Segons SmarTech, una empresa de consultoria en tecnologia de fabricació, l'aeroespacial és la segona indústria més gran a la qual serveix la fabricació additiva (AM), només per darrere de la medicina. No obstant això, encara hi ha una manca de consciència del potencial de la fabricació additiva de materials ceràmics en la fabricació ràpida de components aeroespacials, una major flexibilitat i rendibilitat. La AM pot produir peces ceràmiques més resistents i lleugeres de manera més ràpida i sostenible, reduint els costos laborals, minimitzant el muntatge manual i millorant l'eficiència i el rendiment mitjançant el disseny desenvolupat mitjançant la modelització, reduint així el pes de l'aeronau. A més, la tecnologia ceràmica de fabricació additiva proporciona control dimensional de les peces acabades per a característiques inferiors a 100 micres.
Tanmateix, la paraula ceràmica pot evocar la idea errònia de fragilitat. De fet, les ceràmiques fabricades amb additius produeixen peces més lleugeres i fines amb una gran resistència estructural, tenacitat i resistència a un ampli rang de temperatures. Les empreses amb visió de futur s'estan decantant per components de fabricació ceràmica, com ara broquets i hèlixs, aïllants elèctrics i pales de turbines.
Per exemple, l'alúmina d'alta puresa té una duresa elevada i una forta resistència a la corrosió i rang de temperatures. Els components fets d'alúmina també són aïllants elèctrics a les altes temperatures habituals en els sistemes aeroespacials.
La ceràmica basada en zircònia pot satisfer moltes aplicacions amb requisits de materials extrems i alts estrès mecànic, com ara emmotllament de metalls d'alta gamma, vàlvules i coixinets. La ceràmica de nitrur de silici té una alta resistència, una alta tenacitat i una excel·lent resistència al xoc tèrmic, així com una bona resistència química a la corrosió d'una varietat d'àcids, àlcalis i metalls fosos. El nitrur de silici s'utilitza per a aïllants, impulsors i antenes de baix dielèctric d'alta temperatura.
Les ceràmiques compostes ofereixen diverses qualitats desitjables. Les ceràmiques basades en silici afegides amb alúmina i zircó han demostrat un bon rendiment en la fabricació de peces de fosa monocristallines per a pales de turbina. Això es deu al fet que el nucli ceràmic fet d'aquest material té una expansió tèrmica molt baixa fins a 1.500 °C, una alta porositat, una excel·lent qualitat superficial i una bona lixiviabilitat. La impressió d'aquests nuclis pot produir dissenys de turbines que poden suportar temperatures de funcionament més elevades i augmentar l'eficiència del motor.
És ben sabut que el modelat per injecció o el mecanitzat de ceràmica és molt difícil, i el mecanitzat proporciona un accés limitat als components que es fabriquen. Característiques com les parets primes també són difícils de mecanitzar.
Tanmateix, Lithoz utilitza la fabricació ceràmica basada en litografia (LCM) per fabricar components ceràmics 3D precisos i de formes complexes.
A partir del model CAD, les especificacions detallades es transfereixen digitalment a la impressora 3D. A continuació, s'aplica la pols ceràmica formulada amb precisió a la part superior del recipient transparent. La plataforma de construcció mòbil s'immergeix en el fang i després s'exposa selectivament a la llum visible des de baix. La imatge de la capa es genera mitjançant un dispositiu de micromirall digital (DMD) acoblat al sistema de projecció. Repetint aquest procés, es pot generar una peça verda tridimensional capa per capa. Després del posttractament tèrmic, s'elimina l'aglutinant i les peces verdes es sinteritzen (es combinen mitjançant un procés d'escalfament especial) per produir una peça ceràmica completament densa amb excel·lents propietats mecàniques i qualitat superficial.
La tecnologia LCM proporciona un procés innovador, rendible i més ràpid per a la fosa per injecció de components de motors de turbina, evitant la costosa i laboriosa fabricació de motlles necessària per al modelat per injecció i la fosa a la cera perduda.
L'LCM també pot aconseguir dissenys que no es poden aconseguir amb altres mètodes, alhora que utilitza moltes menys matèries primeres que altres mètodes.
Malgrat el gran potencial dels materials ceràmics i la tecnologia LCM, encara hi ha una bretxa entre els fabricants d'equips originals (OEM) de fabricació additiva i els dissenyadors aeroespacials.
Una de les raons pot ser la resistència als nous mètodes de fabricació en indústries amb requisits de seguretat i qualitat particularment estrictes. La fabricació aeroespacial requereix molts processos de verificació i qualificació, així com proves exhaustives i rigoroses.
Un altre obstacle és la creença que la impressió 3D només és adequada per a la creació ràpida de prototips d'un sol ús, en lloc de qualsevol cosa que es pugui utilitzar a l'aire. De nou, això és un malentès, i s'ha demostrat que els components ceràmics impresos en 3D s'utilitzen en la producció en massa.
Un exemple és la fabricació de pales de turbina, on el procés ceràmic AM produeix nuclis de monocristall (SX), així com pales de turbina de superaliatge de solidificació direccional (DS) i de fosa equiaxial (EX). Els nuclis amb estructures de ramificació complexes, parets múltiples i vores posteriors de menys de 200 μm es poden produir de manera ràpida i econòmica, i els components finals tenen una precisió dimensional constant i un acabat superficial excel·lent.
Millorar la comunicació pot unir dissenyadors aeroespacials i fabricants d'equips originals de fabricació additiva (AM) i confiar plenament en els components ceràmics fabricats amb LCM i altres tecnologies. La tecnologia i l'experiència existeixen. Cal canviar la manera de pensar de la AM a la R+D i la creació de prototips, i veure-la com el camí a seguir per a les aplicacions comercials a gran escala.
A més de la formació, les empreses aeroespacials també poden invertir temps en personal, enginyeria i proves. Els fabricants han d'estar familiaritzats amb diferents estàndards i mètodes per avaluar la ceràmica, no els metalls. Per exemple, els dos estàndards ASTM clau de Lithoz per a la ceràmica estructural són l'ASTM C1161 per a proves de resistència i l'ASTM C1421 per a proves de tenacitat. Aquests estàndards s'apliquen a la ceràmica produïda per tots els mètodes. En la fabricació additiva ceràmica, el pas d'impressió és només un mètode de conformació i les peces se sotmeten al mateix tipus de sinterització que la ceràmica tradicional. Per tant, la microestructura de les peces ceràmiques serà molt similar al mecanitzat convencional.
Basant-nos en l'avanç continu dels materials i la tecnologia, podem afirmar amb confiança que els dissenyadors obtindran més dades. Es desenvoluparan i personalitzaran nous materials ceràmics segons les necessitats d'enginyeria específiques. Les peces fetes de ceràmica AM completaran el procés de certificació per al seu ús en l'àmbit aeroespacial. I proporcionaran millors eines de disseny, com ara un programari de modelització millorat.
En cooperar amb experts tècnics de LCM, les empreses aeroespacials poden introduir processos ceràmics de fabricació additiva (AM) internament, escurçant el temps, reduint els costos i creant oportunitats per al desenvolupament de la propietat intel·lectual pròpia de l'empresa. Amb previsió i planificació a llarg termini, les empreses aeroespacials que inverteixen en tecnologia ceràmica poden obtenir beneficis significatius en tota la seva cartera de producció en els propers deu anys i més enllà.
En establir una associació amb AM Ceramics, els fabricants d'equips originals aeroespacials produiran components que abans eren inimaginables.
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 parlarà sobre les dificultats de comunicar eficaçment els avantatges de la fabricació additiva ceràmica a la Ceramics Expo de Cleveland, Ohio, l'1 de setembre de 2021.
Tot i que el desenvolupament de sistemes de vol hipersònics existeix des de fa dècades, ara s'ha convertit en la màxima prioritat de la defensa nacional dels Estats Units, cosa que ha portat aquest camp a un estat de ràpid creixement i canvi. Com a camp multidisciplinari únic, el repte és trobar experts amb les habilitats necessàries per promoure'n el desenvolupament. Tanmateix, quan no hi ha prou experts, es crea una bretxa d'innovació, com ara posar el disseny per a la manufacturabilitat (DFM) primer en la fase d'R+D, i després convertir-se en una bretxa de fabricació quan és massa tard per fer canvis rendibles.
Aliances com la recentment creada University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), proporcionen un entorn important per cultivar els talents necessaris per fer avançar el camp. Els estudiants poden treballar directament amb investigadors universitaris i professionals de la indústria per desenvolupar tecnologia i fer avançar la recerca hipersònica crítica.
Tot i que la UCAH i altres consorcis de defensa van autoritzar els membres a participar en una varietat de treballs d'enginyeria, cal fer més feina per cultivar talents diversos i experimentats, des del disseny fins al desenvolupament i selecció de materials i els tallers de fabricació.
Per tal de proporcionar un valor més durador en aquest camp, l'aliança universitària ha de prioritzar el desenvolupament de la força laboral alineant-se amb les necessitats de la indústria, implicant els membres en la recerca adequada per a la indústria i invertint en el programa.
A l'hora de transformar la tecnologia hipersònica en projectes fabricables a gran escala, la bretxa existent entre la mà d'obra d'enginyeria i fabricació és el repte més gran. Si la recerca inicial no creua aquesta vall de la mort, encertadament anomenada així —la bretxa entre R+D i fabricació, i molts projectes ambiciosos han fracassat—, aleshores hem perdut una solució aplicable i factible.
La indústria manufacturera dels EUA pot accelerar la velocitat supersònica, però el risc de quedar-se enrere és ampliar la mida de la força laboral per igualar-la. Per tant, el govern i els consorcis de desenvolupament universitari han de cooperar amb els fabricants per posar en pràctica aquests plans.
La indústria ha experimentat mancances de competències, des dels tallers de fabricació fins als laboratoris d'enginyeria, i aquestes mancances només s'eixamplaran a mesura que creixi el mercat hipersònic. Les tecnologies emergents requereixen una força laboral emergent per ampliar el coneixement en aquest camp.
El treball hipersònic abasta diverses àrees clau de diversos materials i estructures, i cada àrea té el seu propi conjunt de reptes tècnics. Requereixen un alt nivell de coneixement detallat, i si no existeix l'experiència necessària, això pot crear obstacles per al desenvolupament i la producció. Si no tenim prou personal per mantenir la feina, serà impossible satisfer la demanda de producció d'alta velocitat.
Per exemple, necessitem gent que pugui construir el producte final. La UCAH i altres consorcis són essencials per promoure la fabricació moderna i garantir que els estudiants interessats en el paper de la fabricació hi siguin inclosos. Mitjançant esforços de desenvolupament de la força laboral dedicats i interfuncionals, la indústria podrà mantenir un avantatge competitiu en els plans de vol hipersònics en els propers anys.
Amb l'establiment de la UCAH, el Departament de Defensa està creant una oportunitat per adoptar un enfocament més centrat en la construcció de capacitats en aquesta àrea. Tots els membres de la coalició han de treballar junts per entrenar les capacitats específiques dels estudiants, de manera que puguem construir i mantenir l'impuls de la recerca i ampliar-la per produir els resultats que el nostre país necessita.
L'Aliança de Composites Avançats de la NASA, ara tancada, és un exemple d'un esforç reeixit de desenvolupament de la força laboral. La seva eficàcia és el resultat de combinar el treball d'R+D amb els interessos de la indústria, cosa que permet que la innovació s'expandeixi per tot l'ecosistema de desenvolupament. Els líders de la indústria han treballat directament amb la NASA i les universitats en projectes durant dos a quatre anys. Tots els membres han desenvolupat coneixements i experiència professionals, han après a cooperar en un entorn no competitiu i han format estudiants universitaris per desenvolupar-se i formar actors clau de la indústria en el futur.
Aquest tipus de desenvolupament de la força laboral omple els buits de la indústria i ofereix oportunitats perquè les petites empreses innovin ràpidament i diversifiquin el camp per aconseguir un major creixement que sigui favorable a les iniciatives de seguretat nacional i seguretat econòmica dels EUA.
Les aliances universitàries, inclosa la UCAH, són actius importants en el camp hipersònic i la indústria de la defensa. Tot i que la seva recerca ha promogut innovacions emergents, el seu valor més gran rau en la seva capacitat per formar la nostra propera generació de força laboral. El consorci ara ha de prioritzar la inversió en aquests plans. D'aquesta manera, poden ajudar a fomentar l'èxit a llarg termini de la innovació hipersònica.
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.
Els fabricants de productes complexos i d'alta enginyeria (com ara components d'avions) es comprometen amb la perfecció en tot moment. No hi ha marge de maniobra.
Com que la producció d'aeronaus és extremadament complexa, els fabricants han de gestionar acuradament el procés de qualitat, prestant molta atenció a cada pas. Això requereix una comprensió profunda de com gestionar i adaptar-se a problemes dinàmics de producció, qualitat, seguretat i cadena de subministrament, alhora que compleixen els requisits reglamentaris.
Com que molts factors afecten el lliurament de productes d'alta qualitat, és difícil gestionar ordres de producció complexes i que canvien amb freqüència. El procés de qualitat ha de ser dinàmic en tots els aspectes de la inspecció i el disseny, la producció i les proves. Gràcies a les estratègies de la Indústria 4.0 i les solucions de fabricació modernes, aquests reptes de qualitat s'han tornat més fàcils de gestionar i superar.
L'enfocament tradicional de la producció d'aeronaus sempre ha estat en els materials. La font de la majoria dels problemes de qualitat pot ser la fractura fràgil, la corrosió, la fatiga metàl·lica o altres factors. Tanmateix, la producció d'aeronaus actual inclou tecnologies avançades i altament dissenyades que utilitzen materials resistents. La creació de productes utilitza processos i sistemes electrònics altament especialitzats i complexos. És possible que les solucions de programari de gestió d'operacions generals ja no puguin resoldre problemes extremadament complexos.
Es poden comprar peces més complexes de la cadena de subministrament global, per la qual cosa cal tenir més en compte la seva integració al llarg del procés de muntatge. La incertesa comporta nous reptes per a la visibilitat de la cadena de subministrament i la gestió de la qualitat. Garantir la qualitat de tantes peces i productes acabats requereix mètodes de qualitat millors i més integrats.
La Indústria 4.0 representa el desenvolupament de la indústria manufacturera, i es necessiten tecnologies cada cop més avançades per complir amb uns requisits de qualitat estrictes. Les tecnologies de suport inclouen la Internet Industrial de les Coses (IIoT), els fils digitals, la realitat augmentada (RA) i l'anàlisi predictiva.
La Qualitat 4.0 descriu un mètode de qualitat de processos de producció basat en dades que inclou productes, processos, planificació, compliment i estàndards. Es basa en els mètodes de qualitat tradicionals, en lloc de substituir-los, i utilitza moltes de les mateixes tecnologies noves que els seus homòlegs industrials, com ara l'aprenentatge automàtic, els dispositius connectats, la computació en núvol i els bessons digitals, per transformar el flux de treball de l'organització i eliminar possibles defectes en productes o processos. S'espera que l'aparició de la Qualitat 4.0 canviï encara més la cultura del lloc de treball augmentant la dependència de les dades i un ús més profund de la qualitat com a part del mètode general de creació del producte.
La Qualitat 4.0 integra qüestions operatives i de garantia de qualitat (QA) des del principi fins a la fase de disseny. Això inclou com conceptualitzar i dissenyar productes. Els resultats d'enquestes recents a la indústria indiquen que la majoria de mercats no tenen un procés automatitzat de transferència de disseny. El procés manual deixa marge d'errors, ja sigui un error intern o la comunicació del disseny i els canvis a la cadena de subministrament.
A més del disseny, Quality 4.0 també utilitza l'aprenentatge automàtic centrat en processos per reduir els residus, reduir les repeticions de treball i optimitzar els paràmetres de producció. A més, també resol problemes de rendiment del producte després del lliurament, utilitza comentaris in situ per actualitzar el programari del producte de forma remota, manté la satisfacció del client i, en definitiva, garanteix la repetició de la compra. S'està convertint en un soci inseparable de la Indústria 4.0.
Tanmateix, la qualitat no només és aplicable a enllaços de fabricació seleccionats. La inclusió de la Qualitat 4.0 pot inculcar un enfocament de qualitat integral a les organitzacions de fabricació, fent que el poder transformador de les dades sigui una part integral del pensament corporatiu. El compliment normatiu a tots els nivells de l'organització contribueix a la formació d'una cultura general de qualitat.
Cap procés de producció pot funcionar perfectament el 100% del temps. Els canvis en les condicions desencadenen esdeveniments imprevistos que requereixen remediació. Aquells que tenen experiència en qualitat entenen que tot es tracta del procés d'avançar cap a la perfecció. Com us assegureu que la qualitat s'incorpori al procés per detectar problemes el més aviat possible? Què fareu quan trobeu el defecte? Hi ha factors externs que causin aquest problema? Quins canvis podeu fer al pla d'inspecció o al procediment de prova per evitar que aquest problema torni a passar?
Establir la mentalitat que cada procés de producció té un procés de qualitat relacionat i relacionat. Imagineu un futur on hi hagi una relació individual i mesureu constantment la qualitat. Passi el que passi a l'atzar, es pot aconseguir una qualitat perfecta. Cada centre de treball revisa els indicadors i els indicadors clau de rendiment (KPI) diàriament per identificar àrees de millora abans que es produeixin problemes.
En aquest sistema de circuit tancat, cada procés de producció té una inferència de qualitat, que proporciona retroalimentació per aturar el procés, permetre que el procés continuï o fer ajustos en temps real. El sistema no es veu afectat per la fatiga ni per l'error humà. Un sistema de qualitat de circuit tancat dissenyat per a la producció d'aeronaus és essencial per aconseguir nivells de qualitat més alts, escurçar els temps de cicle i garantir el compliment de les normes AS9100.
Fa deu anys, la idea de centrar el control de qualitat en el disseny de productes, la investigació de mercat, els proveïdors, els serveis de producte o altres factors que afecten la satisfacció del client era impossible. S'entén que el disseny de producte prové d'una autoritat superior; la qualitat consisteix a executar aquests dissenys a la línia de muntatge, independentment de les seves deficiències.
Avui dia, moltes empreses s'estan repensant com fer negocis. L'statu quo del 2018 potser ja no és possible. Cada cop més fabricants s'estan tornant més i més intel·ligents. Hi ha més coneixement disponible, cosa que significa una millor intel·ligència per construir el producte adequat a la primera, amb una major eficiència i rendiment.