Theo SmarTech, một công ty tư vấn công nghệ sản xuất, hàng không vũ trụ là ngành lớn thứ hai được phục vụ bởi sản xuất bồi đắp (AM), chỉ đứng sau y học.Tuy nhiên, vẫn còn thiếu nhận thức về tiềm năng của sản xuất bồi đắp vật liệu gốm sứ trong việc sản xuất nhanh chóng các bộ phận hàng không vũ trụ, tăng tính linh hoạt và hiệu quả chi phí.AM có thể sản xuất các bộ phận bằng gốm chắc hơn và nhẹ hơn, nhanh hơn và bền vững hơn - giảm chi phí lao động, giảm thiểu lắp ráp thủ công, đồng thời nâng cao hiệu suất và hiệu suất thông qua thiết kế được phát triển bằng mô hình hóa, từ đó giảm trọng lượng của máy bay.Ngoài ra, công nghệ gốm sản xuất bồi đắp còn cung cấp khả năng kiểm soát kích thước của các bộ phận hoàn thiện đối với các chi tiết nhỏ hơn 100 micron.
Tuy nhiên, từ gốm có thể gợi lên quan niệm sai lầm về độ giòn.Trên thực tế, gốm được sản xuất bằng phụ gia tạo ra các bộ phận nhẹ hơn, mịn hơn với độ bền kết cấu, độ bền cao và khả năng chịu được phạm vi nhiệt độ rộng.Các công ty có tầm nhìn xa đang chuyển sang sản xuất các bộ phận bằng gốm sứ, bao gồm vòi phun và cánh quạt, chất cách điện và cánh tuabin.
Ví dụ, alumina có độ tinh khiết cao có độ cứng cao, có khả năng chống ăn mòn và phạm vi nhiệt độ mạnh.Các thành phần làm bằng alumina cũng có khả năng cách điện ở nhiệt độ cao thường gặp trong các hệ thống hàng không vũ trụ.
Gốm sứ làm từ Zirconia có thể đáp ứng nhiều ứng dụng có yêu cầu vật liệu khắc nghiệt và ứng suất cơ học cao, chẳng hạn như đúc kim loại cao cấp, van và vòng bi.Gốm silicon nitride có độ bền cao, độ dẻo dai cao và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời, cũng như khả năng chống hóa chất tốt trước sự ăn mòn của nhiều loại axit, kiềm và kim loại nóng chảy.Silicon nitride được sử dụng làm chất cách điện, cánh quạt và ăng-ten điện môi thấp ở nhiệt độ cao.
Gốm composite cung cấp một số phẩm chất mong muốn.Gốm dựa trên silicon được bổ sung alumina và zircon đã được chứng minh là hoạt động tốt trong sản xuất vật đúc đơn tinh thể cho cánh tuabin.Điều này là do lõi gốm làm bằng vật liệu này có độ giãn nở nhiệt rất thấp lên tới 1.500°C, độ xốp cao, chất lượng bề mặt tuyệt vời và khả năng lọc tốt.Việc in các lõi này có thể tạo ra các thiết kế tuabin có thể chịu được nhiệt độ vận hành cao hơn và tăng hiệu suất động cơ.
Người ta biết rằng việc ép phun hoặc gia công gốm sứ là rất khó khăn và việc gia công khiến khả năng tiếp cận các bộ phận đang được sản xuất bị hạn chế.Các tính năng như thành mỏng cũng khó gia công.
Tuy nhiên, Lithoz sử dụng quy trình sản xuất gốm dựa trên kỹ thuật in thạch bản (LCM) để sản xuất các thành phần gốm 3D có hình dạng phức tạp, chính xác.
Bắt đầu từ mô hình CAD, các thông số kỹ thuật chi tiết được chuyển sang máy in 3D bằng kỹ thuật số.Sau đó phủ bột gốm có công thức chính xác lên trên cùng của thùng trong suốt.Nền xây dựng di động được ngâm trong bùn và sau đó tiếp xúc có chọn lọc với ánh sáng nhìn thấy từ bên dưới.Hình ảnh lớp được tạo ra bởi thiết bị gương vi mô kỹ thuật số (DMD) kết hợp với hệ thống chiếu.Bằng cách lặp lại quá trình này, phần màu xanh lá cây ba chiều có thể được tạo ra theo từng lớp.Sau khi xử lý nhiệt sau, chất kết dính được loại bỏ và các bộ phận màu xanh lá cây được thiêu kết - kết hợp bằng quy trình gia nhiệt đặc biệt - để tạo ra bộ phận gốm hoàn toàn dày đặc với các tính chất cơ học và chất lượng bề mặt tuyệt vời.
Công nghệ LCM cung cấp một quy trình đổi mới, tiết kiệm chi phí và nhanh hơn để đúc đầu tư các bộ phận động cơ tua-bin - bỏ qua việc sản xuất khuôn tốn kém và tốn nhiều công sức cần thiết cho quá trình ép phun và đúc sáp bị mất.
LCM cũng có thể đạt được những thiết kế mà các phương pháp khác không thể đạt được trong khi sử dụng ít nguyên liệu thô hơn nhiều so với các phương pháp khác.
Bất chấp tiềm năng to lớn của vật liệu gốm và công nghệ LCM, vẫn có khoảng cách giữa các nhà sản xuất thiết bị gốc AM (OEM) và các nhà thiết kế hàng không vũ trụ.
Một lý do có thể là do sự phản đối các phương pháp sản xuất mới trong các ngành có yêu cầu chất lượng và an toàn đặc biệt nghiêm ngặt.Việc sản xuất hàng không vũ trụ đòi hỏi nhiều quy trình xác minh và kiểm tra chất lượng cũng như kiểm tra kỹ lưỡng và nghiêm ngặt.
Một trở ngại khác bao gồm niềm tin rằng in 3D chủ yếu chỉ phù hợp cho việc tạo mẫu nhanh một lần chứ không phải bất kỳ thứ gì có thể được đưa vào sử dụng trên không.Một lần nữa, đây là một sự hiểu lầm và các thành phần gốm in 3D đã được chứng minh là có thể sử dụng trong sản xuất hàng loạt.
Một ví dụ là việc sản xuất các cánh tuabin, trong đó quy trình gốm AM tạo ra các lõi đơn tinh thể (SX), cũng như các cánh tuabin siêu hợp kim hóa rắn định hướng (DS) và đúc đẳng trục (EX).Các lõi có cấu trúc nhánh phức tạp, nhiều thành và cạnh sau nhỏ hơn 200μm có thể được sản xuất nhanh chóng và tiết kiệm, đồng thời các thành phần cuối cùng có độ chính xác về kích thước nhất quán và độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời.
Việc tăng cường giao tiếp có thể tập hợp các nhà thiết kế hàng không vũ trụ và OEM AM, đồng thời hoàn toàn tin tưởng vào các bộ phận gốm được sản xuất bằng LCM và các công nghệ khác.Công nghệ và chuyên môn tồn tại.Nó cần thay đổi cách suy nghĩ từ AM sang R&D và tạo mẫu, đồng thời coi đó là con đường hướng tới các ứng dụng thương mại quy mô lớn.
Ngoài giáo dục, các công ty hàng không vũ trụ cũng có thể đầu tư thời gian vào nhân sự, kỹ thuật và thử nghiệm.Các nhà sản xuất phải làm quen với các tiêu chuẩn và phương pháp khác nhau để đánh giá gốm sứ chứ không phải kim loại.Ví dụ, hai tiêu chuẩn ASTM chính của Lithoz dành cho gốm kết cấu là ASTM C1161 để kiểm tra độ bền và ASTM C1421 để kiểm tra độ bền.Các tiêu chuẩn này áp dụng cho gốm sứ được sản xuất bằng mọi phương pháp.Trong sản xuất phụ gia gốm, bước in chỉ là một phương pháp tạo hình và các bộ phận đều trải qua quá trình thiêu kết giống như gốm sứ truyền thống.Do đó, cấu trúc vi mô của các bộ phận gốm sẽ rất giống với gia công thông thường.
Dựa trên sự tiến bộ không ngừng của vật liệu và công nghệ, chúng ta có thể tự tin nói rằng các nhà thiết kế sẽ thu được nhiều dữ liệu hơn.Vật liệu gốm mới sẽ được phát triển và tùy chỉnh theo nhu cầu kỹ thuật cụ thể.Các bộ phận làm bằng gốm AM sẽ hoàn tất quy trình chứng nhận để sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.Và sẽ cung cấp các công cụ thiết kế tốt hơn, chẳng hạn như phần mềm mô hình hóa được cải tiến.
Bằng cách hợp tác với các chuyên gia kỹ thuật LCM, các công ty hàng không vũ trụ có thể giới thiệu quy trình gốm AM trong nội bộ để rút ngắn thời gian, giảm chi phí và tạo cơ hội phát triển tài sản trí tuệ của chính công ty.Với tầm nhìn xa và lập kế hoạch dài hạn, các công ty hàng không vũ trụ đầu tư vào công nghệ gốm sứ có thể thu được lợi ích đáng kể trong toàn bộ danh mục sản xuất của họ trong mười năm tới và hơn thế nữa.
Bằng cách thiết lập quan hệ đối tác với AM Ceramics, các nhà sản xuất thiết bị hàng không vũ trụ nguyên bản sẽ sản xuất các bộ phận mà trước đây không thể tưởng tượng được.
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 sẽ nói về những khó khăn trong việc truyền đạt một cách hiệu quả những lợi ích của sản xuất phụ gia gốm sứ tại Triển lãm Gốm sứ ở Cleveland, Ohio vào ngày 1 tháng 9 năm 2021.
Mặc dù việc phát triển hệ thống bay siêu thanh đã tồn tại hàng chục năm nhưng hiện nay nó đã trở thành ưu tiên hàng đầu của quốc phòng Mỹ, đưa lĩnh vực này vào trạng thái tăng trưởng và thay đổi nhanh chóng.Là một lĩnh vực đa ngành độc đáo, thách thức đặt ra là tìm được các chuyên gia có kỹ năng cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.Tuy nhiên, khi không có đủ chuyên gia, nó sẽ tạo ra khoảng cách về đổi mới, chẳng hạn như đặt thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) lên hàng đầu trong giai đoạn R&D, sau đó trở thành khoảng trống trong sản xuất khi đã quá muộn để thực hiện các thay đổi hiệu quả về mặt chi phí.
Các liên minh, chẳng hạn như Liên minh Đại học về Siêu âm Ứng dụng (UCAH) mới thành lập, cung cấp một môi trường quan trọng để nuôi dưỡng những tài năng cần thiết để phát triển lĩnh vực này.Sinh viên có thể làm việc trực tiếp với các nhà nghiên cứu của trường đại học và các chuyên gia trong ngành để phát triển công nghệ và thúc đẩy nghiên cứu siêu âm quan trọng.
Mặc dù UCAH và các tập đoàn quốc phòng khác đã ủy quyền cho các thành viên tham gia vào nhiều công việc kỹ thuật khác nhau, nhưng vẫn cần phải làm nhiều việc hơn nữa để trau dồi những tài năng đa dạng và giàu kinh nghiệm, từ thiết kế đến phát triển và lựa chọn vật liệu cho đến xưởng sản xuất.
Để mang lại giá trị lâu dài hơn trong lĩnh vực này, liên minh các trường đại học phải ưu tiên phát triển lực lượng lao động bằng cách phù hợp với nhu cầu của ngành, thu hút các thành viên tham gia nghiên cứu phù hợp với ngành và đầu tư vào chương trình.
Khi chuyển đổi công nghệ siêu thanh thành các dự án sản xuất quy mô lớn, khoảng cách về kỹ năng lao động kỹ thuật và sản xuất hiện tại là thách thức lớn nhất.Nếu nghiên cứu ban đầu không vượt qua được thung lũng tử thần được đặt tên thích hợp này – khoảng cách giữa R&D và sản xuất, cũng như nhiều dự án đầy tham vọng đã thất bại – thì chúng ta sẽ mất đi một giải pháp khả thi và khả thi.
Ngành sản xuất Mỹ có thể đẩy nhanh tốc độ siêu thanh nhưng nguy cơ tụt lại phía sau là phải mở rộng quy mô lực lượng lao động cho phù hợp.Vì vậy, chính phủ và tập đoàn phát triển trường đại học phải hợp tác với các nhà sản xuất để đưa những kế hoạch này vào thực tế.
Ngành công nghiệp này đã trải qua những khoảng cách về kỹ năng từ xưởng sản xuất đến phòng thí nghiệm kỹ thuật - những khoảng cách này sẽ chỉ tăng lên khi thị trường siêu âm phát triển.Các công nghệ mới nổi đòi hỏi một lực lượng lao động mới nổi để mở rộng kiến ​​thức trong lĩnh vực này.
Công việc siêu âm trải rộng trên nhiều lĩnh vực chính khác nhau, với nhiều loại vật liệu và cấu trúc khác nhau, đồng thời mỗi lĩnh vực đều có những thách thức kỹ thuật riêng.Họ đòi hỏi trình độ kiến ​​thức chi tiết cao và nếu không có chuyên môn cần thiết, điều này có thể tạo ra trở ngại cho sự phát triển và sản xuất.Nếu chúng ta không có đủ người để duy trì công việc thì sẽ không thể theo kịp nhu cầu sản xuất tốc độ cao.
Ví dụ: chúng tôi cần những người có thể tạo ra sản phẩm cuối cùng.UCAH và các tập đoàn khác đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất hiện đại và đảm bảo rằng những sinh viên quan tâm đến vai trò của sản xuất đều được tham gia.Thông qua nỗ lực phát triển lực lượng lao động chuyên trách đa chức năng, ngành này sẽ có thể duy trì lợi thế cạnh tranh trong các kế hoạch bay siêu thanh trong vài năm tới.
Bằng cách thành lập UCAH, Bộ Quốc phòng đang tạo cơ hội áp dụng cách tiếp cận tập trung hơn để xây dựng năng lực trong lĩnh vực này.Tất cả các thành viên liên minh phải làm việc cùng nhau để rèn luyện năng lực thích hợp của sinh viên để chúng ta có thể xây dựng và duy trì động lực nghiên cứu và mở rộng nó nhằm tạo ra kết quả mà đất nước chúng ta cần.
Liên minh vật liệu tổng hợp tiên tiến của NASA hiện đã đóng cửa là một ví dụ về nỗ lực phát triển lực lượng lao động thành công.Hiệu quả của nó là kết quả của việc kết hợp công việc R&D với lợi ích của ngành, cho phép sự đổi mới mở rộng trong toàn bộ hệ sinh thái phát triển.Các nhà lãnh đạo ngành đã làm việc trực tiếp với NASA và các trường đại học về các dự án trong hai đến bốn năm.Tất cả các thành viên đã phát triển kiến ​​thức và kinh nghiệm chuyên môn, học cách hợp tác trong môi trường không cạnh tranh và nuôi dưỡng sinh viên đại học phát triển để nuôi dưỡng những người chơi chủ chốt trong ngành trong tương lai.
Hình thức phát triển lực lượng lao động này sẽ lấp đầy những khoảng trống trong ngành và tạo cơ hội cho các doanh nghiệp nhỏ đổi mới nhanh chóng và đa dạng hóa lĩnh vực nhằm đạt được mức tăng trưởng cao hơn - có lợi cho các sáng kiến ​​an ninh kinh tế và an ninh quốc gia của Hoa Kỳ.
Các liên minh đại học bao gồm UCAH là tài sản quan trọng trong lĩnh vực siêu thanh và ngành công nghiệp quốc phòng.Mặc dù nghiên cứu của họ đã thúc đẩy những đổi mới mới nổi, nhưng giá trị lớn nhất của họ nằm ở khả năng đào tạo thế hệ lực lượng lao động tiếp theo của chúng ta.Liên minh hiện cần ưu tiên đầu tư vào các kế hoạch như vậy.Bằng cách đó, họ có thể giúp thúc đẩy sự thành công lâu dài của đổi mới siêu âm.
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.
Các nhà sản xuất các sản phẩm phức tạp, kỹ thuật cao (chẳng hạn như linh kiện máy bay) luôn cam kết đạt tới sự hoàn hảo.Không có chỗ cho sự điều động.
Do việc sản xuất máy bay vô cùng phức tạp nên các nhà sản xuất phải quản lý chặt chẽ quy trình chất lượng, hết sức chú ý đến từng công đoạn.Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cách quản lý và thích ứng với các vấn đề năng động về sản xuất, chất lượng, an toàn và chuỗi cung ứng trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu quy định.
Do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc cung cấp sản phẩm chất lượng cao nên rất khó quản lý các đơn hàng sản xuất phức tạp và thường xuyên thay đổi.Quy trình chất lượng phải năng động ở mọi khía cạnh kiểm tra và thiết kế, sản xuất và thử nghiệm.Nhờ các chiến lược Công nghiệp 4.0 và các giải pháp sản xuất hiện đại, những thách thức về chất lượng này đã trở nên dễ quản lý và vượt qua hơn.
Trọng tâm truyền thống của sản xuất máy bay luôn là vật liệu.Nguồn gốc của hầu hết các vấn đề về chất lượng có thể là gãy giòn, ăn mòn, mỏi kim loại hoặc các yếu tố khác.Tuy nhiên, việc sản xuất máy bay ngày nay bao gồm các công nghệ tiên tiến, kỹ thuật cao sử dụng vật liệu bền.Việc tạo ra sản phẩm sử dụng các quy trình và hệ thống điện tử có tính chuyên môn cao và phức tạp.Các giải pháp phần mềm quản lý hoạt động chung có thể không còn giải quyết được các vấn đề cực kỳ phức tạp.
Các bộ phận phức tạp hơn có thể được mua từ chuỗi cung ứng toàn cầu, vì vậy cần phải cân nhắc nhiều hơn để tích hợp chúng trong suốt quá trình lắp ráp.Sự không chắc chắn mang đến những thách thức mới đối với khả năng hiển thị và quản lý chất lượng của chuỗi cung ứng.Việc đảm bảo chất lượng của rất nhiều bộ phận và thành phẩm đòi hỏi các phương pháp chất lượng tốt hơn và tích hợp hơn.
Công nghiệp 4.0 thể hiện sự phát triển của ngành sản xuất, ngày càng cần nhiều công nghệ tiên tiến để đáp ứng những yêu cầu khắt khe về chất lượng.Các công nghệ hỗ trợ bao gồm Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), luồng kỹ thuật số, thực tế tăng cường (AR) và phân tích dự đoán.
Chất lượng 4.0 mô tả phương pháp chất lượng quy trình sản xuất dựa trên dữ liệu liên quan đến sản phẩm, quy trình, lập kế hoạch, tuân thủ và tiêu chuẩn.Nó được xây dựng dựa trên thay vì thay thế các phương pháp chất lượng truyền thống, sử dụng nhiều công nghệ mới tương tự như các công nghệ tương tự trong công nghiệp, bao gồm học máy, thiết bị kết nối, điện toán đám mây và bản sao kỹ thuật số để chuyển đổi quy trình làm việc của tổ chức và loại bỏ các khiếm khuyết trong sản phẩm hoặc quy trình có thể xảy ra.Sự xuất hiện của Chất lượng 4.0 dự kiến ​​sẽ thay đổi hơn nữa văn hóa nơi làm việc bằng cách tăng cường sự phụ thuộc vào dữ liệu và sử dụng chất lượng sâu hơn như một phần của phương pháp tạo ra sản phẩm tổng thể.
Chất lượng 4.0 tích hợp các vấn đề vận hành và đảm bảo chất lượng (QA) từ đầu đến giai đoạn thiết kế.Điều này bao gồm cách lên ý tưởng và thiết kế sản phẩm.Kết quả khảo sát ngành gần đây cho thấy hầu hết các thị trường không có quy trình chuyển giao thiết kế tự động.Quy trình thủ công sẽ có chỗ cho các lỗi, cho dù đó là lỗi nội bộ hay lỗi truyền đạt về thiết kế và những thay đổi đối với chuỗi cung ứng.
Ngoài thiết kế, Chất lượng 4.0 còn sử dụng máy học tập trung vào quy trình để giảm lãng phí, giảm việc làm lại và tối ưu hóa các thông số sản xuất.Ngoài ra, nó cũng giải quyết các vấn đề về hiệu suất sản phẩm sau khi giao hàng, sử dụng phản hồi tại chỗ để cập nhật phần mềm sản phẩm từ xa, duy trì sự hài lòng của khách hàng và cuối cùng là đảm bảo hoạt động kinh doanh lặp lại.Nó đang trở thành một đối tác không thể tách rời của Công nghiệp 4.0.
Tuy nhiên, chất lượng không chỉ áp dụng cho các liên kết sản xuất được lựa chọn.Tính toàn diện của Chất lượng 4.0 có thể thấm nhuần cách tiếp cận chất lượng toàn diện trong các tổ chức sản xuất, biến sức mạnh biến đổi của dữ liệu trở thành một phần không thể thiếu trong tư duy của doanh nghiệp.Sự tuân thủ ở tất cả các cấp trong tổ chức góp phần hình thành văn hóa chất lượng tổng thể.
Không có quy trình sản xuất nào có thể chạy hoàn hảo 100% thời gian.Các điều kiện thay đổi gây ra các sự kiện không lường trước được cần phải khắc phục.Những người có kinh nghiệm về chất lượng đều hiểu rằng tất cả là về quá trình hướng tới sự hoàn hảo.Làm thế nào để bạn đảm bảo rằng chất lượng được đưa vào quy trình để phát hiện vấn đề càng sớm càng tốt?Bạn sẽ làm gì khi phát hiện ra khuyết điểm?Có yếu tố bên ngoài nào gây ra vấn đề này không?Bạn có thể thực hiện những thay đổi nào đối với kế hoạch kiểm tra hoặc quy trình kiểm tra để ngăn vấn đề này xảy ra lần nữa?
Thiết lập tâm lý rằng mọi quy trình sản xuất đều có quy trình chất lượng liên quan và liên quan.Hãy tưởng tượng một tương lai nơi có mối quan hệ một-một và liên tục đo lường chất lượng.Bất kể điều gì xảy ra ngẫu nhiên, chất lượng hoàn hảo vẫn có thể đạt được.Mỗi trung tâm làm việc xem xét các chỉ số và chỉ số hiệu suất chính (KPI) hàng ngày để xác định các lĩnh vực cần cải thiện trước khi vấn đề xảy ra.
Trong hệ thống vòng kín này, mỗi quy trình sản xuất đều có một suy luận chất lượng, cung cấp phản hồi để dừng quy trình, cho phép quy trình tiếp tục hoặc thực hiện các điều chỉnh theo thời gian thực.Hệ thống không bị ảnh hưởng bởi sự mệt mỏi hoặc lỗi của con người.Hệ thống chất lượng khép kín được thiết kế cho sản xuất máy bay là điều cần thiết để đạt được mức chất lượng cao hơn, rút ​​ngắn thời gian chu kỳ và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn AS9100.
Mười năm trước, ý tưởng tập trung QA vào thiết kế sản phẩm, nghiên cứu thị trường, nhà cung cấp, dịch vụ sản phẩm hoặc các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự hài lòng của khách hàng là không thể.Thiết kế sản phẩm được hiểu là đến từ cấp có thẩm quyền cao hơn;chất lượng là việc thực hiện những thiết kế này trên dây chuyền lắp ráp, bất kể những thiếu sót của chúng.
Ngày nay, nhiều công ty đang suy nghĩ lại về cách kinh doanh.Hiện trạng trong năm 2018 có thể không còn nữa.Ngày càng có nhiều nhà sản xuất ngày càng thông minh hơn.Có nhiều kiến ​​thức hơn, đồng nghĩa với việc trí tuệ tốt hơn để xây dựng sản phẩm phù hợp ngay lần đầu tiên, với hiệu quả và hiệu suất cao hơn.