Üretim teknolojisi danışmanlık şirketi SmarTech'e göre, havacılık ve uzay sektörü, tıp sektöründen sonra eklemeli imalatın (AM) hizmet verdiği ikinci en büyük sektördür. Bununla birlikte, seramik malzemelerin eklemeli imalatının havacılık bileşenlerinin hızlı üretiminde, artan esneklik ve maliyet etkinliğinde sahip olduğu potansiyel konusunda hala farkındalık eksikliği bulunmaktadır. AM, daha güçlü ve daha hafif seramik parçaları daha hızlı ve daha sürdürülebilir bir şekilde üretebilir; işçilik maliyetlerini düşürür, manuel montajı en aza indirir ve modelleme ile geliştirilen tasarım sayesinde verimliliği ve performansı artırarak uçağın ağırlığını azaltır. Ayrıca, eklemeli imalat seramik teknolojisi, 100 mikrondan daha küçük özellikler için bitmiş parçaların boyut kontrolünü sağlar.
Ancak, seramik kelimesi kırılganlık yanılgısını çağrıştırabilir. Aslında, eklemeli imalat yöntemiyle üretilen seramikler, mükemmel yapısal mukavemete, tokluğa ve geniş bir sıcaklık aralığına dayanıklılığa sahip daha hafif, daha ince parçalar üretir. İleri görüşlü şirketler, nozullar ve pervaneler, elektrik izolatörleri ve türbin kanatları da dahil olmak üzere seramik üretim bileşenlerine yöneliyor.
Örneğin, yüksek saflıkta alümina yüksek sertliğe, güçlü korozyon direncine ve geniş bir sıcaklık aralığına sahiptir. Alüminadan yapılan bileşenler ayrıca havacılık sistemlerinde yaygın olan yüksek sıcaklıklarda elektriksel olarak yalıtkan özellik gösterir.
Zirkonya bazlı seramikler, yüksek kaliteli metal kalıplama, vanalar ve rulmanlar gibi aşırı malzeme gereksinimleri ve yüksek mekanik gerilime sahip birçok uygulamayı karşılayabilir. Silisyum nitrür seramikler, yüksek mukavemet, yüksek tokluk ve mükemmel termal şok direncinin yanı sıra çeşitli asitler, alkaliler ve erimiş metallerin korozyonuna karşı iyi kimyasal dirence sahiptir. Silisyum nitrür, izolatörler, pervaneler ve yüksek sıcaklıkta düşük dielektrikli antenler için kullanılır.
Kompozit seramikler birçok arzu edilen özellik sunar. Alümina ve zirkon ilave edilmiş silikon bazlı seramiklerin, türbin kanatları için tek kristal döküm üretiminde iyi performans gösterdiği kanıtlanmıştır. Bunun nedeni, bu malzemeden yapılan seramik çekirdeğin 1500°C'ye kadar çok düşük termal genleşmeye, yüksek gözenekliliğe, mükemmel yüzey kalitesine ve iyi çözünebilirliğe sahip olmasıdır. Bu çekirdeklerin basılması, daha yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanabilen ve motor verimliliğini artıran türbin tasarımları üretebilir.
Seramiklerin enjeksiyon kalıplama veya işleme yöntemleriyle üretilmesinin çok zor olduğu ve işleme yönteminin üretilen parçalara erişimi sınırladığı iyi bilinmektedir. İnce duvarlar gibi özelliklerin işlenmesi de zordur.
Ancak Lithoz, hassas ve karmaşık şekilli 3 boyutlu seramik bileşenler üretmek için litografi tabanlı seramik üretim (LCM) yöntemini kullanmaktadır.
CAD modelinden başlayarak, detaylı özellikler dijital olarak 3D yazıcıya aktarılır. Ardından, hassas bir şekilde formüle edilmiş seramik tozu şeffaf kabın üstüne uygulanır. Hareketli yapı platformu çamura batırılır ve daha sonra alttan gelen görünür ışığa seçici olarak maruz bırakılır. Katman görüntüsü, projeksiyon sistemiyle birleştirilmiş dijital mikro ayna cihazı (DMD) tarafından oluşturulur. Bu işlem tekrarlanarak, katman katman üç boyutlu bir ham parça oluşturulabilir. Isıl işlem sonrası, bağlayıcı madde uzaklaştırılır ve ham parçalar özel bir ısıtma işlemiyle sinterlenerek (birleştirilerek) mükemmel mekanik özelliklere ve yüzey kalitesine sahip tamamen yoğun bir seramik parça üretilir.
LCM teknolojisi, türbin motoru parçalarının hassas dökümü için yenilikçi, uygun maliyetli ve daha hızlı bir süreç sunarak, enjeksiyon kalıplama ve kayıp mum dökümünde gerekli olan pahalı ve zahmetli kalıp üretimini ortadan kaldırır.
LCM, diğer yöntemlerle elde edilemeyen tasarımları, diğer yöntemlere göre çok daha az hammadde kullanarak da gerçekleştirebilir.
Seramik malzemelerin ve LCM teknolojisinin büyük potansiyeline rağmen, AM orijinal ekipman üreticileri (OEM) ve havacılık tasarımcıları arasında hala bir boşluk bulunmaktadır.
Bunun bir nedeni, özellikle sıkı güvenlik ve kalite gereksinimlerine sahip sektörlerde yeni üretim yöntemlerine karşı gösterilen direnç olabilir. Havacılık ve uzay sanayi üretimi, birçok doğrulama ve nitelendirme sürecinin yanı sıra kapsamlı ve titiz testler gerektirir.
Bir diğer engel ise, 3D baskının esas olarak yalnızca tek seferlik hızlı prototipleme için uygun olduğu, havada kullanıma sunulabilecek herhangi bir şey için uygun olmadığı inancıdır. Bu da bir yanlış anlamadır ve 3D baskı ile üretilen seramik bileşenlerin seri üretimde kullanılabileceği kanıtlanmıştır.
Örnek olarak, AM seramik prosesinin tek kristal (SX) çekirdeklerin yanı sıra yönlü katılaşma (DS) ve eş eksenli döküm (EX) süper alaşımlı türbin kanatları ürettiği türbin kanatlarının imalatı verilebilir. Karmaşık dallanma yapılarına, çok duvarlı ve 200 μm'den daha ince arka kenarlara sahip çekirdekler hızlı ve ekonomik bir şekilde üretilebilir ve nihai bileşenler tutarlı boyutsal doğruluğa ve mükemmel yüzey kalitesine sahiptir.
İletişimi geliştirmek, havacılık tasarımcılarını ve AM OEM'lerini bir araya getirebilir ve LCM ve diğer teknolojiler kullanılarak üretilen seramik bileşenlere tam güven duyulmasını sağlayabilir. Teknoloji ve uzmanlık mevcut. AM'yi Ar-Ge ve prototipleme için bir teknoloji olarak görme düşüncesini değiştirmek ve onu büyük ölçekli ticari uygulamalar için ileriye dönük bir yol olarak görmek gerekiyor.
Havacılık ve uzay şirketleri, eğitimin yanı sıra personel, mühendislik ve test konularına da zaman ayırabilirler. Üreticiler, metaller için değil, seramikler için farklı standartlar ve değerlendirme yöntemleri konusunda bilgi sahibi olmalıdır. Örneğin, Lithoz'un yapısal seramikler için iki temel ASTM standardı, mukavemet testi için ASTM C1161 ve tokluk testi için ASTM C1421'dir. Bu standartlar, tüm yöntemlerle üretilen seramikler için geçerlidir. Seramik katkılı imalatta, baskı adımı sadece bir şekillendirme yöntemidir ve parçalar geleneksel seramiklerle aynı tür sinterleme işlemine tabi tutulur. Bu nedenle, seramik parçaların mikro yapısı, geleneksel işleme yöntemleriyle üretilenlere çok benzer olacaktır.
Malzeme ve teknolojideki sürekli ilerlemeye dayanarak, tasarımcıların daha fazla veriye erişeceğini güvenle söyleyebiliriz. Yeni seramik malzemeler geliştirilecek ve belirli mühendislik ihtiyaçlarına göre özelleştirilecektir. AM seramiklerinden üretilen parçalar, havacılık ve uzay sektöründe kullanım için sertifikasyon sürecini tamamlayacaktır. Ayrıca, geliştirilmiş modelleme yazılımları gibi daha iyi tasarım araçları sağlayacaktır.
LCM teknik uzmanlarıyla iş birliği yaparak, havacılık şirketleri AM seramik süreçlerini şirket içinde uygulamaya koyabilir; bu da zaman tasarrufu, maliyet düşürme ve şirketin kendi fikri mülkiyetini geliştirme fırsatları yaratır. Öngörü ve uzun vadeli planlama ile, seramik teknolojisine yatırım yapan havacılık şirketleri, önümüzdeki on yıl ve sonrasında tüm üretim portföylerinde önemli faydalar elde edebilirler.
AM Ceramics ile ortaklık kurarak, havacılık ve uzay sanayiinde orijinal ekipman üreticileri, daha önce hayal bile edilemeyen parçalar üretebilecekler.
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, 1 Eylül 2021'de Cleveland, Ohio'da düzenlenecek Seramik Fuarı'nda seramik katkılı imalatın avantajlarını etkili bir şekilde iletmenin zorlukları hakkında konuşma yapacak.
Hipersonik uçuş sistemlerinin geliştirilmesi on yıllardır var olmasına rağmen, günümüzde ABD ulusal savunmasının en öncelikli konularından biri haline gelmiş ve bu alan hızlı bir büyüme ve değişim sürecine girmiştir. Eşsiz bir çok disiplinli alan olarak, gelişimini destekleyecek gerekli becerilere sahip uzmanları bulmak büyük bir zorluktur. Ancak, yeterli uzman olmadığında, Ar-Ge aşamasında öncelikle üretilebilirlik için tasarım (DFM) yapılması gibi bir inovasyon açığı oluşur ve maliyet etkin değişiklikler yapmak için çok geç kalındığında bu durum üretim açığına dönüşür.
Yeni kurulan Uygulamalı Hipersonik Üniversite İttifakı (UCAH) gibi ittifaklar, alanın ilerlemesi için gereken yeteneklerin geliştirilmesi için önemli bir ortam sağlamaktadır. Öğrenciler, teknoloji geliştirmek ve kritik hipersonik araştırmaları ilerletmek için üniversite araştırmacıları ve endüstri profesyonelleriyle doğrudan çalışabilirler.
UCAH ve diğer savunma konsorsiyumları üyelerine çeşitli mühendislik işlerinde çalışma yetkisi vermiş olsa da, tasarımdan malzeme geliştirme ve seçimine, imalat atölyelerine kadar çeşitli ve deneyimli yeteneklerin yetiştirilmesi için daha fazla çalışma yapılması gerekmektedir.
Bu alanda daha kalıcı bir değer sağlamak için, üniversite ittifakı, endüstri ihtiyaçlarıyla uyum sağlayarak, üyelerini endüstriye uygun araştırmalara dahil ederek ve programa yatırım yaparak iş gücü gelişimini öncelik haline getirmelidir.
Hipersonik teknolojiyi büyük ölçekli üretilebilir projelere dönüştürürken, mevcut mühendislik ve üretim iş gücü beceri açığı en büyük zorluktur. Eğer erken dönem araştırmalar bu uygun şekilde "ölüm vadisi" olarak adlandırılan -AR-GE ile üretim arasındaki boşluk- aşamazsa ve birçok iddialı proje başarısız olursa, uygulanabilir ve mümkün bir çözümü kaybetmiş oluruz.
ABD imalat sanayisi süpersonik hızı daha da artırabilir, ancak geride kalma riski, işgücünün boyutunu buna paralel olarak genişletmektir. Bu nedenle, hükümet ve üniversite geliştirme konsorsiyumları, bu planları uygulamaya koymak için üreticilerle işbirliği yapmalıdır.
Sektör, üretim atölyelerinden mühendislik laboratuvarlarına kadar uzanan bir yelpazede beceri açığı yaşıyor; hipersonik pazar büyüdükçe bu açıklar daha da genişleyecek. Yeni teknolojiler, bu alandaki bilgiyi genişletecek yeni bir iş gücüne ihtiyaç duyuyor.
Hipersonik çalışmalar, çeşitli malzeme ve yapıların farklı temel alanlarını kapsar ve her alanın kendine özgü teknik zorlukları vardır. Bu çalışmalar yüksek düzeyde detaylı bilgi gerektirir ve gerekli uzmanlık mevcut değilse, bu durum geliştirme ve üretimde engeller yaratabilir. İşi sürdürecek yeterli sayıda insanımız olmazsa, yüksek hızlı üretim talebini karşılamak imkansız olacaktır.
Örneğin, nihai ürünü üretebilecek insanlara ihtiyacımız var. UCAH ve diğer konsorsiyumlar, modern imalatı teşvik etmek ve imalat alanındaki rolüyle ilgilenen öğrencilerin dahil edilmesini sağlamak için çok önemlidir. Çok yönlü, özel iş gücü geliştirme çabaları sayesinde, sektör önümüzdeki birkaç yıl içinde hipersonik uçuş planlarında rekabet avantajını koruyabilecektir.
UCAH'ı kurarak, Savunma Bakanlığı bu alanda yetenek geliştirme konusunda daha odaklı bir yaklaşım benimseme fırsatı yaratıyor. Tüm koalisyon üyeleri, öğrencilerin özel yeteneklerini geliştirmek için birlikte çalışmalı, böylece araştırmanın ivmesini oluşturabilir, sürdürebilir ve ülkemizin ihtiyaç duyduğu sonuçları üretmek için genişletebiliriz.
Artık faaliyet göstermeyen NASA İleri Kompozitler Birliği, başarılı bir iş gücü geliştirme çabasının örneğidir. Etkinliği, Ar-Ge çalışmalarını endüstri çıkarlarıyla birleştirmenin bir sonucudur ve bu da yeniliğin geliştirme ekosistemi genelinde genişlemesine olanak tanır. Endüstri liderleri, iki ila dört yıl boyunca NASA ve üniversitelerle doğrudan projeler üzerinde çalışmıştır. Tüm üyeler mesleki bilgi ve deneyim kazanmış, rekabetçi olmayan bir ortamda iş birliği yapmayı öğrenmiş ve üniversite öğrencilerini gelecekte sektörün kilit oyuncularını yetiştirmek üzere desteklemiştir.
Bu tür işgücü geliştirme programları, sektördeki boşlukları dolduruyor ve küçük işletmelere hızlı bir şekilde yenilik yapma ve alanı çeşitlendirerek daha fazla büyüme elde etme fırsatları sunuyor; bu da ABD ulusal güvenliği ve ekonomik güvenlik girişimlerine katkıda bulunuyor.
UCAH dahil olmak üzere üniversite ittifakları, hipersonik alan ve savunma sanayinde önemli varlıklardır. Araştırmaları yeni yenilikleri desteklemiş olsa da, en büyük değerleri gelecek nesil iş gücümüzü yetiştirme yeteneklerinde yatmaktadır. Konsorsiyumun artık bu tür planlara yatırım yapmaya öncelik vermesi gerekiyor. Bunu yaparak, hipersonik yeniliğin uzun vadeli başarısını desteklemeye yardımcı olabilirler.
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.
Karmaşık, yüksek mühendislik ürünü ürünlerin (örneğin uçak parçaları) üreticileri her zaman mükemmelliğe ulaşmaya kararlıdır. Manevra alanı yoktur.
Uçak üretimi son derece karmaşık olduğundan, üreticilerin kalite sürecini dikkatlice yönetmesi ve her aşamaya büyük özen göstermesi gerekir. Bu, yasal gereklilikleri karşılarken dinamik üretim, kalite, güvenlik ve tedarik zinciri sorunlarını nasıl yönetip bunlara nasıl uyum sağlanacağına dair derinlemesine bir anlayış gerektirir.
Yüksek kaliteli ürünlerin teslimatını etkileyen birçok faktör olduğundan, karmaşık ve sık sık değişen üretim siparişlerini yönetmek zordur. Kalite süreci, denetim ve tasarım, üretim ve testin her aşamasında dinamik olmalıdır. Endüstri 4.0 stratejileri ve modern üretim çözümleri sayesinde, bu kalite zorluklarının yönetimi ve üstesinden gelinmesi daha kolay hale gelmiştir.
Uçak üretiminin geleneksel odağı her zaman malzemeler olmuştur. Kalite sorunlarının çoğunun kaynağı gevrek kırılma, korozyon, metal yorgunluğu veya diğer faktörler olabilir. Bununla birlikte, günümüz uçak üretimi, dayanıklı malzemeler kullanan gelişmiş, yüksek mühendislik ürünü teknolojileri içermektedir. Ürün oluşturma, son derece uzmanlaşmış ve karmaşık süreçler ve elektronik sistemler kullanır. Genel operasyon yönetimi yazılım çözümleri artık son derece karmaşık sorunları çözemeyebilir.
Daha karmaşık parçalar küresel tedarik zincirinden satın alınabildiğinden, bunların montaj sürecine entegrasyonuna daha fazla önem verilmelidir. Belirsizlik, tedarik zinciri görünürlüğü ve kalite yönetimine yeni zorluklar getirmektedir. Bu kadar çok parça ve nihai ürünün kalitesini sağlamak, daha iyi ve daha entegre kalite yöntemleri gerektirir.
Endüstri 4.0, imalat sanayinin gelişimini temsil eder ve katı kalite gereksinimlerini karşılamak için giderek daha gelişmiş teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Destekleyici teknolojiler arasında Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIoT), dijital bağlantılar, artırılmış gerçeklik (AR) ve tahmine dayalı analiz yer almaktadır.
Kalite 4.0, ürünler, süreçler, planlama, uyumluluk ve standartları içeren veri odaklı bir üretim süreci kalite yöntemini tanımlar. Geleneksel kalite yöntemlerinin yerini almak yerine, onları temel alarak, endüstriyel muadilleriyle aynı yeni teknolojilerin çoğunu kullanır; bunlar arasında makine öğrenimi, bağlantılı cihazlar, bulut bilişim ve dijital ikizler yer alır ve kuruluşun iş akışını dönüştürerek olası ürün veya süreç kusurlarını ortadan kaldırır. Kalite 4.0'ın ortaya çıkışının, veriye olan bağımlılığı artırarak ve kaliteyi genel ürün oluşturma yönteminin bir parçası olarak daha derinlemesine kullanarak iş yeri kültürünü daha da değiştirmesi beklenmektedir.
Kalite 4.0, operasyonel ve kalite güvencesi (KG) konularını en başından tasarım aşamasına kadar entegre eder. Bu, ürünlerin nasıl kavramsallaştırılacağı ve tasarlanacağı konularını da içerir. Son sektör anket sonuçları, çoğu pazarda otomatik bir tasarım transfer sürecinin bulunmadığını göstermektedir. Manuel süreç, ister dahili bir hata olsun ister tedarik zincirine tasarım ve değişikliklerin iletilmesiyle ilgili olsun, hatalara açık bir alan bırakmaktadır.
Kalite 4.0, tasarımın yanı sıra, israfı azaltmak, yeniden işleme ihtiyacını düşürmek ve üretim parametrelerini optimize etmek için süreç odaklı makine öğrenimini de kullanmaktadır. Ayrıca, teslimat sonrası ürün performans sorunlarını çözmekte, yerinde geri bildirim kullanarak ürün yazılımını uzaktan güncellemekte, müşteri memnuniyetini korumakta ve nihayetinde tekrar iş yapılmasını sağlamaktadır. Endüstri 4.0'ın ayrılmaz bir ortağı haline gelmektedir.
Ancak kalite, yalnızca belirli üretim aşamalarıyla sınırlı değildir. Kalite 4.0'ın kapsayıcılığı, üretim organizasyonlarında kapsamlı bir kalite yaklaşımı oluşturarak, verinin dönüştürücü gücünü kurumsal düşüncenin ayrılmaz bir parçası haline getirebilir. Organizasyonun tüm seviyelerinde uyumluluk, genel bir kalite kültürünün oluşmasına katkıda bulunur.
Hiçbir üretim süreci %100 oranında kusursuz çalışamaz. Değişen koşullar, düzeltme gerektiren öngörülemeyen olayları tetikler. Kalite konusunda deneyimli olanlar, her şeyin mükemmelliğe doğru ilerleme süreciyle ilgili olduğunu anlarlar. Sorunları mümkün olduğunca erken tespit etmek için kalitenin sürece nasıl entegre edildiğinden nasıl emin olursunuz? Kusuru bulduğunuzda ne yapacaksınız? Bu soruna neden olan dış faktörler var mı? Bu sorunun tekrar yaşanmasını önlemek için denetim planında veya test prosedüründe hangi değişiklikleri yapabilirsiniz?
Her üretim sürecinin birbiriyle ilişkili ve bağlantılı bir kalite süreci olduğu anlayışını benimseyin. Bire bir ilişki kurulan ve kalite sürekli olarak ölçülen bir gelecek hayal edin. Rastgele ne olursa olsun, mükemmel kaliteye ulaşılabilir. Her iş merkezi, sorunlar ortaya çıkmadan önce iyileştirme alanlarını belirlemek için göstergeleri ve temel performans göstergelerini (KPI'lar) günlük olarak gözden geçirir.
Bu kapalı döngü sistemde, her üretim sürecinin bir kalite çıkarımı vardır; bu çıkarım, süreci durdurmak, sürecin devam etmesine izin vermek veya gerçek zamanlı ayarlamalar yapmak için geri bildirim sağlar. Sistem yorgunluktan veya insan hatasından etkilenmez. Uçak üretimi için tasarlanmış kapalı döngü bir kalite sistemi, daha yüksek kalite seviyelerine ulaşmak, döngü sürelerini kısaltmak ve AS9100 standartlarına uyumu sağlamak için çok önemlidir.
On yıl önce, kalite güvencesini ürün tasarımına, pazar araştırmasına, tedarikçilere, ürün hizmetlerine veya müşteri memnuniyetini etkileyen diğer faktörlere odaklama fikri imkansızdı. Ürün tasarımı daha yüksek bir otoriteden geldiği düşünülürken, kalite ise bu tasarımların eksikliklerine bakılmaksızın montaj hattında uygulanmasıyla ilgiliydi.
Günümüzde birçok şirket iş yapma biçimlerini yeniden gözden geçiriyor. 2018'deki mevcut durum artık mümkün olmayabilir. Giderek daha fazla üretici daha akıllı hale geliyor. Daha fazla bilgiye erişim imkanı var; bu da daha yüksek verimlilik ve performansla, doğru ürünü ilk seferde üretmek için daha iyi bir zeka anlamına geliyor.