracht. Het beweegbare bouwplatform wordt in de klei ondergedompeld en vervolgens selectief van onderaf aan zichtbaar licht blootgesteld. Het laagbeeld wordt gegenereerd door een digitale micromirror-detector (DMD) in combinatie met het projectiesysteem. Door dit proces te herhalen, kan laag voor laag een driedimensionaal groen onderdeel worden gegenereerd. Na een thermische nabewerking wordt het bindmiddel verwijderd en worden de groene onderdelen gesinterd – door middel van een speciaal verwarmingsproces samengevoegd – om een ​​volledig dicht keramisch onderdeel te produceren met uitstekende mechanische eigenschappen en oppervlaktekwaliteit.
LCM-technologie biedt een innovatief, kosteneffectief en sneller proces voor het gieten van turbineonderdelen met behulp van precisiegieten, waarbij de dure en arbeidsintensieve matrijsfabricage die nodig is voor spuitgieten en verlorenwasgieten wordt omzeild.
LCM kan ook ontwerpen realiseren die met andere methoden niet mogelijk zijn, en dat terwijl er veel minder grondstoffen nodig zijn dan bij andere methoden.
Ondanks het grote potentieel van keramische materialen en LCM-technologie, bestaat er nog steeds een kloof tussen fabrikanten van AM-apparatuur (Original Equipment Manufacturers) en ontwerpers in de lucht- en ruimtevaart.
Een mogelijke reden is de weerstand tegen nieuwe productiemethoden in sectoren met bijzonder strenge veiligheids- en kwaliteitseisen. De lucht- en ruimtevaartindustrie vereist veel verificatie- en kwalificatieprocessen, evenals grondige en strenge tests.
Een ander obstakel is de opvatting dat 3D-printen vooral geschikt is voor eenmalige, snelle prototyping, en niet voor toepassingen in de lucht. Ook dit is een misvatting, en het is bewezen dat 3D-geprinte keramische componenten geschikt zijn voor massaproductie.
Een voorbeeld hiervan is de productie van turbinebladen, waarbij het AM-keramiekproces kernen van enkelkristal (SX) produceert, evenals turbinebladen van superlegeringen die vervaardigd zijn met behulp van directionele stolling (DS) en equiaxiaal gieten (EX). Kernen met complexe vertakkingsstructuren, meerdere wanden en achterranden kleiner dan 200 μm kunnen snel en economisch worden geproduceerd, en de uiteindelijke componenten hebben een consistente maatnauwkeurigheid en een uitstekende oppervlakteafwerking.
Verbeterde communicatie kan lucht- en ruimtevaartontwerpers en AM-OEM's samenbrengen en volledig vertrouwen creëren in keramische componenten die met behulp van LCM en andere technologieën worden vervaardigd. De technologie en expertise zijn aanwezig. Het is nodig om de denkwijze te veranderen: AM wordt niet langer alleen voor R&D en prototyping gebruikt, maar wordt gezien als de toekomst voor grootschalige commerciële toepassingen.
Naast opleiding kunnen ruimtevaartbedrijven ook tijd investeren in personeel, engineering en testen. Fabrikanten moeten bekend zijn met verschillende normen en methoden voor het evalueren van keramiek, en niet met metalen. Zo zijn de twee belangrijkste ASTM-normen van Lithoz voor constructiekeramiek ASTM C1161 voor sterktebepaling en ASTM C1421 voor taaiheidsbepaling. Deze normen zijn van toepassing op keramiek dat met alle methoden wordt geproduceerd. Bij additieve productie van keramiek is de printstap slechts een vormmethode en ondergaan de onderdelen hetzelfde type sintering als traditioneel keramiek. Daarom zal de microstructuur van keramische onderdelen sterk lijken op die van conventioneel bewerkte onderdelen.
Dankzij de voortdurende vooruitgang in materialen en technologie kunnen we met vertrouwen stellen dat ontwerpers over meer gegevens zullen beschikken. Nieuwe keramische materialen zullen worden ontwikkeld en aangepast aan specifieke technische behoeften. Onderdelen gemaakt van AM-keramiek zullen het certificeringsproces voor gebruik in de lucht- en ruimtevaart doorlopen. En er zullen betere ontwerptools beschikbaar komen, zoals verbeterde modelleersoftware.
Door samen te werken met technische experts van LCM kunnen ruimtevaartbedrijven AM-keramiekprocessen intern implementeren. Dit verkort de doorlooptijd, verlaagt de kosten en creëert mogelijkheden voor de ontwikkeling van eigen intellectueel eigendom. Met vooruitziende blik en langetermijnplanning kunnen ruimtevaartbedrijven die investeren in keramische technologie de komende tien jaar en daarna aanzienlijke voordelen behalen voor hun gehele productieportfolio.
Door een partnerschap aan te gaan met AM Ceramics zullen fabrikanten van originele onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart componenten kunnen produceren die voorheen ondenkbaar waren.
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 zal op 1 september 2021 tijdens de Ceramics Expo in Cleveland, Ohio, spreken over de moeilijkheden bij het effectief communiceren van de voordelen van additieve keramische productie.
Hoewel de ontwikkeling van hypersonische vluchtsystemen al decennia bestaat, is het nu de hoogste prioriteit van de Amerikaanse nationale defensie, waardoor dit vakgebied zich in een fase van snelle groei en verandering bevindt. Als uniek multidisciplinair vakgebied is de uitdaging om experts te vinden met de benodigde vaardigheden om de ontwikkeling ervan te bevorderen. Wanneer er echter niet genoeg experts zijn, ontstaat er een innovatiekloof. Zo wordt bijvoorbeeld in de R&D-fase prioriteit gegeven aan ontwerp voor maakbaarheid (DFM), wat vervolgens leidt tot een productiekloof wanneer het te laat is om kosteneffectieve aanpassingen door te voeren.
Allianties, zoals de recent opgerichte University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), bieden een belangrijke omgeving voor het ontwikkelen van het talent dat nodig is om het vakgebied vooruit te helpen. Studenten kunnen rechtstreeks samenwerken met universitaire onderzoekers en professionals uit het bedrijfsleven om technologie te ontwikkelen en cruciaal hypersonisch onderzoek te bevorderen.
Hoewel UCAH en andere defensieconsortia hun leden toestemming hebben gegeven om diverse technische taken uit te voeren, moet er nog meer gebeuren om divers en ervaren talent te ontwikkelen, van ontwerp tot materiaalontwikkeling en -selectie en productiewerkplaatsen.
Om duurzamere waarde in het vakgebied te creëren, moet de universitaire alliantie prioriteit geven aan de ontwikkeling van het personeel door zich af te stemmen op de behoeften van het bedrijfsleven, leden te betrekken bij branchegericht onderzoek en te investeren in het programma.
Bij de omzetting van hypersonische technologie in grootschalige, produceerbare projecten vormt het bestaande tekort aan geschoolde ingenieurs en productiemedewerkers de grootste uitdaging. Als het eerste onderzoek deze, toepasselijk genaamde 'vallei des doods' – de kloof tussen onderzoek en ontwikkeling en productie, en veel ambitieuze projecten zijn daardoor mislukt – niet overbrugt, verliezen we een toepasbare en haalbare oplossing.
De Amerikaanse maakindustrie kan de supersonische snelheid opvoeren, maar het risico om achterop te raken is dat de beroepsbevolking moet worden uitgebreid om gelijke tred te houden. Daarom moeten de overheid en samenwerkingsverbanden tussen universiteiten en fabrikanten samenwerken om deze plannen in de praktijk te brengen.
De industrie kampt met tekorten aan gekwalificeerd personeel, van productiewerkplaatsen tot technische laboratoria. Deze tekorten zullen alleen maar toenemen naarmate de markt voor hypersonische technologie groeit. Opkomende technologieën vereisen een opkomende beroepsbevolking om de kennis op dit gebied uit te breiden.
Hypersonisch werk omvat verschillende belangrijke gebieden met uiteenlopende materialen en structuren, en elk gebied kent zijn eigen technische uitdagingen. Het vereist een hoge mate van gedetailleerde kennis, en als de benodigde expertise ontbreekt, kan dit de ontwikkeling en productie belemmeren. Als we niet genoeg mensen hebben om het werk uit te voeren, zal het onmogelijk zijn om aan de vraag naar hogesnelheidsproductie te voldoen.
We hebben bijvoorbeeld mensen nodig die het eindproduct kunnen bouwen. UCAH en andere samenwerkingsverbanden zijn essentieel om moderne productieprocessen te bevorderen en ervoor te zorgen dat studenten die geïnteresseerd zijn in de rol van de maakindustrie hierbij betrokken worden. Door middel van multidisciplinaire, gerichte inspanningen op het gebied van personeelsontwikkeling zal de industrie de komende jaren een concurrentievoordeel kunnen behouden in plannen voor hypersonische vluchten.
Door UCAH op te richten, creëert het Ministerie van Defensie een kans om een ​​meer gerichte aanpak te hanteren bij het opbouwen van capaciteiten op dit gebied. Alle coalitiepartners moeten samenwerken om de specifieke vaardigheden van de studenten te ontwikkelen, zodat we het onderzoeksmomentum kunnen opbouwen en behouden en uitbreiden om de resultaten te behalen die ons land nodig heeft.
De inmiddels opgeheven NASA Advanced Composites Alliance is een voorbeeld van een succesvol initiatief voor de ontwikkeling van talent. De effectiviteit ervan is te danken aan de combinatie van onderzoek en ontwikkeling met de belangen van het bedrijfsleven, waardoor innovatie zich door het hele ontwikkelingslandschap kan verspreiden. Leiders uit het bedrijfsleven hebben twee tot vier jaar lang rechtstreeks met NASA en universiteiten samengewerkt aan projecten. Alle leden hebben professionele kennis en ervaring opgedaan, geleerd samen te werken in een niet-competitieve omgeving en studenten begeleid om zich te ontwikkelen tot belangrijke spelers in de industrie in de toekomst.
Dit type personeelsontwikkeling vult lacunes in de sector en biedt kleine bedrijven de mogelijkheid om snel te innoveren en hun werkterrein te diversifiëren voor verdere groei, wat gunstig is voor de nationale veiligheid en economische veiligheidsinitiatieven van de VS.
Samenwerkingen tussen universiteiten, waaronder UCAH, zijn belangrijke troeven in het hypersonische veld en de defensie-industrie. Hoewel hun onderzoek heeft bijgedragen aan nieuwe innovaties, ligt hun grootste waarde in hun vermogen om de volgende generatie werknemers op te leiden. Het consortium moet nu prioriteit geven aan investeringen in dergelijke plannen. Door dit te doen, kunnen ze bijdragen aan het succes op lange termijn van hypersonische innovatie.
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.
Fabrikanten van complexe, hoogwaardige producten (zoals vliegtuigonderdelen) streven telkens naar perfectie. Er is geen ruimte voor fouten.
Omdat de vliegtuigproductie uiterst complex is, moeten fabrikanten het kwaliteitsproces zorgvuldig beheren en veel aandacht besteden aan elke stap. Dit vereist een diepgaand begrip van hoe om te gaan met dynamische productie-, kwaliteits-, veiligheids- en toeleveringsketenvraagstukken, en hoe hieraan te voldoen, terwijl tegelijkertijd aan de wettelijke eisen wordt voldaan.
Omdat veel factoren van invloed zijn op de levering van hoogwaardige producten, is het lastig om complexe en vaak veranderende productieorders te beheren. Het kwaliteitsproces moet dynamisch zijn in elk aspect van inspectie en ontwerp, productie en testen. Dankzij de strategieën van Industrie 4.0 en moderne productieoplossingen zijn deze kwaliteitsuitdagingen gemakkelijker te beheren en te overwinnen.
De traditionele focus van vliegtuigproductie lag altijd op materialen. De oorzaak van de meeste kwaliteitsproblemen ligt vaak in brosbreuk, corrosie, metaalmoeheid of andere factoren. De hedendaagse vliegtuigproductie maakt echter gebruik van geavanceerde, hoogwaardige technologieën die resistente materialen inzetten. Productontwikkeling vereist zeer gespecialiseerde en complexe processen en elektronische systemen. Algemene softwareoplossingen voor operationeel beheer zijn mogelijk niet langer in staat om extreem complexe problemen op te lossen.
Complexere onderdelen kunnen via de wereldwijde toeleveringsketen worden ingekocht, waardoor er meer aandacht moet worden besteed aan de integratie ervan in het gehele assemblageproces. Onzekerheid brengt nieuwe uitdagingen met zich mee voor de transparantie van de toeleveringsketen en het kwaliteitsmanagement. Het waarborgen van de kwaliteit van zoveel onderdelen en eindproducten vereist betere en meer geïntegreerde kwaliteitsmethoden.
Industrie 4.0 staat voor de ontwikkeling van de maakindustrie, waarbij steeds geavanceerdere technologieën nodig zijn om aan strenge kwaliteitseisen te voldoen. Ondersteunende technologieën zijn onder andere het Industrial Internet of Things (IIoT), digitale threads, augmented reality (AR) en voorspellende analyses.
Kwaliteit 4.0 beschrijft een datagestuurde kwaliteitsmethode voor productieprocessen, die producten, processen, planning, naleving en normen omvat. Het bouwt voort op, in plaats van traditionele kwaliteitsmethoden te vervangen, en maakt gebruik van veel van dezelfde nieuwe technologieën als de industriële tegenhangers, waaronder machine learning, verbonden apparaten, cloud computing en digitale tweelingen, om de workflow van de organisatie te transformeren en mogelijke product- of procesdefecten te elimineren. De opkomst van Kwaliteit 4.0 zal naar verwachting de werkcultuur verder veranderen door een grotere afhankelijkheid van data en een diepere integratie van kwaliteit in het algehele productcreatieproces.
Kwaliteit 4.0 integreert operationele en kwaliteitsborgingsaspecten vanaf het begin tot aan de ontwerpfase. Dit omvat ook de conceptualisering en het ontwerp van producten. Recente brancheonderzoeken tonen aan dat de meeste markten geen geautomatiseerd ontwerpoverdrachtsproces hebben. Het handmatige proces laat ruimte voor fouten, of het nu gaat om interne fouten of om fouten in de communicatie van ontwerp en wijzigingen met de toeleveringsketen.
Naast ontwerp maakt Quality 4.0 ook gebruik van procesgerichte machine learning om verspilling te verminderen, herwerk te minimaliseren en productieparameters te optimaliseren. Bovendien lost het productprestatieproblemen na levering op, gebruikt het feedback van gebruikers om productsoftware op afstand bij te werken, waarborgt het de klanttevredenheid en zorgt het uiteindelijk voor herhaalde aankopen. Het wordt een onlosmakelijke partner van Industrie 4.0.
Kwaliteit is echter niet alleen van toepassing op specifieke schakels in het productieproces. De inclusieve aanpak van Kwaliteit 4.0 kan een alomvattende kwaliteitsbenadering in productieorganisaties implementeren, waardoor de transformerende kracht van data een integraal onderdeel wordt van het bedrijfsdenken. Compliance op alle niveaus van de organisatie draagt ​​bij aan de vorming van een algehele kwaliteitsgerichte cultuur.
Geen enkel productieproces kan 100% van de tijd perfect verlopen. Veranderende omstandigheden leiden tot onvoorziene gebeurtenissen die corrigerende maatregelen vereisen. Wie ervaring heeft met kwaliteit, begrijpt dat het draait om het proces van streven naar perfectie. Hoe zorgt u ervoor dat kwaliteit in het proces wordt geïntegreerd om problemen zo vroeg mogelijk te detecteren? Wat doet u als u een defect ontdekt? Zijn er externe factoren die dit probleem veroorzaken? Welke aanpassingen kunt u maken aan het inspectieplan of de testprocedure om te voorkomen dat dit probleem zich opnieuw voordoet?
Ontwikkel een mentaliteit waarbij elk productieproces een bijbehorend kwaliteitsproces heeft. Stel je een toekomst voor waarin er een één-op-één-relatie bestaat en de kwaliteit continu wordt gemeten. Wat er ook toevallig gebeurt, perfecte kwaliteit kan worden bereikt. Elk werkcentrum beoordeelt dagelijks indicatoren en key performance indicators (KPI's) om verbeterpunten te identificeren voordat problemen zich voordoen.
In dit gesloten-lussysteem heeft elk productieproces een kwaliteitsindicator die feedback geeft om het proces te stoppen, te laten doorgaan of realtime aanpassingen te maken. Het systeem wordt niet beïnvloed door vermoeidheid of menselijke fouten. Een gesloten-luskwaliteitssysteem, speciaal ontworpen voor de vliegtuigproductie, is essentieel om hogere kwaliteitsniveaus te bereiken, de doorlooptijden te verkorten en te voldoen aan de AS9100-normen.
Tien jaar geleden was het idee om kwaliteitsborging te richten op productontwerp, marktonderzoek, leveranciers, productservices of andere factoren die de klanttevredenheid beïnvloeden, ondenkbaar. Productontwerp werd gezien als iets dat van een hogere instantie kwam; kwaliteit ging over het uitvoeren van deze ontwerpen aan de lopende band, ongeacht eventuele tekortkomingen.
Tegenwoordig heroverwegen veel bedrijven hun manier van zakendoen. De status quo van 2018 is wellicht niet langer houdbaar. Steeds meer fabrikanten worden slimmer. Er is meer kennis beschikbaar, wat leidt tot betere inzichten om in één keer het juiste product te bouwen, met een hogere efficiëntie en betere prestaties.