Laut SmarTech, einem Beratungsunternehmen für Fertigungstechnologie, ist die Luft- und Raumfahrt nach der Medizin die zweitgrößte Branche, die von der additiven Fertigung (AM) bedient wird.Es besteht jedoch immer noch ein mangelndes Bewusstsein für das Potenzial der additiven Fertigung keramischer Materialien für die schnelle Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten sowie für eine erhöhte Flexibilität und Kosteneffizienz.AM kann stärkere und leichtere Keramikteile schneller und nachhaltiger herstellen, wodurch die Arbeitskosten gesenkt, die manuelle Montage minimiert und Effizienz und Leistung durch durch Modellierung entwickeltes Design verbessert werden, wodurch das Gewicht des Flugzeugs reduziert wird.Darüber hinaus ermöglicht die additive Keramikfertigungstechnologie die Maßkontrolle fertiger Teile für Merkmale kleiner als 100 Mikrometer.
Allerdings kann das Wort Keramik die falsche Vorstellung von Sprödigkeit hervorrufen.Tatsächlich erzeugen additiv gefertigte Keramiken leichtere, feinere Teile mit großer struktureller Festigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit gegenüber einem weiten Temperaturbereich.Zukunftsorientierte Unternehmen wenden sich der keramischen Herstellung von Komponenten zu, darunter Düsen und Propeller, elektrische Isolatoren und Turbinenschaufeln.
Hochreines Aluminiumoxid weist beispielsweise eine hohe Härte sowie eine starke Korrosionsbeständigkeit und einen starken Temperaturbereich auf.Bauteile aus Aluminiumoxid sind auch bei den hohen Temperaturen, die in Luft- und Raumfahrtsystemen üblich sind, elektrisch isolierend.
Keramik auf Zirkonoxidbasis kann viele Anwendungen mit extremen Materialanforderungen und hoher mechanischer Beanspruchung erfüllen, wie zum Beispiel hochwertige Metallformteile, Ventile und Lager.Siliziumnitridkeramik weist eine hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit sowie eine gute chemische Beständigkeit gegenüber der Korrosion einer Vielzahl von Säuren, Laugen und geschmolzenen Metallen auf.Siliziumnitrid wird für Isolatoren, Laufräder und Hochtemperaturantennen mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet.
Verbundkeramik bietet mehrere wünschenswerte Eigenschaften.Keramiken auf Siliziumbasis mit Zusatz von Aluminiumoxid und Zirkon haben sich bei der Herstellung von Einkristallgussteilen für Turbinenschaufeln bewährt.Denn der Keramikkern aus diesem Material weist eine sehr geringe Wärmeausdehnung bis 1.500 °C, eine hohe Porosität, eine hervorragende Oberflächenqualität und eine gute Auslaugbarkeit auf.Durch das Drucken dieser Kerne können Turbinenkonstruktionen entstehen, die höheren Betriebstemperaturen standhalten und die Triebwerkseffizienz steigern.
Es ist bekannt, dass das Spritzgießen oder Bearbeiten von Keramik sehr schwierig ist und der Zugang zu den herzustellenden Bauteilen durch die Bearbeitung eingeschränkt ist.Auch Merkmale wie dünne Wände sind schwer zu bearbeiten.
Lithoz nutzt jedoch die lithografiebasierte Keramikfertigung (LCM), um präzise, ​​komplex geformte 3D-Keramikkomponenten herzustellen.
Ausgehend vom CAD-Modell werden die detaillierten Spezifikationen digital an den 3D-Drucker übertragen.Tragen Sie dann das präzise formulierte Keramikpulver auf die Oberseite des transparenten Bottichs auf.Die bewegliche Bauplattform wird in den Schlamm eingetaucht und anschließend gezielt von unten sichtbarem Licht ausgesetzt.Das Schichtbild wird von einem digitalen Mikrospiegelgerät (DMD) erzeugt, das mit dem Projektionssystem gekoppelt ist.Durch die Wiederholung dieses Vorgangs kann Schicht für Schicht ein dreidimensionales Grünteil erzeugt werden.Nach der thermischen Nachbehandlung wird der Binder entfernt und die Grünteile werden durch Sintern durch ein spezielles Erhitzungsverfahren zu einem völlig dichten Keramikteil mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Oberflächenqualität verbunden.
Die LCM-Technologie bietet ein innovatives, kostengünstiges und schnelleres Verfahren für den Feinguss von Turbinentriebwerkskomponenten – ohne den teuren und aufwändigen Formenbau, der beim Spritzgießen und Wachsausschmelzverfahren erforderlich ist.
Mit LCM können auch Designs erzielt werden, die mit anderen Methoden nicht erreicht werden können, und das bei weitaus geringerem Rohstoffverbrauch als bei anderen Methoden.
Trotz des großen Potenzials keramischer Materialien und der LCM-Technologie besteht immer noch eine Lücke zwischen AM-Originalgeräteherstellern (OEM) und Luft- und Raumfahrtdesignern.
Ein Grund kann der Widerstand gegen neue Fertigungsmethoden in Branchen mit besonders strengen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen sein.Die Luft- und Raumfahrtfertigung erfordert viele Verifizierungs- und Qualifizierungsprozesse sowie gründliche und strenge Tests.
Ein weiteres Hindernis ist die Überzeugung, dass sich der 3D-Druck hauptsächlich für das einmalige Rapid Prototyping eignet und nicht für alles, was in der Luft eingesetzt werden kann.Auch hier handelt es sich um ein Missverständnis, und 3D-gedruckte Keramikkomponenten werden nachweislich in der Massenproduktion eingesetzt.
Ein Beispiel ist die Herstellung von Turbinenschaufeln, bei denen der AM-Keramikprozess Einkristallkerne (SX) sowie Turbinenschaufeln aus Superlegierungen mit gerichteter Erstarrung (DS) und gleichachsigem Guss (EX) erzeugt.Kerne mit komplexen Verzweigungsstrukturen, mehreren Wänden und Hinterkanten von weniger als 200 μm können schnell und wirtschaftlich hergestellt werden, und die endgültigen Komponenten weisen eine gleichbleibende Maßgenauigkeit und eine hervorragende Oberflächengüte auf.
Die Verbesserung der Kommunikation kann Luft- und Raumfahrtdesigner und AM-OEMs zusammenbringen und voll und ganz auf Keramikkomponenten vertrauen, die mit LCM und anderen Technologien hergestellt werden.Technologie und Fachwissen sind vorhanden.Es muss die Denkweise von AM zu F&E und Prototyping geändert und darin der Weg nach vorn für groß angelegte kommerzielle Anwendungen gesehen werden.
Neben der Ausbildung können Luft- und Raumfahrtunternehmen auch Zeit in Personal, Technik und Tests investieren.Hersteller müssen mit unterschiedlichen Standards und Methoden zur Bewertung von Keramik und nicht von Metallen vertraut sein.Die beiden wichtigsten ASTM-Standards von Lithoz für Strukturkeramik sind beispielsweise ASTM C1161 für Festigkeitsprüfungen und ASTM C1421 für Zähigkeitsprüfungen.Diese Normen gelten für Keramik, die nach allen Methoden hergestellt wird.Bei der additiven Keramikfertigung ist der Druckschritt nur eine Formmethode, und die Teile durchlaufen die gleiche Art des Sinterns wie bei herkömmlicher Keramik.Daher wird die Mikrostruktur von Keramikteilen der herkömmlichen Bearbeitung sehr ähnlich sein.
Aufgrund der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Materialien und Technologie können wir mit Sicherheit sagen, dass Designer mehr Daten erhalten werden.Neue Keramikmaterialien werden entsprechend spezifischer technischer Anforderungen entwickelt und angepasst.Teile aus AM-Keramik werden den Zertifizierungsprozess für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt abschließen.Und wird bessere Design-Tools bereitstellen, beispielsweise eine verbesserte Modellierungssoftware.
Durch die Zusammenarbeit mit technischen Experten von LCM können Luft- und Raumfahrtunternehmen AM-Keramikprozesse intern einführen, was die Zeit verkürzt, die Kosten senkt und Möglichkeiten für die Entwicklung des eigenen geistigen Eigentums des Unternehmens schafft.Mit Weitsicht und langfristiger Planung können Luft- und Raumfahrtunternehmen, die in Keramiktechnologie investieren, in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus erhebliche Vorteile in ihrem gesamten Produktionsportfolio erzielen.
Durch den Aufbau einer Partnerschaft mit AM Ceramics werden Erstausrüster für die Luft- und Raumfahrtindustrie Komponenten produzieren, die bisher undenkbar waren.
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 wird am 1. September 2021 auf der Ceramics Expo in Cleveland, Ohio, über die Schwierigkeiten sprechen, die Vorteile der additiven Keramikfertigung effektiv zu kommunizieren.
Obwohl die Entwicklung von Hyperschallflugsystemen schon seit Jahrzehnten existiert, ist sie mittlerweile zur obersten Priorität der US-amerikanischen Landesverteidigung geworden und hat diesem Bereich einen Zustand schnellen Wachstums und Wandels beschert.Da es sich um ein einzigartiges multidisziplinäres Fachgebiet handelt, besteht die Herausforderung darin, Experten mit den notwendigen Fähigkeiten zu finden, um seine Entwicklung voranzutreiben.Wenn jedoch nicht genügend Experten vorhanden sind, entsteht eine Innovationslücke, z. B. indem Design for Manufacturability (DFM) in der F&E-Phase an erster Stelle steht und sich dann zu einer Fertigungslücke entwickelt, wenn es zu spät ist, kosteneffiziente Änderungen vorzunehmen.
Allianzen wie die neu gegründete University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH) bieten ein wichtiges Umfeld für die Förderung der Talente, die für die Weiterentwicklung des Fachgebiets erforderlich sind.Studierende können direkt mit Universitätsforschern und Branchenexperten zusammenarbeiten, um Technologien zu entwickeln und kritische Hyperschallforschung voranzutreiben.
Obwohl die UCAH und andere Verteidigungskonsortien ihren Mitgliedern die Teilnahme an verschiedenen Ingenieurberufen gestattet haben, muss noch mehr getan werden, um vielfältige und erfahrene Talente zu fördern, vom Design über die Materialentwicklung und -auswahl bis hin zu Fertigungswerkstätten.
Um einen nachhaltigeren Mehrwert auf diesem Gebiet zu schaffen, muss die Universitätsallianz die Personalentwicklung zu einer Priorität machen, indem sie sich an den Bedürfnissen der Branche orientiert, Mitglieder in branchengerechte Forschung einbezieht und in das Programm investiert.
Bei der Umwandlung der Hyperschalltechnologie in herstellbare Großprojekte ist die bestehende Lücke bei den Fachkräften in Technik und Fertigung die größte Herausforderung.Wenn die frühe Forschung dieses treffend benannte „Tal des Todes“ – die Kluft zwischen Forschung und Entwicklung und Produktion – nicht überwindet und viele ehrgeizige Projekte gescheitert sind, dann haben wir eine anwendbare und realisierbare Lösung verloren.
Die US-amerikanische Fertigungsindustrie kann die Überschallgeschwindigkeit beschleunigen, aber das Risiko, in Rückstand zu geraten, besteht darin, die Zahl der Arbeitskräfte entsprechend zu erhöhen.Daher müssen die Entwicklungskonsortien der Regierung und der Universitäten mit den Herstellern zusammenarbeiten, um diese Pläne in die Praxis umzusetzen.
In der Branche gibt es Qualifikationsdefizite, von Fertigungswerkstätten bis hin zu technischen Labors – diese Lücken werden mit dem Wachstum des Hyperschallmarkts nur noch größer.Neue Technologien erfordern eine aufstrebende Arbeitskraft, um das Wissen auf diesem Gebiet zu erweitern.
Hyperschallarbeiten umfassen mehrere verschiedene Schlüsselbereiche verschiedener Materialien und Strukturen, und jeder Bereich hat seine eigenen technischen Herausforderungen.Sie erfordern ein hohes Maß an Detailwissen, und wenn das erforderliche Fachwissen nicht vorhanden ist, kann dies zu Entwicklungs- und Produktionshemmnissen führen.Wenn wir nicht genug Leute haben, um den Arbeitsplatz aufrechtzuerhalten, wird es unmöglich sein, mit der Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsproduktion Schritt zu halten.
Wir brauchen zum Beispiel Leute, die das Endprodukt bauen können.UCAH und andere Konsortien sind von entscheidender Bedeutung, um die moderne Fertigung zu fördern und sicherzustellen, dass Studierende, die sich für die Rolle der Fertigung interessieren, einbezogen werden.Durch funktionsübergreifende, gezielte Personalentwicklungsbemühungen wird die Branche in den nächsten Jahren in der Lage sein, einen Wettbewerbsvorteil bei Hyperschallflugplänen aufrechtzuerhalten.
Durch die Einrichtung von UCAH bietet das Verteidigungsministerium die Möglichkeit, beim Aufbau von Fähigkeiten in diesem Bereich einen gezielteren Ansatz zu verfolgen.Alle Koalitionsmitglieder müssen zusammenarbeiten, um die Nischenkompetenzen der Studenten zu schulen, damit wir die Dynamik der Forschung aufbauen und aufrechterhalten und ausbauen können, um die Ergebnisse zu erzielen, die unser Land braucht.
Die inzwischen geschlossene NASA Advanced Composites Alliance ist ein Beispiel für erfolgreiche Bemühungen zur Personalentwicklung.Seine Wirksamkeit ist das Ergebnis der Kombination von Forschungs- und Entwicklungsarbeit mit Brancheninteressen, wodurch sich Innovationen im gesamten Entwicklungsökosystem ausbreiten können.Branchenführer arbeiten seit zwei bis vier Jahren direkt mit der NASA und Universitäten an Projekten zusammen.Alle Mitglieder haben professionelles Wissen und Erfahrung entwickelt, gelernt, in einem nicht wettbewerbsorientierten Umfeld zusammenzuarbeiten, und College-Studenten gefördert, damit diese sich weiterentwickeln können, um in der Zukunft wichtige Akteure der Branche zu fördern.
Diese Art der Personalentwicklung schließt Lücken in der Branche und bietet kleinen Unternehmen die Möglichkeit, schnell Innovationen einzuführen und den Bereich zu diversifizieren, um weiteres Wachstum zu erzielen, das den Initiativen zur nationalen Sicherheit und wirtschaftlichen Sicherheit der USA förderlich ist.
Universitätsallianzen einschließlich der UCAH sind wichtige Vermögenswerte im Hyperschallbereich und in der Verteidigungsindustrie.Obwohl ihre Forschung neue Innovationen gefördert hat, liegt ihr größter Wert in ihrer Fähigkeit, unsere nächste Generation von Arbeitskräften auszubilden.Das Konsortium muss nun Investitionen in solche Pläne priorisieren.Auf diese Weise können sie dazu beitragen, den langfristigen Erfolg von Hyperschallinnovationen zu fördern.
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.
Hersteller komplexer, hochentwickelter Produkte (z. B. Flugzeugkomponenten) sind stets der Perfektion verpflichtet.Es gibt keinen Handlungsspielraum.
Da die Flugzeugproduktion äußerst komplex ist, müssen Hersteller den Qualitätsprozess sorgfältig verwalten und jedem Schritt große Aufmerksamkeit schenken.Dies erfordert ein tiefgreifendes Verständnis dafür, wie man dynamische Produktions-, Qualitäts-, Sicherheits- und Lieferkettenprobleme verwaltet und sich an sie anpasst und gleichzeitig regulatorische Anforderungen erfüllt.
Da viele Faktoren die Lieferung qualitativ hochwertiger Produkte beeinflussen, ist es schwierig, komplexe und sich häufig ändernde Produktionsaufträge zu verwalten.Der Qualitätsprozess muss in allen Aspekten der Inspektion und Konstruktion, Produktion und Prüfung dynamisch sein.Dank Industrie 4.0-Strategien und modernen Fertigungslösungen sind diese Qualitätsherausforderungen einfacher zu bewältigen und zu meistern.
Der traditionelle Schwerpunkt im Flugzeugbau liegt seit jeher auf Materialien.Die Ursache der meisten Qualitätsprobleme können Sprödbruch, Korrosion, Metallermüdung oder andere Faktoren sein.Die heutige Flugzeugproduktion umfasst jedoch fortschrittliche, hochentwickelte Technologien, die widerstandsfähige Materialien verwenden.Bei der Produkterstellung kommen hochspezialisierte und komplexe Prozesse und elektronische Systeme zum Einsatz.Allgemeine Betriebsmanagement-Softwarelösungen sind möglicherweise nicht mehr in der Lage, äußerst komplexe Probleme zu lösen.
Komplexere Teile können über die globale Lieferkette eingekauft werden, daher muss deren Integration in den gesamten Montageprozess stärker berücksichtigt werden.Unsicherheit bringt neue Herausforderungen für die Transparenz der Lieferkette und das Qualitätsmanagement mit sich.Um die Qualität so vieler Teile und Fertigprodukte sicherzustellen, sind bessere und stärker integrierte Qualitätsmethoden erforderlich.
Industrie 4.0 stellt die Entwicklung der Fertigungsindustrie dar und es werden immer fortschrittlichere Technologien benötigt, um strenge Qualitätsanforderungen zu erfüllen.Zu den unterstützenden Technologien gehören das industrielle Internet der Dinge (IIoT), digitale Threads, Augmented Reality (AR) und prädiktive Analysen.
Qualität 4.0 beschreibt eine datengesteuerte Methode zur Qualitätssicherung von Produktionsprozessen, die Produkte, Prozesse, Planung, Compliance und Standards umfasst.Es baut auf traditionellen Qualitätsmethoden auf, anstatt sie zu ersetzen, und nutzt viele der gleichen neuen Technologien wie seine industriellen Gegenstücke, darunter maschinelles Lernen, vernetzte Geräte, Cloud Computing und digitale Zwillinge, um den Arbeitsablauf des Unternehmens zu transformieren und mögliche Produkt- oder Prozessfehler zu beseitigen.Es wird erwartet, dass das Aufkommen von Qualität 4.0 die Arbeitsplatzkultur weiter verändern wird, indem die Abhängigkeit von Daten und die stärkere Nutzung von Qualität als Teil der gesamten Produktentwicklungsmethode zunehmen.
Qualität 4.0 integriert betriebliche und Qualitätssicherungsthemen (QS) vom Anfang bis zur Entwurfsphase.Dazu gehört auch die Konzeption und Gestaltung von Produkten.Aktuelle Ergebnisse einer Branchenumfrage deuten darauf hin, dass die meisten Märkte über keinen automatisierten Designübertragungsprozess verfügen.Der manuelle Prozess lässt Raum für Fehler, unabhängig davon, ob es sich um einen internen Fehler oder um die Kommunikation von Design und Änderungen in der Lieferkette handelt.
Zusätzlich zum Design nutzt Qualität 4.0 auch prozesszentriertes maschinelles Lernen, um Abfall zu reduzieren, Nacharbeit zu reduzieren und Produktionsparameter zu optimieren.Darüber hinaus löst es auch Probleme mit der Produktleistung nach der Lieferung, nutzt Feedback vor Ort, um die Produktsoftware aus der Ferne zu aktualisieren, sorgt für die Kundenzufriedenheit und sorgt letztendlich für Folgegeschäfte.Es wird zum untrennbaren Partner der Industrie 4.0.
Qualität gilt jedoch nicht nur für ausgewählte Fertigungsglieder.Die Inklusivität von Qualität 4.0 kann in Fertigungsunternehmen einen umfassenden Qualitätsansatz einführen und die transformative Kraft von Daten zu einem integralen Bestandteil des Unternehmensdenkens machen.Compliance auf allen Ebenen der Organisation trägt zur Bildung einer umfassenden Qualitätskultur bei.
Kein Produktionsprozess kann zu 100 % perfekt ablaufen.Sich ändernde Bedingungen lösen unvorhergesehene Ereignisse aus, die behoben werden müssen.Wer Erfahrung in der Qualität hat, versteht, dass es auf den Prozess der Perfektionierung ankommt.Wie stellen Sie sicher, dass Qualität in den Prozess einbezogen wird, um Probleme so früh wie möglich zu erkennen?Was werden Sie tun, wenn Sie den Defekt feststellen?Gibt es externe Faktoren, die dieses Problem verursachen?Welche Änderungen können Sie am Inspektionsplan oder Testverfahren vornehmen, um zu verhindern, dass dieses Problem erneut auftritt?
Etablieren Sie die Mentalität, dass jeder Produktionsprozess einen damit verbundenen und damit verbundenen Qualitätsprozess hat.Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der es eine Eins-zu-Eins-Beziehung gibt und die Qualität ständig gemessen wird.Ganz gleich, was zufällig passiert, es kann eine perfekte Qualität erreicht werden.Jeder Arbeitsplatz überprüft täglich Indikatoren und Key Performance Indicators (KPIs), um Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren, bevor Probleme auftreten.
In diesem geschlossenen System verfügt jeder Produktionsprozess über eine Qualitätsinferenz, die Feedback liefert, um den Prozess zu stoppen, die Fortsetzung des Prozesses zu ermöglichen oder Anpassungen in Echtzeit vorzunehmen.Das System wird nicht durch Ermüdung oder menschliches Versagen beeinträchtigt.Ein geschlossenes Qualitätssystem für die Flugzeugproduktion ist unerlässlich, um höhere Qualitätsniveaus zu erreichen, Zykluszeiten zu verkürzen und die Einhaltung der AS9100-Standards sicherzustellen.
Vor zehn Jahren war die Idee, die Qualitätssicherung auf Produktdesign, Marktforschung, Lieferanten, Produktdienstleistungen oder andere Faktoren zu konzentrieren, die sich auf die Kundenzufriedenheit auswirken, unmöglich.Es wird davon ausgegangen, dass Produktdesign von einer höheren Autorität kommt;Bei der Qualität geht es darum, diese Entwürfe am Fließband umzusetzen, ungeachtet ihrer Mängel.
Heutzutage überdenken viele Unternehmen ihre Geschäftsabläufe.Der Status quo im Jahr 2018 ist möglicherweise nicht mehr möglich.Immer mehr Hersteller werden immer intelligenter.Es steht mehr Wissen zur Verfügung, was eine bessere Intelligenz bedeutet, um gleich beim ersten Mal das richtige Produkt mit höherer Effizienz und Leistung zu entwickeln.