Según SmarTech, una empresa consultora de tecnología de fabricación, la industria aeroespacial es la segunda industria más grande atendida por la fabricación aditiva (AM), solo superada por la medicina.Sin embargo, todavía falta conciencia sobre el potencial de la fabricación aditiva de materiales cerámicos en la fabricación rápida de componentes aeroespaciales, una mayor flexibilidad y rentabilidad.La fabricación aditiva puede producir piezas cerámicas más resistentes y ligeras de forma más rápida y sostenible, reduciendo los costes laborales, minimizando el montaje manual y mejorando la eficiencia y el rendimiento mediante el diseño desarrollado mediante modelado, reduciendo así el peso de la aeronave.Además, la tecnología cerámica de fabricación aditiva proporciona control dimensional de piezas terminadas para características menores a 100 micrones.
Sin embargo, la palabra cerámica puede evocar la idea errónea de fragilidad.De hecho, las cerámicas fabricadas aditivamente producen piezas más ligeras y finas con gran fuerza estructural, tenacidad y resistencia a un amplio rango de temperaturas.Las empresas con visión de futuro están recurriendo a componentes de fabricación cerámicos, incluidas boquillas y hélices, aisladores eléctricos y álabes de turbinas.
Por ejemplo, la alúmina de alta pureza tiene una gran dureza y una fuerte resistencia a la corrosión y un rango de temperatura.Los componentes hechos de alúmina también son aislantes eléctricos a las altas temperaturas comunes en los sistemas aeroespaciales.
Las cerámicas a base de circonio pueden satisfacer muchas aplicaciones con requisitos extremos de materiales y alta tensión mecánica, como moldes, válvulas y cojinetes de metal de alta gama.Las cerámicas de nitruro de silicio tienen alta resistencia, alta tenacidad y excelente resistencia al choque térmico, así como buena resistencia química a la corrosión de una variedad de ácidos, álcalis y metales fundidos.El nitruro de silicio se utiliza para aisladores, impulsores y antenas de bajo dieléctrico y alta temperatura.
Las cerámicas compuestas proporcionan varias cualidades deseables.Las cerámicas a base de silicio a las que se añade alúmina y circonio han demostrado tener un buen rendimiento en la fabricación de piezas fundidas monocristalinas para álabes de turbinas.Esto se debe a que el núcleo cerámico fabricado con este material tiene una expansión térmica muy baja hasta 1.500°C, alta porosidad, excelente calidad superficial y buena lixiviabilidad.La impresión de estos núcleos puede producir diseños de turbinas que pueden soportar temperaturas de funcionamiento más altas y aumentar la eficiencia del motor.
Es bien sabido que el moldeo por inyección o el mecanizado de cerámicas es muy difícil y el mecanizado proporciona un acceso limitado a los componentes que se fabrican.Características como paredes delgadas también son difíciles de mecanizar.
Sin embargo, Lithoz utiliza la fabricación cerámica basada en litografía (LCM) para fabricar componentes cerámicos 3D precisos y de formas complejas.
A partir del modelo CAD, las especificaciones detalladas se transfieren digitalmente a la impresora 3D.Luego aplique el polvo cerámico formulado con precisión en la parte superior de la tina transparente.La plataforma de construcción móvil se sumerge en el barro y luego se expone selectivamente a la luz visible desde abajo.La imagen de la capa es generada por un dispositivo de microespejo digital (DMD) acoplado al sistema de proyección.Al repetir este proceso, se puede generar una pieza verde tridimensional capa por capa.Después del postratamiento térmico, se elimina el aglutinante y las piezas verdes se sinterizan (combinadas mediante un proceso de calentamiento especial) para producir una pieza cerámica completamente densa con excelentes propiedades mecánicas y calidad superficial.
La tecnología LCM proporciona un proceso innovador, rentable y más rápido para la fundición a la cera perdida de componentes de motores de turbina, evitando la costosa y laboriosa fabricación de moldes necesaria para el moldeo por inyección y la fundición a la cera perdida.
LCM también puede lograr diseños que no se pueden lograr con otros métodos, utilizando muchas menos materias primas que otros métodos.
A pesar del gran potencial de los materiales cerámicos y la tecnología LCM, todavía existe una brecha entre los fabricantes de equipos originales (OEM) de AM y los diseñadores aeroespaciales.
Una razón puede ser la resistencia a nuevos métodos de fabricación en industrias con requisitos de seguridad y calidad particularmente estrictos.La fabricación aeroespacial requiere muchos procesos de verificación y calificación, así como pruebas exhaustivas y rigurosas.
Otro obstáculo incluye la creencia de que la impresión 3D sólo es adecuada para la creación rápida de prototipos de una sola vez, en lugar de cualquier cosa que pueda utilizarse en el aire.Una vez más, esto es un malentendido y se ha demostrado que los componentes cerámicos impresos en 3D se utilizan en la producción en masa.
Un ejemplo es la fabricación de álabes de turbina, donde el proceso cerámico AM produce núcleos de monocristal (SX), así como álabes de turbina de superaleación de solidificación direccional (DS) y fundición equiaxial (EX).Se pueden producir núcleos con estructuras de ramas complejas, paredes múltiples y bordes de salida de menos de 200 μm de forma rápida y económica, y los componentes finales tienen una precisión dimensional constante y un excelente acabado superficial.
Mejorar la comunicación puede unir a los diseñadores aeroespaciales y a los OEM de AM y confiar plenamente en los componentes cerámicos fabricados con LCM y otras tecnologías.La tecnología y la experiencia existen.Necesita cambiar la forma de pensar desde la fabricación aditiva hacia la I+D y la creación de prototipos, y verlo como el camino a seguir para las aplicaciones comerciales a gran escala.
Además de la educación, las empresas aeroespaciales también pueden invertir tiempo en personal, ingeniería y pruebas.Los fabricantes deben estar familiarizados con diferentes estándares y métodos para evaluar cerámicas, no metales.Por ejemplo, las dos normas ASTM clave de Lithoz para cerámicas estructurales son la ASTM C1161 para pruebas de resistencia y la ASTM C1421 para pruebas de tenacidad.Estas normas se aplican a la cerámica producida por todos los métodos.En la fabricación aditiva de cerámica, el paso de impresión es solo un método de conformación y las piezas se someten al mismo tipo de sinterización que la cerámica tradicional.Por tanto, la microestructura de las piezas cerámicas será muy similar al mecanizado convencional.
Basándonos en el avance continuo de los materiales y la tecnología, podemos decir con confianza que los diseñadores obtendrán más datos.Se desarrollarán y personalizarán nuevos materiales cerámicos de acuerdo con las necesidades de ingeniería específicas.Las piezas fabricadas con cerámica AM completarán el proceso de certificación para su uso en el sector aeroespacial.Y proporcionará mejores herramientas de diseño, como un software de modelado mejorado.
Al cooperar con los expertos técnicos de LCM, las empresas aeroespaciales pueden introducir procesos cerámicos AM internamente, acortando el tiempo, reduciendo costos y creando oportunidades para el desarrollo de la propiedad intelectual propia de la empresa.Con previsión y planificación a largo plazo, las empresas aeroespaciales que inviertan en tecnología cerámica pueden obtener importantes beneficios en toda su cartera de producción en los próximos diez años y más allá.
Al establecer una asociación con AM Ceramics, los fabricantes de equipos originales aeroespaciales producirán componentes que antes eran inimaginables.
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 hablará sobre las dificultades de comunicar eficazmente las ventajas de la fabricación aditiva de cerámica en la Ceramics Expo en Cleveland, Ohio, el 1 de septiembre de 2021.
Aunque el desarrollo de sistemas de vuelo hipersónico existe desde hace décadas, ahora se ha convertido en la principal prioridad de la defensa nacional de Estados Unidos, lo que ha llevado este campo a un estado de rápido crecimiento y cambio.Como campo multidisciplinario único, el desafío es encontrar expertos con las habilidades necesarias para promover su desarrollo.Sin embargo, cuando no hay suficientes expertos, se crea una brecha de innovación, como poner el diseño para la capacidad de fabricación (DFM) primero en la fase de I+D y luego convertirse en una brecha de fabricación cuando ya es demasiado tarde para realizar cambios rentables.
Las alianzas, como la recién creada Alianza Universitaria para la Hipersónica Aplicada (UCAH), proporcionan un entorno importante para cultivar los talentos necesarios para avanzar en este campo.Los estudiantes pueden trabajar directamente con investigadores universitarios y profesionales de la industria para desarrollar tecnología y avanzar en la investigación hipersónica crítica.
Aunque la UCAH y otros consorcios de defensa autorizaron a sus miembros a participar en una variedad de trabajos de ingeniería, se debe trabajar más para cultivar talentos diversos y experimentados, desde el diseño hasta el desarrollo de materiales y la selección hasta los talleres de fabricación.
Para proporcionar un valor más duradero en el campo, la alianza universitaria debe hacer del desarrollo de la fuerza laboral una prioridad alineándose con las necesidades de la industria, involucrando a los miembros en investigaciones apropiadas para la industria e invirtiendo en el programa.
A la hora de transformar la tecnología hipersónica en proyectos fabricables a gran escala, la brecha existente en las habilidades laborales de ingeniería y fabricación es el mayor desafío.Si las primeras investigaciones no cruzan este bien llamado valle de la muerte (la brecha entre I+D y fabricación, y muchos proyectos ambiciosos han fracasado), entonces habremos perdido una solución aplicable y factible.
La industria manufacturera estadounidense puede acelerar la velocidad supersónica, pero el riesgo de quedarse atrás es ampliar el tamaño de la fuerza laboral para igualarla.Por lo tanto, el gobierno y los consorcios de desarrollo universitario deben cooperar con los fabricantes para poner estos planes en práctica.
La industria ha experimentado brechas de habilidades desde los talleres de fabricación hasta los laboratorios de ingeniería; estas brechas solo se ampliarán a medida que crezca el mercado hipersónico.Las tecnologías emergentes requieren una fuerza laboral emergente para ampliar el conocimiento en el campo.
El trabajo hipersónico abarca varias áreas clave diferentes de diversos materiales y estructuras, y cada área tiene su propio conjunto de desafíos técnicos.Requieren un alto nivel de conocimiento detallado y, si no existe la experiencia necesaria, esto puede crear obstáculos para el desarrollo y la producción.Si no tenemos suficiente gente para mantener el trabajo, será imposible satisfacer la demanda de producción de alta velocidad.
Por ejemplo, necesitamos personas que puedan crear el producto final.La UCAH y otros consorcios son esenciales para promover la fabricación moderna y garantizar que se incluya a los estudiantes interesados ​​en el papel de la fabricación.A través de esfuerzos multifuncionales de desarrollo de la fuerza laboral dedicada, la industria podrá mantener una ventaja competitiva en los planes de vuelo hipersónico en los próximos años.
Al establecer la UCAH, el Departamento de Defensa está creando una oportunidad para adoptar un enfoque más centrado en la creación de capacidades en esta área.Todos los miembros de la coalición deben trabajar juntos para capacitar las capacidades específicas de los estudiantes para que podamos generar y mantener el impulso de la investigación y expandirlo para producir los resultados que nuestro país necesita.
La ahora cerrada Alianza de Compuestos Avanzados de la NASA es un ejemplo de un esfuerzo exitoso de desarrollo de la fuerza laboral.Su efectividad es el resultado de combinar el trabajo de I+D con los intereses de la industria, lo que permite que la innovación se expanda por todo el ecosistema de desarrollo.Los líderes de la industria han trabajado directamente con la NASA y universidades en proyectos durante dos a cuatro años.Todos los miembros han desarrollado conocimientos y experiencia profesionales, han aprendido a cooperar en un entorno no competitivo y han capacitado a estudiantes universitarios para que se desarrollen y formen a actores clave de la industria en el futuro.
Este tipo de desarrollo de la fuerza laboral llena los vacíos en la industria y brinda oportunidades para que las pequeñas empresas innoven rápidamente y diversifiquen el campo para lograr un mayor crecimiento que conduzca a las iniciativas de seguridad nacional y económica de los EE. UU.
Las alianzas universitarias, incluida la UCAH, son activos importantes en el campo hipersónico y la industria de defensa.Aunque su investigación ha promovido innovaciones emergentes, su mayor valor radica en su capacidad para capacitar a nuestra próxima generación de fuerza laboral.El consorcio ahora necesita priorizar la inversión en dichos planes.Al hacerlo, pueden ayudar a fomentar el éxito a largo plazo de la innovación hipersónica.
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.
Los fabricantes de productos complejos y de alta ingeniería (como componentes de aviones) siempre están comprometidos con la perfección.No hay margen de maniobra.
Debido a que la producción de aviones es extremadamente compleja, los fabricantes deben gestionar cuidadosamente el proceso de calidad, prestando gran atención a cada paso.Esto requiere una comprensión profunda de cómo gestionar y adaptarse a los problemas dinámicos de producción, calidad, seguridad y cadena de suministro mientras se cumplen los requisitos reglamentarios.
Debido a que muchos factores afectan la entrega de productos de alta calidad, es difícil gestionar órdenes de producción complejas y que cambian con frecuencia.El proceso de calidad debe ser dinámico en todos los aspectos de inspección y diseño, producción y pruebas.Gracias a las estrategias de la Industria 4.0 y las soluciones de fabricación modernas, estos desafíos de calidad se han vuelto más fáciles de gestionar y superar.
El foco tradicional de la producción de aviones siempre ha estado en los materiales.La fuente de la mayoría de los problemas de calidad puede ser la fractura frágil, la corrosión, la fatiga del metal u otros factores.Sin embargo, la producción de aviones actual incluye tecnologías avanzadas y de alta ingeniería que utilizan materiales resistentes.La creación de productos utiliza procesos y sistemas electrónicos altamente especializados y complejos.Es posible que las soluciones de software de gestión de operaciones generales ya no puedan resolver problemas extremadamente complejos.
Se pueden comprar piezas más complejas en la cadena de suministro global, por lo que se debe prestar más atención a su integración durante todo el proceso de ensamblaje.La incertidumbre trae nuevos desafíos a la visibilidad de la cadena de suministro y la gestión de calidad.Garantizar la calidad de tantas piezas y productos terminados requiere métodos de calidad mejores y más integrados.
La Industria 4.0 representa el desarrollo de la industria manufacturera, y cada vez se necesitan tecnologías más avanzadas para cumplir con estrictos requisitos de calidad.Las tecnologías de soporte incluyen el Internet industrial de las cosas (IIoT), los hilos digitales, la realidad aumentada (AR) y el análisis predictivo.
Calidad 4.0 describe un método de calidad del proceso de producción basado en datos que involucra productos, procesos, planificación, cumplimiento y estándares.Se basa en, en lugar de reemplazar, los métodos de calidad tradicionales, y utiliza muchas de las mismas nuevas tecnologías que sus contrapartes industriales, incluido el aprendizaje automático, los dispositivos conectados, la computación en la nube y los gemelos digitales para transformar el flujo de trabajo de la organización y eliminar posibles defectos de productos o procesos.Se espera que el surgimiento de Calidad 4.0 cambie aún más la cultura del lugar de trabajo al aumentar la dependencia de los datos y un uso más profundo de la calidad como parte del método general de creación de productos.
Calidad 4.0 integra cuestiones operativas y de garantía de calidad (QA) desde el principio hasta la etapa de diseño.Esto incluye cómo conceptualizar y diseñar productos.Los resultados de encuestas recientes de la industria indican que la mayoría de los mercados no cuentan con un proceso automatizado de transferencia de diseños.El proceso manual deja lugar a errores, ya sea un error interno o un diseño de comunicación y cambios en la cadena de suministro.
Además del diseño, Quality 4.0 también utiliza el aprendizaje automático centrado en procesos para reducir el desperdicio, reducir el retrabajo y optimizar los parámetros de producción.Además, también resuelve problemas de rendimiento del producto después de la entrega, utiliza comentarios in situ para actualizar el software del producto de forma remota, mantiene la satisfacción del cliente y, en última instancia, garantiza la repetición del negocio.Se está convirtiendo en un socio inseparable de la Industria 4.0.
Sin embargo, la calidad no sólo se aplica a eslabones de fabricación seleccionados.La inclusión de Calidad 4.0 puede inculcar un enfoque integral de calidad en las organizaciones de fabricación, haciendo del poder transformador de los datos una parte integral del pensamiento corporativo.El cumplimiento en todos los niveles de la organización contribuye a la formación de una cultura general de calidad.
Ningún proceso de producción puede funcionar perfectamente el 100% del tiempo.Las condiciones cambiantes desencadenan eventos imprevistos que requieren remediación.Quienes tienen experiencia en calidad entienden que se trata del proceso de avanzar hacia la perfección.¿Cómo se asegura que la calidad se incorpore al proceso para detectar problemas lo antes posible?¿Qué harás cuando encuentres el defecto?¿Hay algún factor externo que cause este problema?¿Qué cambios puede hacer en el plan de inspección o procedimiento de prueba para evitar que este problema vuelva a ocurrir?
Establecer una mentalidad de que todo proceso productivo tiene un proceso de calidad afín y relacionado.Imagine un futuro donde exista una relación uno a uno y se mida constantemente la calidad.No importa lo que suceda al azar, se puede lograr una calidad perfecta.Cada centro de trabajo revisa diariamente indicadores e indicadores clave de desempeño (KPI) para identificar áreas de mejora antes de que ocurran problemas.
En este sistema de circuito cerrado, cada proceso de producción tiene una inferencia de calidad, que proporciona retroalimentación para detener el proceso, permitir que continúe o realizar ajustes en tiempo real.El sistema no se ve afectado por la fatiga o el error humano.Un sistema de calidad de circuito cerrado diseñado para la producción de aeronaves es esencial para lograr niveles de calidad más altos, acortar los tiempos de ciclo y garantizar el cumplimiento de los estándares AS9100.
Hace diez años, la idea de centrar el control de calidad en el diseño de productos, la investigación de mercado, los proveedores, los servicios de productos u otros factores que afectan la satisfacción del cliente era imposible.Se entiende que el diseño del producto proviene de una autoridad superior;La calidad consiste en ejecutar estos diseños en la línea de montaje, independientemente de sus defectos.
Hoy en día, muchas empresas están reconsiderando cómo hacer negocios.Es posible que el status quo de 2018 ya no sea posible.Cada vez más fabricantes son cada vez más inteligentes.Hay más conocimiento disponible, lo que significa mejor inteligencia para crear el producto adecuado a la primera, con mayor eficiencia y rendimiento.