Segundo SmarTech, unha empresa de consultoría de tecnoloxía de fabricación, a industria aeroespacial é a segunda industria máis grande á que serve a fabricación aditiva (FA), só por detrás da medicina. Non obstante, aínda existe unha falta de coñecemento do potencial da fabricación aditiva de materiais cerámicos na fabricación rápida de compoñentes aeroespaciais, unha maior flexibilidade e rendibilidade. A FA pode producir pezas cerámicas máis fortes e lixeiras de forma máis rápida e sostible, o que reduce os custos laborais, minimiza a montaxe manual e mellora a eficiencia e o rendemento mediante o deseño desenvolvido mediante modelado, o que reduce o peso da aeronave. Ademais, a tecnoloxía cerámica de fabricación aditiva proporciona control dimensional das pezas acabadas para características menores de 100 micras.
Non obstante, a palabra cerámica pode evocar a idea errónea da fraxilidade. De feito, a cerámica fabricada por aditivos produce pezas máis lixeiras e finas con gran resistencia estrutural, tenacidade e resistencia a un amplo rango de temperaturas. As empresas con visión de futuro están a recorrer a compoñentes de fabricación cerámicos, incluíndo boquillas e hélices, illantes eléctricos e palas de turbinas.
Por exemplo, a alúmina de alta pureza ten unha dureza elevada, unha forte resistencia á corrosión e un rango de temperaturas elevados. Os compoñentes feitos de alúmina tamén son illantes electricamente ás altas temperaturas habituais nos sistemas aeroespaciais.
A cerámica a base de circonio pode cumprir moitas aplicacións con requisitos de materiais extremos e alta tensión mecánica, como moldaxe de metais de alta gama, válvulas e rolamentos. As cerámicas de nitruro de silicio teñen alta resistencia, alta tenacidade e excelente resistencia ao choque térmico, así como boa resistencia química á corrosión dunha variedade de ácidos, álcalis e metais fundidos. O nitruro de silicio utilízase para illantes, impulsores e antenas de baixa temperatura e baixo dieléctrico.
As cerámicas compostas ofrecen varias calidades desexables. As cerámicas a base de silicio con alúmina e circón demostraron ter un bo rendemento na fabricación de pezas fundidas de monocristalino para as palas das turbinas. Isto débese a que o núcleo cerámico feito deste material ten unha expansión térmica moi baixa ata 1500 °C, alta porosidade, excelente calidade superficial e boa lixiviabilidade. A impresión destes núcleos pode producir deseños de turbinas que poden soportar temperaturas de funcionamento máis elevadas e aumentar a eficiencia do motor.
É ben sabido que o moldeo por inxección ou o mecanizado de cerámica é moi difícil, e o mecanizado proporciona un acceso limitado aos compoñentes que se fabrican. Características como as paredes delgadas tamén son difíciles de mecanizar.
Non obstante, Lithoz emprega a fabricación cerámica baseada na litografía (LCM) para fabricar compoñentes cerámicos 3D precisos e de formas complexas.
A partir do modelo CAD, as especificacións detalladas transfírense dixitalmente á impresora 3D. Despois, aplícase o po cerámico formulado con precisión na parte superior da cuba transparente. A plataforma de construción móbil mergúllase na lama e logo exponse selectivamente á luz visible desde abaixo. A imaxe da capa xérase mediante un dispositivo de microespello dixital (DMD) acoplado ao sistema de proxección. Ao repetir este proceso, pódese xerar unha peza verde tridimensional capa por capa. Despois do postratamento térmico, elimínase o aglutinante e as pezas verdes sintéranse (combínanse 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 rápido para a fundición por inxección de compoñentes de motores de turbina, evitando a cara e laboriosa fabricación de moldes necesaria para o moldeo por inxección e a fundición á cera perdida.
A LCM tamén pode lograr deseños que non se poden conseguir con outros métodos, ao mesmo tempo que emprega moitas menos materias primas que outros métodos.
A pesar do gran potencial dos materiais cerámicos e da tecnoloxía LCM, aínda existe unha brecha entre os fabricantes de equipos orixinais (OEM) de AM e os deseñadores aeroespaciais.
Unha das razóns 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 axeitada para a creación rápida de prototipos dunha soa vez, en lugar de para calquera cousa que se poida usar no aire. De novo, isto é un malentendido, e demostrouse que os compoñentes cerámicos impresos en 3D se usan na produción en masa.
Un exemplo é a fabricación de palas de turbina, onde o proceso cerámico AM produce núcleos de monocristal (SX), así como palas de turbina de superaliaxe de solidificación direccional (DS) e fundición equiaxial (EX). Os núcleos con estruturas de ramificación complexas, paredes múltiples e bordos de saída inferiores a 200 μm pódense producir de forma rápida e económica, e os compoñentes finais teñen unha precisión dimensional consistente e un excelente acabado superficial.
Mellorar a comunicación pode unir deseñadores aeroespaciais e fabricantes de equipos orixinais de fabricación aditiva (FA) e confiar plenamente nos compoñentes cerámicos fabricados con LCM e outras tecnoloxías. Existe tecnoloxía e coñecementos especializados. É necesario cambiar a forma de pensar da FA, pasando de I+D a prototipos, e velo como o camiño a seguir para as aplicacións comerciais a grande escala.
Ademais da formación, as empresas aeroespaciais tamén poden investir tempo en persoal, enxeñaría e probas. Os fabricantes deben estar familiarizados con diferentes estándares e métodos para avaliar a cerámica, non os metais. Por exemplo, os dous estándares ASTM clave de Lithoz para cerámica estrutural son a ASTM C1161 para probas de resistencia e a ASTM C1421 para probas de tenacidade. Estes estándares aplícanse ás cerámicas producidas por todos os métodos. Na fabricación aditiva cerámica, o paso de impresión é só un método de conformado e as pezas sofren o mesmo tipo de sinterización que a cerámica tradicional. Polo tanto, a microestrutura das pezas cerámicas será moi similar á mecanización convencional.
Baseándonos no avance continuo dos materiais e da tecnoloxía, podemos afirmar con confianza que os deseñadores obterán máis datos. Desenvolveranse e personalizaranse novos materiais cerámicos segundo as necesidades específicas de enxeñaría. As pezas feitas de cerámica de fabricación aditiva completarán o proceso de certificación para o seu uso na industria aeroespacial. E proporcionarán mellores ferramentas de deseño, como un software de modelado mellorado.
Ao cooperar con expertos técnicos de LCM, as empresas aeroespaciais poden introducir procesos cerámicos de fabricación aditiva internamente, o que acurta o tempo, reduce os custos e crea oportunidades para o desenvolvemento da propiedade intelectual propia da 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 alá.
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 aditiva cerámica na Ceramics Expo de Cleveland, Ohio, o 1 de setembro de 2021.
Aínda que o desenvolvemento de sistemas de voo hipersónicos existe desde hai décadas, converteuse agora na principal prioridade da defensa nacional dos Estados Unidos, o que levou este campo a un estado de rápido crecemento e cambio. Como campo multidisciplinar único, o desafío é atopar expertos coas habilidades necesarias para promover o seu desenvolvemento. Non obstante, cando non hai suficientes expertos, créase unha brecha de innovación, como poñer o deseño para a fabricabilidade (DFM) en primeiro lugar na fase de I+D, e logo 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 o avance do campo. O alumnado pode 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 os seus membros a realizar diversos traballos de enxeñaría, débese traballar máis para cultivar talentos diversos e experimentados, desde o deseño ata o desenvolvemento e selección de materiais e os talleres de fabricación.
Para proporcionar un valor máis duradeiro no campo, a alianza universitaria debe dar prioridade ao desenvolvemento da forza laboral aliñándose coas necesidades da industria, implicando aos membros en investigacións axeitadas para a industria e investindo no programa.
Ao transformar a tecnoloxía hipersónica en proxectos fabricables a grande escala, a brecha existente na cualificación laboral de enxeñaría e fabricación é o maior desafío. Se as primeiras investigacións non superan este val da morte, axeitadamente chamado, (a brecha entre a I+D e a fabricación, e moitos proxectos ambiciosos fracasaron), entón perdemos unha solución aplicable e viable.
A industria manufacturera dos Estados Unidos pode acelerar a velocidade supersónica, pero o risco de quedar atrás é ampliar o tamaño da forza laboral para igualala. Polo tanto, o goberno e os consorcios de desenvolvemento universitario deben cooperar cos fabricantes para poñer en práctica estes plans.
A industria experimentou carencias de cualificación, desde os talleres de fabricación ata os laboratorios de enxeñaría, e estas carencias só se ampliarán a medida que medre o mercado hipersónico. As tecnoloxías emerxentes requiren unha forza laboral emerxente para ampliar o coñecemento no campo.
O traballo hipersónico abarca varias áreas clave 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 requirida, isto pode crear obstáculos para o desenvolvemento e a produción. Se non temos persoal suficiente para manter o traballo, será imposible manterse ao día coa demanda de produción de alta velocidade.
Por exemplo, precisamos persoas que poidan construír o produto final. A UCAH e outros consorcios son esenciais para promover a fabricación moderna e garantir que se inclúa aos estudantes interesados ​​no papel da fabricación. Mediante esforzos de desenvolvemento da forza laboral dedicados e interfuncionais, a industria poderá manter unha vantaxe competitiva nos plans de voo hipersónicos nos próximos anos.
Ao establecer a UCAH, o Departamento de Defensa está a crear unha oportunidade para adoptar unha estratexia máis centrada no desenvolvemento de capacidades neste ámbito. Todos os membros da coalición deben traballar xuntos para adestrar as capacidades específicas dos estudantes, de xeito que poidamos crear e manter o impulso da investigación e expandila para producir os resultados que o noso país necesita.
A NASA Advanced Composites Alliance, agora pechada, é un exemplo dun esforzo exitoso de desenvolvemento da forza laboral. 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 levan dous a catro anos traballando directamente coa NASA e as universidades en proxectos. Todos os membros desenvolveron coñecementos e experiencia profesionais, aprenderon a cooperar nun ambiente non competitivo e animaron a estudantes universitarios a desenvolverse para formar actores clave da industria no futuro.
Este tipo de desenvolvemento da forza laboral enche as lagoas no sector e ofrece oportunidades para que as pequenas empresas innoven rapidamente e diversifiquen o campo para lograr un maior crecemento, o que favoreza as iniciativas de seguridade nacional e seguridade económica dos Estados Unidos.
As alianzas universitarias, incluída a UCAH, son activos importantes no campo da hipersonía e na industria da defensa. Aínda que a súa investigación promoveu innovacións emerxentes, o seu maior valor reside na súa capacidade para formar á nosa próxima xeración de forza laboral. O consorcio agora debe 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) comprométense coa perfección en todo momento. Non hai marxe de manobra.
Debido a que a produción de aeronaves 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 aos problemas dinámicos de produción, calidade, seguridade e cadea de subministración, cumprindo ao mesmo tempo os requisitos regulamentarios.
Debido a que moitos factores afectan á entrega de produtos de alta calidade, é difícil xestionar ordes de produción complexas e que cambian con frecuencia. O proceso de calidade debe ser dinámico en todos os aspectos da inspección e o deseño, a produción e as probas. Grazas ás estratexias da Industria 4.0 e ás solucións de fabricación modernas, estes desafíos de calidade tornáronse máis fáciles de xestionar e superar.
O enfoque tradicional da produción de aeronaves sempre se centrou nos materiais. A orixe da maioría dos problemas de calidade pode ser a fractura fráxil, a corrosión, a fatiga dos metais ou outros factores. Non obstante, a produción de aeronaves actual inclúe tecnoloxías avanzadas e altamente enxeñeiras que empregan materiais resistentes. A creación de produtos emprega 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 da cadea de subministración global, polo que se debe ter máis en conta a súa integración en todo o proceso de montaxe. A incerteza trae novos desafíos 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 necesítanse tecnoloxías cada vez máis avanzadas para cumprir cos estritos requisitos de calidade. Entre as tecnoloxías de apoio inclúense a Internet Industrial das Cousas (IIoT), os fíos dixitais, a realidade aumentada (RA) e a análise preditiva.
A Calidade 4.0 describe un método de calidade de procesos de produción baseado en datos que inclúe produtos, procesos, planificación, cumprimento e estándares. Está baseado en métodos de calidade tradicionais, en lugar de substituílos, utilizando moitas das mesmas novas tecnoloxías que as súas contrapartes industriais, incluíndo a aprendizaxe automática, os dispositivos conectados, a computación na nube e os xemelgos dixitais para transformar o fluxo de traballo da organización e eliminar posibles defectos nos 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 xeral de creación de produtos.
A Calidade 4.0 integra as cuestións operativas e de garantía da calidade (GC) desde o principio ata a fase de deseño. Isto inclúe como conceptualizar e deseñar produtos. Os resultados recentes de enquisas do sector indican que a maioría dos mercados non teñen un proceso automatizado de transferencia de deseño. O proceso manual deixa espazo para erros, xa sexa un erro interno ou na comunicación do deseño e os cambios na cadea de subministración.
Ademais do deseño, Quality 4.0 tamén emprega a aprendizaxe automática centrada no proceso para reducir o desperdicio, reducir as repeticións de traballo e optimizar os parámetros de produción. Ademais, tamén resolve problemas de rendemento do produto despois da entrega, utiliza comentarios in situ para actualizar o software do produto de forma remota, mantén a satisfacción do cliente e, en definitiva, garante a repetición do negocio. Está a converterse nun socio inseparable da Industria 4.0.
Non obstante, a calidade non só se aplica a determinados elos de fabricación. A inclusividade da Calidade 4.0 pode inculcar unha abordaxe integral da calidade nas organizacións de fabricación, facendo que o poder transformador dos datos sexa unha parte integral do pensamento corporativo. O cumprimento en todos os niveis da organización contribúe á formación dunha cultura xeral de calidade.
Ningún proceso de produción pode funcionar perfectamente o 100 % do tempo. Os cambios nas condicións desencadean eventos imprevistos que requiren remediación. Quenes teñen experiencia en calidade entenden que todo se reduce ao proceso de avanzar cara á perfección. Como se garante que a calidade se incorpore ao proceso para detectar problemas o antes posible? Que se fará cando se atope o defecto? Hai algún factor externo que cause este problema? Que cambios se poden facer no plan de inspección ou no procedemento de proba para evitar que este problema volva ocorrer?
Establece a mentalidade de que cada proceso de produción ten un proceso de calidade relacionado e relacionado. Imaxina un futuro onde exista unha relación individualizada e se mida constantemente a calidade. Non importa o que suceda ao chou, 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 polo erro humano. Un sistema de calidade de 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, a investigación de mercado, os provedores, os servizos de produtos ou outros factores que afectan á satisfacción do cliente era imposible. Enténdese que o deseño de produtos provén dunha autoridade superior; a calidade consiste en executar estes deseños na liña de montaxe, independentemente das súas deficiencias.
Hoxe en día, moitas empresas están a repensar como facer negocios. O status quo de 2018 pode que xa non sexa posible. Cada vez máis fabricantes son máis e máis intelixentes. Hai máis coñecemento dispoñible, o que significa unha mellor intelixencia para construír o produto axeitado á primeira, con maior eficiencia e rendemento.