Sicondu SmarTech, una sucietà di cunsulenza in tecnulugia di fabricazione, l'aerospaziale hè a seconda industria più grande servita da a fabricazione additiva (AM), seconda solu à a medicina. Tuttavia, ci hè sempre una mancanza di cuscenza di u putenziale di a fabricazione additiva di materiali ceramici in a rapida fabricazione di cumpunenti aerospaziali, una maggiore flessibilità è un bon rapportu qualità-prezzu. L'AM pò pruduce pezzi ceramichi più forti è più ligeri più rapidamente è in modu più sustenibile, riducendu i costi di manodopera, minimizendu l'assemblea manuale è migliurendu l'efficienza è e prestazioni attraversu u disignu sviluppatu da a modellazione, riducendu cusì u pesu di l'aeromobile. Inoltre, a tecnulugia ceramica di fabricazione additiva furnisce u cuntrollu dimensionale di i pezzi finiti per caratteristiche più chjuche di 100 micron.
Tuttavia, a parola ceramica pò evocà l'idea sbagliata di fragilità. In fatti, a ceramica fabbricata cù additivi produce pezzi più ligeri è fini cù una grande resistenza strutturale, tenacità è resistenza à una larga gamma di temperature. L'imprese lungimiranti si rivolgenu à cumpunenti di fabricazione ceramica, cumpresi ugelli è eliche, isolanti elettrici è pale di turbine.
Per esempiu, l'alumina d'alta purezza hà una durezza elevata, è hà una forte resistenza à a corrosione è un intervallu di temperatura. I cumpunenti fatti d'alumina sò ancu elettricamente isolanti à l'alte temperature cumuni in i sistemi aerospaziali.
A ceramica à basa di zirconia pò risponde à parechje applicazioni cù esigenze di materiale estreme è stress meccanicu elevatu, cum'è u stampaggio di metalli di alta gamma, valvole è cuscinetti. A ceramica di nitruro di siliciu hà una alta resistenza, alta tenacità è eccellente resistenza à i shock termichi, è ancu una bona resistenza chimica à a corrosione di una varietà di acidi, alcali è metalli fusi. U nitruro di siliciu hè adupratu per isolanti, giranti è antenne à bassa temperatura è bassa dielettrica.
A ceramica cumposta offre parechje qualità desiderabili. A ceramica à basa di siliciu aghjunta cù alumina è zircone hà dimustratu di avè boni risultati in a fabricazione di getti monocristallini per e pale di e turbine. Questu hè perchè u core ceramicu fattu di stu materiale hà una espansione termica assai bassa finu à 1.500 °C, alta porosità, eccellente qualità di a superficia è bona lisciviabilità. A stampa di sti nuclei pò pruduce disinni di turbine chì ponu sustene temperature di funziunamentu più elevate è aumentà l'efficienza di u mutore.
Hè ben cunnisciutu chì u stampaggio à iniezione o a machinazione di a ceramica hè assai difficiule, è a machinazione furnisce un accessu limitatu à i cumpunenti chì sò fabbricati. Caratteristiche cum'è i muri fini sò ancu difficiuli da machinà.
Tuttavia, Lithoz usa a fabricazione ceramica basata nantu à a litografia (LCM) per fabricà cumpunenti ceramici 3D precisi è di forma cumplessa.
Partendu da u mudellu CAD, e specificazioni dettagliate sò trasferite digitalmente à a stampante 3D. Dopu, applicate a polvere ceramica furmulata precisamente in cima à a vasca trasparente. A piattaforma di custruzzione mobile hè immersa in u fangu è poi esposta selettivamente à a luce visibile da sottu. L'imagine di u stratu hè generata da un dispositivu micro-specchiu digitale (DMD) accoppiatu cù u sistema di pruiezione. Ripetendu stu prucessu, una parte verde tridimensionale pò esse generata stratu per stratu. Dopu u post-trattamentu termicu, u legante hè eliminatu è e parte verdi sò sinterizate - cumminate da un prucessu di riscaldamentu speciale - per pruduce una parte ceramica cumpletamente densa cù eccellenti proprietà meccaniche è qualità di superficia.
A tecnulugia LCM furnisce un prucessu innovativu, economicu è più veloce per a fusione à investimentu di cumpunenti di motori à turbina, evitendu a fabricazione di stampi costosa è laboriosa necessaria per u stampaggio à iniezione è a fusione à cera persa.
LCM pò ancu ottene disinni chì ùn ponu esse ottenuti cù altri metudi, aduprendu assai menu materie prime cà altri metudi.
Malgradu u grande putenziale di i materiali ceramici è di a tecnulugia LCM, ci hè sempre una lacuna trà i pruduttori di apparecchiature originali AM (OEM) è i cuncipitori aerospaziali.
Una ragione pò esse a resistenza à i novi metudi di fabricazione in l'industrie cù esigenze di sicurezza è di qualità particularmente severe. A fabricazione aerospaziale richiede numerosi prucessi di verificazione è qualificazione, è ancu testi approfonditi è rigorosi.
Un altru ostaculu include a credenza chì a stampa 3D hè principalmente adatta solu per a prototipazione rapida una volta, piuttostu chè qualcosa chì pò esse adupratu in aria. Ancu una volta, questu hè un malintesi, è hè statu dimustratu chì i cumpunenti ceramici stampati in 3D sò aduprati in a pruduzzione di massa.
Un esempiu hè a fabricazione di pale di turbine, induve u prucessu ceramicu AM produce nuclei di cristallu unicu (SX), è ancu pale di turbine di superlega à solidificazione direzionale (DS) è à fusione equiassiale (EX). I nuclei cù strutture ramificate cumplesse, pareti multiple è bordi posteriori inferiori à 200 μm ponu esse prudutti rapidamente è economicamente, è i cumpunenti finali anu una precisione dimensionale consistente è una finitura superficiale eccellente.
Migliurà a cumunicazione pò riunisce i cuncettori aerospaziali è i pruduttori d'equipaggiamentu additivu (AM) è fidà si cumpletamente di i cumpunenti ceramichi fabbricati cù LCM è altre tecnulugie. A tecnulugia è a cumpetenza esistenu. Ci vole à cambià u modu di pensà da AM per a R&S è a prototipazione, è vedelu cum'è a strada da seguità per l'applicazioni cummerciali à grande scala.
In più di a furmazione, l'imprese aerospaziali ponu ancu investisce tempu in u persunale, l'ingegneria è i testi. I pruduttori devenu esse familiarizati cù diverse norme è metudi per valutà a ceramica, micca i metalli. Per esempiu, e duie norme ASTM chjave di Lithoz per a ceramica strutturale sò ASTM C1161 per i testi di resistenza è ASTM C1421 per i testi di tenacità. Queste norme s'applicanu à a ceramica prodotta da tutti i metudi. In a fabricazione additiva ceramica, a fase di stampa hè solu un metudu di furmazione, è e parti sò sottumesse à u listessu tipu di sinterizazione cum'è a ceramica tradiziunale. Dunque, a microstruttura di e parti ceramiche serà assai simile à a machinazione cunvinziunale.
Basatu annantu à l'avanzamentu cuntinuu di i materiali è di a tecnulugia, pudemu dì cun fiducia chì i cuncettori utteneranu più dati. I novi materiali ceramichi seranu sviluppati è persunalizati secondu i bisogni specifichi di l'ingegneria. E parti fatte di ceramica AM cumpleteranu u prucessu di certificazione per l'usu in l'aerospaziale. È furniranu strumenti di cuncepimentu megliu, cum'è un software di modelizazione miglioratu.
Cullaburendu cù l'esperti tecnichi di LCM, e cumpagnie aerospaziali ponu introduce prucessi ceramichi AM internamente, accurtendu u tempu, riducendu i costi è creendu opportunità per u sviluppu di a pruprietà intellettuale di a cumpagnia. Cù a lungimiranza è a pianificazione à longu andà, e cumpagnie aerospaziali chì investenu in a tecnulugia ceramica ponu ottene benefici significativi in ​​tuttu u so portafogliu di pruduzzione in i prossimi deci anni è oltre.
Stabilendu una cullaburazione cù AM Ceramics, i pruduttori di apparecchiature originali aerospaziali produrranu cumpunenti chì eranu prima inimmaginabili.
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 parlerà di e difficultà di cumunicà efficacemente i vantaghji di a fabricazione additiva ceramica à a Ceramics Expo in Cleveland, Ohio u 1 di settembre di u 2021.
Ancu s'è u sviluppu di sistemi di volu ipersonichi esiste dapoi decennii, hè diventatu avà a massima priorità di a difesa naziunale di i Stati Uniti, purtendu stu campu in un statu di rapida crescita è cambiamentu. Cum'è un campu multidisciplinariu unicu, a sfida hè di truvà esperti cù e cumpetenze necessarie per prumove u so sviluppu. Tuttavia, quandu ùn ci sò micca abbastanza esperti, si crea una lacuna d'innuvazione, cum'è mette a cuncepzione per a fabricabilità (DFM) prima in a fase di R&S, è poi trasfurmà si in una lacuna di fabricazione quandu hè troppu tardi per fà cambiamenti rentabili.
L'alleanze, cum'è a University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH) appena creata, furniscenu un ambiente impurtante per cultivà i talenti necessarii per fà avanzà u campu. I studienti ponu travaglià direttamente cù i circadori universitari è i prufessiunali di l'industria per sviluppà a tecnulugia è fà avanzà a ricerca ipersonica critica.
Ancu s'è l'UCAH è altri consorzii di difesa anu autorizatu i membri à impegnassi in una varietà di travaglii d'ingegneria, ci vole à fà più travagliu per cultivà talenti diversi è sperimentati, da a cuncepzione à u sviluppu è a selezzione di materiali finu à i laboratori di fabricazione.
Per furnisce un valore più durevule in u duminiu, l'alleanza universitaria deve fà di u sviluppu di a forza di travagliu una priorità allineendu si cù i bisogni di l'industria, implichendu i membri in a ricerca adatta à l'industria è investendu in u prugramma.
Quandu si trasforma a tecnulugia ipersonica in prughjetti fabbricabili à grande scala, u deficit di cumpetenze di a manodopera ingegneristica è di fabricazione esistente hè a più grande sfida. Se a ricerca iniziale ùn attraversa micca sta valle di a morte chjamata apprupriatamente - u deficit trà R&S è fabricazione, è parechji prughjetti ambiziosi anu fiascatu - allora avemu persu una suluzione applicabile è fattibile.
L'industria manifatturiera di i Stati Uniti pò accelerà a velocità supersonica, ma u risicu di stà in ritardu hè di allargà a dimensione di a forza lavoro per currisponde. Dunque, u guvernu è i consorzii di sviluppu universitari devenu cooperà cù i pruduttori per mette in pratica questi piani.
L'industria hà scontru lacune di cumpetenze da i laboratori di fabricazione à i laboratori d'ingegneria - queste lacune ùn feranu chè allargà cù a crescita di u mercatu ipersonicu. E tecnulugie emergenti necessitanu una forza di travagliu emergente per allargà e cunniscenze in u campu.
U travagliu ipersonicu abbraccia parechji settori chjave di diversi materiali è strutture, è ogni settore hà u so propiu inseme di sfide tecniche. Richiedenu un altu livellu di cunniscenza dettagliata, è se a cumpetenza necessaria ùn esiste micca, questu pò creà ostaculi à u sviluppu è a pruduzzione. Se ùn avemu micca abbastanza persone per mantene u travagliu, serà impussibile di risponde à a dumanda di pruduzzione à alta velocità.
Per esempiu, avemu bisognu di persone chì ponu custruisce u pruduttu finale. UCAH è altri consorzii sò essenziali per prumove a fabricazione muderna è assicurà chì i studienti interessati à u rolu di a fabricazione sianu inclusi. Attraversu sforzi di sviluppu di a forza di travagliu dedicati è interfunziunali, l'industria serà capace di mantene un vantaghju cumpetitivu in i piani di volu ipersonichi in i prossimi anni.
Cù a creazione di l'UCAH, u Dipartimentu di a Difesa crea una opportunità per aduttà un approcciu più focalizatu per custruisce capacità in questu duminiu. Tutti i membri di a coalizione devenu travaglià inseme per furmà e capacità di nicchia di i studienti in modu da pudè custruisce è mantene u momentum di a ricerca è espandela per pruduce i risultati chì u nostru paese hà bisognu.
L'attualmente chjusa NASA Advanced Composites Alliance hè un esempiu di un sforzu di sviluppu di a forza di travagliu riesciutu. A so efficacia hè u risultatu di a cumbinazione di u travagliu di R&S cù l'interessi di l'industria, ciò chì permette à l'innuvazione di espande si in tuttu l'ecosistema di sviluppu. I dirigenti di l'industria anu travagliatu direttamente cù a NASA è l'università nantu à prughjetti per dui à quattru anni. Tutti i membri anu sviluppatu cunniscenze è sperienza prufessiunale, anu amparatu à cooperà in un ambiente micca cumpetitivu, è anu nutritu i studienti universitari per sviluppà si per nutrisce i principali attori di l'industria in u futuru.
Stu tipu di sviluppu di a forza di travagliu riempie e lacune in l'industria è offre opportunità per e piccule imprese d'innovà rapidamente è di diversificà u campu per ottene una crescita ulteriore chì sia propizia à l'iniziative di sicurezza naziunale è di sicurezza ecunomica di i Stati Uniti.
L'alleanze universitarie, cumprese l'UCAH, sò risorse impurtanti in u campu ipersonicu è in l'industria di a difesa. Ancu s'è a so ricerca hà prumuvutu innovazioni emergenti, u so più grande valore reside in a so capacità di furmà a nostra prossima generazione di forza di travagliu. U consorziu hà avà bisognu di dà priorità à l'investimenti in tali piani. Cusì, ponu aiutà à prumove u successu à longu andà di l'innuvazione ipersonica.
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.
I pruduttori di prudutti cumplessi è altamente ingegnerizzati (cum'è i cumpunenti di l'aeromobili) sò impegnati à a perfezione ogni volta. Ùn ci hè micca spaziu di manuvra.
Siccomu a pruduzzione di l'aeromobili hè estremamente cumplessa, i pruduttori devenu gestisce cù cura u prucessu di qualità, prestendu una grande attenzione à ogni passu. Questu richiede una cunniscenza approfondita di cumu gestisce è adattassi à i prublemi dinamici di pruduzzione, qualità, sicurezza è catena di furnimentu, rispettendu al contempo i requisiti regulatori.
Siccomu parechji fattori influenzanu a consegna di prudutti di alta qualità, hè difficiule di gestisce ordini di pruduzzione cumplessi è chì cambianu spessu. U prucessu di qualità deve esse dinamicu in ogni aspettu di l'ispezione è di a cuncepzione, di a pruduzzione è di i testi. Grazie à e strategie di l'Industria 4.0 è à e soluzioni di fabricazione muderne, sti sfidi di qualità sò diventati più faciuli da gestisce è da superà.
L'attenzione tradiziunale di a pruduzzione di l'aeronautica hè sempre stata focalizzata nantu à i materiali. A fonte di a maiò parte di i prublemi di qualità pò esse a frattura fragile, a currusione, a fatica di u metallu, o altri fattori. Tuttavia, a pruduzzione di l'aeronautica d'oghje include tecnulugie avanzate è altamente ingegnerizate chì utilizanu materiali resistenti. A creazione di prudutti utilizza prucessi è sistemi elettronichi altamente specializati è cumplessi. E soluzioni software di gestione di l'operazioni generali ùn ponu più esse capace di risolve prublemi estremamente cumplessi.
Pezzi più cumplessi ponu esse acquistati da a catena di furnimentu glubale, dunque ci vole à piglià più in contu a so integrazione in tuttu u prucessu di assemblaggio. L'incertezza porta novi sfide à a visibilità di a catena di furnimentu è à a gestione di a qualità. Garanzia di a qualità di tante parti è prudutti finiti richiede metudi di qualità megliu è più integrati.
L'Industria 4.0 rapprisenta u sviluppu di l'industria manifatturiera, è sò necessarie tecnulugie sempre più avanzate per risponde à esigenze di qualità rigorose. E tecnulugie di supportu includenu l'Internet Industriale di e Cose (IIoT), i fili digitali, a realtà aumentata (AR) è l'analisi predittiva.
A Qualità 4.0 descrive un metudu di qualità di u prucessu di pruduzzione basatu annantu à i dati chì implica prudutti, prucessi, pianificazione, cunfurmità è standard. Hè custruitu piuttostu chè rimpiazzà i metudi di qualità tradiziunali, aduprendu parechje di e listesse nuove tecnulugie cum'è i so omologhi industriali, cumprese l'apprendimentu automaticu, i dispositivi cunnessi, u cloud computing è i gemelli digitali per trasfurmà u flussu di travagliu di l'urganizazione è eliminà pussibuli difetti di prudutti o prucessi. L'emergenza di a Qualità 4.0 hè prevista per cambià ulteriormente a cultura di u locu di travagliu aumentendu a fiducia in i dati è un usu più prufondu di a qualità cum'è parte di u metudu generale di creazione di u pruduttu.
A Qualità 4.0 integra e questioni operative è di garanzia di qualità (QA) da u principiu à a fase di cuncepimentu. Questu include cumu cuncettualizà è cuncepisce i prudutti. I risultati recenti di l'indagine industriale indicanu chì a maiò parte di i mercati ùn anu micca un prucessu automatizatu di trasferimentu di cuncepimentu. U prucessu manuale lascia spaziu per errori, ch'ellu sia un errore internu o a cumunicazione di u cuncepimentu è di i cambiamenti à a catena di furnimentu.
In più di u cuncepimentu, Quality 4.0 usa ancu l'apprendimentu automaticu centratu nantu à u prucessu per riduce i rifiuti, riduce i travagli di rilavorazione è ottimizà i parametri di pruduzzione. Inoltre, risolve ancu i prublemi di prestazioni di u produttu dopu a consegna, usa u feedback in situ per aghjurnà à distanza u software di u produttu, mantene a satisfaczione di i clienti è, infine, assicura a ripetizione di l'attività. Diventa un partenariu inseparabile di l'Industria 4.0.
Tuttavia, a qualità ùn hè micca solu applicabile à i ligami di fabricazione selezziunati. L'inclusività di Quality 4.0 pò instillà un approcciu cumpletu di qualità in l'urganisazioni di fabricazione, facendu di u putere trasfurmativu di i dati una parte integrante di u pensamentu corporativu. A cunfurmità à tutti i livelli di l'urganizazione cuntribuisce à a furmazione di una cultura generale di qualità.
Nisun prucessu di pruduzzione pò esse eseguitu perfettamente in u 100% di u tempu. E cundizioni cambianti scatenanu eventi imprevisti chì necessitanu una riparazione. Quelli chì anu sperienza in a qualità capiscenu chì si tratta di u prucessu di avvicinassi à a perfezione. Cumu assicuratevi chì a qualità sia incorporata in u prucessu per rilevà i prublemi u più prestu pussibule? Chì farete quandu truvate u difettu? Ci sò fattori esterni chì causanu stu prublema? Chì cambiamenti pudete fà à u pianu d'ispezione o à a prucedura di prova per impedisce chì stu prublema si ripeta?
Stabilisce una mentalità chì ogni prucessu di pruduzzione hà un prucessu di qualità cunnessu è cunnessu. Imaginate un futuru induve ci hè una relazione unu à unu è misurate constantemente a qualità. Indipendentemente da ciò chì accade à casu, una qualità perfetta pò esse ottenuta. Ogni centru di travagliu rivede l'indicatori è l'indicatori chjave di prestazione (KPI) ogni ghjornu per identificà e zone di miglioramentu prima chì si verificanu prublemi.
In questu sistema à ciclu chjusu, ogni prucessu di pruduzzione hà una inferenza di qualità, chì furnisce un feedback per fermà u prucessu, permette à u prucessu di cuntinuà, o fà aghjustamenti in tempu reale. U sistema ùn hè micca affettatu da a fatigue o da l'errore umanu. Un sistema di qualità à ciclu chjusu cuncipitu per a pruduzzione di aeromobili hè essenziale per ottene livelli di qualità più alti, accorcià i tempi di ciclu è assicurà a conformità cù e norme AS9100.
Dece anni fà, l'idea di fucalizà u QA nantu à a cuncepzione di u produttu, a ricerca di mercatu, i fornitori, i servizii di u produttu, o altri fattori chì influenzanu a satisfaczione di i clienti era impussibile. Si capisce chì a cuncepzione di u produttu vene da una autorità superiore; a qualità riguarda l'esecuzione di sti disinni nantu à a catena di montaggio, indipendentemente da i so difetti.
Oghje, parechje cumpagnie stanu ripensendu à cumu fà affari. U statu quo in u 2018 ùn pò più esse pussibule. Sempre più pruduttori diventanu sempre più intelligenti. Più cunniscenza hè dispunibule, ciò chì significa una megliu intelligenza per custruisce u pruduttu ghjustu in a prima volta, cù una maggiore efficienza è prestazioni.