De acordo com a SmarTech, empresa de consultoria em tecnologia de manufatura, a indústria aeroespacial é a segunda maior indústria atendida pela manufatura aditiva (AM), perdendo apenas para a medicina.No entanto, ainda há uma falta de consciência do potencial da fabricação aditiva de materiais cerâmicos na rápida fabricação de componentes aeroespaciais, no aumento da flexibilidade e na relação custo-benefício.A AM pode produzir peças cerâmicas mais fortes e leves de forma mais rápida e sustentável, reduzindo os custos de mão-de-obra, minimizando a montagem manual e melhorando a eficiência e o desempenho através do design desenvolvido por modelagem, reduzindo assim o peso da aeronave.Além disso, a tecnologia cerâmica de fabricação aditiva fornece controle dimensional de peças acabadas para características menores que 100 mícrons.
No entanto, a palavra cerâmica pode evocar o equívoco de fragilidade.Na verdade, as cerâmicas fabricadas com aditivos produzem peças mais leves e finas, com grande resistência estrutural, tenacidade e resistência a uma ampla faixa de temperatura.Empresas voltadas para o futuro estão recorrendo à fabricação de componentes cerâmicos, incluindo bicos e hélices, isoladores elétricos e pás de turbinas.
Por exemplo, a alumina de alta pureza tem alta dureza e forte resistência à corrosão e faixa de temperatura.Os componentes feitos de alumina também são eletricamente isolantes nas altas temperaturas comuns em sistemas aeroespaciais.
A cerâmica à base de zircônia pode atender a muitas aplicações com requisitos extremos de materiais e alto estresse mecânico, como moldagem de metal de alta qualidade, válvulas e rolamentos.A cerâmica de nitreto de silício possui alta resistência, alta tenacidade e excelente resistência ao choque térmico, bem como boa resistência química à corrosão de uma variedade de ácidos, álcalis e metais fundidos.O nitreto de silício é usado para isoladores, impulsores e antenas dielétricas de baixa temperatura e alta temperatura.
A cerâmica composta oferece diversas qualidades desejáveis.Cerâmicas à base de silício adicionadas de alumina e zircão provaram ter bom desempenho na fabricação de peças fundidas de cristal único para pás de turbinas.Isso ocorre porque o núcleo cerâmico feito desse material possui baixíssima expansão térmica até 1.500°C, alta porosidade, excelente qualidade superficial e boa lixiviabilidade.A impressão desses núcleos pode produzir designs de turbinas que podem suportar temperaturas operacionais mais altas e aumentar a eficiência do motor.
É bem conhecido que a moldagem por injeção ou usinagem de cerâmica é muito difícil e a usinagem proporciona acesso limitado aos componentes que estão sendo fabricados.Características como paredes finas também são difíceis de usinar.
No entanto, a Lithoz usa fabricação de cerâmica baseada em litografia (LCM) para fabricar componentes cerâmicos 3D precisos e de formato complexo.
A partir do modelo CAD, as especificações detalhadas são transferidas digitalmente para a impressora 3D.Em seguida, aplique o pó cerâmico formulado com precisão no topo da cuba transparente.A plataforma móvel de construção é imersa na lama e depois exposta seletivamente à luz visível vinda de baixo.A imagem da camada é gerada por um dispositivo de microespelho digital (DMD) acoplado ao sistema de projeção.Ao repetir este processo, uma peça verde tridimensional pode ser gerada camada por camada.Após o pós-tratamento térmico, o ligante é removido e as peças verdes são sinterizadas - combinadas por um processo de aquecimento especial - para produzir uma peça cerâmica completamente densa com excelentes propriedades mecânicas e qualidade superficial.
A tecnologia LCM fornece um processo inovador, econômico e mais rápido para fundição de componentes de motores de turbina, contornando a cara e trabalhosa fabricação de moldes necessária para moldagem por injeção e fundição por cera perdida.
O LCM também pode alcançar designs que não podem ser alcançados por outros métodos, utilizando muito menos matérias-primas do que outros métodos.
Apesar do grande potencial dos materiais cerâmicos e da tecnologia LCM, ainda existe uma lacuna entre os fabricantes de equipamentos originais (OEM) de AM e os projetistas aeroespaciais.
Uma razão pode ser a resistência a novos métodos de fabrico em indústrias com requisitos de segurança e qualidade particularmente rigorosos.A fabricação aeroespacial requer muitos processos de verificação e qualificação, bem como testes completos e rigorosos.
Outro obstáculo inclui a crença de que a impressão 3D é principalmente adequada apenas para prototipagem rápida única, em vez de qualquer coisa que possa ser usada no ar.Novamente, isso é um mal-entendido, e foi comprovado que os componentes cerâmicos impressos em 3D são usados ​​na produção em massa.
Um exemplo é a fabricação de pás de turbina, onde o processo cerâmico AM produz núcleos de cristal único (SX), bem como pás de turbina de superliga de solidificação direcional (DS) e fundição equiaxial (EX).Núcleos com estruturas ramificadas complexas, paredes múltiplas e bordos de fuga inferiores a 200 μm podem ser produzidos de forma rápida e económica, e os componentes finais têm precisão dimensional consistente e excelente acabamento superficial.
Melhorar a comunicação pode reunir projetistas aeroespaciais e OEMs de AM e confiar plenamente nos componentes cerâmicos fabricados usando LCM e outras tecnologias.Tecnologia e expertise existem.É necessário mudar a forma de pensar da AM para a I&D e a prototipagem, e vê-la como o caminho a seguir para aplicações comerciais em grande escala.
Além da educação, as empresas aeroespaciais também podem investir tempo em pessoal, engenharia e testes.Os fabricantes devem estar familiarizados com os diferentes padrões e métodos de avaliação de cerâmicas, não de metais.Por exemplo, os dois principais padrões ASTM da Lithoz para cerâmica estrutural são ASTM C1161 para testes de resistência e ASTM C1421 para testes de tenacidade.Estas normas aplicam-se a cerâmicas produzidas por todos os métodos.Na fabricação aditiva de cerâmica, a etapa de impressão é apenas um método de conformação, e as peças passam pelo mesmo tipo de sinterização da cerâmica tradicional.Portanto, a microestrutura das peças cerâmicas será muito semelhante à usinagem convencional.
Com base no avanço contínuo de materiais e tecnologia, podemos dizer com segurança que os designers obterão mais dados.Novos materiais cerâmicos serão desenvolvidos e customizados de acordo com necessidades específicas de engenharia.Peças feitas de cerâmica AM completarão o processo de certificação para uso aeroespacial.E fornecerá melhores ferramentas de design, como software de modelagem aprimorado.
Ao cooperar com especialistas técnicos da LCM, as empresas aeroespaciais podem introduzir processos cerâmicos AM internamente, encurtando o tempo, reduzindo custos e criando oportunidades para o desenvolvimento da propriedade intelectual da própria empresa.Com previsão e planejamento de longo prazo, as empresas aeroespaciais que investem em tecnologia cerâmica poderão colher benefícios significativos em todo o seu portfólio de produção nos próximos dez anos e além.
Ao estabelecer uma parceria com a AM Ceramics, os fabricantes de equipamentos aeroespaciais originais produzirão componentes que antes eram inimagináveis.
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 falará sobre as dificuldades de comunicar eficazmente as vantagens da fabricação de aditivos cerâmicos na Ceramics Expo em Cleveland, Ohio, em 1º de setembro de 2021.
Embora o desenvolvimento de sistemas de voo hipersónicos exista há décadas, tornou-se agora a principal prioridade da defesa nacional dos EUA, colocando este campo num estado de rápido crescimento e mudança.Sendo uma área multidisciplinar única, o desafio é encontrar especialistas com as competências necessárias para promover o seu desenvolvimento.No entanto, quando não há especialistas suficientes, cria-se uma lacuna de inovação, como colocar o design para a capacidade de fabrico (DFM) em primeiro lugar na fase de I&D, e depois transformar-se numa lacuna de produção quando for tarde demais para fazer alterações rentáveis.
Alianças, como a recém-criada Aliança Universitária para Hipersônica Aplicada (UCAH), fornecem um ambiente importante para cultivar os talentos necessários para avançar no campo.Os alunos podem trabalhar diretamente com pesquisadores universitários e profissionais da indústria para desenvolver tecnologia e avançar em pesquisas hipersônicas críticas.
Embora a UCAH e outros consórcios de defesa tenham autorizado os membros a exercer uma variedade de trabalhos de engenharia, é necessário fazer mais trabalho para cultivar talentos diversos e experientes, desde a concepção ao desenvolvimento e selecção de materiais até às oficinas de fabrico.
A fim de proporcionar um valor mais duradouro neste domínio, a aliança universitária deve tornar o desenvolvimento da força de trabalho uma prioridade, alinhando-se com as necessidades da indústria, envolvendo os membros em investigação apropriada à indústria e investindo no programa.
Ao transformar a tecnologia hipersônica em projetos fabricáveis ​​em grande escala, a lacuna existente de habilidades de mão de obra em engenharia e fabricação é o maior desafio.Se a investigação inicial não atravessar este vale da morte apropriadamente denominado – o fosso entre a I&D e a produção, e muitos projectos ambiciosos falharam – então perderemos uma solução aplicável e viável.
A indústria transformadora dos EUA pode acelerar a velocidade supersónica, mas o risco de ficar para trás é expandir o tamanho da força de trabalho para corresponder.Portanto, o governo e os consórcios de desenvolvimento universitário devem cooperar com os fabricantes para colocar estes planos em prática.
A indústria tem enfrentado lacunas de competências desde oficinas de produção até laboratórios de engenharia – estas lacunas só irão aumentar à medida que o mercado hipersónico crescer.As tecnologias emergentes exigem uma força de trabalho emergente para expandir o conhecimento na área.
O trabalho hipersônico abrange diversas áreas-chave de vários materiais e estruturas, e cada área tem seu próprio conjunto de desafios técnicos.Requerem um elevado nível de conhecimento detalhado e, se não existirem os conhecimentos necessários, isso poderá criar obstáculos ao desenvolvimento e à produção.Se não tivermos pessoal suficiente para manter o emprego, será impossível acompanhar a procura de produção em alta velocidade.
Por exemplo, precisamos de pessoas que possam construir o produto final.A UCAH e outros consórcios são essenciais para promover a produção moderna e garantir a inclusão de estudantes interessados ​​no papel da produção.Através de esforços de desenvolvimento de força de trabalho multifuncional e dedicado, a indústria será capaz de manter uma vantagem competitiva em planos de voo hipersônico nos próximos anos.
Ao estabelecer a UCAH, o Departamento de Defesa está a criar uma oportunidade para adoptar uma abordagem mais focada no desenvolvimento de capacidades nesta área.Todos os membros da coligação devem trabalhar em conjunto para formar as capacidades de nicho dos estudantes, para que possamos construir e manter a dinâmica da investigação e expandi-la para produzir os resultados que o nosso país necessita.
A agora encerrada NASA Advanced Composites Alliance é um exemplo de um esforço bem-sucedido de desenvolvimento da força de trabalho.A sua eficácia é o resultado da combinação do trabalho de I&D com os interesses da indústria, o que permite que a inovação se expanda por todo o ecossistema de desenvolvimento.Os líderes da indústria trabalharam diretamente com a NASA e universidades em projetos durante dois a quatro anos.Todos os membros desenvolveram conhecimento e experiência profissional, aprenderam a cooperar em um ambiente não competitivo e estimularam estudantes universitários a se desenvolverem para nutrir os principais participantes da indústria no futuro.
Este tipo de desenvolvimento da força de trabalho preenche lacunas na indústria e oferece oportunidades para as pequenas empresas inovarem rapidamente e diversificarem o campo para alcançarem um maior crescimento conducente à segurança nacional e às iniciativas de segurança económica dos EUA.
As alianças universitárias, incluindo a UCAH, são ativos importantes no campo hipersônico e na indústria de defesa.Embora a sua investigação tenha promovido inovações emergentes, o seu maior valor reside na sua capacidade de formar a nossa próxima geração de força de trabalho.O consórcio precisa agora de dar prioridade ao investimento nesses planos.Ao fazê-lo, podem ajudar a promover o sucesso a longo prazo da inovação 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.
Os fabricantes de produtos complexos e de alta engenharia (como componentes de aeronaves) estão sempre comprometidos com a perfeição.Não há margem de manobra.
Como a produção de aeronaves é extremamente complexa, os fabricantes devem gerenciar cuidadosamente o processo de qualidade, prestando muita atenção a cada etapa.Isto requer uma compreensão profunda de como gerir e adaptar-se às questões dinâmicas de produção, qualidade, segurança e cadeia de abastecimento, ao mesmo tempo que cumpre os requisitos regulamentares.
Como muitos fatores afetam a entrega de produtos de alta qualidade, é difícil gerenciar ordens de produção complexas e que mudam frequentemente.O processo de qualidade deve ser dinâmico em todos os aspectos da inspeção e projeto, produção e testes.Graças às estratégias da Indústria 4.0 e às soluções de produção modernas, estes desafios de qualidade tornaram-se mais fáceis de gerir e superar.
O foco tradicional da produção de aeronaves sempre esteve nos materiais.A fonte da maioria dos problemas de qualidade pode ser fratura frágil, corrosão, fadiga do metal ou outros fatores.No entanto, a produção atual de aeronaves inclui tecnologias avançadas e altamente projetadas que utilizam materiais resistentes.A criação de produtos utiliza processos e sistemas eletrônicos altamente especializados e complexos.As soluções de software de gerenciamento de operações gerais podem não ser mais capazes de resolver problemas extremamente complexos.
Peças mais complexas podem ser adquiridas na cadeia de fornecimento global, portanto, deve-se dar mais atenção à sua integração em todo o processo de montagem.A incerteza traz novos desafios à visibilidade da cadeia de abastecimento e à gestão da qualidade.Garantir a qualidade de tantas peças e produtos acabados requer métodos de qualidade melhores e mais integrados.
A Indústria 4.0 representa o desenvolvimento da indústria transformadora e são necessárias tecnologias cada vez mais avançadas para cumprir requisitos rigorosos de qualidade.As tecnologias de suporte incluem Internet Industrial das Coisas (IIoT), threads digitais, realidade aumentada (AR) e análise preditiva.
Qualidade 4.0 descreve um método de qualidade de processo de produção baseado em dados, envolvendo produtos, processos, planejamento, conformidade e padrões.Baseia-se em vez de substituir os métodos tradicionais de qualidade, utilizando muitas das mesmas novas tecnologias que os seus homólogos industriais, incluindo aprendizagem automática, dispositivos conectados, computação em nuvem e gémeos digitais para transformar o fluxo de trabalho da organização e eliminar possíveis defeitos de produtos ou processos.Espera-se que o surgimento da Qualidade 4.0 mude ainda mais a cultura do local de trabalho, aumentando a confiança nos dados e um uso mais profundo da qualidade como parte do método geral de criação de produtos.
A Qualidade 4.0 integra questões operacionais e de garantia de qualidade (QA) desde o início até a fase de design.Isso inclui como conceituar e projetar produtos.Resultados recentes de pesquisas industriais indicam que a maioria dos mercados não possui um processo automatizado de transferência de projetos.O processo manual deixa espaço para erros, seja um erro interno ou um projeto de comunicação e alterações na cadeia de suprimentos.
Além do design, o Quality 4.0 também usa aprendizado de máquina centrado no processo para reduzir desperdícios, retrabalho e otimizar parâmetros de produção.Além disso, também resolve problemas de desempenho do produto após a entrega, utiliza feedback no local para atualizar remotamente o software do produto, mantém a satisfação do cliente e, em última análise, garante a repetição dos negócios.Está se tornando um parceiro inseparável da Indústria 4.0.
Contudo, a qualidade não se aplica apenas a ligações de produção selecionadas.A inclusão da Qualidade 4.0 pode incutir uma abordagem abrangente de qualidade nas organizações de produção, tornando o poder transformador dos dados uma parte integrante do pensamento corporativo.A conformidade em todos os níveis da organização contribui para a formação de uma cultura geral de qualidade.
Nenhum processo de produção pode funcionar perfeitamente em 100% do tempo.Mudanças nas condições desencadeiam eventos imprevistos que exigem remediação.Quem tem experiência em qualidade entende que se trata do processo de caminhar em direção à perfeição.Como você garante que a qualidade seja incorporada ao processo para detectar problemas o mais cedo possível?O que você fará quando encontrar o defeito?Existem fatores externos que causam esse problema?Que mudanças você pode fazer no plano de inspeção ou no procedimento de teste para evitar que esse problema aconteça novamente?
Estabelecer a mentalidade de que todo processo de produção possui um processo de qualidade relacionado e relacionado.Imagine um futuro onde exista um relacionamento individual e meça constantemente a qualidade.Não importa o que aconteça aleatoriamente, a qualidade perfeita pode ser alcançada.Cada centro de trabalho analisa indicadores e indicadores-chave de desempenho (KPIs) diariamente para identificar áreas de melhoria antes que ocorram problemas.
Neste sistema de circuito fechado, cada processo de produção possui uma inferência de qualidade, que fornece feedback para interromper o processo, permitir que o processo continue ou fazer ajustes em tempo real.O sistema não é afetado por fadiga ou erro humano.Um sistema de qualidade de circuito fechado projetado para a produção de aeronaves é essencial para atingir níveis de qualidade mais elevados, reduzir os tempos de ciclo e garantir a conformidade com os padrões AS9100.
Há dez anos, a ideia de focar o controle de qualidade no design de produtos, pesquisas de mercado, fornecedores, serviços de produtos ou outros fatores que afetassem a satisfação do cliente era impossível.Entende-se que o design do produto vem de uma autoridade superior;qualidade significa executar esses projetos na linha de montagem, independentemente de suas deficiências.
Hoje, muitas empresas estão repensando a forma de fazer negócios.O status quo em 2018 pode já não ser possível.Cada vez mais fabricantes estão se tornando cada vez mais inteligentes.Mais conhecimento está disponível, o que significa melhor inteligência para construir o produto certo na primeira vez, com maior eficiência e desempenho.