על פי SmarTech, חברת ייעוץ לטכנולוגיות ייצור, תעשיית התעופה והחלל היא התעשייה השנייה בגודלה המושרת על ידי ייצור תוסף (AM), שנייה רק ​​לרפואה. עם זאת, עדיין קיים חוסר מודעות לפוטנציאל של ייצור תוסף של חומרים קרמיים בייצור מהיר של רכיבי חלל, גמישות מוגברת וחסכוניות. ייצור תוסף יכול לייצר חלקים קרמיים חזקים וקלים יותר מהר ובת קיימא יותר - להפחית את עלויות העבודה, למזער את ההרכבה הידנית ולשפר את היעילות והביצועים באמצעות עיצוב שפותח על ידי מידול, ובכך להפחית את משקל המטוס. בנוסף, טכנולוגיית ייצור תוסף קרמי מספקת שליטה ממדית על חלקים מוגמרים עבור מאפיינים קטנים מ-100 מיקרון.
עם זאת, המילה קרמיקה עשויה להעלות על הדעת את התפיסה המוטעית של שבירות. למעשה, קרמיקה המיוצרת בתוספים מייצרת חלקים קלים ועדינים יותר בעלי חוזק מבני גבוה, קשיחות ועמידות בטווח טמפרטורות רחב. חברות צופות פני עתיד פונות לייצור רכיבים קרמיים, כולל זרבובית ומדחפים, מבודדים חשמליים ולהבי טורבינה.
לדוגמה, אלומינה בעלת טוהר גבוה בעלת קשיות גבוהה, עמידות בפני קורוזיה וטווח טמפרטורות חזקים. רכיבים העשויים מאלומינה מבודדים חשמלית גם בטמפרטורות הגבוהות הנפוצות במערכות תעופה וחלל.
קרמיקה מבוססת זירקוניה יכולה לעמוד ביישומים רבים עם דרישות חומר קיצוניות ועומס מכני גבוה, כגון יציקת מתכת יוקרתית, שסתומים ומיסבים. קרמיקה מסיליקון ניטריד בעלת חוזק גבוה, קשיחות גבוהה ועמידות מצוינת בפני הלם תרמי, כמו גם עמידות כימית טובה בפני קורוזיה של מגוון חומצות, בסיסים ומתכות מותכות. סיליקון ניטריד משמש למבודדים, אימפלרים ואנטנות דיאלקטריות נמוכות בטמפרטורה גבוהה.
קרמיקה מרוכבת מספקת מספר תכונות רצויות. קרמיקה מבוססת סיליקון בתוספת אלומינה וזירקון הוכחה כיעילה בייצור יציקות גביש יחיד עבור להבי טורבינה. ​​הסיבה לכך היא שלליבת הקרמיקה העשויה מחומר זה יש התפשטות תרמית נמוכה מאוד עד 1,500 מעלות צלזיוס, נקבוביות גבוהה, איכות פני שטח מעולה ויכולת דליפה טובה. הדפסת ליבות אלו יכולה לייצר עיצובים של טורבינות שיכולים לעמוד בטמפרטורות פעולה גבוהות יותר ולהגביר את יעילות המנוע.
ידוע היטב כי עיבוד שבבי של קרמיקה בהזרקה הוא תהליך קשה מאוד, ועיבוד שבבי מספק גישה מוגבלת לרכיבים המיוצרים. מאפיינים כמו דפנות דקות גם הם קשים לעיבוד.
עם זאת, ליטוז משתמשת בייצור קרמי מבוסס ליתוגרפיה (LCM) כדי לייצר רכיבים קרמיים תלת-ממדיים מדויקים ובעלי צורות מורכבות.
החל ממודל ה-CAD, המפרטים המפורטים מועברים דיגיטלית למדפסת התלת-ממד. לאחר מכן, מורחים את אבקת הקרמיקה המנוסחת במדויק על גבי המיכל השקוף. משטח הבנייה הנייד טובל בבוץ ולאחר מכן נחשף באופן סלקטיבי לאור נראה מלמטה. תמונת השכבה נוצרת על ידי מכשיר מיקרו-מראה דיגיטלי (DMD) המחובר למערכת ההקרנה. על ידי חזרה על תהליך זה, ניתן ליצור חלק ירוק תלת-ממדי שכבה אחר שכבה. לאחר טיפול תרמי לאחר מכן, מוסר החומר המקשר והחלקים הירוקים עוברים סינטור - שילוב באמצעות תהליך חימום מיוחד - ליצירת חלק קרמי צפוף לחלוטין בעל תכונות מכניות ואיכות פני שטח מצוינים.
טכנולוגיית LCM מספקת תהליך חדשני, חסכוני ומהיר יותר ליציקת רכיבי מנוע טורבינה - תוך עקיפת ייצור התבניות היקר והמייגע הנדרש ליציקה בהזרקה ויציקת שעווה אבודה.
LCM יכול גם להשיג עיצובים שלא ניתן להשיג בשיטות אחרות, תוך שימוש בהרבה פחות חומרי גלם בהשוואה לשיטות אחרות.
למרות הפוטנציאל הרב של חומרים קרמיים וטכנולוגיית LCM, עדיין קיים פער בין יצרני ציוד מקורי (OEM) של AM לבין מתכנני חלל.
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 שהדפסה תלת-ממדית מתאימה בעיקר לייצור אב טיפוס מהיר חד פעמי, ולא לכל דבר שניתן להשתמש בו באוויר. שוב, זוהי אי הבנה, ורכיבים קרמיים מודפסים בתלת-ממד הוכחו כשמשיים בייצור המוני.
דוגמה לכך היא ייצור להבי טורבינה, שם תהליך הקרמיקה AM מייצר ליבות גביש יחיד (SX), כמו גם להבי טורבינה מסוג סופר-סגסוגת מסוג התמצקות כיוונית (DS) ויציקה שווה-צירית (EX). ליבות עם מבני הסתעפות מורכבים, דפנות מרובות וקצוות נגררים של פחות מ-200 מיקרומטר ניתנות ליייצור מהיר וחסכוני, ולרכיבים הסופיים יש דיוק ממדי עקבי וגימור פני שטח מעולה.
שיפור התקשורת יכול לאחד מעצבי חלל ויצרני ציוד מקורי של ייצור מוצרים (OEM) בתחום ייצור מוצרים (AM) ולסמוך באופן מלא על רכיבים קרמיים המיוצרים באמצעות LCM וטכנולוגיות אחרות. טכנולוגיה ומומחיות קיימות. יש צורך לשנות את דרך החשיבה מ-AM לטובת מו"פ ואב טיפוס, ולראות זאת כדרך קדימה ליישומים מסחריים בקנה מידה גדול.
בנוסף לחינוך, חברות תעופה וחלל יכולות גם להשקיע זמן בכוח אדם, הנדסה ובדיקות. יצרנים חייבים להיות בקיאים בתקנים ושיטות שונים להערכת קרמיקה, ולא מתכות. לדוגמה, שני התקנים המרכזיים של ASTM של Lithoz לקרמיקה 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 עיצוב, והחלקים עוברים את אותו סוג של סינטור כמו קרמיקה מסורתית. לכן, המיקרו-מבנה של חלקי קרמיקה יהיה דומה מאוד לעיבוד שבבי קונבנציונלי.
בהתבסס על ההתקדמות המתמשכת של חומרים וטכנולוגיה, אנו יכולים לומר בביטחון שמתכננים יקבלו יותר נתונים. חומרים קרמיים חדשים יפותחו ויותאמו אישית בהתאם לצרכים הנדסיים ספציפיים. חלקים העשויים מקרמיקה AM ישלימו את תהליך ההסמכה לשימוש בתעופה וחלל. ויספקו כלי תכנון טובים יותר, כגון תוכנת מידול משופרת.
באמצעות שיתוף פעולה עם מומחים טכניים של LCM, חברות תעופה וחלל יכולות להטמיע תהליכי קרמיקה AM באופן פנימי - לקצר את הזמן, להפחית עלויות וליצור הזדמנויות לפיתוח הקניין הרוחני של החברה. בעזרת ראיית הנולד ותכנון ארוך טווח, חברות תעופה וחלל המשקיעות בטכנולוגיית קרמיקה יכולות לקצור יתרונות משמעותיים בכל תיק הייצור שלהן בעשר השנים הבאות ואף מעבר להן.
על ידי יצירת שותפות עם AM Ceramics, יצרני ציוד מקורי לתעשיית התעופה והחלל ייצרו רכיבים שבעבר היו בלתי נתפסים.
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 תוסף קרמי בתערוכת הקרמיקה בקליבלנד, אוהיו, ב-1 בספטמבר 2021.
למרות שפיתוח מערכות טיסה היפרסוניות קיים כבר עשרות שנים, הוא הפך כעת לעדיפות עליונה של ההגנה הלאומית של ארה"ב, מה שהביא 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 תכנון לייצור (DFM) במקום הראשון בשלב המחקר והפיתוח, ולאחר מכן הפיכתו לפער ייצור כאשר מאוחר מדי לבצע שינויים חסכוניים.
בריתות, כמו הברית החדשה של האוניברסיטה להיפרסוניקה יישומית (UCAH), מספקות סביבה חשובה לטיפוח הכישרונות הדרושים לקידום התחום. סטודנטים יכולים לעבוד ישירות עם חוקרים באוניברסיטה ואנשי מקצוע בתעשייה כדי לפתח טכנולוגיה ולקדם מחקר היפרסוני קריטי.
למרות ש-UCAH וקונסורציומים ביטחוניים אחרים אישרו לחבריהם לעסוק במגוון עבודות הנדסיות, יש לעשות עבודה נוספת כדי לטפח כישרונות מגוונים ומנוסים, החל מתכנון ועד פיתוח ובחירת חומרים ועד לסדנאות ייצור.
על מנת לספק ערך מתמשך יותר בתחום, ברית האוניברסיטאות חייבת להפוך את פיתוח כוח העבודה לעדיפות על ידי התאמה לצורכי התעשייה, שיתוף חברים במחקר המתאים לתעשייה והשקעה בתוכנית.
כאשר הופכים טכנולוגיה היפרסונית לפרויקטים ברי-ייצור בקנה מידה גדול, פער המיומנויות הקיים בכוח אדם בהנדסה ובייצור הוא האתגר הגדול ביותר. אם מחקר מוקדם לא חוצה את עמק המוות הזה, ששמו הולם - הפער בין מו"פ לייצור, ופרויקטים שאפתניים רבים נכשלו - אז איבדנו פתרון ישים וברי ביצוע.
תעשיית הייצור האמריקאית יכולה להאיץ את המהירות העל-קולית, אך הסיכון בפיגור הוא להרחיב את גודל כוח העבודה בהתאם. לכן, קונסורציומים של פיתוח ממשלתיים ואוניברסיטאות חייבים לשתף פעולה עם יצרנים כדי ליישם את התוכניות הללו.
התעשייה חוותה פערים במיומנויות, החל מסדנאות ייצור ועד למעבדות הנדסה - פערים אלה רק יגדלו ככל ששוק הטכנולוגיות ההיפרסוניות יגדל. טכנולוגיות מתפתחות דורשות כוח עבודה מתפתח כדי להרחיב את הידע בתחום.
עבודה היפרסונית משתרעת על פני מספר תחומים מרכזיים של חומרים ומבנים שונים, ולכל תחום יש אתגרים טכניים משלו. הם דורשים רמה גבוהה של ידע מפורט, ואם המומחיות הנדרשת אינה קיימת, הדבר עלול ליצור מכשולים לפיתוח וייצור. אם לא יהיו לנו מספיק אנשים כדי לשמור על העבודה, יהיה בלתי אפשרי לעמוד בקצב הביקוש לייצור במהירות גבוהה.
לדוגמה, אנחנו צריכים אנשים שיכולים לבנות את המוצר הסופי. UCAH וקונסורציומים אחרים חיוניים לקידום ייצור מודרני ולהבטחת שילוב של סטודנטים המתעניינים בתפקיד הייצור. באמצעות מאמצי פיתוח כוח אדם ייעודיים בין-תחומיים, 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. כל חברי הקואליציה חייבים לעבוד יחד כדי להכשיר את יכולות הנישה של הסטודנטים כדי שנוכל לבנות ולשמר את תנופת המחקר ולהרחיב אותה כדי להניב את התוצאות שארצנו זקוקה להן.
ברית החומרים המרוכבים המתקדמים של נאס"א, שכעת סגורה, היא דוגמה למאמץ מוצלח לפיתוח כוח אדם. יעילותו נובעת משילוב עבודת מו"פ עם אינטרסים בתעשייה, המאפשרת להתרחב חדשנות ברחבי מערכת הפיתוח. מובילי התעשייה עבדו ישירות עם נאס"א ואוניברסיטאות על פרויקטים במשך שנתיים עד ארבע שנים. כל החברים פיתחו ידע וניסיון מקצועיים, למדו לשתף פעולה בסביבה לא תחרותית, וטיפחו סטודנטים במכללות כדי שיוכלו לפתח שחקנים מרכזיים 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 והכלכלי של ארה"ב.
בריתות אוניברסיטאיות, כולל UCAH, הן נכסים חשובים בתחום ההיפרסוני ובתעשיית הביטחון. למרות שמחקרן קידם חידושים מתפתחים, ערכן הגדול ביותר טמון ביכולתן להכשיר את הדור הבא של כוח העבודה שלנו. הקונסורציום צריך כעת לתעדף השקעה בתוכניות כאלה. בכך, 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 ברמה גבוהה (כגון רכיבי מטוסים) מחויבים לשלמות בכל פעם. אין מרחב תמרון.
מכיוון שייצור מטוסים הוא תהליך מורכב ביותר, יצרנים חייבים לנהל בקפידה את תהליך האיכות, תוך מתן תשומת לב רבה לכל שלב. זה דורש הבנה מעמיקה של אופן ניהול והתאמה לסוגיות דינמיות של ייצור, איכות, בטיחות ושרשרת אספקה, תוך עמידה בדרישות רגולטוריות.
מכיוון שגורמים רבים משפיעים על אספקת מוצרים באיכות גבוהה, קשה לנהל הזמנות ייצור מורכבות ומשתנות תכופות. תהליך האיכות חייב להיות דינמי בכל היבט של בדיקה ותכנון, ייצור ובדיקה. הודות לאסטרטגיות של Industry 4.0 ופתרונות ייצור מודרניים, אתגרי איכות אלה הפכו לקלים יותר לניהול ולהתגברות.
המיקוד המסורתי של ייצור מטוסים תמיד היה על חומרים. מקורן של רוב בעיות האיכות עשוי להיות שבר שבירות, קורוזיה, עייפות מתכת או גורמים אחרים. עם זאת, ייצור המטוסים של ימינו כולל טכנולוגיות מתקדמות ומהונדסות ביותר המשתמשות בחומרים עמידים. יצירת מוצרים משתמשת בתהליכים ומערכות אלקטרוניות מורכבות ומיוחדות ביותר. פתרונות תוכנה כלליים לניהול תפעול עשויים שלא להיות מסוגלים עוד לפתור בעיות מורכבות ביותר.
ניתן לרכוש חלקים מורכבים יותר משרשרת האספקה ​​הגלובלית, ולכן יש לתת תשומת לב רבה יותר לשילובם לאורך תהליך ההרכבה. חוסר הוודאות מביא אתגרים חדשים לנראות שרשרת האספקה ​​ולניהול האיכות. הבטחת איכותם של כל כך הרבה חלקים ומוצרים מוגמרים דורשת שיטות איכות טובות ומשולבות יותר.
תעשייה 4.0 מייצגת את התפתחות תעשיית הייצור, ונדרשות עוד ועוד טכנולוגיות מתקדמות כדי לעמוד בדרישות איכות מחמירות. טכנולוגיות תומכות כוללות את האינטרנט התעשייתי של הדברים (IIoT), הליכים דיגיטליים, מציאות רבודה (AR) ואנליטיקה ניבויית.
איכות 4.0 מתארת ​​שיטת איכות מבוססת נתונים לתהליך ייצור הכוללת מוצרים, תהליכים, תכנון, תאימות ותקנים. היא בנויה על שיטות איכות מסורתיות, ולא מחליפה אותן, תוך שימוש בטכנולוגיות חדשות רבות כמו במקבילותיה התעשייתיות, כולל למידת מכונה, מכשירים מחוברים, מחשוב ענן ותאומים דיגיטליים, כדי לשנות את זרימת העבודה של הארגון ולחסל פגמים אפשריים במוצרים או בתהליכים. הופעתה של איכות 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 לשלב התכנון. זה כולל כיצד לתכנן ולהתכנן מוצרים. תוצאות סקר אחרונות בתעשייה מצביעות על כך שרוב השווקים אינם בעלי תהליך אוטומטי להעברת תכנון. התהליך הידני משאיר מקום לטעויות, בין אם מדובר בטעות פנימית או בתקשורת תכנון ושינויים בשרשרת האספקה.
בנוסף לעיצוב, Quality 4.0 משתמשת גם בלמידת מכונה ממוקדת תהליך כדי להפחית בזבוז, להפחית עיבוד חוזר ולמטב את פרמטרי הייצור. בנוסף, היא גם פותרת בעיות ביצועי מוצר לאחר המסירה, משתמשת במשוב באתר כדי לעדכן מרחוק את תוכנת המוצר, שומרת על שביעות רצון הלקוחות ובסופו של דבר מבטיחה עסקאות חוזרות. היא הופכת לשותפה בלתי נפרדת של Industry 4.0.
עם זאת, איכות אינה ישימה רק לחוליות ייצור נבחרות. הכללתיות של איכות 4.0 יכולה להטמיע גישת איכות מקיפה בארגוני ייצור, ולהפוך את הכוח הטרנספורמטיבי של נתונים לחלק בלתי נפרד מחשיבה תאגידית. תאימות בכל רמות הארגון תורמת ליצירת תרבות איכות כוללת.
אף תהליך ייצור לא יכול לפעול בצורה מושלמת ב-100% מהמקרים. תנאים משתנים גורמים לאירועים בלתי צפויים הדורשים תיקון. בעלי ניסיון באיכות מבינים שהכל עניין של תהליך של התקדמות לעבר שלמות. כיצד מבטיחים שהאיכות משולבת בתהליך כדי לזהות בעיות מוקדם ככל האפשר? מה תעשו כשתמצאו את הפגם? האם ישנם גורמים חיצוניים הגורמים לבעיה זו? אילו שינויים ניתן לבצע בתוכנית הבדיקה או בהליך הבדיקה כדי למנוע הישנות של בעיה זו?
בנה מנטליות לפיה לכל תהליך ייצור יש תהליך איכות קשור וקשור. דמיין עתיד שבו יש קשר אישי ומדוד כל הזמן את האיכות. לא משנה מה קורה באופן אקראי, ניתן להשיג איכות מושלמת. כל מרכז עבודה בודק אינדיקטורים ומדדי ביצועים מרכזיים (KPI) על בסיס יומי כדי לזהות תחומים לשיפור לפני שמתעוררות בעיות.
במערכת לולאה סגורה זו, לכל תהליך ייצור יש הסקת איכות, המספקת משוב לעצירת התהליך, לאפשר לתהליך להמשיך או לבצע התאמות בזמן אמת. המערכת אינה מושפעת מעייפות או מטעויות אנוש. מערכת איכות בלולאה סגורה המיועדת לייצור מטוסים חיונית להשגת רמות איכות גבוהות יותר, קיצור זמני מחזור והבטחת עמידה בתקני AS9100.
לפני עשר שנים, הרעיון של מיקוד אבטחת האיכות בעיצוב מוצר, מחקרי שוק, ספקים, שירותי מוצר או גורמים אחרים המשפיעים על שביעות רצון הלקוחות היה בלתי אפשרי. עיצוב מוצר נתפס כמקור סמכות גבוהה יותר; איכות היא ביצוע עיצובים אלה על פס הייצור, ללא קשר לחסרונותיהם.
כיום, חברות רבות חושבות מחדש על אופן ניהול עסקים. ייתכן שהסטטוס קוו של 2018 כבר אינו אפשרי. יותר ויותר יצרנים הופכים לחכמים יותר ויותר. יותר ידע זמין, מה שאומר אינטליגנציה טובה יותר לבניית המוצר הנכון בפעם הראשונה, עם יעילות וביצועים גבוהים יותר.