طبق گفته SmarTech، یک شرکت مشاوره فناوری تولید، هوافضا دومین صنعت بزرگ پس از پزشکی است که توسط تولید افزایشی (AM) خدمترسانی میشود. با این حال، هنوز آگاهی کافی از پتانسیل تولید افزایشی مواد سرامیکی در ساخت سریع قطعات هوافضا، افزایش انعطافپذیری و مقرونبهصرفه بودن وجود ندارد. AM میتواند قطعات سرامیکی قویتر و سبکتر را سریعتر و پایدارتر تولید کند - هزینههای نیروی کار را کاهش دهد، مونتاژ دستی را به حداقل برساند و از طریق طراحی توسعهیافته با مدلسازی، کارایی و عملکرد را بهبود بخشد و در نتیجه وزن هواپیما را کاهش دهد. علاوه بر این، فناوری سرامیک تولید افزایشی، کنترل ابعادی قطعات نهایی را برای ویژگیهای کوچکتر از 100 میکرون فراهم میکند.
با این حال، کلمه سرامیک ممکن است تصور غلط شکنندگی را به ذهن متبادر کند. در واقع، سرامیکهای تولید شده به روش افزایشی، قطعات سبکتر و ظریفتری با استحکام ساختاری، چقرمگی و مقاومت عالی در برابر طیف وسیعی از دما تولید میکنند. شرکتهای آیندهنگر به سمت اجزای تولیدی سرامیکی، از جمله نازلها و پروانهها، عایقهای الکتریکی و پرههای توربین، روی آوردهاند.
برای مثال، آلومینای با خلوص بالا سختی بالایی دارد و مقاومت در برابر خوردگی و محدوده دمایی بالایی دارد. قطعات ساخته شده از آلومینا همچنین در دماهای بالای رایج در سیستمهای هوافضا، عایق الکتریکی هستند.
سرامیکهای مبتنی بر زیرکونیا میتوانند بسیاری از کاربردها را با نیازهای شدید مواد و تنش مکانیکی بالا، مانند قالبگیری فلزات گرانقیمت، شیرآلات و یاتاقانها، برآورده کنند. سرامیکهای نیترید سیلیکون دارای استحکام بالا، چقرمگی بالا و مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی و همچنین مقاومت شیمیایی خوب در برابر خوردگی انواع اسیدها، قلیاها و فلزات مذاب هستند. نیترید سیلیکون برای عایقها، پروانهها و آنتنهای دیالکتریک پایین با دمای بالا استفاده میشود.
سرامیکهای کامپوزیتی چندین ویژگی مطلوب را ارائه میدهند. سرامیکهای مبتنی بر سیلیکون که با آلومینا و زیرکن اضافه شدهاند، در ساخت قطعات ریختهگری تک کریستالی برای پرههای توربین عملکرد خوبی از خود نشان دادهاند. این به این دلیل است که هسته سرامیکی ساخته شده از این ماده، انبساط حرارتی بسیار کمی تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، تخلخل بالا، کیفیت سطح عالی و قابلیت شستشوی خوب دارد. چاپ این هستهها میتواند طرحهای توربینی تولید کند که میتوانند در برابر دماهای عملیاتی بالاتر مقاومت کنند و راندمان موتور را افزایش دهند.
کاملاً مشخص است که قالبگیری تزریقی یا ماشینکاری سرامیکها بسیار دشوار است و ماشینکاری دسترسی محدودی به اجزای در حال تولید فراهم میکند. ماشینکاری ویژگیهایی مانند دیوارههای نازک نیز دشوار است.
با این حال، Lithoz از تولید سرامیک مبتنی بر لیتوگرافی (LCM) برای تولید قطعات سرامیکی سهبعدی دقیق و با شکل پیچیده استفاده میکند.
با شروع از مدل CAD، مشخصات دقیق به صورت دیجیتالی به چاپگر سه بعدی منتقل میشوند. سپس پودر سرامیکی با فرمول دقیق را به بالای ظرف شفاف اعمال میکنند. سکوی ساخت متحرک در گل غوطهور شده و سپس به صورت انتخابی در معرض نور مرئی از پایین قرار میگیرد. تصویر لایه توسط یک دستگاه میکرو آینه دیجیتال (DMD) همراه با سیستم پروژکتور ایجاد میشود. با تکرار این فرآیند، میتوان یک قطعه خام سهبعدی را لایه به لایه تولید کرد. پس از عملیات حرارتی پس از ساخت، چسب حذف شده و قطعات خام توسط یک فرآیند گرمایشی ویژه، تفجوشی میشوند - با هم ترکیب میشوند - تا یک قطعه سرامیکی کاملاً متراکم با خواص مکانیکی و کیفیت سطح عالی تولید شود.
فناوری LCM یک فرآیند نوآورانه، مقرونبهصرفه و سریعتر برای ریختهگری دقیق اجزای موتور توربینی ارائه میدهد - و از ساخت قالب پرهزینه و پرزحمت مورد نیاز برای قالبگیری تزریقی و ریختهگری موم از دست رفته صرفنظر میکند.
LCM همچنین میتواند به طرحهایی دست یابد که با روشهای دیگر قابل دستیابی نیستند، در حالی که از مواد اولیه بسیار کمتری نسبت به سایر روشها استفاده میکند.
علیرغم پتانسیل بالای مواد سرامیکی و فناوری LCM، هنوز شکافی بین تولیدکنندگان تجهیزات اصلی AM (OEM) و طراحان هوافضا وجود دارد.
یکی از دلایل ممکن است مقاومت در برابر روشهای جدید تولید در صنایعی باشد که الزامات ایمنی و کیفیتی بسیار دقیقی دارند. تولید هوافضا نیازمند فرآیندهای تأیید و احراز صلاحیت فراوان و همچنین آزمایشهای کامل و دقیق است.
مانع دیگر شامل این باور است که چاپ سهبعدی عمدتاً فقط برای نمونهسازی سریع یکباره مناسب است، نه هر چیزی که بتوان آن را در هوا استفاده کرد. باز هم، این یک سوءتفاهم است و ثابت شده است که اجزای سرامیکی چاپ سهبعدی در تولید انبوه مورد استفاده قرار میگیرند.
به عنوان مثال، میتوان به ساخت پرههای توربین اشاره کرد که در آن فرآیند سرامیک AM هستههای تک کریستالی (SX) و همچنین پرههای توربین سوپرآلیاژ انجماد جهتدار (DS) و ریختهگری هممحور (EX) را تولید میکند. هستههایی با ساختارهای شاخهای پیچیده، دیوارههای متعدد و لبههای انتهایی کمتر از 200 میکرومتر میتوانند به سرعت و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تولید شوند و اجزای نهایی از دقت ابعادی ثابت و پرداخت سطح عالی برخوردار باشند.
افزایش ارتباطات میتواند طراحان هوافضا و تولیدکنندگان اصلی تجهیزات (OEM) تولید افزایشی (AM) را به هم نزدیک کند و به اجزای سرامیکی تولید شده با استفاده از LCM و سایر فناوریها کاملاً اعتماد کنند. فناوری و تخصص وجود دارد. باید شیوه تفکر از AM برای تحقیق و توسعه و نمونهسازی اولیه تغییر کند و آن را به عنوان راهی برای پیشبرد کاربردهای تجاری در مقیاس بزرگ ببیند.
علاوه بر آموزش، شرکتهای هوافضا میتوانند برای پرسنل، مهندسی و آزمایش نیز وقت بگذارند. تولیدکنندگان باید با استانداردها و روشهای مختلف برای ارزیابی سرامیکها، نه فلزات، آشنا باشند. به عنوان مثال، دو استاندارد کلیدی ASTM شرکت Lithoz برای سرامیکهای ساختاری، ASTM C1161 برای آزمایش استحکام و ASTM C1421 برای آزمایش چقرمگی هستند. این استانداردها برای سرامیکهای تولید شده با همه روشها اعمال میشوند. در تولید افزودنی سرامیکی، مرحله چاپ فقط یک روش شکلدهی است و قطعات تحت همان نوع تفجوشی سرامیکهای سنتی قرار میگیرند. بنابراین، ریزساختار قطعات سرامیکی بسیار شبیه به ماشینکاری معمولی خواهد بود.
بر اساس پیشرفت مداوم مواد و فناوری، میتوانیم با اطمینان بگوییم که طراحان دادههای بیشتری به دست خواهند آورد. مواد سرامیکی جدید بر اساس نیازهای خاص مهندسی توسعه داده شده و سفارشیسازی میشوند. قطعات ساخته شده از سرامیکهای AM فرآیند صدور گواهینامه برای استفاده در هوافضا را تکمیل میکنند و ابزارهای طراحی بهتری مانند نرمافزار مدلسازی بهبود یافته را ارائه میدهند.
شرکتهای هوافضا با همکاری متخصصان فنی LCM میتوانند فرآیندهای سرامیکی AM را به صورت داخلی معرفی کنند که باعث کوتاه شدن زمان، کاهش هزینهها و ایجاد فرصتهایی برای توسعه مالکیت معنوی خود شرکت میشود. با دوراندیشی و برنامهریزی بلندمدت، شرکتهای هوافضایی که در فناوری سرامیک سرمایهگذاری میکنند میتوانند در ده سال آینده و پس از آن، از مزایای قابل توجهی در کل سبد تولید خود بهرهمند شوند.
با ایجاد همکاری با AM Ceramics، تولیدکنندگان تجهیزات اصلی هوافضا قطعاتی را تولید خواهند کرد که قبلاً غیرقابل تصور بودند.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
شان آلن در نمایشگاه سرامیک در کلیولند، اوهایو، در تاریخ ۱ سپتامبر ۲۰۲۱، در مورد دشواریهای انتقال مؤثر مزایای تولید افزایشی سرامیک صحبت خواهد کرد.
اگرچه توسعه سیستمهای پرواز مافوق صوت برای دههها وجود داشته است، اما اکنون به اولویت اصلی دفاع ملی ایالات متحده تبدیل شده است و این حوزه را به حالت رشد و تغییر سریع رسانده است. به عنوان یک حوزه چند رشتهای منحصر به فرد، چالش، یافتن متخصصانی با مهارتهای لازم برای ارتقای توسعه آن است. با این حال، وقتی متخصصان کافی وجود نداشته باشند، یک شکاف نوآوری ایجاد میشود، مانند قرار دادن طراحی برای قابلیت ساخت (DFM) در مرحله تحقیق و توسعه، و سپس تبدیل شدن به یک شکاف تولید زمانی که برای ایجاد تغییرات مقرون به صرفه خیلی دیر شده است.
اتحادیههایی مانند اتحادیه تازه تأسیس دانشگاهی برای هایپرسونیک کاربردی (UCAH)، محیط مهمی را برای پرورش استعدادهای مورد نیاز برای پیشرفت این حوزه فراهم میکنند. دانشجویان میتوانند مستقیماً با محققان دانشگاهی و متخصصان صنعت برای توسعه فناوری و پیشبرد تحقیقات حیاتی هایپرسونیک همکاری کنند.
اگرچه UCAH و سایر کنسرسیومهای دفاعی به اعضا اجازه دادند تا در انواع مشاغل مهندسی مشغول به کار شوند، اما باید کارهای بیشتری برای پرورش استعدادهای متنوع و باتجربه، از طراحی گرفته تا توسعه و انتخاب مواد و کارگاههای تولید، انجام شود.
برای ارائه ارزش پایدارتر در این حوزه، اتحاد دانشگاهی باید با همسو شدن با نیازهای صنعت، مشارکت دادن اعضا در تحقیقات متناسب با صنعت و سرمایهگذاری در این برنامه، توسعه نیروی کار را در اولویت قرار دهد.
هنگام تبدیل فناوری مافوق صوت به پروژههای قابل تولید در مقیاس بزرگ، شکاف موجود در مهارتهای مهندسی و تولید نیروی کار، بزرگترین چالش است. اگر تحقیقات اولیه از این دره مرگ که به درستی نامگذاری شده است - شکاف بین تحقیق و توسعه و تولید - عبور نکنند، و بسیاری از پروژههای بلندپروازانه شکست خوردهاند، آنگاه ما یک راه حل کاربردی و عملی را از دست دادهایم.
صنعت تولید ایالات متحده میتواند سرعت مافوق صوت را افزایش دهد، اما خطر عقب ماندن، گسترش اندازه نیروی کار برای مطابقت با آن است. بنابراین، دولت و کنسرسیومهای توسعه دانشگاهی باید با تولیدکنندگان همکاری کنند تا این برنامهها را به مرحله اجرا برسانند.
این صنعت از کارگاههای تولیدی گرفته تا آزمایشگاههای مهندسی، شکافهای مهارتی را تجربه کرده است - این شکافها با رشد بازار مافوق صوت، بیشتر هم خواهند شد. فناوریهای نوظهور برای گسترش دانش در این زمینه به نیروی کار نوظهور نیاز دارند.
کار فراصوت چندین حوزه کلیدی مختلف از مواد و ساختارهای مختلف را در بر میگیرد و هر حوزه چالشهای فنی خاص خود را دارد. این حوزهها به سطح بالایی از دانش دقیق نیاز دارند و اگر تخصص لازم وجود نداشته باشد، ممکن است موانعی برای توسعه و تولید ایجاد شود. اگر افراد کافی برای حفظ این شغل نداشته باشیم، پاسخگویی به تقاضا برای تولید پرسرعت غیرممکن خواهد بود.
برای مثال، ما به افرادی نیاز داریم که بتوانند محصول نهایی را بسازند. UCAH و سایر کنسرسیومها برای ترویج تولید مدرن و اطمینان از اینکه دانشجویان علاقهمند به نقش تولید در آن گنجانده شدهاند، ضروری هستند. از طریق تلاشهای توسعه نیروی کار متعهد بینبخشی، این صنعت قادر خواهد بود در چند سال آینده مزیت رقابتی خود را در برنامههای پرواز مافوق صوت حفظ کند.
با تأسیس UCAH، وزارت دفاع فرصتی را برای اتخاذ رویکردی متمرکزتر در ایجاد قابلیتها در این حوزه ایجاد میکند. همه اعضای ائتلاف باید با هم همکاری کنند تا قابلیتهای خاص دانشجویان را آموزش دهند تا بتوانیم شتاب تحقیقات را ایجاد و حفظ کنیم و آن را برای تولید نتایجی که کشورمان به آن نیاز دارد، گسترش دهیم.
اتحاد کامپوزیتهای پیشرفته ناسا که اکنون تعطیل شده است، نمونهای از یک تلاش موفق برای توسعه نیروی کار است. اثربخشی آن نتیجه ترکیب کار تحقیق و توسعه با منافع صنعت است که به نوآوری اجازه میدهد تا در سراسر اکوسیستم توسعه گسترش یابد. رهبران صنعت به مدت دو تا چهار سال مستقیماً با ناسا و دانشگاهها روی پروژهها همکاری کردهاند. همه اعضا دانش و تجربه حرفهای خود را توسعه دادهاند، یاد گرفتهاند که در یک محیط غیررقابتی همکاری کنند و دانشجویان دانشگاه را برای پرورش بازیگران کلیدی صنعت در آینده پرورش دادهاند.
این نوع توسعه نیروی کار، شکافهای موجود در صنعت را پر میکند و فرصتهایی را برای کسبوکارهای کوچک فراهم میکند تا به سرعت نوآوری کنند و این حوزه را متنوع سازند تا به رشد بیشتری دست یابند که برای ابتکارات امنیت ملی و امنیت اقتصادی ایالات متحده مفید باشد.
اتحادهای دانشگاهی از جمله UCAH داراییهای مهمی در حوزه هایپرسونیک و صنعت دفاعی هستند. اگرچه تحقیقات آنها نوآوریهای نوظهور را ارتقا داده است، اما بزرگترین ارزش آنها در توانایی آنها در آموزش نسل بعدی نیروی کار ما نهفته است. این کنسرسیوم اکنون باید سرمایهگذاری در چنین طرحهایی را در اولویت قرار دهد. با انجام این کار، آنها میتوانند به موفقیت بلندمدت نوآوری هایپرسونیک کمک کنند.
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.
تولیدکنندگان محصولات پیچیده و بسیار مهندسیشده (مانند قطعات هواپیما) همیشه به کمال متعهد هستند. جایی برای مانور وجود ندارد.
از آنجا که تولید هواپیما بسیار پیچیده است، تولیدکنندگان باید فرآیند کیفیت را با دقت مدیریت کنند و به هر مرحله توجه زیادی داشته باشند. این امر مستلزم درک عمیقی از نحوه مدیریت و سازگاری با مسائل پویای تولید، کیفیت، ایمنی و زنجیره تأمین در عین رعایت الزامات نظارتی است.
از آنجا که عوامل زیادی بر ارائه محصولات با کیفیت بالا تأثیر میگذارند، مدیریت سفارشات تولید پیچیده و مرتباً در حال تغییر دشوار است. فرآیند کیفیت باید در هر جنبهای از بازرسی و طراحی، تولید و آزمایش پویا باشد. به لطف استراتژیهای صنعت ۴.۰ و راهحلهای مدرن تولید، مدیریت و غلبه بر این چالشهای کیفی آسانتر شده است.
تمرکز سنتی تولید هواپیما همیشه بر روی مواد بوده است. منبع اکثر مشکلات کیفی ممکن است شکستگی ترد، خوردگی، خستگی فلز یا سایر عوامل باشد. با این حال، تولید هواپیماهای امروزی شامل فناوریهای پیشرفته و بسیار مهندسی شدهای است که از مواد مقاوم استفاده میکنند. تولید محصول از فرآیندها و سیستمهای الکترونیکی بسیار تخصصی و پیچیده استفاده میکند. راهحلهای نرمافزاری مدیریت عملیات عمومی ممکن است دیگر قادر به حل مشکلات بسیار پیچیده نباشند.
قطعات پیچیدهتری را میتوان از زنجیره تأمین جهانی خریداری کرد، بنابراین باید توجه بیشتری به ادغام آنها در طول فرآیند مونتاژ شود. عدم قطعیت، چالشهای جدیدی را برای شفافیت زنجیره تأمین و مدیریت کیفیت به همراه دارد. تضمین کیفیت این همه قطعات و محصولات نهایی نیازمند روشهای کیفی بهتر و یکپارچهتری است.
صنعت ۴.۰ نشاندهنده توسعه صنعت تولید است و برای برآورده کردن الزامات سختگیرانه کیفیت، به فناوریهای پیشرفتهتری نیاز است. فناوریهای پشتیبان شامل اینترنت اشیا صنعتی (IIoT)، رشتههای دیجیتال، واقعیت افزوده (AR) و تجزیه و تحلیل پیشبینیکننده هستند.
کیفیت ۴.۰ یک روش کیفیت فرآیند تولید مبتنی بر داده را توصیف میکند که شامل محصولات، فرآیندها، برنامهریزی، انطباق و استانداردها میشود. این روش به جای جایگزینی روشهای سنتی کیفیت، بر اساس بسیاری از فناوریهای جدید مشابه همتایان صنعتی خود، از جمله یادگیری ماشینی، دستگاههای متصل، محاسبات ابری و دوقلوهای دیجیتال، ساخته شده است تا گردش کار سازمان را متحول کرده و نقصهای احتمالی محصولات یا فرآیندها را از بین ببرد. انتظار میرود ظهور کیفیت ۴.۰ با افزایش اتکا به دادهها و استفاده عمیقتر از کیفیت به عنوان بخشی از روش کلی تولید محصول، فرهنگ محیط کار را بیشتر تغییر دهد.
کیفیت ۴.۰ مسائل عملیاتی و تضمین کیفیت (QA) را از ابتدا تا مرحله طراحی ادغام میکند. این شامل نحوه مفهومسازی و طراحی محصولات میشود. نتایج بررسیهای اخیر صنعت نشان میدهد که اکثر بازارها فرآیند انتقال طراحی خودکار ندارند. فرآیند دستی، چه یک خطای داخلی باشد و چه انتقال طراحی و تغییرات به زنجیره تأمین، جای خطا باقی میگذارد.
علاوه بر طراحی، Quality 4.0 از یادگیری ماشینی فرآیندمحور نیز برای کاهش ضایعات، کاهش دوبارهکاری و بهینهسازی پارامترهای تولید استفاده میکند. علاوه بر این، مشکلات عملکرد محصول را پس از تحویل نیز حل میکند، از بازخورد در محل برای بهروزرسانی نرمافزار محصول از راه دور استفاده میکند، رضایت مشتری را حفظ میکند و در نهایت تکرار خرید را تضمین میکند. این [سیستم/سیستم/...] در حال تبدیل شدن به یک شریک جداییناپذیر از صنعت 4.0 است.
با این حال، کیفیت فقط برای پیوندهای تولیدی منتخب قابل اجرا نیست. شمولیت کیفیت ۴.۰ میتواند یک رویکرد جامع کیفیت را در سازمانهای تولیدی القا کند و قدرت دگرگونکننده دادهها را به بخش جداییناپذیر تفکر سازمانی تبدیل کند. رعایت الزامات در تمام سطوح سازمان به شکلگیری فرهنگ کلی کیفیت کمک میکند.
هیچ فرآیند تولیدی نمیتواند در ۱۰۰٪ مواقع کاملاً بینقص عمل کند. تغییر شرایط باعث بروز اتفاقات پیشبینینشدهای میشود که نیاز به اصلاح دارند. کسانی که در زمینه کیفیت تجربه دارند، میدانند که همه چیز در مورد فرآیند حرکت به سمت کمال است. چگونه اطمینان حاصل میکنید که کیفیت در فرآیند گنجانده شده است تا مشکلات در اسرع وقت تشخیص داده شوند؟ وقتی نقص را پیدا کردید چه خواهید کرد؟ آیا عوامل خارجی باعث این مشکل شدهاند؟ چه تغییراتی میتوانید در برنامه بازرسی یا روش آزمایش ایجاد کنید تا از وقوع مجدد این مشکل جلوگیری شود؟
این ذهنیت را ایجاد کنید که هر فرآیند تولید، یک فرآیند کیفی مرتبط و وابسته دارد. آیندهای را تصور کنید که در آن یک رابطه یک به یک وجود دارد و دائماً کیفیت را اندازهگیری کنید. مهم نیست چه اتفاقی به صورت تصادفی رخ میدهد، میتوان به کیفیت بینقص دست یافت. هر مرکز کاری، شاخصها و شاخصهای کلیدی عملکرد (KPI) را روزانه بررسی میکند تا قبل از بروز مشکلات، زمینههای بهبود را شناسایی کند.
در این سیستم حلقه بسته، هر فرآیند تولید دارای یک استنتاج کیفی است که بازخوردی برای توقف فرآیند، ادامه فرآیند یا انجام تنظیمات در لحظه ارائه میدهد. این سیستم تحت تأثیر خستگی یا خطای انسانی قرار نمیگیرد. یک سیستم کیفیت حلقه بسته که برای تولید هواپیما طراحی شده است، برای دستیابی به سطوح کیفی بالاتر، کوتاه کردن زمان چرخه و اطمینان از انطباق با استانداردهای AS9100 ضروری است.
ده سال پیش، ایده تمرکز تضمین کیفیت بر طراحی محصول، تحقیقات بازار، تأمینکنندگان، خدمات محصول یا سایر عواملی که بر رضایت مشتری تأثیر میگذارند، غیرممکن بود. طراحی محصول از جانب یک مقام بالاتر تلقی میشود؛ کیفیت در مورد اجرای این طرحها در خط مونتاژ، صرف نظر از کاستیهای آنها است.
امروزه، بسیاری از شرکتها در حال بازنگری در نحوهی انجام کسبوکار خود هستند. وضعیت موجود در سال ۲۰۱۸ ممکن است دیگر امکانپذیر نباشد. تولیدکنندگان بیشتر و بیشتری هوشمندتر میشوند. دانش بیشتری در دسترس است، که به معنای هوش بهتر برای ساخت محصول مناسب در همان ابتدا، با کارایی و عملکرد بالاتر است.
زمان ارسال: ۲۸ ژوئیه ۲۰۲۱
