Menurut SmarTech, sebuah syarikat perunding teknologi pembuatan, aeroangkasa merupakan industri kedua terbesar yang dilayan oleh pembuatan bahan tambahan (AM), kedua selepas perubatan. Walau bagaimanapun, masih terdapat kekurangan kesedaran tentang potensi pembuatan bahan tambahan seramik dalam pembuatan komponen aeroangkasa yang pesat, peningkatan fleksibiliti dan keberkesanan kos. AM boleh menghasilkan bahagian seramik yang lebih kuat dan lebih ringan dengan lebih pantas dan lebih lestari - mengurangkan kos buruh, meminimumkan pemasangan manual dan meningkatkan kecekapan dan prestasi melalui reka bentuk yang dibangunkan melalui pemodelan, sekali gus mengurangkan berat pesawat. Di samping itu, teknologi seramik pembuatan bahan tambahan menyediakan kawalan dimensi bahagian siap untuk ciri yang lebih kecil daripada 100 mikron.
Walau bagaimanapun, perkataan seramik mungkin menimbulkan salah tanggapan tentang kerapuhan. Malah, seramik yang dihasilkan dengan bahan tambahan menghasilkan bahagian yang lebih ringan dan lebih halus dengan kekuatan struktur, ketahanan dan ketahanan yang hebat terhadap julat suhu yang luas. Syarikat-syarikat yang berpandangan jauh beralih kepada komponen pembuatan seramik, termasuk muncung dan kipas, penebat elektrik dan bilah turbin.
Contohnya, alumina berketulenan tinggi mempunyai kekerasan yang tinggi, dan mempunyai rintangan kakisan dan julat suhu yang kuat. Komponen yang diperbuat daripada alumina juga penebat elektrik pada suhu tinggi yang biasa dalam sistem aeroangkasa.
Seramik berasaskan zirkonia boleh memenuhi pelbagai aplikasi dengan keperluan bahan yang ekstrem dan tekanan mekanikal yang tinggi, seperti pengacuan logam, injap dan galas mewah. Seramik silikon nitrida mempunyai kekuatan tinggi, ketahanan tinggi dan rintangan kejutan haba yang sangat baik, serta rintangan kimia yang baik terhadap kakisan pelbagai asid, alkali dan logam lebur. Silikon nitrida digunakan untuk penebat, pendesak dan antena dielektrik rendah suhu tinggi.
Seramik komposit memberikan beberapa kualiti yang diingini. Seramik berasaskan silikon yang ditambah dengan alumina dan zirkon telah terbukti berfungsi dengan baik dalam pembuatan tuangan kristal tunggal untuk bilah turbin. Ini kerana teras seramik yang diperbuat daripada bahan ini mempunyai pengembangan haba yang sangat rendah sehingga 1,500°C, keliangan yang tinggi, kualiti permukaan yang sangat baik dan kebolehlarutan yang baik. Mencetak teras ini boleh menghasilkan reka bentuk turbin yang boleh menahan suhu operasi yang lebih tinggi dan meningkatkan kecekapan enjin.
Telah diketahui umum bahawa pengacuan suntikan atau pemesinan seramik adalah sangat sukar, dan pemesinan menyediakan akses terhad kepada komponen yang sedang dihasilkan. Ciri-ciri seperti dinding nipis juga sukar untuk dimesin.
Walau bagaimanapun, Lithoz menggunakan pembuatan seramik berasaskan litografi (LCM) untuk mengeluarkan komponen seramik 3D yang tepat dan berbentuk kompleks.
Bermula daripada model CAD, spesifikasi terperinci dipindahkan secara digital ke pencetak 3D. Kemudian, sapukan serbuk seramik yang dirumus dengan tepat ke bahagian atas tong lutsinar. Platform pembinaan boleh alih direndam dalam lumpur dan kemudian didedahkan secara selektif kepada cahaya yang boleh dilihat dari bawah. Imej lapisan dijana oleh peranti cermin mikro digital (DMD) yang digandingkan dengan sistem unjuran. Dengan mengulangi proses ini, bahagian hijau tiga dimensi boleh dijana lapisan demi lapisan. Selepas rawatan pasca haba, pengikat dikeluarkan dan bahagian hijau disinter—digabungkan melalui proses pemanasan khas—untuk menghasilkan bahagian seramik yang padat sepenuhnya dengan sifat mekanikal dan kualiti permukaan yang sangat baik.
Teknologi LCM menyediakan proses yang inovatif, kos efektif dan pantas untuk pelaburan tuangan komponen enjin turbin—melangkaui pembuatan acuan yang mahal dan susah payah yang diperlukan untuk pengacuan suntikan dan tuangan lilin hilang.
LCM juga boleh mencapai reka bentuk yang tidak dapat dicapai melalui kaedah lain, sambil menggunakan bahan mentah yang jauh lebih sedikit berbanding kaedah lain.
Walaupun terdapat potensi besar bahan seramik dan teknologi LCM, masih terdapat jurang antara pengeluar peralatan asli AM (OEM) dan pereka aeroangkasa.
Salah satu sebabnya mungkin penentangan terhadap kaedah pembuatan baharu dalam industri dengan keperluan keselamatan dan kualiti yang sangat ketat. Pembuatan aeroangkasa memerlukan banyak proses pengesahan dan kelayakan, serta ujian yang teliti dan ketat.
Satu lagi halangan termasuk kepercayaan bahawa percetakan 3D hanya sesuai untuk prototaip pantas sekali sahaja, dan bukannya apa-apa sahaja yang boleh digunakan di udara. Sekali lagi, ini adalah salah faham, dan komponen seramik bercetak 3D telah terbukti digunakan dalam pengeluaran besar-besaran.
Satu contohnya ialah pembuatan bilah turbin, di mana proses seramik AM menghasilkan teras kristal tunggal (SX), serta bilah turbin superaloi pemejalan berarah (DS) dan tuangan setara (EX). Teras dengan struktur cabang kompleks, berbilang dinding dan tepi belakang kurang daripada 200μm boleh dihasilkan dengan cepat dan menjimatkan, dan komponen akhir mempunyai ketepatan dimensi yang konsisten dan kemasan permukaan yang sangat baik.
Meningkatkan komunikasi dapat menyatukan pereka aeroangkasa dan OEM AM serta mempercayai sepenuhnya komponen seramik yang dihasilkan menggunakan LCM dan teknologi lain. Teknologi dan kepakaran wujud. Ia perlu mengubah cara berfikir daripada AM untuk R&D dan prototaip, dan melihatnya sebagai jalan ke hadapan untuk aplikasi komersial berskala besar.
Selain pendidikan, syarikat aeroangkasa juga boleh melaburkan masa dalam kakitangan, kejuruteraan dan pengujian. Pengilang mesti biasa dengan piawaian dan kaedah yang berbeza untuk menilai seramik, bukan logam. Contohnya, dua piawaian ASTM utama Lithoz untuk seramik struktur ialah ASTM C1161 untuk ujian kekuatan dan ASTM C1421 untuk ujian ketahanan. Piawaian ini terpakai kepada seramik yang dihasilkan oleh semua kaedah. Dalam pembuatan bahan tambahan seramik, langkah pencetakan hanyalah kaedah pembentukan dan bahagian-bahagian tersebut menjalani jenis pensinteran yang sama seperti seramik tradisional. Oleh itu, mikrostruktur bahagian seramik akan sangat serupa dengan pemesinan konvensional.
Berdasarkan kemajuan bahan dan teknologi yang berterusan, kami dengan yakin boleh mengatakan bahawa pereka akan mendapat lebih banyak data. Bahan seramik baharu akan dibangunkan dan disesuaikan mengikut keperluan kejuruteraan tertentu. Bahagian yang diperbuat daripada seramik AM akan melengkapkan proses pensijilan untuk kegunaan dalam aeroangkasa. Dan akan menyediakan alat reka bentuk yang lebih baik, seperti perisian pemodelan yang dipertingkatkan.
Dengan bekerjasama dengan pakar teknikal LCM, syarikat aeroangkasa boleh memperkenalkan proses seramik AM secara dalaman—memendekkan masa, mengurangkan kos dan mewujudkan peluang untuk pembangunan harta intelek syarikat itu sendiri. Dengan pandangan jauh dan perancangan jangka panjang, syarikat aeroangkasa yang melabur dalam teknologi seramik boleh meraih manfaat yang ketara dalam keseluruhan portfolio pengeluaran mereka dalam tempoh sepuluh tahun akan datang dan seterusnya.
Dengan mewujudkan kerjasama dengan AM Ceramics, pengeluar peralatan asli aeroangkasa akan menghasilkan komponen yang sebelum ini tidak dapat dibayangkan.
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 akan berucap tentang kesukaran untuk menyampaikan kelebihan pembuatan bahan tambahan seramik secara berkesan di Ekspo Seramik di Cleveland, Ohio pada 1 September 2021.
Walaupun pembangunan sistem penerbangan hipersonik telah wujud selama beberapa dekad, ia kini telah menjadi keutamaan utama pertahanan negara AS, membawa bidang ini ke dalam keadaan pertumbuhan dan perubahan yang pesat. Sebagai bidang pelbagai disiplin yang unik, cabarannya adalah untuk mencari pakar dengan kemahiran yang diperlukan untuk mempromosikan pembangunannya. Walau bagaimanapun, apabila tidak terdapat pakar yang mencukupi, ia mewujudkan jurang inovasi, seperti meletakkan reka bentuk untuk kebolehkilangan (DFM) terlebih dahulu dalam fasa R&D, dan kemudian bertukar menjadi jurang pembuatan apabila sudah terlambat untuk membuat perubahan yang kos efektif.
Perikatan, seperti Perikatan Universiti untuk Hipersonik Gunaan (UCAH) yang baru ditubuhkan, menyediakan persekitaran penting untuk memupuk bakat yang diperlukan untuk memajukan bidang ini. Pelajar boleh bekerjasama secara langsung dengan penyelidik universiti dan profesional industri untuk membangunkan teknologi dan memajukan penyelidikan hipersonik kritikal.
Walaupun UCAH dan konsortium pertahanan lain telah membenarkan ahli-ahlinya terlibat dalam pelbagai pekerjaan kejuruteraan, lebih banyak kerja perlu dilakukan untuk memupuk bakat yang pelbagai dan berpengalaman, daripada reka bentuk kepada pembangunan dan pemilihan bahan hinggalah bengkel pembuatan.
Untuk memberikan nilai yang lebih berkekalan dalam bidang ini, pakatan universiti mesti menjadikan pembangunan tenaga kerja sebagai keutamaan dengan menyelaraskan dengan keperluan industri, melibatkan ahli dalam penyelidikan yang sesuai dengan industri dan melabur dalam program tersebut.
Apabila mengubah teknologi hipersonik kepada projek yang boleh dihasilkan secara besar-besaran, jurang kemahiran buruh kejuruteraan dan pembuatan sedia ada merupakan cabaran terbesar. Jika penyelidikan awal tidak merentasi lembah kematian yang dinamakan dengan tepat ini—jurang antara R&D dan pembuatan, dan banyak projek yang bercita-cita tinggi telah gagal—maka kita telah kehilangan penyelesaian yang sesuai dan boleh dilaksanakan.
Industri perkilangan AS boleh mempercepatkan kelajuan supersonik, tetapi risiko ketinggalan adalah untuk mengembangkan saiz tenaga buruh agar sepadan. Oleh itu, kerajaan dan konsortium pembangunan universiti mesti bekerjasama dengan pengeluar untuk melaksanakan rancangan ini.
Industri ini telah mengalami jurang kemahiran daripada bengkel pembuatan hinggalah makmal kejuruteraan—jurang ini hanya akan melebar apabila pasaran hipersonik berkembang. Teknologi baharu memerlukan tenaga buruh baharu untuk mengembangkan pengetahuan dalam bidang ini.
Kerja hipersonik merangkumi beberapa bidang utama yang berbeza bagi pelbagai bahan dan struktur, dan setiap bidang mempunyai cabaran teknikalnya sendiri. Ia memerlukan tahap pengetahuan terperinci yang tinggi, dan jika kepakaran yang diperlukan tidak wujud, ini boleh mewujudkan halangan kepada pembangunan dan pengeluaran. Jika kita tidak mempunyai orang yang mencukupi untuk mengekalkan kerja tersebut, adalah mustahil untuk memenuhi permintaan untuk pengeluaran berkelajuan tinggi.
Contohnya, kita memerlukan orang yang boleh membina produk akhir. UCAH dan konsortium lain adalah penting untuk mempromosikan pembuatan moden dan memastikan pelajar yang berminat dalam peranan pembuatan disertakan. Melalui usaha pembangunan tenaga kerja berdedikasi merentas fungsi, industri ini akan dapat mengekalkan kelebihan daya saing dalam rancangan penerbangan hipersonik dalam beberapa tahun akan datang.
Dengan menubuhkan UCAH, Jabatan Pertahanan mewujudkan peluang untuk menerima pakai pendekatan yang lebih fokus bagi membina keupayaan dalam bidang ini. Semua ahli gabungan mesti bekerjasama untuk melatih keupayaan khusus pelajar supaya kita dapat membina dan mengekalkan momentum penyelidikan dan mengembangkannya untuk menghasilkan hasil yang diperlukan oleh negara kita.
NASA Advanced Composites Alliance yang kini ditutup merupakan contoh usaha pembangunan tenaga kerja yang berjaya. Keberkesanannya adalah hasil daripada gabungan kerja R&D dengan kepentingan industri, yang membolehkan inovasi berkembang di seluruh ekosistem pembangunan. Peneraju industri telah bekerjasama secara langsung dengan NASA dan universiti dalam projek selama dua hingga empat tahun. Semua ahli telah membangunkan pengetahuan dan pengalaman profesional, belajar untuk bekerjasama dalam persekitaran yang tidak kompetitif, dan memupuk pelajar kolej untuk berkembang bagi memupuk pemain industri utama pada masa hadapan.
Pembangunan tenaga kerja jenis ini mengisi jurang dalam industri dan menyediakan peluang untuk perniagaan kecil berinovasi dengan cepat dan mempelbagaikan bidang tersebut bagi mencapai pertumbuhan selanjutnya yang kondusif kepada inisiatif keselamatan negara dan keselamatan ekonomi AS.
Perikatan universiti termasuk UCAH merupakan aset penting dalam bidang hipersonik dan industri pertahanan. Walaupun penyelidikan mereka telah mempromosikan inovasi baharu, nilai terbesar mereka terletak pada keupayaan mereka untuk melatih tenaga kerja generasi akan datang. Konsortium kini perlu mengutamakan pelaburan dalam rancangan sedemikian. Dengan berbuat demikian, mereka dapat membantu memupuk kejayaan jangka panjang inovasi hipersonik.
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.
Pengilang produk yang kompleks dan direkayasa tinggi (seperti komponen pesawat) komited terhadap kesempurnaan setiap masa. Tiada ruang untuk manuver.
Oleh kerana pengeluaran pesawat sangat kompleks, pengeluar mesti mengurus proses kualiti dengan teliti, dengan memberi perhatian yang besar kepada setiap langkah. Ini memerlukan pemahaman yang mendalam tentang cara mengurus dan menyesuaikan diri dengan isu pengeluaran, kualiti, keselamatan dan rantaian bekalan yang dinamik sambil memenuhi keperluan kawal selia.
Oleh kerana banyak faktor mempengaruhi penghantaran produk berkualiti tinggi, adalah sukar untuk mengurus pesanan pengeluaran yang kompleks dan kerap berubah. Proses kualiti mesti dinamik dalam setiap aspek pemeriksaan dan reka bentuk, pengeluaran dan pengujian. Terima kasih kepada strategi Industri 4.0 dan penyelesaian pembuatan moden, cabaran kualiti ini menjadi lebih mudah untuk diurus dan diatasi.
Tumpuan tradisional pengeluaran pesawat sentiasa tertumpu pada bahan. Punca kebanyakan masalah kualiti mungkin keretakan rapuh, kakisan, keletihan logam atau faktor lain. Walau bagaimanapun, pengeluaran pesawat hari ini merangkumi teknologi canggih dan berkejuruteraan tinggi yang menggunakan bahan tahan lasak. Penciptaan produk menggunakan proses dan sistem elektronik yang sangat khusus dan kompleks. Penyelesaian perisian pengurusan operasi am mungkin tidak lagi dapat menyelesaikan masalah yang sangat kompleks.
Bahagian yang lebih kompleks boleh dibeli daripada rantaian bekalan global, jadi lebih banyak pertimbangan mesti diberikan untuk mengintegrasikannya sepanjang proses pemasangan. Ketidakpastian membawa cabaran baharu kepada keterlihatan rantaian bekalan dan pengurusan kualiti. Memastikan kualiti begitu banyak bahagian dan produk siap memerlukan kaedah kualiti yang lebih baik dan lebih bersepadu.
Industri 4.0 mewakili pembangunan industri pembuatan, dan semakin banyak teknologi canggih diperlukan untuk memenuhi keperluan kualiti yang ketat. Teknologi sokongan termasuk Internet Pelbagai Benda Perindustrian (IIoT), benang digital, realiti imbuhan (AR) dan analitik ramalan.
Kualiti 4.0 menerangkan kaedah kualiti proses pengeluaran berpandukan data yang melibatkan produk, proses, perancangan, pematuhan dan piawaian. Ia dibina dan bukannya menggantikan kaedah kualiti tradisional, menggunakan banyak teknologi baharu yang sama seperti rakan sejawat industrinya, termasuk pembelajaran mesin, peranti yang disambungkan, pengkomputeran awan dan kembar digital untuk mengubah aliran kerja organisasi dan menghapuskan kemungkinan Kecacatan produk atau proses. Kemunculan Kualiti 4.0 dijangka akan mengubah budaya tempat kerja dengan meningkatkan pergantungan pada data dan penggunaan kualiti yang lebih mendalam sebagai sebahagian daripada kaedah penciptaan produk secara keseluruhan.
Kualiti 4.0 mengintegrasikan isu operasi dan jaminan kualiti (QA) dari awal hingga peringkat reka bentuk. Ini termasuk cara mengkonsepkan dan mereka bentuk produk. Keputusan tinjauan industri terkini menunjukkan bahawa kebanyakan pasaran tidak mempunyai proses pemindahan reka bentuk automatik. Proses manual memberi ruang untuk ralat, sama ada ralat dalaman atau menyampaikan reka bentuk dan perubahan pada rantaian bekalan.
Selain reka bentuk, Kualiti 4.0 juga menggunakan pembelajaran mesin yang berpusatkan proses untuk mengurangkan pembaziran, mengurangkan kerja semula dan mengoptimumkan parameter pengeluaran. Di samping itu, ia juga menyelesaikan isu prestasi produk selepas penghantaran, menggunakan maklum balas di tapak untuk mengemas kini perisian produk dari jauh, mengekalkan kepuasan pelanggan dan akhirnya memastikan perniagaan berulang. Ia menjadi rakan kongsi yang tidak dapat dipisahkan bagi Industri 4.0.
Walau bagaimanapun, kualiti bukan sahaja terpakai kepada rangkaian pembuatan terpilih. Keterangkuman Kualiti 4.0 dapat menerapkan pendekatan kualiti yang komprehensif dalam organisasi pembuatan, menjadikan kuasa transformatif data sebagai bahagian penting dalam pemikiran korporat. Pematuhan di semua peringkat organisasi menyumbang kepada pembentukan budaya kualiti secara keseluruhan.
Tiada proses pengeluaran yang dapat berjalan dengan sempurna dalam 100% masa. Perubahan keadaan mencetuskan peristiwa yang tidak dijangka yang memerlukan pemulihan. Mereka yang berpengalaman dalam kualiti memahami bahawa semuanya adalah tentang proses menuju kesempurnaan. Bagaimanakah anda memastikan kualiti digabungkan ke dalam proses untuk mengesan masalah seawal mungkin? Apakah yang akan anda lakukan apabila anda menemui kecacatan tersebut? Adakah terdapat sebarang faktor luaran yang menyebabkan masalah ini? Apakah perubahan yang boleh anda buat pada pelan pemeriksaan atau prosedur ujian untuk mengelakkan masalah ini daripada berulang?
Wujudkan mentaliti bahawa setiap proses pengeluaran mempunyai proses kualiti yang berkaitan dan berkaitan. Bayangkan masa depan di mana terdapat hubungan satu sama lain dan sentiasa ukur kualiti. Tidak kira apa yang berlaku secara rawak, kualiti yang sempurna dapat dicapai. Setiap pusat kerja menyemak petunjuk dan petunjuk prestasi utama (KPI) setiap hari untuk mengenal pasti bidang yang perlu diperbaiki sebelum masalah berlaku.
Dalam sistem gelung tertutup ini, setiap proses pengeluaran mempunyai inferens kualiti, yang memberikan maklum balas untuk menghentikan proses, membenarkan proses diteruskan atau membuat pelarasan masa nyata. Sistem ini tidak terjejas oleh keletihan atau ralat manusia. Sistem kualiti gelung tertutup yang direka bentuk untuk pengeluaran pesawat adalah penting untuk mencapai tahap kualiti yang lebih tinggi, memendekkan masa kitaran dan memastikan pematuhan dengan piawaian AS9100.
Sepuluh tahun yang lalu, idea untuk memfokuskan QA pada reka bentuk produk, kajian pasaran, pembekal, perkhidmatan produk atau faktor lain yang mempengaruhi kepuasan pelanggan adalah mustahil. Reka bentuk produk difahami datang daripada pihak berkuasa yang lebih tinggi; kualiti adalah tentang melaksanakan reka bentuk ini di barisan pemasangan, tanpa mengira kekurangannya.
Hari ini, banyak syarikat sedang memikirkan semula cara untuk menjalankan perniagaan. Status quo pada tahun 2018 mungkin tidak lagi mungkin. Semakin banyak pengeluar menjadi semakin pintar. Lebih banyak pengetahuan tersedia, yang bermaksud kecerdasan yang lebih baik untuk membina produk yang betul pada kali pertama, dengan kecekapan dan prestasi yang lebih tinggi.