بحسب شركة سمارتك، وهي شركة استشارية في مجال تكنولوجيا التصنيع، يُعد قطاع الطيران ثاني أكبر قطاع يستفيد من تقنية التصنيع الإضافي، بعد قطاع الطب. ومع ذلك، لا يزال هناك نقص في الوعي بإمكانيات التصنيع الإضافي للمواد الخزفية في تسريع إنتاج مكونات الطيران، وزيادة مرونتها، وخفض تكلفتها. إذ يُمكن للتصنيع الإضافي إنتاج أجزاء خزفية أقوى وأخف وزنًا بسرعة أكبر وبشكل أكثر استدامة، مما يُقلل تكاليف العمالة، ويُقلل من التجميع اليدوي، ويُحسّن الكفاءة والأداء من خلال التصميم المُطوّر بالنمذجة، وبالتالي يُخفّض وزن الطائرة. إضافةً إلى ذلك، تُتيح تقنية التصنيع الإضافي للخزف التحكم في أبعاد الأجزاء النهائية للميزات التي يقل حجمها عن 100 ميكرون.
مع ذلك، قد يوحي مصطلح "السيراميك" بمفهوم خاطئ عن الهشاشة. في الواقع، تُنتج السيراميكات المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أجزاءً أخف وزنًا وأدقّ، تتميز بقوة هيكلية عالية ومتانة ومقاومة لنطاق واسع من درجات الحرارة. وتتجه الشركات الرائدة نحو تصنيع المكونات باستخدام السيراميك، بما في ذلك الفوهات والمراوح والعوازل الكهربائية وشفرات التوربينات.
فعلى سبيل المثال، يتميز الألومينا عالي النقاء بصلابة عالية، ومقاومة قوية للتآكل، ونطاق حراري واسع. كما أن المكونات المصنوعة من الألومينا عازلة كهربائياً عند درجات الحرارة العالية الشائعة في أنظمة الفضاء الجوي.
تُلبي السيراميكات القائمة على الزركونيا العديد من التطبيقات التي تتطلب خصائص مادية فائقة وإجهادًا ميكانيكيًا عاليًا، مثل قولبة المعادن المتطورة، والصمامات، والمحامل. تتميز سيراميكات نتريد السيليكون بقوة ومتانة عاليتين، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، بالإضافة إلى مقاومة كيميائية جيدة للتآكل الناتج عن مجموعة متنوعة من الأحماض والقلويات والمعادن المنصهرة. يُستخدم نتريد السيليكون في العوازل، والمراوح، والهوائيات ذات العازل الكهربائي المنخفض والمصممة للعمل في درجات حرارة عالية.
تتميز المواد الخزفية المركبة بخصائص مرغوبة عديدة. وقد أثبتت المواد الخزفية القائمة على السيليكون والمُضاف إليها الألومينا والزركون كفاءة عالية في تصنيع قوالب أحادية البلورة لشفرات التوربينات. ويعود ذلك إلى أن اللب الخزفي المصنوع من هذه المادة يتميز بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية يصل إلى 1500 درجة مئوية، ومسامية عالية، وجودة سطح ممتازة، وقابلية ترشيح جيدة. ويمكن لطباعة هذه اللب أن تُنتج تصاميم توربينات قادرة على تحمل درجات حرارة تشغيل أعلى، مما يزيد من كفاءة المحرك.
من المعروف أن قولبة الحقن أو تشكيل السيراميك عملية بالغة الصعوبة، كما أن التشكيل الآلي يوفر وصولاً محدوداً إلى المكونات المراد تصنيعها. وتُعد خصائص مثل الجدران الرقيقة صعبة التشكيل أيضاً.
ومع ذلك، تستخدم شركة Lithoz تقنية تصنيع السيراميك القائمة على الطباعة الحجرية (LCM) لتصنيع مكونات سيراميكية ثلاثية الأبعاد دقيقة ومعقدة الشكل.
انطلاقًا من نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، تُنقل المواصفات التفصيلية رقميًا إلى طابعة ثلاثية الأبعاد. ثم يُوضع مسحوق السيراميك المُصنّع بدقة على سطح الحوض الشفاف. تُغمر منصة البناء المتحركة في الطين، ثم تُعرّض بشكل انتقائي للضوء المرئي من الأسفل. تُولّد صورة الطبقة بواسطة جهاز المرايا الدقيقة الرقمية (DMD) الموصول بنظام الإسقاط. بتكرار هذه العملية، يُمكن إنتاج جزء ثلاثي الأبعاد أولي طبقة تلو الأخرى. بعد المعالجة الحرارية اللاحقة، يُزال المادة الرابطة، وتُلبّد الأجزاء الأولية - أي تُدمج بعملية تسخين خاصة - لإنتاج جزء سيراميكي كثيف تمامًا يتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة وجودة سطح فائقة.
توفر تقنية LCM عملية مبتكرة وفعالة من حيث التكلفة وأسرع لصب مكونات محرك التوربينات بالاستثمار - متجاوزة تصنيع القوالب المكلف والمضني المطلوب للقولبة بالحقن وصب الشمع المفقود.
كما يمكن لتقنية LCM تحقيق تصميمات لا يمكن تحقيقها بطرق أخرى، مع استخدام مواد خام أقل بكثير من الطرق الأخرى.
على الرغم من الإمكانات الكبيرة للمواد الخزفية وتقنية LCM، لا تزال هناك فجوة بين مصنعي المعدات الأصلية (OEM) ومصممي الطيران والفضاء.
قد يكون أحد الأسباب هو مقاومة أساليب التصنيع الجديدة في الصناعات التي تتسم بمتطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بالسلامة والجودة. يتطلب تصنيع الطائرات والفضاء العديد من عمليات التحقق والتأهيل، بالإضافة إلى اختبارات شاملة ودقيقة.
ومن بين العقبات الأخرى الاعتقاد بأن الطباعة ثلاثية الأبعاد مناسبة فقط لإنتاج نماذج أولية سريعة لمرة واحدة، وليست مناسبة لأي شيء يمكن استخدامه في الجو. وهذا اعتقاد خاطئ، فقد ثبت أن المكونات الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد تُستخدم في الإنتاج الضخم.
ومن الأمثلة على ذلك صناعة شفرات التوربينات، حيث تُنتج عملية تصنيع السيراميك بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد نوى أحادية البلورة، بالإضافة إلى شفرات توربينات من سبائك فائقة بتقنية التصلب الاتجاهي والصب متساوي المحاور. ويمكن إنتاج النوى ذات البنية المتفرعة المعقدة، والجدران المتعددة، والحواف الخلفية التي يقل سمكها عن 200 ميكرومتر، بسرعة وبتكلفة اقتصادية، وتتميز المكونات النهائية بدقة أبعاد ثابتة وتشطيب سطحي ممتاز.
يمكن لتعزيز التواصل أن يجمع مصممي الطيران والفضاء مع مصنعي المعدات الأصلية في مجال التصنيع بالإضافة، وأن يمنحهم ثقة كاملة في المكونات الخزفية المصنعة باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر وغيرها من التقنيات. التكنولوجيا والخبرة متوفرتان، ولكن يجب تغيير طريقة التفكير من استخدام التصنيع بالإضافة في البحث والتطوير والنماذج الأولية، إلى اعتباره السبيل الأمثل للتطبيقات التجارية واسعة النطاق.
إلى جانب التعليم، يمكن لشركات صناعة الطيران والفضاء استثمار الوقت في تطوير الكوادر البشرية والهندسة والاختبار. يجب أن يكون المصنّعون على دراية بالمعايير والأساليب المختلفة لتقييم السيراميك، وليس المعادن. على سبيل المثال، من أهم معايير ASTM التي اعتمدتها شركة Lithoz للسيراميك الإنشائي، معيار ASTM C1161 لاختبار القوة ومعيار ASTM C1421 لاختبار المتانة. تنطبق هذه المعايير على السيراميك المُنتَج بجميع الطرق. في التصنيع الإضافي للسيراميك، تُعدّ الطباعة مجرد طريقة تشكيل، وتخضع الأجزاء لنفس نوع التلبيد الذي تخضع له السيراميك التقليدية. لذلك، ستكون البنية المجهرية لأجزاء السيراميك مشابهة جدًا لتلك الناتجة عن عمليات التصنيع التقليدية.
بفضل التطور المستمر في المواد والتكنولوجيا، يمكننا القول بثقة أن المصممين سيحصلون على المزيد من البيانات. سيتم تطوير مواد خزفية جديدة وتخصيصها وفقًا لاحتياجات هندسية محددة. ستُكمل الأجزاء المصنوعة من السيراميك بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية الاعتماد للاستخدام في مجال الطيران والفضاء. كما ستوفر أدوات تصميم أفضل، مثل برامج النمذجة المحسّنة.
من خلال التعاون مع خبراء شركة LCM التقنيين، تستطيع شركات صناعة الطيران والفضاء إدخال عمليات تصنيع السيراميك بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد داخليًا، مما يقلل الوقت والتكاليف، ويخلق فرصًا لتطوير الملكية الفكرية الخاصة بها. وبفضل التخطيط الاستراتيجي طويل الأجل، تستطيع شركات صناعة الطيران والفضاء التي تستثمر في تكنولوجيا السيراميك جني فوائد كبيرة في جميع منتجاتها خلال السنوات العشر القادمة وما بعدها.
من خلال إقامة شراكة مع شركة AM Ceramics، سيتمكن مصنعو المعدات الأصلية في مجال الطيران من إنتاج مكونات كانت في السابق غير قابلة للتصور.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
سيتحدث شون آلان عن صعوبات التواصل الفعال بشأن مزايا التصنيع الإضافي للسيراميك في معرض السيراميك في كليفلاند، أوهايو في 1 سبتمبر 2021.
على الرغم من أن تطوير أنظمة الطيران فائقة السرعة قائم منذ عقود، إلا أنه أصبح الآن على رأس أولويات الدفاع الوطني الأمريكي، مما أدى إلى نمو وتطور سريعين في هذا المجال. وباعتباره مجالًا فريدًا متعدد التخصصات، يكمن التحدي في إيجاد خبراء يمتلكون المهارات اللازمة لتعزيز هذا التطور. مع ذلك، يؤدي نقص الخبراء إلى فجوة في الابتكار، كأن يُعطى تصميم قابلية التصنيع الأولوية في مرحلة البحث والتطوير، ثم يتحول الأمر إلى فجوة تصنيعية عندما يفوت الأوان لإجراء تغييرات فعّالة من حيث التكلفة.
تُوفّر التحالفات، مثل التحالف الجامعي الجديد لتطبيقات السرعات الفائقة (UCAH)، بيئةً مهمةً لتنمية المواهب اللازمة للنهوض بهذا المجال. إذ يُمكن للطلاب العمل مباشرةً مع باحثي الجامعات والمتخصصين في الصناعة لتطوير التكنولوجيا والنهوض بأبحاث السرعات الفائقة الحيوية.
على الرغم من أن اتحاد UCAH وغيره من اتحادات الدفاع قد سمح للأعضاء بالانخراط في مجموعة متنوعة من الوظائف الهندسية، إلا أنه يجب بذل المزيد من الجهد لتنمية المواهب المتنوعة وذات الخبرة، بدءًا من التصميم وتطوير المواد واختيارها وصولاً إلى ورش التصنيع.
من أجل توفير قيمة أكثر استدامة في هذا المجال، يجب على التحالف الجامعي أن يجعل تطوير القوى العاملة أولوية من خلال التوافق مع احتياجات الصناعة، وإشراك الأعضاء في البحوث المناسبة للصناعة، والاستثمار في البرنامج.
عند تحويل تكنولوجيا فرط الصوت إلى مشاريع تصنيع واسعة النطاق، تُعدّ فجوة المهارات الهندسية والتصنيعية الحالية التحدي الأكبر. إذا لم تتجاوز الأبحاث الأولية هذه الفجوة الخطيرة - وهي الفجوة بين البحث والتطوير والتصنيع، والتي فشلت بسببها العديد من المشاريع الطموحة - فإننا بذلك نفقد حلاً عملياً وفعالاً.
بإمكان قطاع التصنيع الأمريكي تحقيق نمو متسارع، لكن خطر التخلف عن الركب يكمن في توسيع حجم القوى العاملة لمواكبة هذا النمو. لذا، يتعين على الحكومة والجامعات التعاون مع المصنّعين لتنفيذ هذه الخطط.
لقد شهد القطاع نقصاً في المهارات، بدءاً من ورش التصنيع وصولاً إلى مختبرات الهندسة، ولن تزداد هذه الفجوات إلا اتساعاً مع نمو سوق التقنيات فائقة السرعة. تتطلب التقنيات الناشئة قوة عاملة جديدة لتطوير المعرفة في هذا المجال.
يشمل العمل في مجال السرعات الفائقة عدة مجالات رئيسية مختلفة، تتضمن مواد وهياكل متنوعة، ولكل مجال تحدياته التقنية الخاصة. يتطلب هذا العمل مستوى عالٍ من المعرفة التفصيلية، وإذا لم تتوفر الخبرة اللازمة، فقد يعيق ذلك التطوير والإنتاج. وإذا لم يتوفر لدينا عدد كافٍ من الكوادر لإنجاز هذا العمل، فسيكون من المستحيل تلبية الطلب المتزايد على الإنتاج عالي السرعة.
على سبيل المثال، نحتاج إلى أشخاص قادرين على تصنيع المنتج النهائي. يُعدّ اتحاد UCAH وغيره من الاتحادات ضروريًا لتعزيز التصنيع الحديث وضمان إشراك الطلاب المهتمين بدور التصنيع. من خلال جهود تطوير القوى العاملة المتخصصة والمتعددة التخصصات، سيتمكن القطاع من الحفاظ على ميزة تنافسية في خطط الطيران الأسرع من الصوت خلال السنوات القليلة المقبلة.
من خلال إنشاء برنامج UCAH، تُتيح وزارة الدفاع فرصةً لتبني نهجٍ أكثر تركيزًا لبناء القدرات في هذا المجال. يجب على جميع أعضاء التحالف العمل معًا لتدريب الطلاب على الكفاءات المتخصصة، حتى نتمكن من بناء زخم البحث والحفاظ عليه وتوسيع نطاقه لتحقيق النتائج التي تحتاجها بلادنا.
يُعدّ تحالف ناسا للمواد المركبة المتقدمة، الذي أُغلق الآن، مثالاً ناجحاً على جهود تطوير القوى العاملة. وتكمن فعاليته في الجمع بين أعمال البحث والتطوير ومصالح الصناعة، مما يسمح بتوسع الابتكار في جميع مراحل منظومة التطوير. وقد عمل رواد الصناعة مباشرةً مع ناسا والجامعات في مشاريع استمرت من سنتين إلى أربع سنوات. واكتسب جميع الأعضاء معارف وخبرات مهنية، وتعلموا التعاون في بيئة غير تنافسية، وساهموا في تنمية مهارات طلاب الجامعات ليصبحوا بدورهم قادةً بارزين في الصناعة مستقبلاً.
يساهم هذا النوع من تطوير القوى العاملة في سد الثغرات في الصناعة ويوفر فرصًا للشركات الصغيرة للابتكار بسرعة وتنويع المجال لتحقيق المزيد من النمو - وهو ما يخدم الأمن القومي الأمريكي ومبادرات الأمن الاقتصادي.
تُعدّ التحالفات الجامعية، بما فيها تحالف UCAH، ركائز أساسية في مجال فرط الصوت وصناعة الدفاع. ورغم أن أبحاثها قد ساهمت في ابتكارات ناشئة، إلا أن قيمتها الحقيقية تكمن في قدرتها على تدريب الجيل القادم من القوى العاملة. ويتعين على هذا التحالف الآن إعطاء الأولوية للاستثمار في مثل هذه الخطط، ما يُسهم في تعزيز نجاح ابتكارات فرط الصوت على المدى الطويل.
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.
يلتزم مصنّعو المنتجات المعقدة ذات التصميم الهندسي العالي (مثل مكونات الطائرات) بالكمال في كل مرة. لا مجال للمناورة.
نظراً لتعقيد عملية إنتاج الطائرات، يتعين على المصنّعين إدارة عملية الجودة بعناية فائقة، مع إيلاء اهتمام بالغ لكل خطوة. ويتطلب ذلك فهماً عميقاً لكيفية إدارة وتكييف عمليات الإنتاج والجودة والسلامة وسلسلة التوريد المتغيرة باستمرار، مع الالتزام بالمتطلبات التنظيمية.
نظراً لتأثير عوامل عديدة على تقديم منتجات عالية الجودة، يصعب إدارة أوامر الإنتاج المعقدة والمتغيرة باستمرار. لذا، يجب أن تكون عملية ضمان الجودة ديناميكية في جميع جوانب الفحص والتصميم والإنتاج والاختبار. وبفضل استراتيجيات الثورة الصناعية الرابعة وحلول التصنيع الحديثة، أصبح التعامل مع تحديات الجودة هذه والتغلب عليها أسهل.
لطالما انصبّ التركيز التقليدي في صناعة الطائرات على المواد. وقد يكون مصدر معظم مشاكل الجودة هو التصدع الهش، أو التآكل، أو إجهاد المعدن، أو عوامل أخرى. إلا أن صناعة الطائرات اليوم تتضمن تقنيات متطورة وعالية الهندسة تستخدم مواد مقاومة. وتعتمد عملية تصنيع المنتجات على عمليات وأنظمة إلكترونية متخصصة ومعقدة للغاية. وقد لا تتمكن حلول برامج إدارة العمليات العامة من حلّ المشاكل بالغة التعقيد.
يمكن شراء الأجزاء الأكثر تعقيدًا من سلسلة التوريد العالمية، لذا يجب إيلاء المزيد من الاهتمام لدمجها في جميع مراحل عملية التجميع. ويُضيف عدم اليقين تحديات جديدة لشفافية سلسلة التوريد وإدارة الجودة. ويتطلب ضمان جودة هذا الكم الهائل من الأجزاء والمنتجات النهائية أساليب جودة أفضل وأكثر تكاملًا.
تمثل الثورة الصناعية الرابعة تطوراً في قطاع التصنيع، وتتطلب تلبية متطلبات الجودة الصارمة استخدام تقنيات متقدمة بشكل متزايد. وتشمل التقنيات الداعمة إنترنت الأشياء الصناعي، والشبكات الرقمية، والواقع المعزز، والتحليلات التنبؤية.
يصف مفهوم الجودة 4.0 منهجيةً لتحسين جودة عمليات الإنتاج تعتمد على البيانات، وتشمل المنتجات والعمليات والتخطيط والامتثال والمعايير. وهي مبنية على مناهج الجودة التقليدية، لا بديلة عنها، إذ تستخدم العديد من التقنيات الحديثة نفسها التي تستخدمها نظيراتها الصناعية، بما في ذلك التعلم الآلي والأجهزة المتصلة والحوسبة السحابية والتوائم الرقمية، وذلك لتحويل سير العمل في المؤسسة والقضاء على أي عيوب محتملة في المنتجات أو العمليات. ومن المتوقع أن يُسهم ظهور الجودة 4.0 في تغيير ثقافة مكان العمل بشكل أكبر من خلال زيادة الاعتماد على البيانات وتعميق استخدام الجودة كجزء لا يتجزأ من منهجية إنتاج المنتج الشاملة.
يدمج مفهوم الجودة 4.0 قضايا التشغيل وضمان الجودة منذ المراحل الأولى وحتى مرحلة التصميم، بما في ذلك كيفية وضع التصورات وتصميم المنتجات. وتشير نتائج استطلاعات الرأي الأخيرة في القطاع إلى أن معظم الأسواق لا تملك عملية نقل تصميم آلية. فالعملية اليدوية تترك مجالاً للأخطاء، سواءً كانت أخطاءً داخلية أو أخطاءً تتعلق بنقل التصميم والتغييرات إلى سلسلة التوريد.
إلى جانب التصميم، تستخدم الجودة 4.0 تقنيات التعلم الآلي التي تركز على العمليات لتقليل الهدر، والحد من إعادة العمل، وتحسين معايير الإنتاج. كما أنها تعالج مشكلات أداء المنتج بعد التسليم، وتستفيد من ملاحظات العملاء في مواقعهم لتحديث برامج المنتج عن بُعد، وتحافظ على رضاهم، وتضمن في نهاية المطاف استمرار التعامل معهم. إنها تُصبح شريكًا لا غنى عنه في الثورة الصناعية الرابعة.
مع ذلك، لا تقتصر الجودة على مراحل تصنيعية محددة. فبإمكان مفهوم الجودة 4.0 الشامل أن يرسخ نهجاً متكاملاً للجودة في مؤسسات التصنيع، جاعلاً من قوة البيانات التحويلية جزءاً لا يتجزأ من فكر الشركة. ويسهم الالتزام بالمعايير على جميع مستويات المؤسسة في بناء ثقافة جودة شاملة.
لا يمكن لأي عملية إنتاج أن تعمل بكفاءة تامة طوال الوقت. فالظروف المتغيرة تُؤدي إلى أحداث غير متوقعة تتطلب معالجة فورية. يُدرك الخبراء في مجال الجودة أن الأمر برمته يدور حول السعي الدؤوب نحو الكمال. كيف تضمن دمج الجودة في العملية لاكتشاف المشكلات في أقرب وقت ممكن؟ ما الإجراء الذي ستتخذه عند اكتشاف العيب؟ هل هناك أي عوامل خارجية تُسبب هذه المشكلة؟ ما التغييرات التي يُمكنك إدخالها على خطة الفحص أو إجراءات الاختبار لمنع تكرار هذه المشكلة؟
رسّخ في ذهنك أن لكل عملية إنتاج عملية جودة مرتبطة بها. تخيّل مستقبلاً تسوده علاقة مباشرة بين كل عملية إنتاج وأخرى، مع قياس الجودة باستمرار. مهما حدث بشكل عشوائي، يُمكن تحقيق جودة مثالية. يراجع كل مركز عمل مؤشرات الأداء الرئيسية يومياً لتحديد مجالات التحسين قبل وقوع المشاكل.
في هذا النظام ذي الحلقة المغلقة، لكل عملية إنتاجية مؤشر جودة يوفر تغذية راجعة لإيقاف العملية، أو السماح لها بالاستمرار، أو إجراء تعديلات فورية. لا يتأثر النظام بالإرهاق أو الخطأ البشري. يُعد نظام الجودة ذو الحلقة المغلقة المصمم لإنتاج الطائرات ضروريًا لتحقيق مستويات جودة أعلى، وتقصير أوقات الدورات، وضمان الامتثال لمعايير AS9100.
قبل عشر سنوات، كان من المستحيل تصور تركيز ضمان الجودة على تصميم المنتج، أو أبحاث السوق، أو الموردين، أو خدمات المنتج، أو غيرها من العوامل التي تؤثر على رضا العملاء. كان يُنظر إلى تصميم المنتج على أنه صادر عن جهة أعلى؛ أما الجودة فكانت تعني تنفيذ هذه التصاميم على خط التجميع، بغض النظر عن أوجه قصورها.
اليوم، تعيد العديد من الشركات النظر في أساليب عملها. فالوضع الراهن في عام ٢٠١٨ قد لا يكون ممكناً بعد الآن. يتزايد اعتماد المصنّعين على الذكاء والخبرة، إذ تتوفر معلومات أكثر، ما يعني قدرة أفضل على إنتاج المنتج الأمثل من المرة الأولى، بكفاءة وأداء أعلى.