Secondo SmarTech, società di consulenza per le tecnologie di produzione, il settore aerospaziale è il secondo per importanza nel campo della produzione additiva (AM), dopo quello medico. Tuttavia, persiste una scarsa consapevolezza del potenziale della produzione additiva di materiali ceramici nella rapida fabbricazione di componenti aerospaziali, nella maggiore flessibilità e nell'economicità. La produzione additiva consente di realizzare componenti ceramici più resistenti e leggeri in tempi più brevi e in modo più sostenibile, riducendo i costi di manodopera, minimizzando l'assemblaggio manuale e migliorando l'efficienza e le prestazioni grazie a una progettazione sviluppata tramite modellazione, con conseguente riduzione del peso del velivolo. Inoltre, la tecnologia di produzione additiva per materiali ceramici offre un controllo dimensionale preciso dei pezzi finiti, anche per dettagli inferiori a 100 micron.
Tuttavia, il termine ceramica può evocare l'errata convinzione che si tratti di un materiale fragile. In realtà, le ceramiche prodotte con tecniche di manifattura additiva consentono di realizzare componenti più leggeri e raffinati, dotati di elevata resistenza strutturale, tenacità e resistenza a un'ampia gamma di temperature. Le aziende più lungimiranti si stanno rivolgendo alla produzione di componenti in ceramica, tra cui ugelli ed eliche, isolatori elettrici e pale di turbine.
Ad esempio, l'allumina ad elevata purezza presenta un'elevata durezza, una forte resistenza alla corrosione e un ampio intervallo di temperature. I componenti realizzati in allumina sono inoltre isolanti elettrici alle alte temperature tipiche dei sistemi aerospaziali.
Le ceramiche a base di zirconia possono soddisfare numerose applicazioni con requisiti dei materiali estremi e elevate sollecitazioni meccaniche, come la formatura di metalli di alta gamma, le valvole e i cuscinetti. Le ceramiche al nitruro di silicio presentano elevata resistenza, elevata tenacità ed eccellente resistenza agli shock termici, nonché una buona resistenza chimica alla corrosione da parte di una varietà di acidi, alcali e metalli fusi. Il nitruro di silicio viene utilizzato per isolanti, giranti e antenne a bassa costante dielettrica per alte temperature.
Le ceramiche composite offrono diverse qualità desiderabili. Le ceramiche a base di silicio con aggiunta di allumina e zircone si sono dimostrate efficaci nella produzione di getti monocristallini per pale di turbina. Questo perché il nucleo ceramico realizzato con questo materiale presenta una dilatazione termica molto bassa fino a 1.500 °C, un'elevata porosità, un'eccellente qualità superficiale e una buona lisciviabilità. La stampa di questi nuclei consente di realizzare turbine con design in grado di resistere a temperature di esercizio più elevate e di aumentare l'efficienza del motore.
È risaputo che lo stampaggio a iniezione o la lavorazione meccanica della ceramica sono processi molto complessi, e che la lavorazione meccanica offre un accesso limitato ai componenti da fabbricare. Anche la realizzazione di elementi come pareti sottili risulta difficoltosa.
Tuttavia, Lithoz utilizza la produzione ceramica basata sulla litografia (LCM) per realizzare componenti ceramici 3D precisi e di forma complessa.
Partendo dal modello CAD, le specifiche dettagliate vengono trasferite digitalmente alla stampante 3D. Successivamente, la polvere ceramica, formulata con precisione, viene applicata sulla superficie di una vasca trasparente. La piattaforma di costruzione mobile viene immersa nella polvere e quindi esposta selettivamente alla luce visibile dal basso. L'immagine dello strato viene generata da un dispositivo a micromirror digitali (DMD) accoppiato a un sistema di proiezione. Ripetendo questo processo, è possibile generare strato dopo strato un componente grezzo tridimensionale. Dopo il post-trattamento termico, il legante viene rimosso e i componenti grezzi vengono sinterizzati – uniti mediante uno speciale processo di riscaldamento – per produrre un componente ceramico completamente denso con eccellenti proprietà meccaniche e qualità superficiale.
La tecnologia LCM offre un processo innovativo, economico e più rapido per la fusione di precisione di componenti per motori a turbina, evitando la costosa e laboriosa produzione di stampi richiesta per lo stampaggio a iniezione e la fusione a cera persa.
La microfabbricazione laser (LCM) consente inoltre di realizzare progetti impossibili da ottenere con altri metodi, utilizzando al contempo una quantità di materie prime di gran lunga inferiore.
Nonostante il grande potenziale dei materiali ceramici e della tecnologia LCM, esiste ancora un divario tra i produttori di apparecchiature originali (OEM) nel settore della manifattura additiva e i progettisti aerospaziali.
Una delle ragioni potrebbe essere la resistenza ai nuovi metodi di produzione in settori con requisiti di sicurezza e qualità particolarmente rigorosi. La produzione aerospaziale richiede numerosi processi di verifica e qualificazione, nonché test approfonditi e rigorosi.
Un altro ostacolo è rappresentato dalla convinzione che la stampa 3D sia adatta principalmente solo alla prototipazione rapida e unica, piuttosto che a qualsiasi cosa possa essere utilizzata in volo. Anche questo è un equivoco, e i componenti ceramici stampati in 3D hanno dimostrato di poter essere utilizzati nella produzione di massa.
Un esempio è la produzione di pale di turbina, dove il processo ceramico AM produce nuclei monocristallini (SX), nonché pale di turbina in superlega realizzate con solidificazione direzionale (DS) e fusione equiasse (EX). È possibile produrre nuclei con complesse strutture ramificate, pareti multiple e bordi d'uscita inferiori a 200 μm in modo rapido ed economico, ottenendo componenti finali con precisione dimensionale costante ed eccellente finitura superficiale.
Migliorare la comunicazione può unire i progettisti aerospaziali e i produttori di apparecchiature originali (OEM) di componenti ceramici realizzati con tecnologie di fabbricazione additiva (AM) e altre tecnologie. La tecnologia e le competenze esistono. È necessario cambiare la mentalità, passando dalla fabbricazione additiva utilizzata solo per la ricerca e sviluppo e la prototipazione, a considerarla la strada da percorrere per le applicazioni commerciali su larga scala.
Oltre alla formazione, le aziende aerospaziali possono investire tempo anche nel personale, nell'ingegneria e nei test. I produttori devono avere familiarità con diversi standard e metodi per la valutazione delle ceramiche, non dei metalli. Ad esempio, i due standard ASTM chiave di Lithoz per le ceramiche strutturali sono ASTM C1161 per le prove di resistenza e ASTM C1421 per le prove di tenacità. Questi standard si applicano alle ceramiche prodotte con tutti i metodi. Nella produzione additiva di ceramiche, la fase di stampa è solo un metodo di formatura e i pezzi subiscono lo stesso tipo di sinterizzazione delle ceramiche tradizionali. Pertanto, la microstruttura dei pezzi in ceramica sarà molto simile a quella ottenuta con la lavorazione convenzionale.
Grazie al continuo progresso dei materiali e della tecnologia, possiamo affermare con certezza che i progettisti avranno a disposizione più dati. Nuovi materiali ceramici saranno sviluppati e personalizzati in base alle specifiche esigenze ingegneristiche. I componenti realizzati con ceramiche prodotte tramite manifattura additiva completeranno il processo di certificazione per l'utilizzo nel settore aerospaziale. Inoltre, saranno disponibili strumenti di progettazione migliori, come software di modellazione più avanzati.
Collaborando con gli esperti tecnici di LCM, le aziende aerospaziali possono introdurre internamente processi di produzione additiva di ceramiche, riducendo tempi e costi e creando opportunità per lo sviluppo della propria proprietà intellettuale. Con lungimiranza e pianificazione a lungo termine, le aziende aerospaziali che investono nella tecnologia ceramica possono ottenere vantaggi significativi per l'intero portafoglio produttivo nei prossimi dieci anni e oltre.
Grazie alla collaborazione con AM Ceramics, i produttori di apparecchiature originali per il settore aerospaziale potranno realizzare componenti 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 delle difficoltà nel comunicare efficacemente i vantaggi della produzione additiva di ceramica al Ceramics Expo di Cleveland, Ohio, il 1° settembre 2021.
Sebbene lo sviluppo di sistemi di volo ipersonici esista da decenni, è ora diventato una priorità assoluta per la difesa nazionale degli Stati Uniti, portando questo settore a una fase di rapida crescita e cambiamento. Trattandosi di un campo multidisciplinare unico, la sfida consiste nel trovare esperti con le competenze necessarie per promuoverne lo sviluppo. Tuttavia, quando non ci sono abbastanza esperti, si crea un divario di innovazione, come ad esempio dare priorità alla progettazione per la producibilità (DFM) nella fase di ricerca e sviluppo, per poi trovarsi di fronte a un divario di produzione quando è troppo tardi per apportare modifiche economicamente vantaggiose.
Le alleanze, come la neonata University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), offrono un ambiente fondamentale per coltivare i talenti necessari a far progredire il settore. Gli studenti possono lavorare direttamente con ricercatori universitari e professionisti del settore per sviluppare tecnologie e promuovere la ricerca ipersonica, un campo di ricerca cruciale.
Sebbene UCAH e altri consorzi di difesa abbiano autorizzato i propri membri a svolgere diverse mansioni ingegneristiche, è necessario fare di più per coltivare talenti diversificati ed esperti, dalla progettazione allo sviluppo e alla selezione dei materiali, fino alle officine di produzione.
Per offrire un valore più duraturo nel settore, l'alleanza universitaria deve dare priorità allo sviluppo della forza lavoro, allineandosi alle esigenze del settore, coinvolgendo i membri in attività di ricerca pertinenti al mercato del lavoro e investendo nel programma.
Quando si tratta di trasformare la tecnologia ipersonica in progetti di produzione su larga scala, la sfida più grande è rappresentata dall'attuale divario di competenze ingegneristiche e manifatturiere. Se la ricerca iniziale non riesce a superare questa "valle della morte", ovvero il divario tra ricerca e sviluppo e produzione (e molti progetti ambiziosi sono falliti), allora perdiamo una soluzione applicabile e realizzabile.
L'industria manifatturiera statunitense può accelerare fino a raggiungere velocità supersoniche, ma il rischio di rimanere indietro è legato alla necessità di incrementare la forza lavoro per adeguarsi. Pertanto, il governo e i consorzi di sviluppo universitari devono collaborare con i produttori per mettere in pratica questi piani.
Il settore ha riscontrato carenze di competenze, dalle officine di produzione ai laboratori di ingegneria: queste carenze non potranno che ampliarsi con la crescita del mercato ipersonico. Le tecnologie emergenti richiedono una forza lavoro emergente per ampliare le conoscenze in questo campo.
Il lavoro nel campo dell'ipersonica abbraccia diverse aree chiave, relative a vari materiali e strutture, e ciascuna area presenta una serie di sfide tecniche specifiche. Queste richiedono un elevato livello di conoscenza dettagliata e, in assenza delle competenze necessarie, ciò potrebbe creare ostacoli allo sviluppo e alla produzione. Se non disponiamo di personale sufficiente per svolgere il lavoro, sarà impossibile soddisfare la domanda di produzione ad alta velocità.
Ad esempio, abbiamo bisogno di persone in grado di realizzare il prodotto finale. UCAH e altri consorzi sono essenziali per promuovere la produzione moderna e garantire l'inclusione degli studenti interessati al ruolo della produzione. Grazie a iniziative interfunzionali dedicate allo sviluppo della forza lavoro, l'industria sarà in grado di mantenere un vantaggio competitivo nei piani di volo ipersonico nei prossimi anni.
Con la creazione dell'UCAH, il Dipartimento della Difesa sta creando l'opportunità di adottare un approccio più mirato allo sviluppo di competenze in questo settore. Tutti i membri della coalizione devono collaborare per formare gli studenti nelle loro specifiche competenze, in modo da poter costruire e mantenere lo slancio della ricerca ed espanderla per produrre i risultati di cui il nostro Paese ha bisogno.
La NASA Advanced Composites Alliance, ora chiusa, è un esempio di successo di iniziativa per lo sviluppo della forza lavoro. La sua efficacia è il risultato della combinazione tra attività di ricerca e sviluppo e interessi industriali, che consente all'innovazione di diffondersi in tutto l'ecosistema di sviluppo. I leader del settore hanno collaborato direttamente con la NASA e le università su progetti per un periodo compreso tra due e quattro anni. Tutti i membri hanno acquisito conoscenze ed esperienze professionali, imparato a cooperare in un ambiente non competitivo e contribuito alla formazione di studenti universitari, preparandoli a diventare i futuri protagonisti chiave del settore.
Questo tipo di sviluppo della forza lavoro colma le lacune del settore e offre alle piccole imprese l'opportunità di innovare rapidamente e diversificare il campo per raggiungere un'ulteriore crescita, a vantaggio delle iniziative di sicurezza nazionale ed economica degli Stati Uniti.
Le alleanze universitarie, tra cui quella con UCAH, rappresentano una risorsa fondamentale nel campo dell'ipersonica e dell'industria della difesa. Sebbene la loro ricerca abbia promosso innovazioni emergenti, il loro valore maggiore risiede nella capacità di formare la prossima generazione di professionisti. Il consorzio deve ora dare priorità agli investimenti in questi ambiti. In tal modo, potrà contribuire al successo a lungo termine dell'innovazione nel settore ipersonico.
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 produttori di prodotti complessi e altamente ingegnerizzati (come i componenti aeronautici) puntano alla perfezione in ogni dettaglio. Non c'è margine di manovra.
Poiché la produzione di aeromobili è estremamente complessa, i produttori devono gestire con cura il processo di qualità, prestando grande attenzione a ogni fase. Ciò richiede una profonda conoscenza di come gestire e adattarsi alle dinamiche della produzione, della qualità, della sicurezza e della catena di approvvigionamento, nel rispetto dei requisiti normativi.
Poiché numerosi fattori influenzano la fornitura di prodotti di alta qualità, la gestione di ordini di produzione complessi e in continua evoluzione risulta complessa. Il processo di qualità deve essere dinamico in ogni fase: dall'ispezione e progettazione alla produzione e al collaudo. Grazie alle strategie di Industria 4.0 e alle moderne soluzioni produttive, queste sfide in ambito qualitativo sono diventate più facili da gestire e superare.
Tradizionalmente, la produzione aeronautica si è sempre concentrata sui materiali. La causa principale dei problemi di qualità può essere la frattura fragile, la corrosione, la fatica del metallo o altri fattori. Tuttavia, la produzione aeronautica odierna include tecnologie avanzate e altamente ingegnerizzate che utilizzano materiali resistenti. La creazione del prodotto si avvale di processi e sistemi elettronici altamente specializzati e complessi. I software di gestione operativa generici potrebbero non essere più in grado di risolvere problemi estremamente complessi.
I componenti più complessi possono essere acquistati dalla catena di fornitura globale, pertanto è necessario prestare maggiore attenzione alla loro integrazione nell'intero processo di assemblaggio. L'incertezza pone nuove sfide alla visibilità della catena di fornitura e alla gestione della qualità. Garantire la qualità di così tanti componenti e prodotti finiti richiede metodi di controllo qualità migliori e più integrati.
L'Industria 4.0 rappresenta l'evoluzione del settore manifatturiero e richiede tecnologie sempre più avanzate per soddisfare rigorosi requisiti di qualità. Tra le tecnologie di supporto figurano l'Internet delle cose industriale (IIoT), i digital thread, la realtà aumentata (AR) e l'analisi predittiva.
Qualità 4.0 descrive un metodo di gestione della qualità dei processi produttivi basato sui dati, che coinvolge prodotti, processi, pianificazione, conformità e standard. Si fonda sui metodi di qualità tradizionali, anziché sostituirli, e utilizza molte delle stesse nuove tecnologie impiegate in ambito industriale, tra cui machine learning, dispositivi connessi, cloud computing e digital twin, per trasformare il flusso di lavoro dell'organizzazione ed eliminare possibili difetti di prodotti o processi. Si prevede che l'avvento di Qualità 4.0 modificherà ulteriormente la cultura aziendale, aumentando la dipendenza dai dati e integrando in modo più profondo la qualità nel processo complessivo di creazione del prodotto.
Qualità 4.0 integra le problematiche operative e di garanzia della qualità (QA) fin dalle fasi iniziali, fino alla progettazione. Ciò include la concettualizzazione e la progettazione dei prodotti. I risultati di recenti indagini di settore indicano che la maggior parte dei mercati non dispone di un processo automatizzato di trasferimento della progettazione. Il processo manuale lascia spazio a errori, siano essi interni o relativi alla comunicazione della progettazione e delle modifiche alla catena di fornitura.
Oltre alla progettazione, Quality 4.0 utilizza anche l'apprendimento automatico incentrato sui processi per ridurre gli sprechi, minimizzare le rilavorazioni e ottimizzare i parametri di produzione. Inoltre, risolve i problemi di prestazioni del prodotto dopo la consegna, utilizza il feedback in loco per aggiornare da remoto il software del prodotto, mantiene la soddisfazione del cliente e, in definitiva, garantisce la fidelizzazione. Sta diventando un partner imprescindibile dell'Industria 4.0.
Tuttavia, la qualità non si applica solo ad alcune fasi del processo produttivo. L'approccio inclusivo di Qualità 4.0 può infondere un approccio globale alla qualità nelle organizzazioni manifatturiere, rendendo il potere trasformativo dei dati parte integrante della strategia aziendale. La conformità a tutti i livelli dell'organizzazione contribuisce alla formazione di una cultura della qualità complessiva.
Nessun processo produttivo può funzionare perfettamente al 100% del tempo. Le condizioni variabili innescano eventi imprevisti che richiedono interventi correttivi. Chi ha esperienza nel settore della qualità sa che tutto ruota attorno al processo di raggiungimento della perfezione. Come garantire che la qualità sia integrata nel processo per individuare i problemi il prima possibile? Cosa farete quando troverete un difetto? Ci sono fattori esterni che causano questo problema? Quali modifiche potete apportare al piano di ispezione o alla procedura di collaudo per evitare che il problema si ripeta?
Adottate una mentalità secondo cui ogni processo produttivo è correlato a un processo di qualità. Immaginate un futuro in cui esista una relazione diretta e la qualità venga misurata costantemente. Indipendentemente da ciò che accade in modo casuale, è possibile raggiungere una qualità perfetta. Ogni reparto esamina quotidianamente gli indicatori e gli indicatori chiave di prestazione (KPI) per identificare le aree di miglioramento prima che si verifichino problemi.
In questo sistema a ciclo chiuso, ogni processo produttivo è dotato di un sistema di inferenza della qualità che fornisce un feedback per interrompere il processo, consentirne la prosecuzione o apportare modifiche in tempo reale. Il sistema non risente della fatica o dell'errore umano. Un sistema di qualità a ciclo chiuso progettato per la produzione aeronautica è essenziale per raggiungere livelli di qualità più elevati, ridurre i tempi di ciclo e garantire la conformità agli standard AS9100.
Dieci anni fa, l'idea di concentrare il controllo qualità sulla progettazione del prodotto, sulle ricerche di mercato, sui fornitori, sui servizi post-vendita o su altri fattori che influenzano la soddisfazione del cliente era impensabile. Si riteneva che la progettazione del prodotto provenisse da un'autorità superiore; la qualità, invece, riguardava l'esecuzione di tali progetti sulla linea di assemblaggio, a prescindere dai loro difetti.
Oggi, molte aziende stanno ripensando al proprio modello di business. Lo status quo del 2018 potrebbe non essere più sostenibile. Sempre più produttori stanno diventando più intelligenti. La maggiore quantità di informazioni disponibili si traduce in una maggiore capacità di realizzare il prodotto giusto fin da subito, con maggiore efficienza e prestazioni superiori.