Volgens SmarTech, een adviesbureau op het gebied van productietechnologie, is de ruimtevaart de op een na grootste industrie die wordt bediend door additive manufacturing (AM), na de geneeskunde.Er is echter nog steeds een gebrek aan bewustzijn van het potentieel van additieve productie van keramische materialen bij de snelle productie van lucht- en ruimtevaartcomponenten, verhoogde flexibiliteit en kosteneffectiviteit.AM kan sterkere en lichtere keramische onderdelen sneller en duurzamer produceren, waardoor de arbeidskosten worden verlaagd, de handmatige montage wordt geminimaliseerd en de efficiëntie en prestaties worden verbeterd door middel van ontwerp dat is ontwikkeld door modellering, waardoor het gewicht van het vliegtuig wordt verminderd.Bovendien zorgt de keramische technologie voor additieve productie voor dimensionale controle van afgewerkte onderdelen voor elementen kleiner dan 100 micron.
Het woord keramiek kan echter de misvatting van broosheid oproepen.In feite produceert additief vervaardigd keramiek lichtere, fijnere onderdelen met een grote structurele sterkte, taaiheid en weerstand tegen een breed temperatuurbereik.Toekomstgerichte bedrijven wenden zich tot keramische productiecomponenten, waaronder straalpijpen en propellers, elektrische isolatoren en turbinebladen.
Hoogzuiver aluminiumoxide heeft bijvoorbeeld een hoge hardheid en een sterke corrosieweerstand en temperatuurbereik.Componenten gemaakt van aluminiumoxide zijn ook elektrisch isolerend bij de hoge temperaturen die gebruikelijk zijn in lucht- en ruimtevaartsystemen.
Keramiek op basis van zirkonium kan voldoen aan vele toepassingen met extreme materiaalvereisten en hoge mechanische belasting, zoals hoogwaardige metalen gietstukken, kleppen en lagers.Siliciumnitride-keramiek heeft een hoge sterkte, hoge taaiheid en uitstekende thermische schokbestendigheid, evenals een goede chemische weerstand tegen de corrosie van een verscheidenheid aan zuren, logen en gesmolten metalen.Siliciumnitride wordt gebruikt voor isolatoren, waaiers en lage diëlektrische antennes voor hoge temperaturen.
Composietkeramiek biedt verschillende wenselijke eigenschappen.Keramiek op siliciumbasis waaraan aluminiumoxide en zirkoon zijn toegevoegd, hebben bewezen goed te presteren bij de vervaardiging van monokristallijne gietstukken voor turbinebladen.Dit komt doordat de keramische kern van dit materiaal een zeer lage thermische uitzetting tot 1.500°C, hoge porositeit, uitstekende oppervlaktekwaliteit en goede uitloogbaarheid heeft.Door deze kernen te printen kunnen turbineontwerpen worden geproduceerd die bestand zijn tegen hogere bedrijfstemperaturen en de motorefficiëntie verhogen.
Het is algemeen bekend dat het spuitgieten of machinaal bewerken van keramiek erg moeilijk is, en machinaal bewerken biedt beperkte toegang tot de componenten die worden vervaardigd.Kenmerken zoals dunne wanden zijn ook moeilijk te bewerken.
Lithoz maakt echter gebruik van op lithografie gebaseerde keramische productie (LCM) om nauwkeurige, complex gevormde 3D-keramische componenten te vervaardigen.
Vanuit het CAD-model worden de gedetailleerde specificaties digitaal overgebracht naar de 3D-printer.Breng vervolgens het nauwkeurig geformuleerde keramische poeder aan op de bovenkant van het transparante vat.Het beweegbare bouwplatform wordt ondergedompeld in de modder en vervolgens selectief blootgesteld aan zichtbaar licht van onderaf.Het laagbeeld wordt gegenereerd door een digitaal microspiegelapparaat (DMD) gekoppeld aan het projectiesysteem.Door dit proces te herhalen kan laag voor laag een driedimensionaal groendeel worden gegenereerd.Na thermische nabehandeling wordt het bindmiddel verwijderd en worden de groene delen gesinterd – gecombineerd door een speciaal verwarmingsproces – 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 investeringsgieten van onderdelen van turbinemotoren, waarbij de dure en arbeidsintensieve matrijsproductie die nodig is voor spuitgieten en verloren wasgieten wordt omzeild.
LCM kan ook ontwerpen realiseren die met andere methoden niet kunnen worden bereikt, terwijl er veel minder grondstoffen worden gebruikt dan andere methoden.
Ondanks het grote potentieel van keramische materialen en LCM-technologie bestaat er nog steeds een kloof tussen AM Original Equipment Manufacturers (OEM) en ruimtevaartontwerpers.
Eén reden kan de weerstand zijn tegen nieuwe productiemethoden in industrieën met bijzonder strenge veiligheids- en kwaliteitseisen.De productie in de lucht- en ruimtevaart vereist veel verificatie- en kwalificatieprocessen, evenals grondige en rigoureuze tests.
Een ander obstakel is de overtuiging dat 3D-printen vooral alleen geschikt is voor eenmalige rapid prototyping, en niet voor iets dat in de lucht in gebruik kan worden genomen.Nogmaals, dit is een misverstand en het is bewezen dat 3D-geprinte keramische componenten worden gebruikt in massaproductie.
Een voorbeeld is de vervaardiging van turbinebladen, waarbij het AM-keramische proces monokristallijne (SX) kernen produceert, evenals directionele stolling (DS) en gelijkassig gegoten (EX) turbinebladen van superlegering.Kernen met complexe vertakkingsstructuren, meerdere wanden en achterranden van minder dan 200 μm kunnen snel en economisch worden geproduceerd, en de uiteindelijke componenten hebben een consistente maatnauwkeurigheid en een uitstekende oppervlakteafwerking.
Het verbeteren van de communicatie kan lucht- en ruimtevaartontwerpers en AM-OEM's samenbrengen en volledig vertrouwen op keramische componenten die zijn vervaardigd met behulp van LCM en andere technologieën.Technologie en expertise bestaan.Het moet de manier van denken veranderen van AM voor R&D en prototyping, en het zien als de weg vooruit voor grootschalige commerciële toepassingen.
Naast onderwijs kunnen lucht- en ruimtevaartbedrijven ook tijd investeren in personeel, engineering en testen.Fabrikanten moeten bekend zijn met verschillende normen en methoden voor het beoordelen van keramiek, niet van metalen.De twee belangrijkste ASTM-normen van Lithoz voor structurele keramiek zijn bijvoorbeeld ASTM C1161 voor sterktetests en ASTM C1421 voor taaiheidstests.Deze normen zijn van toepassing op keramiek dat volgens alle methoden is geproduceerd.Bij keramische additieve productie is de printstap slechts een vormmethode en ondergaan de onderdelen hetzelfde soort sinteren als traditioneel keramiek.Daarom zal de microstructuur van keramische onderdelen sterk lijken op die van conventionele bewerking.
Op basis van de voortdurende vooruitgang van materialen en technologie kunnen we vol vertrouwen zeggen dat ontwerpers meer gegevens zullen krijgen.Nieuwe keramische materialen zullen worden ontwikkeld en aangepast aan specifieke technische behoeften.Onderdelen gemaakt van AM-keramiek voltooien het certificeringsproces voor gebruik in de lucht- en ruimtevaart.En zal betere ontwerptools bieden, zoals verbeterde modelleringssoftware.
Door samen te werken met technische experts van LCM kunnen lucht- en ruimtevaartbedrijven AM-keramische processen intern introduceren, waardoor de tijd wordt verkort, de kosten worden verlaagd en kansen worden gecreëerd voor de ontwikkeling van het eigen intellectuele eigendom van het bedrijf.Met vooruitziende blik en langetermijnplanning kunnen lucht- en ruimtevaartbedrijven die investeren in keramische technologie de komende tien jaar en daarna aanzienlijke voordelen behalen in hun gehele productieportfolio.
Door een partnerschap met AM Ceramics aan te gaan, zullen fabrikanten van originele uitrusting uit de lucht- en ruimtevaart componenten gaan 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 spreken over de moeilijkheden bij het effectief communiceren van de voordelen van keramische additieve productie op de Ceramics Expo in Cleveland, Ohio op 1 september 2021.
Hoewel de ontwikkeling van hypersonische vluchtsystemen al tientallen jaren bestaat, is het nu de topprioriteit van de Amerikaanse nationale defensie geworden, waardoor dit vakgebied in een staat van snelle groei en verandering terechtkomt.Omdat het een uniek multidisciplinair vakgebied is, bestaat de uitdaging erin deskundigen te vinden met de nodige vaardigheden om de ontwikkeling ervan te bevorderen.Als er echter niet genoeg experts zijn, ontstaat er een innovatiekloof, zoals het vooropstellen van ontwerp voor maakbaarheid (DFM) in de R&D-fase, en vervolgens veranderen in een productiekloof als het te laat is om kosteneffectieve veranderingen door te voeren.
Allianties, zoals de nieuw opgerichte University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), bieden een belangrijke omgeving voor het cultiveren van de talenten die nodig zijn om het vakgebied vooruit te helpen.Studenten kunnen rechtstreeks samenwerken met universitaire onderzoekers en professionals uit de industrie om technologie te ontwikkelen en kritisch hypersonisch onderzoek te bevorderen.
Hoewel UCAH en andere defensieconsortia leden toestemming hebben gegeven om een ​​verscheidenheid aan technische banen uit te oefenen, moet er meer werk worden gedaan om diverse en ervaren talenten te cultiveren, van ontwerp tot materiaalontwikkeling en -selectie tot productieateliers.
Om meer blijvende waarde in het veld te bieden, moet de universitaire alliantie de ontwikkeling van het personeelsbestand tot een prioriteit maken door zich aan te passen aan de behoeften van de sector, leden te betrekken bij onderzoek dat geschikt is voor de sector, en te investeren in het programma.
Bij het transformeren van hypersonische technologie in grootschalige produceerbare projecten is de bestaande kloof in arbeidsvaardigheden op het gebied van engineering en productie de grootste uitdaging.Als vroeg onderzoek deze toepasselijk genoemde vallei des doods – de kloof tussen R&D en productie, en veel ambitieuze projecten zijn mislukt – niet doorkruist, zijn we een toepasbare en haalbare oplossing kwijt.
De Amerikaanse maakindustrie kan de supersonische snelheid versnellen, maar het risico om achterop te raken is het uitbreiden van de omvang van de beroepsbevolking.Daarom moeten de ontwikkelingsconsortia van de overheid en universiteiten samenwerken met fabrikanten om deze plannen in de praktijk te brengen.
De industrie heeft te maken gehad met lacunes in vaardigheden, van productiewerkplaatsen tot technische laboratoria; deze lacunes zullen alleen maar groter worden naarmate de hypersonische markt groeit.Opkomende technologieën vereisen een opkomende beroepsbevolking om de kennis op dit gebied uit te breiden.
Hypersonisch werk omvat verschillende sleutelgebieden van verschillende materialen en structuren, en elk gebied heeft zijn eigen reeks technische uitdagingen.Ze vereisen een hoog niveau van gedetailleerde kennis, en als de vereiste expertise niet bestaat, kan dit obstakels opleveren voor de ontwikkeling en productie.Als we niet genoeg mensen hebben om de baan te behouden, zal het onmogelijk zijn om aan de vraag naar snelle productie te voldoen.
We hebben bijvoorbeeld mensen nodig die het eindproduct kunnen bouwen.UCAH en andere consortia zijn essentieel om de moderne productie te bevorderen en ervoor te zorgen dat studenten die geïnteresseerd zijn in de rol van productie hierbij worden betrokken.Door middel van cross-functionele, toegewijde inspanningen voor de ontwikkeling van het personeelsbestand zal de industrie de komende jaren een concurrentievoordeel kunnen behouden op het gebied van hypersonische vluchtplannen.
Door de oprichting van UCAH creëert het Ministerie van Defensie de mogelijkheid om een ​​meer gerichte aanpak te volgen bij het opbouwen van capaciteiten op dit gebied.Alle coalitieleden moeten samenwerken om de nichecapaciteiten van de studenten te trainen, zodat we het momentum van het onderzoek kunnen opbouwen en behouden en kunnen uitbreiden om de resultaten te produceren die ons land nodig heeft.
De nu gesloten NASA Advanced Composites Alliance is een voorbeeld van een succesvolle inspanning voor de ontwikkeling van personeel.De effectiviteit ervan is het resultaat van het combineren van R&D-werk met industriële belangen, waardoor innovatie zich kan uitbreiden door het gehele ontwikkelingsecosysteem.Leiders uit de industrie hebben twee tot vier jaar rechtstreeks met NASA en universiteiten aan projecten samengewerkt.Alle leden hebben professionele kennis en ervaring ontwikkeld, geleerd samen te werken in een niet-competitieve omgeving en studenten gestimuleerd om zich te ontwikkelen om in de toekomst belangrijke spelers in de sector te kunnen ondersteunen.
Dit soort personeelsontwikkeling vult gaten in de sector op en biedt mogelijkheden voor kleine bedrijven om snel te innoveren en het vakgebied te diversifiëren om verdere groei te realiseren, wat bevorderlijk is voor Amerikaanse initiatieven op het gebied van nationale veiligheid en economische veiligheid.
Universitaire allianties, waaronder UCAH, zijn belangrijke troeven in het hypersonische veld en de defensie-industrie.Hoewel hun onderzoek opkomende innovaties heeft bevorderd, ligt hun grootste waarde in hun vermogen om onze volgende generatie arbeidskrachten op te leiden.Het consortium moet nu prioriteit geven aan investeringen in dergelijke plannen.Door dit te doen, kunnen ze het langetermijnsucces van hypersonische innovatie helpen bevorderen.
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, hoogontwikkelde producten (zoals vliegtuigonderdelen) streven keer op keer naar perfectie.Er is geen manoeuvreerruimte.
Omdat de vliegtuigproductie uiterst complex is, moeten fabrikanten het kwaliteitsproces zorgvuldig beheren en veel aandacht besteden aan elke stap.Dit vereist een diepgaand inzicht in de manier waarop dynamische productie-, kwaliteits-, veiligheids- en supply chain-problemen kunnen worden beheerd en aangepast, terwijl tegelijkertijd aan de wettelijke vereisten wordt voldaan.
Omdat veel factoren van invloed zijn op de levering van hoogwaardige producten, is het lastig om complexe en vaak wisselende productieorders te beheren.Het kwaliteitsproces moet dynamisch zijn in elk aspect van inspectie en ontwerp, productie en testen.Dankzij Industrie 4.0-strategieën en moderne productieoplossingen zijn deze kwaliteitsuitdagingen gemakkelijker te beheren en te overwinnen geworden.
De traditionele focus van de vliegtuigproductie lag altijd op materialen.De bron van de meeste kwaliteitsproblemen kan brosse breuk, corrosie, metaalmoeheid of andere factoren zijn.De hedendaagse vliegtuigproductie omvat echter geavanceerde, hoogontwikkelde technologieën die gebruik maken van resistente materialen.Bij het maken van producten wordt gebruik gemaakt van zeer gespecialiseerde en complexe processen en elektronische systemen.Softwareoplossingen voor algemeen operationeel beheer zijn mogelijk niet langer in staat extreem complexe problemen op te lossen.
Complexere onderdelen kunnen via de wereldwijde toeleveringsketen worden gekocht, dus er moet meer aandacht worden besteed aan de integratie ervan in het assemblageproces.Onzekerheid brengt nieuwe uitdagingen met zich mee voor de zichtbaarheid van de supply chain en het kwaliteitsmanagement.Om de kwaliteit van zoveel onderdelen en eindproducten te garanderen, zijn betere en meer geïntegreerde kwaliteitsmethoden nodig.
Industrie 4.0 vertegenwoordigt de ontwikkeling van de maakindustrie en er zijn steeds meer geavanceerde technologieën nodig om aan strenge kwaliteitseisen te voldoen.Ondersteunende technologieën zijn onder meer het Industrial Internet of Things (IIoT), digitale threads, augmented reality (AR) en voorspellende analyses.
Kwaliteit 4.0 beschrijft een datagestuurde kwaliteitsmethode voor het productieproces waarbij producten, processen, planning, compliance en standaarden betrokken zijn.Het is gebaseerd op traditionele kwaliteitsmethoden, in plaats van deze te vervangen, en maakt gebruik van veel van dezelfde nieuwe technologieën als zijn industriële tegenhangers, waaronder machinaal leren, 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 cultuur op de werkplek verder veranderen door de afhankelijkheid van data te vergroten en een dieper gebruik van kwaliteit als onderdeel van de algehele methode voor productcreatie.
Kwaliteit 4.0 integreert operationele en kwaliteitsborgingskwesties (QA) vanaf het begin tot de ontwerpfase.Dit omvat ook het conceptualiseren en ontwerpen van producten.Recente resultaten van een brancheonderzoek geven aan dat de meeste markten niet over een geautomatiseerd proces voor ontwerpoverdracht beschikken.Het handmatige proces laat ruimte voor fouten, of het nu gaat om een ​​interne fout of om een ​​communicatief ontwerp en wijzigingen in de supply chain.
Naast ontwerp maakt Quality 4.0 ook gebruik van procesgerichte machine learning om verspilling te verminderen, herbewerking te verminderen en productieparameters te optimaliseren.Bovendien lost het ook problemen met de productprestaties na levering op, gebruikt het feedback ter plaatse om de productsoftware op afstand bij te werken, handhaaft het de klanttevredenheid en zorgt het uiteindelijk voor herhalingsaankopen.Het wordt een onafscheidelijke partner van Industrie 4.0.
Kwaliteit is echter niet alleen van toepassing op geselecteerde productieschakels.De inclusiviteit van Kwaliteit 4.0 kan leiden tot een alomvattende kwaliteitsbenadering in productieorganisaties, 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 kwaliteitscultuur.
Geen enkel productieproces kan 100% van de tijd perfect verlopen.Veranderende omstandigheden veroorzaken onvoorziene gebeurtenissen die herstel vereisen.Degenen die ervaring hebben met kwaliteit begrijpen dat het allemaal gaat om het proces van streven naar perfectie.Hoe zorg je ervoor dat kwaliteit wordt meegenomen in het proces om problemen zo vroeg mogelijk op te sporen?Wat gaat u doen als u het defect ontdekt?Zijn er externe factoren die dit probleem veroorzaken?Welke wijzigingen kunt u aanbrengen in het inspectieplan of de testprocedure om te voorkomen dat dit probleem zich opnieuw voordoet?
Zorg voor een mentaliteit dat elk productieproces een gerelateerd en gerelateerd kwaliteitsproces heeft.Stel je een toekomst voor waarin er sprake is van een één-op-één-relatie en waarbij de kwaliteit voortdurend wordt gemeten.Wat er ook willekeurig gebeurt, perfecte kwaliteit kan worden bereikt.Elk werkcentrum beoordeelt dagelijks de indicatoren en Key Performance Indicators (KPI's) om verbeterpunten te identificeren voordat er zich problemen voordoen.
In dit gesloten systeem heeft elk productieproces een kwaliteitsconclusie, die feedback geeft om het proces te stoppen, door te laten gaan of in realtime aanpassingen aan te brengen.Het systeem wordt niet beïnvloed door vermoeidheid of menselijke fouten.Een gesloten kwaliteitssysteem ontworpen voor de vliegtuigproductie is essentieel om hogere kwaliteitsniveaus te bereiken, cyclustijden te verkorten en naleving van de AS9100-normen te garanderen.
Tien jaar geleden was het idee om QA te richten op productontwerp, marktonderzoek, leveranciers, productdiensten of andere factoren die de klanttevredenheid beïnvloeden onmogelijk.Er wordt aangenomen dat productontwerp afkomstig is van een hogere autoriteit;kwaliteit gaat over het uitvoeren van deze ontwerpen aan de lopende band, ongeacht hun tekortkomingen.
Tegenwoordig heroverwegen veel bedrijven hoe ze zaken moeten doen.De status quo in 2018 is misschien niet meer mogelijk.Steeds meer fabrikanten worden slimmer en slimmer.Er is meer kennis beschikbaar, wat betekent dat er betere intelligentie is om in de eerste keer het juiste product te bouwen, met hogere efficiëntie en prestaties.