وفقًا لشركة SmarTech، وهي شركة استشارية في مجال تكنولوجيا التصنيع، فإن الطيران هو ثاني أكبر صناعة يخدمها التصنيع الإضافي (AM)، في المرتبة الثانية بعد الطب.ومع ذلك، لا يزال هناك نقص في الوعي بإمكانيات التصنيع الإضافي للمواد الخزفية في التصنيع السريع لمكونات الفضاء الجوي، وزيادة المرونة والفعالية من حيث التكلفة.يمكن لـ AM إنتاج أجزاء سيراميك أقوى وأخف وزنًا بشكل أسرع وأكثر استدامة، مما يقلل من تكاليف العمالة، ويقلل التجميع اليدوي، ويحسن الكفاءة والأداء من خلال التصميم الذي تم تطويره عن طريق النمذجة، وبالتالي تقليل وزن الطائرة.بالإضافة إلى ذلك، توفر تقنية السيراميك للتصنيع الإضافي تحكمًا في أبعاد الأجزاء النهائية للميزات الأصغر من 100 ميكرون.
ومع ذلك، فإن كلمة السيراميك قد تستحضر المفهوم الخاطئ للهشاشة.في الواقع، ينتج السيراميك المُصنَّع باستخدام مواد مضافة أجزاء أخف وأدق مع قوة هيكلية كبيرة ومتانة ومقاومة لنطاق واسع من درجات الحرارة.وتتجه الشركات ذات التطلعات المستقبلية إلى مكونات تصنيع السيراميك، بما في ذلك الفوهات والمراوح والعوازل الكهربائية وشفرات التوربينات.
على سبيل المثال، الألومينا عالية النقاء لديها صلابة عالية، ولها مقاومة قوية للتآكل ونطاق درجة الحرارة.المكونات المصنوعة من الألومينا أيضًا عازلة كهربائيًا عند درجات الحرارة المرتفعة الشائعة في أنظمة الطيران.
يمكن للسيراميك المعتمد على الزركونيا أن يلبي العديد من التطبيقات ذات المتطلبات المادية القصوى والضغط الميكانيكي العالي، مثل القوالب المعدنية المتطورة والصمامات والمحامل.يتمتع سيراميك نيتريد السيليكون بقوة عالية وصلابة عالية ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، فضلاً عن المقاومة الكيميائية الجيدة للتآكل الناتج عن مجموعة متنوعة من الأحماض والقلويات والمعادن المنصهرة.يتم استخدام نيتريد السيليكون في العوازل والدفاعات والهوائيات العازلة ذات درجة الحرارة العالية.
يوفر السيراميك المركب العديد من الصفات المرغوبة.أثبت السيراميك القائم على السيليكون والمضاف إليه الألومينا والزركون أداءً جيدًا في تصنيع المسبوكات البلورية المفردة لشفرات التوربينات.وذلك لأن قلب السيراميك المصنوع من هذه المادة يتمتع بتمدد حراري منخفض جدًا يصل إلى 1500 درجة مئوية، ومسامية عالية، وجودة سطح ممتازة وقابلية جيدة للترشيح.يمكن أن تؤدي طباعة هذه النوى إلى إنتاج تصميمات توربينية يمكنها تحمل درجات حرارة التشغيل الأعلى وزيادة كفاءة المحرك.
من المعروف أن قولبة الحقن أو تصنيع السيراميك أمر صعب للغاية، كما أن التصنيع يوفر وصولاً محدودًا إلى المكونات التي يتم تصنيعها.من الصعب أيضًا تصنيع ميزات مثل الجدران الرقيقة.
ومع ذلك، تستخدم Lithoz تصنيع السيراميك القائم على الطباعة الحجرية (LCM) لتصنيع مكونات سيراميك ثلاثية الأبعاد دقيقة ومعقدة الشكل.
بدءًا من نموذج CAD، يتم نقل المواصفات التفصيلية رقميًا إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد.ثم قم بوضع مسحوق السيراميك المصمم بدقة على الجزء العلوي من الوعاء الشفاف.يتم غمر منصة البناء المتحركة في الوحل ثم يتم تعريضها بشكل انتقائي للضوء المرئي من الأسفل.يتم إنشاء صورة الطبقة بواسطة جهاز مرآة رقمي صغير (DMD) مقترن بنظام العرض.ومن خلال تكرار هذه العملية، يمكن إنشاء جزء أخضر ثلاثي الأبعاد طبقة بعد طبقة.بعد المعالجة الحرارية اللاحقة، تتم إزالة المادة الرابطة ويتم تلبيد الأجزاء الخضراء - مجتمعة بواسطة عملية تسخين خاصة - لإنتاج جزء سيراميك كثيف تمامًا مع خصائص ميكانيكية ممتازة وجودة السطح.
توفر تقنية LCM عملية مبتكرة وفعالة من حيث التكلفة وأسرع لصب مكونات المحرك التوربيني - متجاوزة تصنيع القوالب الباهظة الثمن والمضنية المطلوبة لقولبة الحقن وصب الشمع المفقود.
يمكن لـ LCM أيضًا 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 الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) ومصممي الطيران.
قد يكون أحد الأسباب هو مقاومة أساليب التصنيع الجديدة في الصناعات ذات متطلبات السلامة والجودة الصارمة بشكل خاص.يتطلب تصنيع الطيران العديد من عمليات التحقق والتأهيل، بالإضافة إلى اختبارات شاملة وصارمة.
هناك عقبة أخرى تتمثل في الاعتقاد بأن الطباعة ثلاثية الأبعاد مناسبة بشكل أساسي فقط للنماذج الأولية السريعة لمرة واحدة، وليس أي شيء يمكن استخدامه في الهواء.مرة أخرى، هذا سوء فهم، وقد ثبت أن مكونات السيراميك المطبوعة ثلاثية الأبعاد تستخدم في الإنتاج الضخم.
ومن الأمثلة على ذلك تصنيع شفرات التوربينات، حيث تنتج عملية السيراميك AM نوى بلورية مفردة (SX)، بالإضافة إلى التصلب الاتجاهي (DS) وشفرات التوربينات ذات السبائك الفائقة المصبوبة متساوية المحور (EX).يمكن إنتاج النوى ذات الهياكل الفرعية المعقدة والجدران المتعددة والحواف الخلفية التي يقل طولها عن 200 ميكرومتر بسرعة وبشكل اقتصادي، كما تتمتع المكونات النهائية بدقة أبعاد ثابتة وتشطيب ممتاز للسطح.
يمكن أن يؤدي تعزيز التواصل إلى الجمع بين مصممي الطيران ومصنعي المعدات الأصلية AM والثقة الكاملة في مكونات السيراميك المصنعة باستخدام LCM والتقنيات الأخرى.التكنولوجيا والخبرة موجودة.إنها تحتاج إلى تغيير طريقة التفكير من AM إلى البحث والتطوير والنماذج الأولية، ورؤيتها على أنها الطريق إلى الأمام للتطبيقات التجارية واسعة النطاق.
بالإضافة إلى التعليم، يمكن لشركات الطيران أيضًا استثمار الوقت في الموظفين والهندسة والاختبار.يجب أن يكون المصنعون على دراية بالمعايير والأساليب المختلفة لتقييم السيراميك وليس المعادن.على سبيل المثال، معياري ASTM الرئيسيين لشركة Lithoz للسيراميك الإنشائي هما ASTM C1161 لاختبار القوة وASTM C1421 لاختبار المتانة.تنطبق هذه المعايير على السيراميك المنتج بجميع الطرق.في تصنيع المواد المضافة للسيراميك، تكون خطوة الطباعة مجرد طريقة تشكيل، وتخضع الأجزاء لنفس نوع التلبيد مثل السيراميك التقليدي.ولذلك، فإن البنية المجهرية للأجزاء الخزفية ستكون مشابهة جدًا للتصنيع التقليدي.
واستنادًا إلى التقدم المستمر للمواد والتكنولوجيا، يمكننا أن نقول بثقة أن المصممين سيحصلون على المزيد من البيانات.وسيتم تطوير مواد سيراميكية جديدة وتخصيصها وفقًا للاحتياجات الهندسية المحددة.ستكمل الأجزاء المصنوعة من سيراميك AM عملية إصدار الشهادات للاستخدام في مجال الطيران.وسوف توفر أدوات تصميم أفضل، مثل برامج النمذجة المحسنة.
ومن خلال التعاون مع الخبراء الفنيين في LCM، يمكن لشركات الطيران تقديم عمليات سيراميك AM مما يؤدي إلى تقصير الوقت داخليًا وتقليل التكاليف وخلق فرص لتطوير الملكية الفكرية الخاصة بالشركة.ومن خلال البصيرة والتخطيط طويل المدى، يمكن لشركات الطيران التي تستثمر في تكنولوجيا السيراميك أن تجني فوائد كبيرة في محفظة إنتاجها بالكامل في السنوات العشر القادمة وما بعدها.
من خلال إقامة شراكة مع AM Ceramics، ستنتج الشركات المصنعة للمعدات الأصلية للطيران مكونات لم يكن من الممكن تصورها من قبل.
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 الصعوبات التي تواجه توصيل مزايا تصنيع المواد المضافة للسيراميك بشكل فعال في معرض السيراميك في كليفلاند، أوهايو في 1 سبتمبر 2021.
على الرغم من أن تطوير أنظمة الطيران التي تفوق سرعتها سرعة الصوت موجود منذ عقود، إلا أنه أصبح الآن الأولوية القصوى للدفاع الوطني الأمريكي، مما جعل هذا المجال في حالة من النمو والتغيير السريع.وباعتباره مجالًا فريدًا متعدد التخصصات، فإن التحدي يكمن في العثور على خبراء يتمتعون بالمهارات اللازمة لتعزيز تطويره.ومع ذلك، عندما لا يكون هناك ما يكفي من الخبراء، فإن ذلك يخلق فجوة في الابتكار، مثل وضع التصميم للتصنيع (DFM) أولاً في مرحلة البحث والتطوير، ثم يتحول إلى فجوة تصنيع عندما يفوت الأوان لإجراء تغييرات فعالة من حيث التكلفة.
وتوفر التحالفات، مثل التحالف الجامعي لأنظمة تفوق سرعة الصوت التطبيقية (UCAH) الذي تم إنشاؤه حديثًا، بيئة مهمة لتنمية المواهب اللازمة للتقدم في هذا المجال.يمكن للطلاب العمل مباشرة مع الباحثين الجامعيين والمتخصصين في الصناعة لتطوير التكنولوجيا وتطوير الأبحاث الحرجة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.
على الرغم من أن جامعة كاليفورنيا في كاليفورنيا واتحادات الدفاع الأخرى سمحت للأعضاء بالمشاركة في مجموعة متنوعة من الوظائف الهندسية، إلا أنه يجب القيام بالمزيد من العمل لتنمية المواهب المتنوعة وذوي الخبرة، من التصميم إلى تطوير المواد واختيارها إلى ورش التصنيع.
ومن أجل توفير قيمة أكثر استدامة في هذا المجال، يجب على تحالف الجامعة أن يجعل تنمية القوى العاملة أولوية من خلال التوافق مع احتياجات الصناعة، وإشراك الأعضاء في الأبحاث المناسبة للصناعة، والاستثمار في البرنامج.
عند تحويل التكنولوجيا التي تفوق سرعتها سرعة الصوت إلى مشاريع قابلة للتصنيع على نطاق واسع، فإن الفجوة الحالية في مهارات العمالة الهندسية والتصنيعية تمثل التحدي الأكبر.وإذا لم تتمكن الأبحاث المبكرة من عبور وادي الموت هذا ــ الفجوة بين البحث والتطوير والتصنيع، وفشل العديد من المشاريع الطموحة ــ فإننا نكون قد خسرنا حلاً قابلاً للتطبيق وممكناً.
ويمكن للصناعة التحويلية في الولايات المتحدة أن تعمل على تسريع السرعة التي تفوق سرعة الصوت، ولكن خطر التخلف عن الركب يكمن في توسيع حجم القوة العاملة لمجاراتها.ولذلك، يجب على الحكومة واتحادات التطوير الجامعية أن تتعاون مع الشركات المصنعة لوضع هذه الخطط موضع التنفيذ.
شهدت الصناعة فجوات في المهارات بدءًا من ورش التصنيع وحتى المختبرات الهندسية، وهذه الفجوات سوف تتسع مع نمو السوق التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.تتطلب التقنيات الناشئة قوة عمل ناشئة لتوسيع المعرفة في هذا المجال.
يمتد العمل فائق السرعة إلى عدة مجالات رئيسية مختلفة لمختلف المواد والهياكل، ولكل مجال مجموعة التحديات التقنية الخاصة به.فهي تتطلب مستوى عال من المعرفة التفصيلية، وفي حالة عدم وجود الخبرة المطلوبة، فإن ذلك قد يخلق عقبات أمام التطوير والإنتاج.إذا لم يكن لدينا عدد كافٍ من الأشخاص للحفاظ على الوظيفة، فسيكون من المستحيل مواكبة الطلب على الإنتاج عالي السرعة.
على سبيل المثال، نحتاج إلى أشخاص يمكنهم بناء المنتج النهائي.تعد UCAH والاتحادات الأخرى ضرورية لتعزيز التصنيع الحديث والتأكد من تضمين الطلاب المهتمين بدور التصنيع.ومن خلال جهود تطوير القوى العاملة المخصصة متعددة الوظائف، ستتمكن الصناعة من الحفاظ على ميزة تنافسية في خطط الطيران التي تفوق سرعتها سرعة الصوت في السنوات القليلة المقبلة.
ومن خلال إنشاء UCAH، تعمل وزارة الدفاع على خلق الفرصة لتبني نهج أكثر تركيزًا لبناء القدرات في هذا المجال.يجب على جميع أعضاء التحالف العمل معًا لتدريب القدرات المتخصصة للطلاب حتى نتمكن من بناء زخم البحث والحفاظ عليه وتوسيعه لتحقيق النتائج التي تحتاجها بلادنا.
يعد تحالف NASA Advanced Composites Alliance المغلق الآن مثالاً على الجهود الناجحة لتنمية القوى العاملة.وفعاليته هي نتيجة الجمع بين أعمال البحث والتطوير ومصالح الصناعة، مما يسمح للابتكار بالتوسع في جميع أنحاء النظام البيئي للتنمية.لقد عمل قادة الصناعة بشكل مباشر مع وكالة ناسا والجامعات في مشاريع لمدة تتراوح بين سنتين وأربع سنوات.لقد طور جميع الأعضاء المعرفة والخبرة المهنية، وتعلموا التعاون في بيئة غير تنافسية، وقاموا برعاية طلاب الجامعات لتطويرهم لرعاية اللاعبين الرئيسيين في الصناعة في المستقبل.
يسد هذا النوع من تطوير القوى العاملة الفجوات في الصناعة ويوفر الفرص للشركات الصغيرة للابتكار بسرعة وتنويع المجال لتحقيق المزيد من النمو المفضي إلى مبادرات الأمن القومي والأمن الاقتصادي الأمريكية.
تعد تحالفات الجامعات بما في ذلك UCAH أصولًا مهمة في مجال تفوق سرعتها سرعة الصوت وصناعة الدفاع.وعلى الرغم من أن أبحاثهم قد عززت الابتكارات الناشئة، إلا أن قيمتها الكبرى تكمن في قدرتهم على تدريب الجيل القادم من القوى العاملة لدينا.ويحتاج الكونسورتيوم الآن إلى إعطاء الأولوية للاستثمار في مثل هذه الخطط.ومن خلال القيام بذلك، يمكنهم المساعدة في تعزيز النجاح طويل المدى للابتكارات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.
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 مصنعو المنتجات المعقدة ذات التصميم الهندسي العالي (مثل مكونات الطائرات) بالكمال في كل مرة.ليس هناك مجال للمناورة.
نظرًا لأن إنتاج الطائرات معقد للغاية، يجب على الشركات المصنعة إدارة عملية الجودة بعناية، مع إيلاء اهتمام كبير لكل خطوة.وهذا يتطلب فهمًا متعمقًا لكيفية الإدارة والتكيف مع مشكلات الإنتاج الديناميكي والجودة والسلامة وسلسلة التوريد مع تلبية المتطلبات التنظيمية.
نظرًا لأن العديد من العوامل تؤثر على تسليم منتجات عالية الجودة، فمن الصعب إدارة أوامر الإنتاج المعقدة والمتغيرة بشكل متكرر.يجب أن تكون عملية الجودة ديناميكية في كل جانب من جوانب الفحص والتصميم والإنتاج والاختبار.بفضل استراتيجيات الصناعة 4.0 وحلول التصنيع الحديثة، أصبحت تحديات الجودة هذه أسهل في الإدارة والتغلب عليها.
كان التركيز التقليدي لإنتاج الطائرات دائمًا على المواد.قد يكون مصدر معظم مشكلات الجودة هو الكسر الهش، أو التآكل، أو إجهاد المعادن، أو عوامل أخرى.ومع ذلك، يتضمن إنتاج الطائرات اليوم تقنيات متقدمة وعالية الهندسة تستخدم مواد مقاومة.يستخدم إنشاء المنتج عمليات وأنظمة إلكترونية متخصصة ومعقدة للغاية.قد لا تكون حلول برامج إدارة العمليات العامة قادرة على حل المشكلات المعقدة للغاية.
يمكن شراء الأجزاء الأكثر تعقيدًا من سلسلة التوريد العالمية، لذلك يجب إيلاء المزيد من الاهتمام لدمجها خلال عملية التجميع.يجلب عدم اليقين تحديات جديدة لرؤية سلسلة التوريد وإدارة الجودة.يتطلب ضمان جودة العديد من الأجزاء والمنتجات النهائية أساليب جودة أفضل وأكثر تكاملاً.
تمثل الصناعة 4.0 تطورًا في الصناعة التحويلية، وهناك حاجة إلى المزيد والمزيد من التقنيات المتقدمة لتلبية متطلبات الجودة الصارمة.تشمل التقنيات الداعمة إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، والخيوط الرقمية، والواقع المعزز (AR)، والتحليلات التنبؤية.
تصف الجودة 4.0 طريقة جودة عملية الإنتاج المبنية على البيانات والتي تتضمن المنتجات والعمليات والتخطيط والامتثال والمعايير.إنها مبنية على أساليب الجودة التقليدية بدلاً من استبدالها، وذلك باستخدام العديد من التقنيات الجديدة نفسها مثل نظيراتها الصناعية، بما في ذلك التعلم الآلي، والأجهزة المتصلة، والحوسبة السحابية، والتوائم الرقمية لتحويل سير عمل المنظمة والقضاء على عيوب المنتجات أو العمليات المحتملة.من المتوقع أن يؤدي ظهور الجودة 4.0 إلى تغيير ثقافة مكان العمل بشكل أكبر من خلال زيادة الاعتماد على البيانات والاستخدام الأعمق للجودة كجزء من طريقة إنشاء المنتج الشاملة.
تدمج الجودة 4.0 القضايا التشغيلية وقضايا ضمان الجودة (QA) من البداية إلى مرحلة التصميم.وهذا يشمل كيفية تصور وتصميم المنتجات.تشير نتائج المسح الصناعي الأخير إلى أن معظم الأسواق ليس لديها عملية نقل تصميم تلقائية.تترك العملية اليدوية مجالًا للأخطاء، سواء كان ذلك خطأ داخليًا أو توصيل التصميم والتغييرات إلى سلسلة التوريد.
بالإضافة إلى التصميم، تستخدم الجودة 4.0 أيضًا التعلم الآلي المرتكز على العمليات لتقليل الهدر وتقليل إعادة العمل وتحسين معلمات الإنتاج.بالإضافة إلى ذلك، فإنه يحل أيضًا مشكلات أداء المنتج بعد التسليم، ويستخدم التعليقات في الموقع لتحديث برامج المنتج عن بُعد، ويحافظ على رضا العملاء، ويضمن في النهاية تكرار الأعمال.لقد أصبحت شريكًا لا ينفصل عن الصناعة 4.0.
ومع ذلك، فإن الجودة لا تنطبق فقط على روابط التصنيع المختارة.يمكن لشمولية الجودة 4.0 أن تغرس نهجًا شاملاً للجودة في مؤسسات التصنيع، مما يجعل القوة التحويلية للبيانات جزءًا لا يتجزأ من تفكير الشركات.يساهم الامتثال على جميع مستويات المنظمة في تكوين ثقافة الجودة الشاملة.
لا يمكن لأي عملية إنتاج أن تعمل بشكل مثالي بنسبة 100% من الوقت.تؤدي الظروف المتغيرة إلى أحداث غير متوقعة تتطلب العلاج.أولئك الذين لديهم خبرة في الجودة يدركون أن الأمر كله يتعلق بعملية التحرك نحو الكمال.كيف يمكنك التأكد من دمج الجودة في العملية لاكتشاف المشاكل في أقرب وقت ممكن؟ماذا ستفعل عندما تجد العيب؟هل هناك عوامل خارجية تسبب هذه المشكلة؟ما هي التغييرات التي يمكنك إجراؤها على خطة الفحص أو إجراء الاختبار لمنع حدوث هذه المشكلة مرة أخرى؟
ترسيخ عقلية مفادها أن كل عملية إنتاج لها عملية جودة مرتبطة ومرتبطة.تخيل مستقبلًا حيث توجد علاقة فردية وقم بقياس الجودة باستمرار.بغض النظر عما يحدث بشكل عشوائي، يمكن تحقيق الجودة المثالية.يقوم كل مركز عمل بمراجعة المؤشرات ومؤشرات الأداء الرئيسية (KPIs) بشكل يومي لتحديد مجالات التحسين قبل حدوث المشاكل.
في نظام الحلقة المغلقة هذا، يكون لكل عملية إنتاج استدلال للجودة، والذي يوفر ردود فعل لإيقاف العملية، أو السماح للعملية بالاستمرار، أو إجراء تعديلات في الوقت الفعلي.لا يتأثر النظام بالتعب أو الخطأ البشري.يعد نظام الجودة ذو الحلقة المغلقة المصمم لإنتاج الطائرات أمرًا ضروريًا لتحقيق مستويات جودة أعلى، وتقصير أوقات الدورات، وضمان الامتثال لمعايير AS9100.
قبل عشر سنوات، كانت فكرة تركيز ضمان الجودة على تصميم المنتج أو أبحاث السوق أو الموردين أو خدمات المنتج أو العوامل الأخرى التي تؤثر على رضا العملاء مستحيلة.ومن المفهوم أن تصميم المنتج يأتي من سلطة عليا؛الجودة تتعلق بتنفيذ هذه التصميمات على خط التجميع، بغض النظر عن عيوبها.
واليوم، تعيد العديد من الشركات التفكير في كيفية القيام بالأعمال التجارية.ربما لم يعد الوضع الراهن في عام 2018 ممكنا.المزيد والمزيد من الشركات المصنعة أصبحت أكثر ذكاءً وذكاءً.يتوفر المزيد من المعرفة، مما يعني ذكاءً أفضل لبناء المنتج المناسب في المرة الأولى، بكفاءة وأداء أعلى.