לפי SmarTech, חברת ייעוץ טכנולוגית ייצור, תעופה וחלל היא התעשייה השנייה בגודלה המשרתת על ידי ייצור תוסף (AM), שנייה רק ​​לרפואה.עם זאת, עדיין קיימת חוסר מודעות לפוטנציאל של ייצור תוסף של חומרים קרמיים בייצור מהיר של רכיבי תעופה וחלל, גמישות מוגברת וחסכוניות.AM יכולה לייצר חלקי קרמיקה חזקים וקלים יותר מהר יותר ובאופן בר-קיימא - הפחתת עלויות העבודה, מזעור הרכבה ידנית ושיפור היעילות והביצועים באמצעות עיצוב שפותח על ידי דוגמנות, ובכך להפחית את משקל המטוס.בנוסף, טכנולוגיית קרמיקה לייצור תוסף מספקת שליטה מימדית של חלקים מוגמרים עבור תכונות קטנות מ-100 מיקרון.
עם זאת, המילה קרמיקה עשויה להעלות באוב את התפיסה המוטעית של שבירות.למעשה, קרמיקה המיוצרת בתוספים מייצרת חלקים קלים ועדינים יותר עם חוזק מבני, קשיחות ועמידות בפני טווח טמפרטורות רחב.חברות צופה פני עתיד פונות לרכיבי ייצור קרמיקה, לרבות חרירים ומדחפים, מבודדים חשמליים ולהבי טורבינה.
לדוגמה, לאלומינה בטוהר גבוה יש קשיות גבוהה, בעלת עמידות בפני קורוזיה וטווח טמפרטורות חזקות.רכיבים העשויים מאלומינה מבודדים חשמלית גם בטמפרטורות הגבוהות הנפוצות במערכות תעופה וחלל.
קרמיקה על בסיס זירקוניה יכולה לענות על יישומים רבים עם דרישות חומר קיצוניות ולחץ מכני גבוה, כגון דפוס מתכת מתכתי, שסתומים ומסבים.קרמיקת סיליקון ניטריד בעלת חוזק גבוה, קשיחות גבוהה ועמידות בפני זעזועים תרמיים מעולה, כמו גם עמידות כימית טובה בפני קורוזיה של מגוון חומצות, אלקליות ומתכות מותכות.סיליקון ניטריד משמש למבודדים, אימפלרים ואנטנות דיאלקטריות בטמפרטורה נמוכה.
קרמיקה מרוכבת מספקת מספר איכויות רצויות.קרמיקה על בסיס סיליקון בתוספת אלומינה וזירקון הוכיחה ביצועים טובים בייצור יציקות גביש בודדות עבור להבי טורבינה.הסיבה לכך היא שלליבה הקרמית העשויה מחומר זה יש התפשטות תרמית נמוכה מאוד עד 1,500 מעלות צלזיוס, נקבוביות גבוהה, איכות פני השטח מעולה ויכולת חליפה טובה.הדפסת הליבות הללו יכולה לייצר עיצובי טורבינה שיכולים לעמוד בטמפרטורות עבודה גבוהות יותר ולהגביר את יעילות המנוע.
ידוע היטב כי הזרקה או עיבוד של קרמיקה היא קשה מאוד, והעיבוד בעיבוד מספק גישה מוגבלת לרכיבים המיוצרים.גם תכונות כמו קירות דקים קשים לעיבוד.
עם זאת, Lithoz משתמשת בייצור קרמי מבוסס ליתוגרפיה (LCM) לייצור רכיבי קרמיקה תלת מימדיים מדויקים ומורכבים.
החל מדגם CAD, המפרט המפורט מועבר דיגיטלית למדפסת התלת מימד.לאחר מכן יש למרוח את אבקת הקרמיקה שנוסחה במדויק על החלק העליון של הבור השקוף.פלטפורמת הבנייה הניידת טובלת בבוץ ולאחר מכן נחשפת באופן סלקטיבי לאור הנראה מלמטה.תמונת השכבה נוצרת על ידי התקן מיקרו-מראה דיגיטלי (DMD) יחד עם מערכת ההקרנה.על ידי חזרה על תהליך זה, ניתן ליצור חלק ירוק תלת מימדי שכבה אחר שכבה.לאחר טיפול תרמי, מסירים את הקלסר והחלקים הירוקים עוברים סינטר-משולבים בתהליך חימום מיוחד - לייצור חלק קרמי צפוף לחלוטין עם תכונות מכניות מעולות ואיכות פני השטח.
טכנולוגיית LCM מספקת תהליך חדשני, חסכוני ומהיר יותר ליציקת השקעה של רכיבי מנוע טורבינה תוך עקיפת ייצור התבניות היקר והעמלני הנדרש עבור הזרקה ויציקת שעווה אבודה.
LCM יכול גם להשיג עיצובים שלא ניתן להשיג בשיטות אחרות, תוך שימוש בהרבה פחות חומרי גלם משיטות אחרות.
למרות הפוטנציאל הגדול של חומרים קרמיים וטכנולוגיית LCM, עדיין קיים פער בין יצרני הציוד המקורי של AM (OEM) לבין מעצבי תעופה וחלל.
סיבה אחת עשויה להיות התנגדות לשיטות ייצור חדשות בתעשיות עם דרישות בטיחות ואיכות מחמירות במיוחד.ייצור תעופה וחלל דורש תהליכי אימות והסמכה רבים, כמו גם בדיקות יסודיות וקפדניות.
מכשול נוסף כולל את האמונה שהדפסת תלת מימד מתאימה בעיקר רק ליצירת אב טיפוס מהיר חד פעמי, ולא לכל דבר שניתן להכניס לשימוש באוויר.שוב, זוהי אי הבנה, והוכח כי רכיבים קרמיים מודפסים בתלת מימד משמשים בייצור המוני.
דוגמה לכך היא ייצור להבי טורבינה, כאשר התהליך הקרמי של AM מייצר ליבות גביש בודדות (SX), כמו גם להבי טורבינת טורבינת סגסוגת-על של מיצוק כיווני (DS) ויציקה שוות-צירים (EX).ניתן לייצר ליבות עם מבני ענפים מורכבים, קירות מרובים וקצוות נגררים של פחות מ-200 מיקרומטר בצורה מהירה וחסכונית, ולרכיבים הסופיים יש דיוק ממדי עקבי וגימור משטח מעולה.
שיפור התקשורת יכול להפגיש בין מעצבי תעופה וחלל ויצרני OEM של AM ולסמוך באופן מלא על רכיבים קרמיים המיוצרים באמצעות LCM וטכנולוגיות אחרות.טכנולוגיה ומומחיות קיימות.היא צריכה לשנות את דרך החשיבה מ-AM למו"פ ויצירת אב טיפוס, ולראות בה את הדרך קדימה ליישומים מסחריים בקנה מידה גדול.
בנוסף לחינוך, חברות תעופה וחלל יכולות גם להשקיע זמן בכוח אדם, הנדסה ובדיקות.על היצרנים להכיר תקנים ושיטות שונות להערכת קרמיקה, לא מתכות.לדוגמה, שני תקני ASTM מפתח של Lithoz עבור קרמיקה מבנית הם ASTM C1161 לבדיקת חוזק ו-ASTM C1421 לבדיקת קשיחות.תקנים אלה חלים על קרמיקה המיוצרת בכל השיטות.בייצור תוסף קרמי, שלב ההדפסה הוא רק שיטת גיבוש, והחלקים עוברים את אותו סוג של סינטר כמו קרמיקה מסורתית.לכן, מבנה המיקרו של חלקי קרמיקה יהיה דומה מאוד לעיבוד שבבי קונבנציונלי.
בהתבסס על התקדמות מתמשכת של חומרים וטכנולוגיה, אנו יכולים לומר בביטחון שמעצבים יקבלו יותר נתונים.חומרים קרמיים חדשים יפותחו ויותאמו בהתאם לצרכים הנדסיים ספציפיים.חלקים העשויים מקרמיקה AM ישלימו את תהליך ההסמכה לשימוש בתעופה וחלל.ויספק כלי עיצוב טובים יותר, כגון תוכנת מידול משופרת.
על ידי שיתוף פעולה עם מומחים טכניים של LCM, חברות תעופה וחלל יכולות להכניס תהליכים קרמיים של AM באופן פנימי, תוך קיצור זמן, הפחתת עלויות ויצירת הזדמנויות לפיתוח הקניין הרוחני של החברה עצמה.עם ראיית הנולד ותכנון ארוך טווח, חברות תעופה וחלל המשקיעות בטכנולוגיה קרמית יכולות לקצור יתרונות משמעותיים בכל תיק הייצור שלהן בעשר השנים הקרובות ואילך.
על ידי הקמת שותפות עם AM Ceramics, יצרני ציוד מקורי לתעופה וחלל ייצרו רכיבים שלא ניתן היה להעלות על הדעת בעבר.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
שון אלן ידבר על הקשיים בתקשורת יעילה של היתרונות של ייצור תוספים קרמיים בתערוכת הקרמיקה בקליבלנד, אוהיו ב-1 בספטמבר 2021.
למרות שהפיתוח של מערכות טיסה היפרסוניות קיים כבר עשרות שנים, הוא הפך כעת לעדיפות העליונה של ההגנה הלאומית של ארה"ב, והביא את התחום הזה למצב של צמיחה ושינוי מהירים.כתחום רב תחומי ייחודי, האתגר הוא למצוא מומחים בעלי הכישורים הדרושים לקידום פיתוחו.עם זאת, כאשר אין מספיק מומחים, זה יוצר פער חדשנות, כמו הצבת עיצוב לייצור כושר (DFM) תחילה בשלב המו"פ, ולאחר מכן הפיכה לפער ייצור כאשר זה מאוחר מדי לבצע שינויים חסכוניים.
בריתות, כמו ברית האוניברסיטאות החדשה להיפרסוניקה יישומית (UCAH), מספקות סביבה חשובה לטיפוח הכישרונות הדרושים לקידום התחום.סטודנטים יכולים לעבוד ישירות עם חוקרי אוניברסיטאות ואנשי מקצוע בתעשייה כדי לפתח טכנולוגיה ולקדם מחקר היפרסוני קריטי.
למרות ש-UCAH וקונסורציונים ביטחוניים אחרים אישרו לחברים לעסוק במגוון עבודות הנדסה, יש לעשות יותר עבודה כדי לטפח כישרונות מגוונים ומנוסים, מעיצוב ועד פיתוח חומרים ובחירת חומרי גלם ועד סדנאות ייצור.
על מנת לספק ערך מתמשך יותר בתחום, על הברית האוניברסיטאית להעמיד את פיתוח כוח העבודה בראש סדר העדיפויות על ידי התאמה לצרכי התעשייה, שיתוף חברים במחקר המתאים לתעשייה והשקעה בתוכנית.
כאשר הופכים את הטכנולוגיה ההיפרסונית לפרויקטים הניתנים לייצור בקנה מידה גדול, פער מיומנויות ההנדסה והייצור הקיים הוא האתגר הגדול ביותר.אם מחקר מוקדם לא יחצה את עמק המוות בעל השם המתאים הזה - הפער בין מו"פ לייצור, ופרויקטים שאפתניים רבים נכשלו - אז איבדנו פתרון ישים ובר ביצוע.
תעשיית הייצור בארה"ב יכולה להאיץ את המהירות העל-קולית, אבל הסיכון בפיגור הוא להרחיב את גודל כוח העבודה כך שיתאים.לכן, קונסורציית הפיתוח הממשלתית והאוניברסיטאית חייבת לשתף פעולה עם יצרנים כדי ליישם את התוכניות הללו.
התעשייה חוותה פערי מיומנויות מסדנאות ייצור למעבדות הנדסיות - פערים אלו רק יגדלו ככל שהשוק ההיפרסוני יגדל.טכנולוגיות מתפתחות דורשות כוח עבודה מתפתח כדי להרחיב את הידע בתחום.
עבודה היפרסונית משתרעת על פני מספר תחומי מפתח שונים של חומרים ומבנים שונים, ולכל אזור יש מערך אתגרים טכניים משלו.הם דורשים רמה גבוהה של ידע מפורט, ואם המומחיות הנדרשת לא קיימת, הדבר עלול ליצור מכשולים לפיתוח וייצור.אם לא יהיו לנו מספיק אנשים לתחזק את העבודה, אי אפשר יהיה לעמוד בקצב הביקוש לייצור מהיר.
לדוגמה, אנחנו צריכים אנשים שיכולים לבנות את המוצר הסופי.UCAH וקונסורציונים אחרים חיוניים לקידום ייצור מודרני ולהבטיח שסטודנטים המעוניינים בתפקיד הייצור ייכללו.באמצעות מאמצי פיתוח כוח עבודה ייעודיים בין תפקודיים, התעשייה תוכל לשמור על יתרון תחרותי בתוכניות טיסה היפרסוניות בשנים הקרובות.
על ידי הקמת UCAH, משרד ההגנה יוצר הזדמנות לאמץ גישה ממוקדת יותר לבניית יכולות בתחום זה.על כל חברי הקואליציה לעבוד יחד כדי להכשיר את יכולות הנישה של התלמידים כך שנוכל לבנות ולשמר את המומנטום של המחקר ולהרחיב אותו כדי להפיק את התוצאות שהמדינה שלנו צריכה.
הברית NASA Advanced Composites Alliance שנסגרה כעת היא דוגמה למאמץ מוצלח לפיתוח כוח אדם.האפקטיביות שלו היא תוצאה של שילוב של עבודת מו"פ עם אינטרסים בתעשייה, מה שמאפשר לחדשנות להתרחב בכל האקולוגית של הפיתוח.מנהיגי התעשייה עבדו ישירות עם נאס"א ואוניברסיטאות על פרויקטים במשך שנתיים עד ארבע שנים.כל החברים פיתחו ידע וניסיון מקצועי, למדו לשתף פעולה בסביבה לא תחרותית, וטיפחו את תלמידי המכללה להתפתח כדי לטפח שחקני מפתח בתעשייה בעתיד.
סוג זה של פיתוח כוח אדם ממלא פערים בתעשייה ומספק הזדמנויות לעסקים קטנים לחדש במהירות ולגוון את התחום כדי להשיג צמיחה נוספת התורמת ליוזמות הביטחון הלאומי והביטחון הכלכלי של ארה"ב.
בריתות אוניברסיטאות כולל UCAH הן נכסים חשובים בתחום ההיפרסוני ובתעשייה הביטחונית.למרות שהמחקר שלהם קידם חידושים מתפתחים, הערך הגדול ביותר שלהם טמון ביכולתם להכשיר את הדור הבא של כוח העבודה שלנו.הקונסורציום צריך כעת לתעדף השקעה בתוכניות כאלה.על ידי כך, הם יכולים לסייע בטיפוח ההצלחה ארוכת הטווח של חדשנות היפרסונית.
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.
יצרנים של מוצרים מורכבים ומהונדסים במיוחד (כגון רכיבי מטוסים) מחויבים לשלמות בכל פעם.אין מרחב תמרון.
מכיוון שייצור מטוסים מורכב ביותר, היצרנים חייבים לנהל בקפידה את תהליך האיכות, תוך שימת לב רבה לכל שלב.זה דורש הבנה מעמיקה כיצד לנהל ולהסתגל לנושאי ייצור, איכות, בטיחות ושרשרת אספקה ​​דינמית תוך עמידה בדרישות הרגולטוריות.
מכיוון שגורמים רבים משפיעים על אספקת מוצרים באיכות גבוהה, קשה לנהל הזמנות ייצור מורכבות ומשתנות תדיר.תהליך האיכות חייב להיות דינאמי בכל היבט של בדיקה ותכנון, ייצור ובדיקה.הודות לאסטרטגיות Industry 4.0 ופתרונות ייצור מודרניים, אתגרי האיכות הללו הפכו לקלים יותר לניהול ולהתגבר עליהם.
ההתמקדות המסורתית של ייצור מטוסים הייתה תמיד בחומרים.המקור לרוב בעיות האיכות עשוי להיות שבר שביר, קורוזיה, עייפות מתכת או גורמים אחרים.עם זאת, ייצור המטוסים של ימינו כולל טכנולוגיות מתקדמות ומהונדסות במיוחד המשתמשות בחומרים עמידים.יצירת מוצר עושה שימוש בתהליכים מיוחדים ומורכבים ובמערכות אלקטרוניות.ייתכן שפתרונות תוכנה כלליים לניהול תפעול לא יוכלו עוד לפתור בעיות מורכבות במיוחד.
ניתן לרכוש חלקים מורכבים יותר משרשרת האספקה ​​העולמית, ולכן יש לשקול יותר את שילובם לאורך תהליך ההרכבה.אי הוודאות מביאה אתגרים חדשים לנראות שרשרת האספקה ​​ולניהול האיכות.הבטחת האיכות של כל כך הרבה חלקים ומוצרים מוגמרים דורשת שיטות איכות טובות ומשולבות יותר.
Industry 4.0 מייצג את התפתחות תעשיית הייצור, ונדרשות עוד ועוד טכנולוגיות מתקדמות כדי לעמוד בדרישות איכות מחמירות.הטכנולוגיות התומכות כוללות אינטרנט תעשייתי של הדברים (IIoT), חוטים דיגיטליים, מציאות רבודה (AR) וניתוח חזוי.
איכות 4.0 מתארת ​​שיטת איכות תהליכי ייצור מונעת נתונים הכוללת מוצרים, תהליכים, תכנון, תאימות ותקנים.היא בנויה על שיטות איכות מסורתיות במקום להחליף אותן, תוך שימוש רבות מאותן טכנולוגיות חדשות כמו המקבילות התעשייתיות שלה, כולל למידת מכונה, מכשירים מחוברים, מחשוב ענן ותאומים דיגיטליים כדי לשנות את זרימת העבודה של הארגון ולחסל פגמים אפשריים במוצרים או בתהליכים.הופעתה של Quality 4.0 צפויה לשנות עוד יותר את תרבות מקום העבודה על ידי הגברת ההסתמכות על נתונים ושימוש מעמיק יותר באיכות כחלק משיטת יצירת המוצר הכוללת.
איכות 4.0 משלבת סוגיות תפעוליות ואבטחת איכות (QA) מההתחלה ועד שלב התכנון.זה כולל איך להמשיג ולעצב מוצרים.תוצאות סקרים אחרונים בתעשייה מצביעים על כך שלרוב השווקים אין תהליך העברת עיצוב אוטומטי.התהליך הידני משאיר מקום לטעויות, בין אם מדובר בשגיאה פנימית או בתקשורת עיצוב ושינויים בשרשרת האספקה.
בנוסף לעיצוב, Quality 4.0 משתמשת גם בלמידת מכונה ממוקדת בתהליך כדי להפחית בזבוז, להפחית עיבוד חוזר ולייעל פרמטרים של ייצור.בנוסף, הוא גם פותר בעיות ביצועי מוצר לאחר אספקה, משתמש במשוב באתר כדי לעדכן מרחוק את תוכנת המוצר, שומר על שביעות רצון הלקוחות, ובסופו של דבר מבטיח עסק חוזר.זה הופך לשותף בלתי נפרד של Industry 4.0.
עם זאת, האיכות לא חלה רק על קישורי ייצור נבחרים.ההכללה של Quality 4.0 יכולה להנחיל גישת איכות מקיפה בארגונים יצרניים, מה שהופך את הכוח הטרנספורמטיבי של נתונים לחלק בלתי נפרד מהחשיבה הארגונית.ציות בכל רמות הארגון תורם לגיבוש תרבות איכות כוללת.
שום תהליך ייצור לא יכול לפעול בצורה מושלמת ב-100% מהזמן.תנאים משתנים מעוררים אירועים בלתי צפויים הדורשים תיקון.מי שיש לו ניסיון באיכות מבין שזה הכל על תהליך המעבר לשלמות.איך מבטיחים שהאיכות משולבת בתהליך כדי לאתר בעיות מוקדם ככל האפשר?מה תעשה כשתמצא את הפגם?האם יש גורמים חיצוניים הגורמים לבעיה זו?אילו שינויים תוכל לבצע בתוכנית הבדיקה או בהליך הבדיקה כדי למנוע מבעיה זו להתרחש שוב?
לבסס מנטליות שלכל תהליך ייצור יש תהליך איכות קשור וקשור.תארו לעצמכם עתיד שבו יש מערכת יחסים של אחד לאחד וכל הזמן למדוד איכות.לא משנה מה קורה באופן אקראי, ניתן להשיג איכות מושלמת.כל מרכז עבודה סוקר אינדיקטורים ומדדי ביצועים מרכזיים (KPIs) על בסיס יומי כדי לזהות אזורים לשיפור לפני שהבעיות מתרחשות.
במערכת לולאה סגורה זו, לכל תהליך ייצור יש מסקנות איכותיות, המספקות משוב כדי לעצור את התהליך, לאפשר לתהליך להמשיך או לבצע התאמות בזמן אמת.המערכת אינה מושפעת מעייפות או מטעויות אנוש.מערכת איכות בלולאה סגורה המיועדת לייצור מטוסים חיונית כדי להשיג רמות איכות גבוהות יותר, לקצר את זמני המחזור ולהבטיח עמידה בתקני AS9100.
לפני עשר שנים, הרעיון להתמקד ב-QA בעיצוב מוצר, מחקר שוק, ספקים, שירותי מוצר או גורמים אחרים המשפיעים על שביעות רצון הלקוחות היה בלתי אפשרי.עיצוב מוצר מובן כבא מסמכות גבוהה יותר;איכות עוסקת בביצוע עיצובים אלה על פס הייצור, ללא קשר לחסרונותיהם.
כיום, חברות רבות חושבות מחדש כיצד לעשות עסקים.ייתכן שהסטטוס קוו ב-2018 כבר לא יהיה אפשרי.יותר ויותר יצרנים הופכים לחכמים יותר ויותר.יותר ידע זמין, מה שאומר אינטליגנציה טובה יותר לבנות את המוצר הנכון בפעם הראשונה, עם יעילות וביצועים גבוהים יותר.