Segons SmarTech, una empresa de consultoria de 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.AM pot produir peces de ceràmica més resistents i lleugeres més ràpidament i de manera més sostenible, reduint els costos laborals, minimitzant el muntatge manual i millorant l'eficiència i el rendiment mitjançant el disseny desenvolupat per modelatge, reduint així el pes de l'avió.A més, la tecnologia ceràmica de fabricació additiva proporciona un control dimensional de les peces acabades per a característiques inferiors a 100 micres.
Tanmateix, la paraula ceràmica pot evocar la concepció errònia de fragilitat.De fet, les ceràmiques de fabricació additiva produeixen peces més lleugeres i fines amb una gran resistència estructural, duresa i resistència a un ampli rang de temperatures.Les empreses amb visió de futur estan recorrent a components de fabricació de ceràmica, com ara broquets i hèlixs, aïllants elèctrics i pales de turbines.
Per exemple, l'alúmina d'alta puresa té una gran duresa i té una forta resistència a la corrosió i un rang de temperatures.Els components fets d'alúmina també són elèctricament aïllants a les altes temperatures habituals en els sistemes aeroespacials.
La ceràmica a base de zirconi pot satisfer moltes aplicacions amb requisits de materials extrems i una gran tensió mecànica, com ara modelat metàl·lic de gamma alta, vàlvules i coixinets.Les ceràmiques de nitrur de silici tenen una alta resistència, una gran 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 foss.El nitrur de silici s'utilitza per a aïllants, impulsors i antenes d'alta temperatura i baix dielèctric.
La ceràmica composta ofereix diverses qualitats desitjables.Les ceràmiques a base de silici afegides amb alúmina i zircó han demostrat tenir un bon rendiment en la fabricació de peces de fosa monocristal per a pales de turbines.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 qualitat superficial excel·lent i una bona lixiviabilitat.La impressió d'aquests nuclis pot produir dissenys de turbines que poden suportar temperatures de funcionament més altes i augmentar l'eficiència del motor.
És ben sabut que l'emmotllament per injecció o el mecanitzat de la ceràmica és molt difícil, i el mecanitzat ofereix un accés limitat als components que es fabriquen.Característiques com ara parets primes també són difícils de mecanitzar.
Tanmateix, Lithoz utilitza la fabricació de ceràmica basada en litografia (LCM) per fabricar components ceràmics 3D precisos i de forma complexa.
A partir del model CAD, les especificacions detallades es transfereixen digitalment a la impressora 3D.A continuació, apliqueu la pols ceràmica formulada amb precisió a la part superior de la tina transparent.La plataforma de construcció mòbil es submergeix al fang i després s'exposa selectivament a la llum visible des de sota.La imatge de la capa és generada per un dispositiu de micromirall digital (DMD) acoblat amb el sistema de projecció.En repetir aquest procés, es pot generar capa per capa una part verda tridimensional.Després del posttractament tèrmic, s'elimina l'aglutinant i les parts verdes es sinteritzen, combinades mitjançant un procés de calefacció 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 d'inversió dels components del motor de turbina, evitant la costosa i laboriosa fabricació de motlles necessària per a l'emmotllament per injecció i la fosa a la cera perduda.
LCM també pot aconseguir dissenys que no es poden aconseguir amb altres mètodes, mentre 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) AM 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 especialment estrictes.La fabricació aeroespacial requereix molts processos de verificació i qualificació, així com proves exhaustives i rigoroses.
Un altre obstacle inclou la creença que la impressió 3D només és adequada per a prototips ràpids d'una vegada, en lloc de qualsevol cosa que es pugui utilitzar a l'aire.Una vegada més, es tracta d'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 turbines, on el procés ceràmic AM produeix nuclis de cristall únic (SX), així com pales de turbina de superaliatge de solidificació direccional (DS) i fosa equiaxial (EX).Els nuclis amb estructures de branques complexes, múltiples parets i vores posteriors inferiors a 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.
La millora de la comunicació pot reunir dissenyadors aeroespacials i OEM AM i confiar plenament en components ceràmics fabricats amb LCM i altres tecnologies.La tecnologia i l'experiència existeixen.Ha de canviar la manera de pensar de l'AM per a la R+D i la creació de prototips, i veure-ho com el camí a seguir per a aplicacions comercials a gran escala.
A més de l'educació, 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 ASTM C1161 per a proves de resistència i ASTM C1421 per a proves de tenacitat.Aquestes normes s'apliquen a la ceràmica produïda per tots els mètodes.En la fabricació d'additius ceràmics, 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.
A partir de l'avenç continu dels materials i la tecnologia, podem dir amb confiança que els dissenyadors obtindran més dades.Es desenvoluparan i es personalitzaran nous materials ceràmics segons les necessitats específiques d'enginyeria.Les peces fetes amb ceràmica AM completaran el procés de certificació per al seu ús en aeroespacial.I proporcionarà millors eines de disseny, com ara programari de modelatge millorat.
En cooperar amb experts tècnics de LCM, les empreses aeroespacials poden introduir processos ceràmics AM a l'interior, escurçant el temps, reduint costos i creant oportunitats per al desenvolupament de la propietat intel·lectual 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 d'additius ceràmics a la Ceramics Expo de Cleveland, Ohio, l'1 de setembre de 2021.
Tot i que el desenvolupament de sistemes de vol hipersònic ha existit durant dècades, ara s'ha convertit en la màxima prioritat de la defensa nacional dels EUA, portant aquest camp a un estat de ràpid creixement i canvi.Com a àmbit multidisciplinari únic, el repte és trobar experts amb les competències necessàries per afavorir el seu desenvolupament.Tanmateix, quan no hi ha prou experts, es crea una bretxa d'innovació, com ara posar el disseny per a la fabricabilitat (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.
Les aliances, com la recentment establerta Aliança Universitària per a la Hipersònica Aplicada (UCAH), proporcionen un entorn important per cultivar els talents necessaris per avançar en el camp.Els estudiants poden treballar directament amb investigadors universitaris i professionals de la indústria per desenvolupar tecnologia i avançar en la investigació hipersònica crítica.
Tot i que la UCAH i altres consorcis de defensa van autoritzar els membres a participar en una varietat de feines d'enginyeria, s'ha de treballar més per conrear talents diversos i experimentats, des del disseny fins al desenvolupament i selecció de materials fins a tallers de fabricació.
Per tal d'oferir un valor més durador en el camp, l'aliança universitària ha de fer del desenvolupament de la força de treball una prioritat alineant-se amb les necessitats de la indústria, implicant els membres en la investigació adequada per a la indústria i invertint en el programa.
Quan es transforma la tecnologia hipersònica en projectes de fabricació a gran escala, la bretxa d'habilitats laborals existents en enginyeria i fabricació és el repte més gran.Si les primeres investigacions no travessen aquesta vall de la mort anomenada encertadament —la bretxa entre R+D i fabricació, i molts projectes ambiciosos han fracassat—, hem perdut una solució aplicable i factible.
La indústria manufacturera nord-americana pot accelerar la velocitat supersònica, però el risc de quedar-se enrere és ampliar la mida de la força de treball 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 llacunes d'habilitats des dels tallers de fabricació fins als laboratoris d'enginyeria; aquestes llacunes només s'ampliaran a mesura que creixi el mercat hipersònic.Les tecnologies emergents requereixen una mà d'obra emergent per ampliar el coneixement en el camp.
El treball hipersònic abasta diverses àrees clau de diferents 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 requerida, això pot crear obstacles per al desenvolupament i la producció.Si no tenim prou gent per mantenir la feina, serà impossible mantenir-se al dia amb la demanda de producció d'alta velocitat.
Per exemple, necessitem persones que puguin construir el producte final.La UCAH i altres consorcis són essencials per promoure la fabricació moderna i garantir que s'incloguin estudiants interessats en el paper de la fabricació.Mitjançant els esforços de desenvolupament de mà d'obra dedicats transversals, la indústria podrà mantenir un avantatge competitiu en els plans de vol hipersònic en els propers anys.
En establir la UCAH, el Departament de Defensa està creant una oportunitat per adoptar un enfocament més centrat en la creació de capacitats en aquesta àrea.Tots els membres de la coalició han de treballar junts per formar les capacitats de nínxol dels estudiants perquè puguem construir i mantenir l'impuls de la recerca i ampliar-lo 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 de desenvolupament de la força de treball amb èxit.La seva eficàcia és el resultat de combinar el treball d'R+D amb els interessos del sector, que permet que la innovació s'expandeixi per tot l'ecosistema de desenvolupament.Els líders del sector han treballat directament amb la NASA i les universitats en projectes durant dos o quatre anys.Tots els membres han desenvolupat coneixements i experiència professionals, han après a cooperar en un entorn no competitiu i han alimentat estudiants universitaris per desenvolupar-se per alimentar els actors clau de la indústria en el futur.
Aquest tipus de desenvolupament de la força de treball omple els buits de la indústria i ofereix oportunitats a les petites empreses per innovar ràpidament i diversificar el camp per aconseguir un creixement més propici per a la seguretat nacional i les iniciatives de 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 investigació ha promogut innovacions emergents, el seu major valor rau en la seva capacitat per formar la nostra propera generació de treballadors.Ara el consorci ha de prioritzar la inversió en aquests plans.En fer-ho, 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 altament dissenyats (com ara components d'avions) es comprometen amb la perfecció cada vegada.No hi ha marge de maniobra.
Com que la producció d'avions 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 als problemes dinàmics de producció, qualitat, seguretat i cadena de subministrament alhora que es compleixen els requisits reglamentaris.
Com que molts factors afecten el lliurament de productes d'alta qualitat, és difícil gestionar comandes de producció complexes i canviants amb freqüència.El procés de qualitat ha de ser dinàmic en tots els aspectes de la inspecció i disseny, producció i 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'avions sempre ha estat en els materials.La font de la majoria dels problemes de qualitat pot ser la fractura fràgil, la corrosió, la fatiga del metall o altres factors.Tanmateix, la producció d'avions 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 a la cadena de subministrament global, per la qual cosa s'ha de 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.Assegurar 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 els estrictes requisits de qualitat.Les tecnologies de suport inclouen Internet industrial de les coses (IIoT), fils digitals, realitat augmentada (AR) i anàlisi predictiva.
Qualitat 4.0 descriu un mètode de qualitat del procés de producció basat en dades que inclou productes, processos, planificació, compliment i estàndards.Es basa en lloc de substituir els mètodes de qualitat tradicionals, utilitzant moltes de les mateixes noves tecnologies 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 de productes o processos.S'espera que l'aparició de la Qualitat 4.0 canviï encara més la cultura del lloc de treball augmentant la confiança en les dades i un ús més profund de la qualitat com a part del mètode global de creació de productes.
La qualitat 4.0 integra aspectes operatius i d'assegurament de la qualitat (QA) des del principi fins a l'etapa de disseny.Això inclou com conceptualitzar i dissenyar productes.Els resultats recents de les enquestes del sector indiquen que la majoria dels mercats no tenen un procés de transferència de disseny automatitzat.El procés manual deixa espai per a errors, tant si es tracta d'un error intern com de la comunicació de disseny i 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 el retreball i optimitzar els paràmetres de producció.A més, també resol els problemes de rendiment del producte després del lliurament, utilitza comentaris in situ per actualitzar de forma remota el programari del producte, manté la satisfacció del client i, en última instància, garanteix la repetició del negoci.S'està convertint en un soci inseparable de la indústria 4.0.
Tanmateix, la qualitat no només s'aplica als enllaços de fabricació seleccionats.La inclusió de Quality 4.0 pot inculcar un enfocament integral de qualitat a les organitzacions de fabricació, fent que el poder transformador de les dades sigui una part integral del pensament corporatiu.El compliment a tots els nivells de l'organització contribueix a la formació d'una cultura global de la qualitat.
Cap procés de producció pot funcionar perfectament en el 100% del temps.Les condicions canviants desencadenen esdeveniments imprevistos que requereixen reparació.Els que tenen experiència en qualitat entenen que tot es tracta del procés d'avançar cap a la perfecció.Com s'assegura que la qualitat s'incorpora al procés per detectar problemes tan aviat com sigui possible?Què faràs quan trobis el defecte?Hi ha factors externs que causen aquest problema?Quins canvis podeu fer al pla d'inspecció o al procediment de prova per evitar que aquest problema torni a passar?
Establir una mentalitat que cada procés de producció té un procés de qualitat relacionat i relacionat.Imagineu un futur on hi hagi una relació un a un i mesura constantment la qualitat.No importa 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 bucle 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 o l'error humà.Un sistema de qualitat de bucle tancat dissenyat per a la producció d'avions és essencial per aconseguir nivells de qualitat més alts, escurçar els temps de cicle i garantir el compliment dels estàndards AS9100.
Fa deu anys, la idea de centrar-se en el disseny de productes, estudis de mercat, proveïdors, serveis de productes o altres factors que afecten la satisfacció del client era impossible.S'entén que el disseny del producte prové d'una autoritat superior;La qualitat consisteix a executar aquests dissenys a la línia de muntatge, independentment de les seves deficiències.
Avui en dia, moltes empreses estan repensant com fer negocis.L'statu quo el 2018 potser ja no serà possible.Cada cop hi ha més fabricants que són cada cop més intel·ligents.Hi ha més coneixement disponible, la qual cosa significa una millor intel·ligència per construir el producte adequat en el primer temps, amb més eficiència i rendiment.