Kulingana na SmarTech, kampuni ya ushauri wa teknolojia ya utengenezaji, anga za juu ni tasnia ya pili kwa ukubwa inayohudumiwa na utengenezaji wa nyongeza (AM), ya pili kwa dawa pekee. Hata hivyo, bado kuna ukosefu wa ufahamu wa uwezo wa utengenezaji wa nyongeza wa vifaa vya kauri katika utengenezaji wa haraka wa vipengele vya anga za juu, kuongezeka kwa unyumbufu na ufanisi wa gharama. AM inaweza kutoa sehemu za kauri zenye nguvu na nyepesi zaidi na kupunguza gharama za kazi kwa kasi na kwa njia endelevu, kupunguza mkusanyiko wa mikono, na kuboresha ufanisi na utendaji kupitia muundo uliotengenezwa kwa kutumia modeli, na hivyo kupunguza uzito wa ndege. Kwa kuongezea, teknolojia ya kauri ya utengenezaji wa nyongeza hutoa udhibiti wa vipimo vya sehemu zilizomalizika kwa vipengele vidogo kuliko mikroni 100.
Hata hivyo, neno kauri linaweza kuzua dhana potofu ya udhaifu. Kwa kweli, kauri zinazotengenezwa kwa nyongeza hutoa sehemu nyepesi na nyembamba zaidi zenye nguvu kubwa ya kimuundo, uthabiti, na upinzani dhidi ya viwango vya joto vingi. Makampuni yanayoangalia mbele yanageukia vipengele vya utengenezaji wa kauri, ikiwa ni pamoja na nozeli na propela, vihami umeme na vile vya turbine.
Kwa mfano, alumina yenye usafi wa hali ya juu ina ugumu wa hali ya juu, na ina upinzani mkubwa wa kutu na kiwango cha halijoto. Vipengele vilivyotengenezwa kwa alumina pia huhami joto kwa umeme katika halijoto ya juu inayopatikana katika mifumo ya anga za juu.
Kauri zenye msingi wa zirconia zinaweza kukidhi matumizi mengi yenye mahitaji makubwa ya nyenzo na mkazo mkubwa wa mitambo, kama vile ukingo wa chuma wa hali ya juu, vali na fani. Kauri za nitridi ya silikoni zina nguvu ya juu, uthabiti wa juu na upinzani bora wa mshtuko wa joto, pamoja na upinzani mzuri wa kemikali dhidi ya kutu wa aina mbalimbali za asidi, alkali na metali zilizoyeyuka. Nitridi ya silikoni hutumika kwa vihami joto, impela, na antena za dielektri za chini zenye joto la juu.
Kauri zenye mchanganyiko hutoa sifa kadhaa zinazohitajika. Kauri zenye msingi wa silikoni zilizoongezwa na alumina na zircon zimethibitika kufanya vizuri katika utengenezaji wa vifuniko vya fuwele moja kwa vile vya turbine. Hii ni kwa sababu kiini cha kauri kilichotengenezwa kwa nyenzo hii kina upanuzi mdogo sana wa joto hadi 1,500°C, unyeyuko mwingi, ubora bora wa uso na uwezo mzuri wa kuvuja. Kuchapisha viini hivi kunaweza kutoa miundo ya turbine ambayo inaweza kuhimili halijoto ya juu ya uendeshaji na kuongeza ufanisi wa injini.
Inajulikana vyema kwamba ukingo wa sindano au uchakataji wa kauri ni mgumu sana, na uchakataji hutoa ufikiaji mdogo kwa vipengele vinavyotengenezwa. Vipengele kama vile kuta nyembamba pia ni vigumu kuchakataji.
Hata hivyo, Lithoz hutumia utengenezaji wa kauri unaotegemea lithografia (LCM) kutengeneza vipengele sahihi na tata vya kauri vya 3D.
Kuanzia modeli ya CAD, vipimo vya kina huhamishiwa kidijitali hadi kwenye printa ya 3D. Kisha paka unga wa kauri ulioundwa kwa usahihi juu ya pipa la uwazi. Jukwaa la ujenzi linaloweza kusongeshwa huzamishwa kwenye matope na kisha huwekwa wazi kwa mwanga unaoonekana kutoka chini. Picha ya safu huzalishwa na kifaa cha kioo kidogo cha kidijitali (DMD) pamoja na mfumo wa makadirio. Kwa kurudia mchakato huu, sehemu ya kijani yenye pande tatu inaweza kuzalishwa safu kwa safu. Baada ya matibabu ya baada ya joto, kifaa cha kufunga huondolewa na sehemu za kijani huchanganywa na mchakato maalum wa kupasha joto ili kutoa sehemu ya kauri mnene kabisa yenye sifa bora za kiufundi na ubora wa uso.
Teknolojia ya LCM hutoa mchakato bunifu, wa gharama nafuu na wa haraka zaidi wa uwekezaji katika uundaji wa vipengele vya injini ya turbine—ukipuuza utengenezaji wa ukungu wa gharama kubwa na mgumu unaohitajika kwa uundaji wa sindano na uundaji wa nta uliopotea.
LCM pia inaweza kufikia miundo ambayo haiwezi kupatikana kwa njia zingine, huku ikitumia malighafi chache sana kuliko njia zingine.
Licha ya uwezo mkubwa wa vifaa vya kauri na teknolojia ya LCM, bado kuna pengo kati ya watengenezaji wa vifaa vya asili vya AM (OEM) na wabunifu wa anga za juu.
Sababu moja inaweza kuwa upinzani dhidi ya mbinu mpya za utengenezaji katika viwanda vyenye mahitaji madhubuti ya usalama na ubora. Utengenezaji wa anga za juu unahitaji michakato mingi ya uthibitishaji na sifa, pamoja na majaribio ya kina na makali.
Kikwazo kingine ni pamoja na imani kwamba uchapishaji wa 3D unafaa tu kwa ajili ya uundaji wa prototype wa haraka wa mara moja, badala ya kitu chochote kinachoweza kutumika hewani. Tena, hii ni kutoelewana, na vipengele vya kauri vilivyochapishwa vya 3D vimethibitishwa kutumika katika uzalishaji wa wingi.
Mfano ni utengenezaji wa vile vya turbine, ambapo mchakato wa kauri wa AM hutoa viini vya fuwele moja (SX), pamoja na vile vya turbine ya uimarishaji wa mwelekeo (DS) na vile vya turbine ya equiaxed casting (EX). Viini vyenye miundo tata ya matawi, kuta nyingi na kingo zinazofuata chini ya 200μm vinaweza kuzalishwa haraka na kwa gharama nafuu, na vipengele vya mwisho vina usahihi thabiti wa vipimo na umaliziaji bora wa uso.
Kuimarisha mawasiliano kunaweza kuwaleta pamoja wabunifu wa anga za juu na AM OEMs na kuamini kikamilifu vipengele vya kauri vilivyotengenezwa kwa kutumia LCM na teknolojia zingine. Teknolojia na utaalamu vipo. Inahitaji kubadilisha njia ya kufikiri kutoka AM kwa ajili ya utafiti na maendeleo na uundaji wa mifano, na kuiona kama njia ya kusonga mbele kwa matumizi makubwa ya kibiashara.
Mbali na elimu, kampuni za anga za juu pia zinaweza kuwekeza muda katika wafanyakazi, uhandisi, na upimaji. Watengenezaji lazima wafahamu viwango na mbinu tofauti za kutathmini kauri, si metali. Kwa mfano, viwango viwili muhimu vya ASTM vya Lithoz kwa kauri za kimuundo ni ASTM C1161 kwa ajili ya upimaji wa nguvu na ASTM C1421 kwa ajili ya upimaji wa uimara. Viwango hivi vinatumika kwa kauri zinazozalishwa na mbinu zote. Katika utengenezaji wa viongeza vya kauri, hatua ya uchapishaji ni njia tu ya kutengeneza, na sehemu hupitia aina sawa ya kuchomwa kama kauri za kitamaduni. Kwa hivyo, muundo mdogo wa sehemu za kauri utakuwa sawa na uchakataji wa kawaida.
Kulingana na maendeleo endelevu ya vifaa na teknolojia, tunaweza kusema kwa ujasiri kwamba wabunifu watapata data zaidi. Vifaa vipya vya kauri vitatengenezwa na kubinafsishwa kulingana na mahitaji maalum ya uhandisi. Sehemu zilizotengenezwa kwa kauri za AM zitakamilisha mchakato wa uidhinishaji kwa matumizi katika anga za juu. Na zitatoa zana bora za usanifu, kama vile programu iliyoboreshwa ya uundaji wa modeli.
Kwa kushirikiana na wataalamu wa kiufundi wa LCM, kampuni za anga za juu zinaweza kuanzisha michakato ya kauri ya AM ndani - kupunguza muda, kupunguza gharama, na kuunda fursa za ukuzaji wa miliki ya kiakili ya kampuni. Kwa busara na mipango ya muda mrefu, kampuni za anga za juu zinazowekeza katika teknolojia ya kauri zinaweza kupata faida kubwa katika jalada lao lote la uzalishaji katika miaka kumi ijayo na zaidi.
Kwa kuanzisha ushirikiano na AM Ceramics, watengenezaji wa vifaa vya asili vya anga za juu watazalisha vipengele ambavyo havikuwahi kufikirika hapo awali.
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 atazungumzia ugumu wa kuwasilisha kwa ufanisi faida za utengenezaji wa viongeza vya kauri katika Maonyesho ya Kauri huko Cleveland, Ohio mnamo Septemba 1, 2021.
Ingawa maendeleo ya mifumo ya ndege za hypersonic yamekuwepo kwa miongo kadhaa, sasa yamekuwa kipaumbele cha juu cha ulinzi wa taifa wa Marekani, na kuifikisha uwanja huu katika hali ya ukuaji na mabadiliko ya haraka. Kama uwanja wa kipekee wa taaluma mbalimbali, changamoto ni kupata wataalamu wenye ujuzi muhimu ili kukuza maendeleo yake. Hata hivyo, wakati hakuna wataalamu wa kutosha, huunda pengo la uvumbuzi, kama vile kuweka muundo wa utengenezaji (DFM) kwanza katika awamu ya Utafiti na Maendeleo, na kisha kugeuka kuwa pengo la utengenezaji wakati ni kuchelewa sana kufanya mabadiliko yenye gharama nafuu.
Muungano, kama vile Muungano mpya wa Vyuo Vikuu wa Watumiaji wa Hypersonics (UCAH), hutoa mazingira muhimu ya kukuza vipaji vinavyohitajika ili kuendeleza uwanja huo. Wanafunzi wanaweza kufanya kazi moja kwa moja na watafiti wa vyuo vikuu na wataalamu wa tasnia ili kukuza teknolojia na kuendeleza utafiti muhimu wa hypersonics.
Ingawa UCAH na mashirika mengine ya ulinzi yaliwaruhusu wanachama kushiriki katika kazi mbalimbali za uhandisi, kazi zaidi lazima ifanyike ili kukuza vipaji mbalimbali na vyenye uzoefu, kuanzia usanifu hadi uundaji wa vifaa na uteuzi hadi warsha za utengenezaji.
Ili kutoa thamani ya kudumu zaidi katika uwanja huo, muungano wa vyuo vikuu lazima ufanye maendeleo ya nguvu kazi kuwa kipaumbele kwa kuendana na mahitaji ya tasnia, kuwashirikisha wanachama katika utafiti unaofaa sekta hiyo, na kuwekeza katika programu hiyo.
Wakati wa kubadilisha teknolojia ya hypersonic kuwa miradi mikubwa inayoweza kutengenezwa, pengo lililopo la ujuzi wa wafanyakazi wa uhandisi na utengenezaji ndilo changamoto kubwa zaidi. Ikiwa utafiti wa mapema hautavuka bonde hili la kifo linaloitwa kwa usahihi—pengo kati ya Utafiti na Maendeleo na utengenezaji, na miradi mingi mikubwa imeshindwa—basi tumepoteza suluhisho linalofaa na linalowezekana.
Sekta ya utengenezaji ya Marekani inaweza kuharakisha kasi ya supersonic, lakini hatari ya kurudi nyuma ni kupanua ukubwa wa nguvu kazi ili ilingane. Kwa hivyo, serikali na muungano wa maendeleo ya vyuo vikuu lazima washirikiane na wazalishaji ili kutekeleza mipango hii.
Sekta hii imepitia mapungufu ya ujuzi kuanzia karakana za utengenezaji hadi maabara za uhandisi - mapungufu haya yataongezeka tu kadri soko la hypersonic linavyokua. Teknolojia zinazoibuka zinahitaji nguvu kazi inayoibuka ili kupanua maarifa katika uwanja huo.
Kazi ya Hypersonic inahusisha maeneo kadhaa muhimu ya vifaa na miundo mbalimbali, na kila eneo lina changamoto zake za kiufundi. Zinahitaji kiwango cha juu cha maarifa ya kina, na ikiwa utaalamu unaohitajika haupo, hii inaweza kusababisha vikwazo kwa maendeleo na uzalishaji. Ikiwa hatuna watu wa kutosha kudumisha kazi, haitawezekana kuendana na mahitaji ya uzalishaji wa kasi ya juu.
Kwa mfano, tunahitaji watu ambao wanaweza kujenga bidhaa ya mwisho. UCAH na mashirika mengine ni muhimu ili kukuza utengenezaji wa kisasa na kuhakikisha kwamba wanafunzi wanaopenda jukumu la utengenezaji wanajumuishwa. Kupitia juhudi za maendeleo ya wafanyakazi zenye utendakazi mtambuka, tasnia itaweza kudumisha faida ya ushindani katika mipango ya ndege za hypersonic katika miaka michache ijayo.
Kwa kuanzisha UCAH, Idara ya Ulinzi inaunda fursa ya kupitisha mbinu inayolenga zaidi kujenga uwezo katika eneo hili. Wanachama wote wa muungano lazima wafanye kazi pamoja kufunza uwezo wa wanafunzi ili tuweze kujenga na kudumisha kasi ya utafiti na kuipanua ili kutoa matokeo ambayo nchi yetu inahitaji.
Muungano wa NASA Advanced Composites Alliance ambao sasa umefungwa ni mfano wa juhudi za maendeleo ya nguvu kazi zilizofanikiwa. Ufanisi wake ni matokeo ya kuchanganya kazi ya Utafiti na Maendeleo na maslahi ya sekta, ambayo inaruhusu uvumbuzi kupanuka katika mfumo mzima wa maendeleo. Viongozi wa sekta wamefanya kazi moja kwa moja na NASA na vyuo vikuu kwenye miradi kwa miaka miwili hadi minne. Wanachama wote wameendeleza ujuzi na uzoefu wa kitaalamu, wamejifunza kushirikiana katika mazingira yasiyo ya ushindani, na kuwalea wanafunzi wa vyuo vikuu ili kukuza ili kukuza wachezaji muhimu wa sekta hiyo katika siku zijazo.
Aina hii ya maendeleo ya nguvu kazi hujaza mapengo katika tasnia na hutoa fursa kwa biashara ndogo ndogo kubuni haraka na kupanua nyanja ili kufikia ukuaji zaidi unaozingatia usalama wa taifa wa Marekani na mipango ya usalama wa kiuchumi.
Miungano ya vyuo vikuu ikijumuisha UCAH ni mali muhimu katika uwanja wa hypersonic na sekta ya ulinzi. Ingawa utafiti wao umekuza uvumbuzi unaoibuka, thamani yao kubwa iko katika uwezo wao wa kutoa mafunzo kwa kizazi chetu kijacho cha wafanyakazi. Muungano huo sasa unahitaji kuweka kipaumbele uwekezaji katika mipango kama hiyo. Kwa kufanya hivyo, wanaweza kusaidia kukuza mafanikio ya muda mrefu ya uvumbuzi hypersonic.
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.
Watengenezaji wa bidhaa tata na zilizotengenezwa kwa ustadi wa hali ya juu (kama vile vipengele vya ndege) hujitolea kufanya ukamilifu kila wakati. Hakuna nafasi ya kuendesha.
Kwa sababu uzalishaji wa ndege ni mgumu sana, watengenezaji lazima wasimamie mchakato wa ubora kwa uangalifu, wakizingatia sana kila hatua. Hii inahitaji uelewa wa kina wa jinsi ya kusimamia na kuzoea masuala ya uzalishaji, ubora, usalama, na ugavi yanayobadilika huku wakikidhi mahitaji ya udhibiti.
Kwa sababu mambo mengi huathiri utoaji wa bidhaa zenye ubora wa juu, ni vigumu kusimamia maagizo tata na yanayobadilika mara kwa mara ya uzalishaji. Mchakato wa ubora lazima uwe na mabadiliko katika kila nyanja ya ukaguzi na usanifu, uzalishaji na majaribio. Shukrani kwa mikakati ya Viwanda 4.0 na suluhisho za kisasa za utengenezaji, changamoto hizi za ubora zimekuwa rahisi kudhibiti na kushinda.
Lengo la kitamaduni la uzalishaji wa ndege limekuwa likizingatia vifaa. Chanzo cha matatizo mengi ya ubora kinaweza kuwa kuvunjika kwa urahisi, kutu, uchovu wa chuma, au mambo mengine. Hata hivyo, uzalishaji wa ndege wa leo unajumuisha teknolojia za hali ya juu na zilizotengenezwa kwa ustadi ambazo hutumia vifaa sugu. Uundaji wa bidhaa hutumia michakato maalum na changamano na mifumo ya kielektroniki. Suluhisho za programu za usimamizi wa shughuli za jumla huenda zisiweze tena kutatua matatizo magumu sana.
Vipuri ngumu zaidi vinaweza kununuliwa kutoka kwa mnyororo wa usambazaji wa kimataifa, kwa hivyo kuzingatia zaidi lazima kupewe katika kuviunganisha katika mchakato mzima wa uunganishaji. Kutokuwa na uhakika huleta changamoto mpya katika mwonekano wa mnyororo wa usambazaji na usimamizi wa ubora. Kuhakikisha ubora wa vipuri vingi na bidhaa zilizokamilika kunahitaji mbinu bora na zilizounganishwa zaidi za ubora.
Viwanda 4.0 vinawakilisha maendeleo ya tasnia ya utengenezaji, na teknolojia za hali ya juu zaidi zinahitajika ili kukidhi mahitaji madhubuti ya ubora. Teknolojia zinazounga mkono ni pamoja na Intanet ya Vitu vya Viwanda (IIoT), nyuzi za kidijitali, uhalisia ulioboreshwa (AR), na uchanganuzi wa utabiri.
Ubora 4.0 unaelezea mbinu ya ubora wa mchakato wa uzalishaji inayoendeshwa na data inayohusisha bidhaa, michakato, mipango, kufuata sheria na viwango. Imejengwa juu ya badala ya kuchukua nafasi ya mbinu za ubora wa jadi, kwa kutumia teknolojia nyingi mpya kama zile za viwandani, ikiwa ni pamoja na kujifunza kwa mashine, vifaa vilivyounganishwa, kompyuta ya wingu, na mapacha ya kidijitali ili kubadilisha mtiririko wa kazi wa shirika na kuondoa bidhaa au michakato inayowezekana Kasoro. Kuibuka kwa Ubora 4.0 kunatarajiwa kubadilisha zaidi utamaduni wa mahali pa kazi kwa kuongeza utegemezi wa data na matumizi ya kina ya ubora kama sehemu ya njia ya jumla ya uundaji wa bidhaa.
Ubora 4.0 hujumuisha masuala ya uendeshaji na uhakikisho wa ubora (QA) kuanzia mwanzo hadi hatua ya usanifu. Hii inajumuisha jinsi ya kubuni na kubuni bidhaa. Matokeo ya utafiti wa hivi karibuni wa sekta yanaonyesha kuwa masoko mengi hayana mchakato wa uhamishaji wa usanifu kiotomatiki. Mchakato wa mwongozo huacha nafasi ya makosa, iwe ni kosa la ndani au muundo wa mawasiliano na mabadiliko kwenye mnyororo wa usambazaji.
Mbali na muundo, Quality 4.0 pia hutumia ujifunzaji wa mashine unaozingatia michakato ili kupunguza upotevu, kupunguza urekebishaji, na kuboresha vigezo vya uzalishaji. Zaidi ya hayo, pia hutatua masuala ya utendaji wa bidhaa baada ya kuwasilishwa, hutumia maoni ya ndani ya kampuni ili kusasisha programu ya bidhaa kwa mbali, kudumisha kuridhika kwa wateja, na hatimaye kuhakikisha biashara inayorudiwa. Inakuwa mshirika asiyeweza kutenganishwa wa Viwanda 4.0.
Hata hivyo, ubora hautumiki tu kwa viungo teule vya utengenezaji. Ujumuishi wa Quality 4.0 unaweza kuingiza mbinu kamili ya ubora katika mashirika ya utengenezaji, na kufanya nguvu ya mabadiliko ya data kuwa sehemu muhimu ya mawazo ya kampuni. Utiifu katika ngazi zote za shirika huchangia katika uundaji wa utamaduni wa ubora kwa ujumla.
Hakuna mchakato wa uzalishaji unaoweza kuendeshwa kikamilifu kwa 100% ya wakati. Mabadiliko ya hali husababisha matukio yasiyotarajiwa ambayo yanahitaji marekebisho. Wale walio na uzoefu katika ubora wanaelewa kuwa yote ni kuhusu mchakato wa kuelekea ukamilifu. Unahakikishaje kwamba ubora umejumuishwa katika mchakato ili kugundua matatizo mapema iwezekanavyo? Utafanya nini utakapopata kasoro? Je, kuna mambo yoyote ya nje yanayosababisha tatizo hili? Ni mabadiliko gani unaweza kufanya kwenye mpango wa ukaguzi au utaratibu wa majaribio ili kuzuia tatizo hili kutokea tena?
Anzisha mtazamo kwamba kila mchakato wa uzalishaji una mchakato wa ubora unaohusiana na unaohusiana. Hebu fikiria mustakabali ambapo kuna uhusiano wa mtu mmoja na upime ubora kila mara. Haijalishi kinachotokea bila mpangilio, ubora kamili unaweza kupatikana. Kila kituo cha kazi hupitia viashiria na viashiria muhimu vya utendaji (KPI) kila siku ili kubaini maeneo ya kuboresha kabla ya matatizo kutokea.
Katika mfumo huu wa mzunguko uliofungwa, kila mchakato wa uzalishaji una hitimisho la ubora, ambalo hutoa maoni ili kusimamisha mchakato, kuruhusu mchakato kuendelea, au kufanya marekebisho ya wakati halisi. Mfumo hauathiriwa na uchovu au makosa ya kibinadamu. Mfumo wa ubora wa mzunguko uliofungwa ulioundwa kwa ajili ya uzalishaji wa ndege ni muhimu ili kufikia viwango vya juu vya ubora, kufupisha muda wa mzunguko, na kuhakikisha kufuata viwango vya AS9100.
Miaka kumi iliyopita, wazo la kuzingatia QA kwenye muundo wa bidhaa, utafiti wa soko, wasambazaji, huduma za bidhaa, au mambo mengine yanayoathiri kuridhika kwa wateja halikuwezekana. Ubunifu wa bidhaa unaeleweka kuwa unatoka kwa mamlaka ya juu; ubora unahusu kutekeleza miundo hii kwenye mstari wa uunganishaji, bila kujali mapungufu yake.
Leo, makampuni mengi yanafikiria upya jinsi ya kufanya biashara. Hali ilivyo mwaka 2018 huenda isiwezekane tena. Watengenezaji wengi zaidi wanazidi kuwa werevu na werevu. Maarifa zaidi yanapatikana, ambayo yanamaanisha akili bora ya kujenga bidhaa sahihi kwa mara ya kwanza, kwa ufanisi na utendaji wa hali ya juu.