Segundo SmarTech, unha empresa de consultoría de tecnoloxía de fabricación, o aeroespacial é a segunda industria máis grande atendida pola fabricación aditiva (AM), só superada pola medicina.Non obstante, aínda hai unha falta de conciencia sobre o potencial da fabricación aditiva de materiais cerámicos na fabricación rápida de compoñentes aeroespaciais, unha maior flexibilidade e rendibilidade.AM pode producir pezas cerámicas máis resistentes e lixeiras máis rápido e de forma máis sostible, reducindo os custos laborais, minimizando a montaxe manual e mellorando a eficiencia e o rendemento a través do deseño desenvolvido por modelaxe, reducindo así o peso da aeronave.Ademais, a tecnoloxía cerámica de fabricación aditiva proporciona control dimensional das pezas acabadas para características inferiores a 100 micras.
Non obstante, a palabra cerámica pode evocar a idea errónea de fraxilidade.De feito, as cerámicas de fabricación aditiva producen pezas máis lixeiras e finas cunha gran resistencia estrutural, tenacidade e resistencia a un amplo rango de temperaturas.As empresas con visión de futuro están recorrendo aos compoñentes de fabricación de cerámica, incluíndo boquillas e hélices, illantes eléctricos e aspas de turbina.
Por exemplo, a alúmina de alta pureza ten unha alta dureza e ten unha forte resistencia á corrosión e rango de temperatura.Os compoñentes feitos de alúmina tamén son illantes eléctricamente ás altas temperaturas habituais nos sistemas aeroespaciais.
A cerámica a base de zirconio pode satisfacer moitas aplicacións con requisitos de materiais extremos e alta tensión mecánica, como molduras metálicas de alta gama, válvulas e rodamentos.As cerámicas de nitruro de silicio teñen unha alta resistencia, alta tenacidade e excelente resistencia ao choque térmico, así como unha boa resistencia química á corrosión dunha variedade de ácidos, álcalis e metais fundidos.O nitruro de silicio úsase para illantes, impulsores e antenas de baixa dieléctrica de alta temperatura.
A cerámica composta proporciona varias calidades desexables.As cerámicas a base de silicio engadidas con alúmina e circón demostraron un bo rendemento na fabricación de fundicións de cristal único para aspas de turbina.Isto débese a que o núcleo cerámico feito con este material ten unha expansión térmica moi baixa ata 1.500 ° C, alta porosidade, excelente calidade superficial e boa lixiviación.A impresión destes núcleos pode producir deseños de turbinas que poden soportar temperaturas de funcionamento máis altas e aumentar a eficiencia do motor.
É ben sabido que o moldeado por inxección ou o mecanizado da cerámica é moi difícil, e o mecanizado proporciona un acceso limitado aos compoñentes que se fabrican.Características como paredes finas tamén son difíciles de mecanizar.
Non obstante, Lithoz utiliza a fabricación de cerámica baseada en litografía (LCM) para fabricar compoñentes cerámicos 3D precisos e de forma complexa.
A partir do modelo CAD, as especificacións detalladas transfírense dixitalmente á impresora 3D.A continuación, aplique o po cerámico formulado con precisión na parte superior da cuba transparente.A plataforma de construción móbil está inmersa no barro e despois exponse selectivamente á luz visible desde abaixo.A imaxe da capa é xerada por un dispositivo de micro-espelo dixital (DMD) acoplado ao sistema de proxección.Ao repetir este proceso, pódese xerar unha parte verde tridimensional capa por capa.Despois do post-tratamento térmico, elimínase o aglutinante e as partes verdes son sinterizadas, combinadas mediante un proceso de quecemento especial, para producir unha peza cerámica completamente densa con excelentes propiedades mecánicas e calidade superficial.
A tecnoloxía LCM proporciona un proceso innovador, rendible e máis rápido para a fundición de investimento de compoñentes do motor de turbina, evitando a costosa e laboriosa fabricación de moldes necesaria para o moldeado por inxección e a fundición á cera perdida.
O LCM tamén pode conseguir deseños que non se poden conseguir con outros métodos, ao tempo que utiliza moitas menos materias primas que outros métodos.
A pesar do gran potencial dos materiais cerámicos e da tecnoloxía LCM, aínda hai unha brecha entre os fabricantes de equipos orixinais (OEM) de AM e os deseñadores aeroespaciais.
Unha razón pode ser a resistencia aos novos métodos de fabricación en industrias con requisitos de seguridade e calidade especialmente estritos.A fabricación aeroespacial require moitos procesos de verificación e cualificación, así como probas exhaustivas e rigorosas.
Outro obstáculo inclúe a crenza de que a impresión 3D só é adecuada principalmente para a creación rápida de prototipos dunha soa vez, en lugar de calquera cousa que se poida poñer en uso no aire.De novo, este é un malentendido e comprobouse que os compoñentes cerámicos impresos en 3D se utilizan na produción en masa.
Un exemplo é a fabricación de palas de turbina, onde o proceso cerámico AM produce núcleos de cristal único (SX), así como aspas de turbina de superaliaxe de solidificación direccional (DS) e fundición equiaxial (EX).Pódense producir núcleos con estruturas de ramas complexas, varias paredes e bordos posteriores de menos de 200 μm de forma rápida e económica, e os compoñentes finais teñen unha precisión dimensional consistente e un excelente acabado superficial.
A mellora da comunicación pode reunir a deseñadores aeroespaciais e fabricantes de equipos originales de AM e confiar plenamente en compoñentes cerámicos fabricados mediante LCM e outras tecnoloxías.A tecnoloxía e a experiencia existen.Debe cambiar a forma de pensar desde a AM para a I+D e a creación de prototipos, e velo como o camiño a seguir para aplicacións comerciais a gran escala.
Ademais da educación, as empresas aeroespaciais tamén poden investir tempo en persoal, enxeñaría e probas.Os fabricantes deben estar familiarizados cos diferentes estándares e métodos para avaliar a cerámica, non os metais.Por exemplo, as dúas normas ASTM clave de Lithoz para cerámicas estruturais son ASTM C1161 para probas de resistencia e ASTM C1421 para probas de tenacidade.Estas normas aplícanse á cerámica producida por todos os métodos.Na fabricación aditiva cerámica, o paso de impresión é só un método de conformación e as pezas sofren o mesmo tipo de sinterización que a cerámica tradicional.Polo tanto, a microestrutura das pezas cerámicas será moi similar ao mecanizado convencional.
Con base no avance continuo dos materiais e da tecnoloxía, podemos dicir con confianza que os deseñadores obterán máis datos.Desenvolveranse e personalizaranse novos materiais cerámicos segundo as necesidades específicas de enxeñaría.As pezas fabricadas con cerámica AM completarán o proceso de certificación para o seu uso no sector aeroespacial.E proporcionará mellores ferramentas de deseño, como un software de modelado mellorado.
Ao cooperar con expertos técnicos de LCM, as empresas aeroespaciais poden introducir procesos cerámicos AM internamente, reducindo o tempo, reducindo custos e creando oportunidades para o desenvolvemento da propiedade intelectual da propia empresa.Con previsión e planificación a longo prazo, as empresas aeroespaciais que invisten en tecnoloxía cerámica poden obter beneficios significativos en toda a súa carteira de produción nos próximos dez anos e máis aló.
Ao establecer unha asociación con AM Ceramics, os fabricantes de equipos orixinais aeroespaciais producirán compoñentes que antes eran inimaxinables.
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 falará sobre as dificultades de comunicar eficazmente as vantaxes da fabricación de aditivos cerámicos na Ceramics Expo de Cleveland, Ohio, o 1 de setembro de 2021.
Aínda que o desenvolvemento de sistemas de voo hipersónico existe desde hai décadas, agora converteuse na principal prioridade da defensa nacional dos EUA, levando este campo a un estado de rápido crecemento e cambio.Como campo multidisciplinar único, o reto é atopar expertos coas habilidades necesarias para favorecer o seu desenvolvemento.Non obstante, cando non hai suficientes expertos, crea unha brecha de innovación, como poñer o deseño para a manufacturabilidade (DFM) primeiro na fase de I+D, e despois converterse nunha brecha de fabricación cando é demasiado tarde para facer cambios rendibles.
As alianzas, como a recentemente creada University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), proporcionan un ambiente importante para cultivar os talentos necesarios para avanzar no campo.Os estudantes poden traballar directamente con investigadores universitarios e profesionais da industria para desenvolver tecnoloxía e avanzar na investigación hipersónica crítica.
Aínda que a UCAH e outros consorcios de defensa autorizaron aos membros a participar nunha variedade de traballos de enxeñería, hai que traballar máis para cultivar talentos diversos e experimentados, desde o deseño ata o desenvolvemento e selección de materiais ata talleres de fabricación.
Co fin de proporcionar un valor máis duradeiro no campo, a alianza universitaria debe facer que o desenvolvemento da forza de traballo sexa unha prioridade aliñando coas necesidades da industria, implicando aos membros na investigación adecuada para a industria e investindo no programa.
Ao transformar a tecnoloxía hipersónica en proxectos manufacturables a gran escala, a brecha existente en materia de enxeñería e fabricación é o maior desafío.Se as primeiras investigacións non atravesan este ben nomeado val da morte -a brecha entre a I+D e a fabricación, e moitos proxectos ambiciosos fracasaron-, entón perdemos unha solución aplicable e viable.
A industria manufacturera estadounidense pode acelerar a velocidade supersónica, pero o risco de quedar atrás é ampliar o tamaño da forza de traballo para igualar.Polo tanto, o goberno e os consorcios de desenvolvemento universitario deben cooperar cos fabricantes para poñer en práctica estes plans.
A industria experimentou lagoas de habilidades desde talleres de fabricación ata laboratorios de enxeñería; estas lagoas só aumentarán a medida que o mercado hipersónico creza.As tecnoloxías emerxentes requiren unha forza laboral emerxente para ampliar o coñecemento no campo.
O traballo hipersónico abarca varias áreas clave diferentes de diversos materiais e estruturas, e cada área ten o seu propio conxunto de desafíos técnicos.Requiren un alto nivel de coñecemento detallado, e se non existe a experiencia necesaria, isto pode crear obstáculos para o desenvolvemento e a produción.Se non temos xente suficiente para manter o posto de traballo, será imposible manter a demanda de produción a alta velocidade.
Por exemplo, necesitamos persoas que poidan construír o produto final.A UCAH e outros consorcios son esenciais para promover a fabricación moderna e garantir que se inclúan estudantes interesados ​​no papel da fabricación.A través dos esforzos de desenvolvemento da forza de traballo dedicado multifuncional, a industria poderá manter unha vantaxe competitiva nos plans de voo hipersónico nos próximos anos.
Ao establecer UCAH, o Departamento de Defensa está a crear unha oportunidade para adoptar un enfoque máis centrado na creación de capacidades nesta área.Todos os membros da coalición deben traballar xuntos para adestrar as capacidades de nicho dos estudantes para que poidamos construír e manter o impulso da investigación e expandilo para producir os resultados que o noso país necesita.
A NASA Advanced Composites Alliance, agora pechada, é un exemplo dun esforzo de desenvolvemento exitoso da forza de traballo.A súa eficacia é o resultado de combinar o traballo de I+D cos intereses da industria, o que permite que a innovación se expanda por todo o ecosistema de desenvolvemento.Os líderes da industria traballaron directamente coa NASA e as universidades en proxectos durante dous ou catro anos.Todos os membros desenvolveron coñecementos e experiencia profesionais, aprenderon a cooperar nun ambiente non competitivo e fomentaron que os estudantes universitarios se desenvolvan para alimentar aos principais actores da industria no futuro.
Este tipo de desenvolvemento da forza de traballo enche as lagoas na industria e ofrece oportunidades para que as pequenas empresas innoven rapidamente e diversifiquen o campo para lograr un maior crecemento propicio para as iniciativas de seguridade nacional e económica dos Estados Unidos.
As alianzas universitarias, incluíndo a UCAH, son activos importantes no campo hipersónico e na industria da defensa.Aínda que a súa investigación promoveu innovacións emerxentes, o seu maior valor reside na súa capacidade para formar a nosa próxima xeración de traballadores.Agora o consorcio ten que priorizar o investimento nestes plans.Ao facelo, poden axudar a fomentar o éxito a longo prazo da innovación hipersónica.
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.
Os fabricantes de produtos complexos e de alta enxeñaría (como compoñentes de aeronaves) apostan pola perfección en todo momento.Non hai marxe de manobra.
Debido a que a produción de avións é extremadamente complexa, os fabricantes deben xestionar coidadosamente o proceso de calidade, prestando moita atención a cada paso.Isto require unha comprensión profunda de como xestionar e adaptarse ás cuestións dinámicas de produción, calidade, seguridade e cadea de subministración ao tempo que se cumpren os requisitos regulamentarios.
Debido a que moitos factores afectan a entrega de produtos de alta calidade, é difícil xestionar pedidos de produción complexos e que cambian con frecuencia.O proceso de calidade debe ser dinámico en todos os aspectos da inspección e deseño, produción e probas.Grazas ás estratexias da Industria 4.0 e ás solucións de fabricación modernas, estes retos de calidade fixéronse máis fáciles de xestionar e superar.
O foco tradicional da produción de avións sempre estivo nos materiais.A fonte da maioría dos problemas de calidade pode ser a fractura fráxil, a corrosión, a fatiga do metal ou outros factores.Non obstante, a produción de aeronaves actual inclúe tecnoloxías avanzadas e de alta enxeñaría que utilizan materiais resistentes.A creación de produtos utiliza procesos e sistemas electrónicos altamente especializados e complexos.É posible que as solucións de software de xestión de operacións xerais xa non sexan capaces de resolver problemas extremadamente complexos.
Pódense adquirir pezas máis complexas na cadea de subministración global, polo que hai que ter en conta a súa integración durante todo o proceso de montaxe.A incerteza trae novos retos para a visibilidade da cadea de subministración e a xestión da calidade.Garantir a calidade de tantas pezas e produtos acabados require métodos de calidade mellores e máis integrados.
A industria 4.0 representa o desenvolvemento da industria manufacturera, e son necesarias tecnoloxías cada vez máis avanzadas para cumprir os estritos requisitos de calidade.As tecnoloxías de apoio inclúen Internet industrial das cousas (IIoT), fíos dixitais, realidade aumentada (AR) e análise preditiva.
Calidade 4.0 describe un método de calidade do proceso de produción baseado en datos que inclúe produtos, procesos, planificación, cumprimento e estándares.Constrúese en lugar de substituír os métodos de calidade tradicionais, utilizando moitas das mesmas novas tecnoloxías que os seus homólogos industriais, incluíndo aprendizaxe automática, dispositivos conectados, computación en nube e xemelgos dixitais para transformar o fluxo de traballo da organización e eliminar posibles defectos de produtos ou procesos.Espérase que a aparición da calidade 4.0 cambie aínda máis a cultura do lugar de traballo ao aumentar a dependencia dos datos e un uso máis profundo da calidade como parte do método global de creación de produtos.
Calidade 4.0 integra cuestións operativas e de garantía de calidade (QA) desde o principio ata a fase de deseño.Isto inclúe como conceptualizar e deseñar produtos.Os resultados recentes da enquisa da industria indican que a maioría dos mercados non teñen un proceso de transferencia de deseño automatizado.O proceso manual deixa espazo para erros, xa se trate dun erro interno ou de comunicación de deseño e cambios na cadea de subministración.
Ademais do deseño, Quality 4.0 tamén utiliza a aprendizaxe automática centrada no proceso para reducir o desperdicio, reducir o reelaborado e optimizar os parámetros de produción.Ademais, tamén resolve problemas de rendemento do produto despois da entrega, utiliza comentarios no lugar para actualizar o software do produto de forma remota, mantén a satisfacción do cliente e, en definitiva, garante a repetición dos negocios.Estase a converter nun socio inseparable da Industria 4.0.
Non obstante, a calidade non só é aplicable ás ligazóns de fabricación seleccionadas.A inclusión da calidade 4.0 pode inculcar un enfoque de calidade integral nas organizacións de fabricación, facendo do poder transformador dos datos unha parte integrante do pensamento corporativo.O cumprimento a todos os niveis da organización contribúe á formación dunha cultura global de calidade.
Ningún proceso de produción pode funcionar perfectamente no 100 % do tempo.As condicións cambiantes provocan eventos imprevistos que requiren remediación.Os que teñen experiencia en calidade entenden que todo se trata do proceso de avanzar cara á perfección.Como se garante que a calidade se incorpore ao proceso para detectar problemas canto antes?Que farás cando atopes o defecto?Hai algún factor externo que cause este problema?Que cambios pode facer no plan de inspección ou no procedemento de proba para evitar que se repita este problema?
Establecer unha mentalidade de que cada proceso de produción ten un proceso de calidade relacionado e relacionado.Imaxina un futuro onde haxa unha relación un a un e mida constantemente a calidade.Non importa o que ocorre ao azar, pódese conseguir unha calidade perfecta.Cada centro de traballo revisa os indicadores e os indicadores clave de rendemento (KPI) diariamente para identificar áreas de mellora antes de que se produzan problemas.
Neste sistema de bucle pechado, cada proceso de produción ten unha inferencia de calidade, que proporciona retroalimentación para deter o proceso, permitir que o proceso continúe ou facer axustes en tempo real.O sistema non se ve afectado pola fatiga nin por erros humanos.Un sistema de calidade en bucle pechado deseñado para a produción de aeronaves é esencial para acadar niveis de calidade máis altos, acurtar os tempos de ciclo e garantir o cumprimento das normas AS9100.
Hai dez anos, a idea de centrar o control de calidade no deseño de produtos, investigación de mercado, provedores, servizos de produtos ou outros factores que afectan a satisfacción do cliente era imposible.Enténdese que o deseño do produto procede dunha autoridade superior;a calidade consiste en executar estes deseños na cadea de montaxe, independentemente das súas deficiencias.
Hoxe, moitas empresas están repensando como facer negocios.É posible que o status quo en 2018 xa non sexa posible.Cada vez son máis os fabricantes que son cada vez máis intelixentes.Hai máis coñecemento dispoñible, o que significa unha mellor intelixencia para construír o produto axeitado a primeira vez, cunha maior eficiencia e rendemento.