Secondo SmarTech, una società di consulenza tecnologica di produzione, l’aerospaziale è la seconda industria più grande servita dalla produzione additiva (AM), seconda solo alla medicina.Tuttavia, manca ancora la consapevolezza del potenziale della produzione additiva di materiali ceramici nella produzione rapida di componenti aerospaziali, della maggiore flessibilità e dell’efficacia in termini di costi.L’AM può produrre parti in ceramica più resistenti e leggere in modo più rapido e sostenibile, riducendo i costi di manodopera, riducendo al minimo l’assemblaggio manuale e migliorando l’efficienza e le prestazioni attraverso la progettazione sviluppata mediante modellazione, riducendo così il peso dell’aereo.Inoltre, la tecnologia ceramica di produzione additiva fornisce il controllo dimensionale delle parti finite per caratteristiche inferiori a 100 micron.
Tuttavia, la parola ceramica può evocare l’idea sbagliata di fragilità.Infatti, la ceramica prodotta con la produzione additiva produce parti più leggere e fini con grande forza strutturale, tenacità e resistenza a un ampio intervallo di temperature.Le aziende lungimiranti si stanno rivolgendo a componenti per la produzione di ceramica, inclusi ugelli ed eliche, isolanti elettrici e pale di turbine.
Ad esempio, l'allumina di elevata purezza ha un'elevata durezza e ha una forte resistenza alla corrosione e un intervallo di temperature.I componenti in allumina sono anche elettricamente isolanti alle alte temperature comuni nei sistemi aerospaziali.
Le ceramiche a base di zirconio possono soddisfare molte applicazioni con requisiti materiali estremi ed elevate sollecitazioni meccaniche, come stampaggio di metalli di fascia alta, valvole e cuscinetti.Le ceramiche al nitruro di silicio hanno elevata resistenza, elevata tenacità ed eccellente resistenza agli shock termici, nonché buona resistenza chimica alla corrosione di una varietà di acidi, alcali e metalli fusi.Il nitruro di silicio viene utilizzato per isolanti, giranti e antenne a basso dielettrico per alte temperature.
La ceramica composita fornisce diverse qualità desiderabili.Le ceramiche a base di silicio addizionate con allumina e zircone hanno dimostrato di funzionare bene nella produzione di getti monocristallini per pale di turbine.Questo perché il nucleo ceramico realizzato con questo materiale ha un'espansione termica molto bassa fino a 1.500°C, elevata porosità, eccellente qualità superficiale e buona lisciviabilità.La stampa di questi nuclei può produrre progetti di turbine in grado di resistere a temperature operative più elevate e aumentare l’efficienza del motore.
È noto che lo stampaggio a iniezione o la lavorazione meccanica della ceramica sono molto difficili e la lavorazione fornisce un accesso limitato ai componenti da produrre.Anche caratteristiche come le pareti sottili sono difficili da lavorare.
Tuttavia, Lithoz utilizza la produzione ceramica basata sulla litografia (LCM) per produrre componenti ceramici 3D precisi e dalla forma complessa.
Partendo dal modello CAD, le specifiche dettagliate vengono trasferite digitalmente alla stampante 3D.Quindi applicare la polvere ceramica formulata con precisione sulla parte superiore della vasca trasparente.La piattaforma di costruzione mobile viene immersa nel fango e quindi esposta selettivamente alla luce visibile dal basso.L'immagine del livello è generata da un dispositivo digitale a microspecchi (DMD) accoppiato al sistema di proiezione.Ripetendo questo processo è possibile generare, strato dopo strato, una parte verde tridimensionale.Dopo il post-trattamento termico, il legante viene rimosso e le parti verdi vengono sinterizzate, combinate mediante uno speciale processo di riscaldamento, per produrre una parte ceramica completamente densa con eccellenti proprietà meccaniche e qualità superficiale.
La tecnologia LCM fornisce un processo innovativo, conveniente e più veloce per la fusione a cera persa di componenti di motori a turbina, evitando la costosa e laboriosa produzione di stampi necessaria per lo stampaggio a iniezione e la fusione a cera persa.
LCM può anche realizzare progetti che non possono essere realizzati con altri metodi, utilizzando molte meno materie prime rispetto ad altri metodi.
Nonostante il grande potenziale dei materiali ceramici e della tecnologia LCM, esiste ancora un divario tra i produttori di apparecchiature originali AM (OEM) e i progettisti aerospaziali.
Uno dei motivi potrebbe essere la resistenza ai nuovi metodi di produzione in settori con requisiti di sicurezza e qualità particolarmente severi.La produzione aerospaziale richiede numerosi processi di verifica e qualificazione, nonché test approfonditi e rigorosi.
Un altro ostacolo include la convinzione che la stampa 3D sia adatta principalmente solo per la prototipazione rapida una tantum, piuttosto che per qualsiasi cosa che possa essere utilizzata nell’aria.Ancora una volta, questo è un malinteso ed è stato dimostrato che i componenti ceramici stampati in 3D possono essere utilizzati nella produzione di massa.
Un esempio è la produzione di pale di turbina, dove il processo ceramico AM produce nuclei a cristallo singolo (SX), nonché pale di turbina in superlega con solidificazione direzionale (DS) e fusione equiassiale (EX).I nuclei con strutture ramificate complesse, pareti multiple e bordi d'uscita inferiori a 200μm possono essere prodotti in modo rapido ed economico, e i componenti finali hanno una precisione dimensionale costante e un'eccellente finitura superficiale.
Migliorare la comunicazione può riunire progettisti aerospaziali e OEM AM e fidarsi pienamente dei componenti ceramici prodotti utilizzando LCM e altre tecnologie.La tecnologia e la competenza esistono.È necessario cambiare il modo di pensare dall’AM alla ricerca e sviluppo e alla prototipazione e vederlo come la via da seguire per applicazioni commerciali su larga scala.
Oltre all'istruzione, le aziende aerospaziali possono anche investire tempo nel personale, nell'ingegneria e nei test.I produttori devono avere familiarità con diversi standard e metodi per valutare la ceramica, non i metalli.Ad esempio, i due principali standard ASTM di Lithoz per la ceramica strutturale sono ASTM C1161 per i test di resistenza e ASTM C1421 per i test di tenacità.Questi standard si applicano alla ceramica prodotta con tutti i metodi.Nella produzione additiva in ceramica, la fase di stampa è semplicemente un metodo di formatura e le parti subiscono lo stesso tipo di sinterizzazione della ceramica tradizionale.Pertanto, la microstruttura delle parti in ceramica sarà molto simile alla lavorazione convenzionale.
Sulla base del continuo progresso dei materiali e della tecnologia, possiamo affermare con sicurezza che i progettisti otterranno più dati.Nuovi materiali ceramici verranno sviluppati e personalizzati in base alle specifiche esigenze ingegneristiche.Le parti realizzate in ceramica AM completeranno il processo di certificazione per l’uso nel settore aerospaziale.E fornirà strumenti di progettazione migliori, come un software di modellazione migliorato.
Collaborando con gli esperti tecnici di LCM, le aziende aerospaziali possono introdurre processi ceramici AM internamente, abbreviando i tempi, riducendo i costi e creando opportunità per lo sviluppo della proprietà intellettuale dell'azienda.Con lungimiranza e pianificazione a lungo termine, le aziende aerospaziali che investono nella tecnologia ceramica possono ottenere vantaggi significativi sull’intero portafoglio produttivo nei prossimi dieci anni e oltre.
Stabilendo una partnership con AM Ceramics, i produttori di apparecchiature originali aerospaziali produrranno 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 di comunicare in modo efficace i vantaggi della produzione additiva ceramica al Ceramics Expo di Cleveland, Ohio, il 1 settembre 2021.
Sebbene lo sviluppo di sistemi di volo ipersonici esista da decenni, ora è diventato la massima priorità della difesa nazionale degli Stati Uniti, portando questo campo in uno stato di rapida crescita e cambiamento.Essendo un campo multidisciplinare unico, la sfida è trovare esperti con le competenze necessarie per promuoverne lo sviluppo.Tuttavia, quando non ci sono abbastanza esperti, si crea un divario di innovazione, ad esempio inserendo la progettazione per la producibilità (DFM) al primo posto nella fase di ricerca e sviluppo, per poi trasformarsi in un divario di produzione quando è troppo tardi per apportare modifiche economicamente vantaggiose.
Le alleanze, come la neonata University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH), forniscono un ambiente importante per coltivare i talenti necessari per far avanzare il campo.Gli studenti possono lavorare direttamente con ricercatori universitari e professionisti del settore per sviluppare tecnologia e far avanzare la ricerca ipersonica critica.
Sebbene l’UCAH e altri consorzi di difesa abbiano autorizzato i membri a impegnarsi in una varietà di lavori di ingegneria, è necessario fare di più per coltivare talenti diversi ed esperti, dalla progettazione allo sviluppo e selezione dei materiali fino ai laboratori di produzione.
Per fornire un valore più duraturo nel settore, l’alleanza universitaria deve rendere prioritario lo sviluppo della forza lavoro allineandosi alle esigenze del settore, coinvolgendo i membri nella ricerca adeguata al settore e investendo nel programma.
Quando si trasforma la tecnologia ipersonica in progetti realizzabili su larga scala, il divario esistente nelle competenze della manodopera ingegneristica e manifatturiera rappresenta la sfida più grande.Se le prime ricerche non superano questa valle della morte, giustamente chiamata, – il divario tra ricerca e sviluppo e produzione, e molti progetti ambiziosi sono falliti – allora avremo perso una soluzione applicabile e fattibile.
L’industria manifatturiera statunitense può accelerare la velocità supersonica, ma il rischio di rimanere indietro è quello di espandere la dimensione della forza lavoro per adeguarla.Pertanto, i consorzi di sviluppo governativi e universitari devono collaborare con i produttori per mettere in pratica questi piani.
L’industria ha sperimentato lacune di competenze tra officine di produzione e laboratori di ingegneria: queste lacune non potranno che ampliarsi con la crescita del mercato ipersonico.Le tecnologie emergenti richiedono una forza lavoro emergente per espandere la conoscenza nel settore.
Il lavoro ipersonico abbraccia diverse aree chiave di vari materiali e strutture e ciascuna area presenta la propria serie di sfide tecniche.Richiedono un elevato livello di conoscenza dettagliata e, se non esiste la competenza richiesta, ciò può creare ostacoli allo sviluppo e alla produzione.Se non disponiamo di personale sufficiente per mantenere il posto di lavoro, sarà impossibile tenere il passo con la domanda di produzione ad alta velocità.
Ad esempio, abbiamo bisogno di persone in grado di costruire il prodotto finale.L’UCAH e altri consorzi sono essenziali per promuovere la produzione moderna e garantire la partecipazione degli studenti interessati al ruolo della produzione.Attraverso sforzi di sviluppo della forza lavoro dedicata e interfunzionale, l’industria sarà in grado di mantenere un vantaggio competitivo nei piani di volo ipersonici nei prossimi anni.
Istituendo l’UCAH, il Dipartimento della Difesa sta creando l’opportunità di adottare un approccio più mirato allo sviluppo di capacità in questo settore.Tutti i membri della coalizione devono lavorare insieme per formare le capacità di nicchia degli studenti in modo da poter costruire e mantenere lo slancio della ricerca ed espanderlo per produrre i risultati di cui il nostro Paese ha bisogno.
La NASA Advanced Composites Alliance, ora chiusa, è un esempio di uno sforzo di sviluppo della forza lavoro di successo.La sua efficacia è il risultato della combinazione del lavoro di ricerca e sviluppo con gli interessi del settore, che consente all’innovazione di espandersi in tutto l’ecosistema di sviluppo.I leader del settore hanno lavorato direttamente con la NASA e le università su progetti per due o quattro anni.Tutti i membri hanno sviluppato conoscenze ed esperienze professionali, hanno imparato a cooperare in un ambiente non competitivo e hanno incoraggiato gli studenti universitari a svilupparsi per coltivare i principali attori del settore in futuro.
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 ottenere un’ulteriore crescita favorevole alle iniziative di sicurezza nazionale e di sicurezza economica degli Stati Uniti.
Le alleanze universitarie, inclusa l’UCAH, sono risorse importanti nel campo ipersonico e nell’industria della difesa.Sebbene la loro ricerca abbia promosso innovazioni emergenti, il loro valore più grande risiede nella loro capacità di formare la nostra prossima generazione di forza lavoro.Il consorzio deve ora dare priorità agli investimenti in tali piani.In tal modo, possono contribuire a promuovere il successo a lungo termine dell’innovazione 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 produttori di prodotti complessi e altamente ingegnerizzati (come i componenti degli aerei) si impegnano ogni volta per raggiungere la perfezione.Non c’è spazio di manovra.
Poiché la produzione di aeromobili è estremamente complessa, i produttori devono gestire attentamente il processo di qualità, prestando grande attenzione ad ogni fase.Ciò richiede una comprensione approfondita di come gestire e adattarsi alle problematiche dinamiche di produzione, qualità, sicurezza e catena di fornitura rispettando al tempo stesso i requisiti normativi.
Poiché molti fattori influenzano la consegna di prodotti di alta qualità, è difficile gestire ordini di produzione complessi e che cambiano frequentemente.Il processo di qualità deve essere dinamico in ogni aspetto di ispezione e progettazione, produzione e test.Grazie alle strategie dell’Industria 4.0 e alle moderne soluzioni di produzione, queste sfide legate alla qualità sono diventate più facili da gestire e superare.
Il focus tradizionale della produzione aeronautica è sempre stato sui materiali.La fonte della maggior parte dei problemi di qualità può essere la frattura fragile, la corrosione, la fatica del metallo o altri fattori.Tuttavia, la produzione aeronautica odierna comprende tecnologie avanzate e altamente ingegnerizzate che utilizzano materiali resistenti.La creazione del prodotto utilizza processi e sistemi elettronici altamente specializzati e complessi.Le soluzioni software di gestione delle operazioni generali potrebbero non essere più in grado di risolvere problemi estremamente complessi.
È possibile acquistare parti più complesse dalla catena di fornitura globale, quindi è necessario prestare maggiore attenzione alla loro integrazione durante tutto il processo di assemblaggio.L’incertezza porta nuove sfide alla visibilità della catena di fornitura e alla gestione della qualità.Garantire la qualità di così tante parti e prodotti finiti richiede metodi di qualità migliori e più integrati.
L’Industria 4.0 rappresenta lo sviluppo dell’industria manifatturiera e sono necessarie tecnologie sempre più avanzate per soddisfare severi requisiti di qualità.Le tecnologie di supporto includono l’Internet of Things industriale (IIoT), i thread digitali, la realtà aumentata (AR) e l’analisi predittiva.
Qualità 4.0 descrive un metodo di qualità del processo produttivo basato sui dati che coinvolge prodotti, processi, pianificazione, conformità e standard.Si basa piuttosto che sostituire i tradizionali metodi di qualità, utilizzando molte delle stesse nuove tecnologie delle sue controparti industriali, tra cui l'apprendimento automatico, i dispositivi connessi, il cloud computing e i gemelli digitali per trasformare il flusso di lavoro dell'organizzazione ed eliminare possibili difetti di prodotti o processi.Si prevede che l’emergere della Qualità 4.0 cambierà ulteriormente la cultura del posto di lavoro aumentando la dipendenza dai dati e un uso più profondo della qualità come parte del metodo complessivo di creazione del prodotto.
Qualità 4.0 integra le questioni operative e di garanzia della qualità (QA) dall'inizio alla fase di progettazione.Ciò include come concettualizzare e progettare prodotti.I risultati di recenti indagini di settore indicano che la maggior parte dei mercati non dispone di un processo di trasferimento automatizzato dei progetti.Il processo manuale lascia spazio a errori, che si tratti di un errore interno o di comunicazione di progettazione e modifiche alla catena di fornitura.
Oltre alla progettazione, Qualità 4.0 utilizza anche l’apprendimento automatico incentrato sui processi per ridurre gli sprechi, ridurre le rilavorazioni e ottimizzare i parametri di produzione.Inoltre, risolve anche i problemi relativi alle prestazioni del prodotto dopo la consegna, utilizza il feedback in loco per aggiornare in remoto il software del prodotto, mantiene la soddisfazione del cliente e, in definitiva, garantisce la ripetizione degli affari.Sta diventando un partner inseparabile dell’Industria 4.0.
Tuttavia, la qualità non è applicabile solo ai collegamenti di produzione selezionati.L’inclusività della Qualità 4.0 può infondere un approccio globale alla qualità nelle organizzazioni manifatturiere, rendendo il potere di trasformazione dei dati parte integrante del pensiero aziendale.La conformità a tutti i livelli dell’organizzazione contribuisce alla formazione di una cultura complessiva della qualità.
Nessun processo produttivo può funzionare perfettamente nel 100% del tempo.Il cambiamento delle condizioni innesca eventi imprevisti che richiedono soluzioni.Coloro che hanno esperienza nel campo della qualità capiscono che è tutta una questione di processo verso la perfezione.Come si garantisce che la qualità sia incorporata nel processo per individuare i problemi il prima possibile?Cosa farai quando scoprirai il difetto?Ci sono fattori esterni che causano questo problema?Quali modifiche è possibile apportare al piano di ispezione o alla procedura di test per evitare che questo problema si ripeta?
Stabilire la mentalità secondo cui ogni processo di produzione ha un processo di qualità correlato e correlato.Immagina un futuro in cui esiste una relazione uno a uno e si misura costantemente la qualità.Qualunque cosa accada in modo casuale, è possibile ottenere una qualità perfetta.Ciascun centro di lavoro 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 circuito chiuso, ogni processo di produzione ha un'inferenza sulla qualità, che fornisce feedback per arrestare il processo, consentirne la continuazione o apportare modifiche in tempo reale.Il sistema non risente della fatica o dell’errore umano.Un sistema di qualità a circuito 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 la QA sulla progettazione del prodotto, sulle ricerche di mercato, sui fornitori, sui servizi del prodotto o su altri fattori che influiscono sulla soddisfazione del cliente era impossibile.Si ritiene che la progettazione del prodotto provenga da un'autorità superiore;la qualità consiste nell'eseguire questi progetti sulla catena di montaggio, indipendentemente dai loro difetti.
Oggi molte aziende stanno ripensando il modo di fare business.Lo status quo nel 2018 potrebbe non essere più possibile.Sempre più produttori stanno diventando sempre più intelligenti.È disponibile una maggiore conoscenza, il che significa una migliore intelligenza per costruire il prodotto giusto fin dal primo momento, con efficienza e prestazioni più elevate.