Aviācijas un kosmosa plastmasas iesmidzināšana: galvenās sastāvdaļas, dizaina apsvērumi, materiāli un nākotnes tendences
Pirms septiņām nedēļām aizsardzības darbuzņēmēja kvalitātes vadītājs nosūtīja mums fotogrāfijas ar PEEK savienotāju korpusiem, kas bija sākuši plaisāt uz montāžas līnijas. Detaļas no vienas ražošanas partijas, viena piegādātāja, vienas un tās pašas materiālu partijas-dažas perfektas, dažas bojātas. Viņa precīzie vārdi: "Mēs izmantojam šo piegādātāju trīs gadus un tagad viss brūk."
Mēs nepieņēmām šo projektu. Ne tāpēc, ka nevarējām noskaidrot, kas nogāja greizi-pamatcēlonis bija acīmredzams stundas laikā pēc viņu procesa ierakstu apskatīšanas,-bet tāpēc, ka īstā problēma nebija daļās. Patiesā problēma bija tā, ka viņu piegādātāju kvalifikācijas process nekad nebija uzdevis pareizos jautājumus.
Tāda situācija pie mums parādās apmēram reizi mēnesī. Kāds kvalificēja piegādātāju, pamatojoties uz sertifikātiem un cenu, gadu vai divus palaida ražošanu bez problēmām, tad kaut kas mainījās un pēkšņi nekas nedarbojas. Piegādātājs zvēr, ka nekas nav mainījies. Klientam nav apstrādes datu, kas pierādītu pretējo. Visi rāda ar pirkstiem, kamēr ražošanas līnija nedarbojas.
Neērtā patiesība par aviācijas un kosmosa plastmasas pārveidošanas projektiem
Metāla-uz-plastmasas konversijas ekonomika uz papīra izskatās iespaidīga. Svara ietaupījums, pateicoties degvielas izmaksām gaisa kuģa kalpošanas laikā. Apjomā vienības izmaksas samazinās uz pusi vai vairāk. Izpildes laiks tiek samazināts no mēnešiem līdz nedēļām.
Aitiip-Liebherr sadarbība, kas tiek pieminēta visur-40% svara samazināšana, 30% izmaksu ietaupījums — atspoguļo to, kas notiek, kad viss notiek pareizi. Kas neietilpst šajos gadījumu pētījumos: astoņpadsmit mēnešu procesa izstrāde, trīs instrumentu iterācijas, specializētās aprīkojuma investīcijas, kas padarīja šos skaitļus iespējamus.
Mēs citējām iekavu programmu pagājušajā ceturksnī, kur klienta vēsturiskās alumīnija apstrādes izmaksas bija aptuveni 400 USD par vienību. Mūsu iesmidzināšanas formēšanas piedāvājums bija zem 60 USD. Acīmredzams lēmums, vai ne?
Izņemot to, ka alumīnija kronšteinam bija mehāniski apstrādāta blīvējuma virsma ar 0,4 Ra apdares prasību. Lai sasniegtu šo virsmas kvalitāti tieši no veidnes, ir nepieciešamas instrumentu modifikācijas, kas instrumenta izmaksām pievienoja USD 35 000. Vai arī mēs varētu to veidot un pēc tam apstrādāt blīvējuma virsmu,{5}}kas papildināja apstrādi, sekundārās darbības un palielināja vienības izmaksas līdz 85 ASV dolāriem.
Joprojām labs projekts. Joprojām ievērojams ietaupījums. Bet atšķirība starp virsraksta numuru un reālo skaitli ir svarīga, kad finanses veic atmaksāšanās aprēķinus. Projekti tiek nogalināti šīs plaisas dēļ. Labi projekti, projekti, kuriem vajadzētu notikt, iet bojā, jo kāds vispirms iepazīstināja ar optimistisko gadījumu un pēc tam bija jāatgriežas.
Kas PEEK apstrādei patiesībā ir nepieciešams
Victrex un Solvay materiālu datu lapās ir publicēti apstrādes parametri, kas lieliski darbojas rūpnieciskos lietojumos. Šie parametri radīs aviācijas un kosmosa daļas, kas iztur izmēru pārbaudi un nedarbosies.
Acīmredzams piemērs ir pelējuma temperatūra. Publicētais minimums ir ap160 grādi. Detaļas, kas veidotas tādā temperatūrā, izskatās pareizi, mēra pareizi, un tām ir varbūt 25% kristāliskuma. Detaļas formētas plkst190-200 grādihit 35%+ kristāliskums. Noguruma dzīves ilguma atšķirība nav pakāpeniska,{3}}tā ir multiplikatīva.
Problēma ir tajā, ka skrien200 grādipelējuma temperatūrai ir nepieciešamas eļļas sildīšanas sistēmas, veidņu konstrukcijas ar atbilstošu termisko masu un procesa kontrole, kuras lielākajai daļai iekārtu nav. Apkārt atrodas veikals, kurā darbojas karstā ūdens temperatūras kontrole95 grādi. Viņi joprojām var veidot PEEK. Detaļas joprojām tiks nosūtītas. Galu galā detaļas joprojām neizdosies tādos veidos, kurus ir ļoti grūti izsekot apstrādes apstākļiem.
Oglekļa-pildītās pakāpes pievieno vēl vienu slāni. Bīdes karsēšana no oglekļa šķiedras pildvielas maina termisko profilu caur mucu. Standarta skrūvju ģeometrija, kas lieliski darbojas ar stiklu{3}}pildītiem materiāliem, rada karstos punktus ar oglekļa pildījumu. Materiāls lokāli sadalās, pirms tas pat sasniedz pelējumu. Jūs to nevarat redzēt. To nevar izmērīt ienākošajā pārbaudē. Jūs uzzināsit, kad detaļas sāk sabojāt laukā.
Nav sertifikāta, kas apstiprinātu šo īpašo iespēju. AS9100 aptver kvalitātes sistēmas. NADCAP aptver īpašus procesus. Neviens nejautā, vai iekārta patiešām var turēt200 grādipelējuma temperatūra iekšpusē±3 grādivairāku{0}}dobumu rīkā, darbojoties ar oglekli-pildītu PEEK. Uz šo jautājumu atbilde tiek sniegta piegādātāju kvalifikācijas auditu laikā,{3}}ja auditors to zina.
Sertifikācijas problēma, par kuru neviens nerunā
AS9100D reģistrācija nozīmē, ka uzņēmumam ir dokumentēti kvalitātes vadības procesi. Tas nenozīmē, ka viņi var izgatavot jūsu detaļas. Mēs esam redzējuši, ka AS9100-sertificētas iekārtas piedāvā augstas temperatūras polimēru projektus, kad to aprīkojums fiziski nevar sasniegt nepieciešamos procesa apstākļus.
Tas ne vienmēr ir krāpšana. Daudzas iekārtas patiesi uzskata, ka tās var apstrādāt jebkuru termoplastu, jo iekārtas ir paredzētas temperatūras diapazonam. Viņi nesaprot, ka vērtējumi un ilgstošas spējas ir dažādas lietas vai ka pastāv materiālas -specifiskas procesa prasības, kas pārsniedz to, kas skaidri norādīts datu lapā.
NADCAP akreditācija nodrošina lielāku pārliecību, jo tā apstiprina konkrētus ražošanas procesus, nevis vispārīgas sistēmas. Bet akreditācijas jomai ir nozīme. Iekārta, kas akreditēta standarta iesmidzināšanas formēšanas procesiem, iespējams, nekad nav palaidusi augstas temperatūras polimēru caur šo akreditēto kameru. Akreditācija aptver procesu, nevis visus iespējamos materiālus, kurus teorētiski varētu apstrādāt.
Faktiski svarīgiem audita jautājumiem nav nekāda sakara ar sertifikātiem. Tie ietver konkrētus procesa parametrus konkrētajiem jūsu programmas materiāliem, dokumentētus procesa iespēju pētījumus un vēsturiskos ienesīguma datus par līdzīgām lietojumprogrammām. Ja piegādātājs nevar uzrādīt šo dokumentāciju, sertifikācija nav svarīga.
Materiālu izvēle ārpus datu lapas
PEEK dominē aviācijas un kosmosa plastmasas sarunās, jo tā apstrādā visplašāko apstākļu diapazonu{0}}temperatūra, ķīmiskās vielas, mehāniskais spriegums, starojums. Tas arī maksā aptuveni 100 USD par kilogramu, kas nozīmē, ka materiālu izmaksas kļūst ievērojamas pie jebkura saprātīga apjoma.
PPS
PPS apstrādā daudzas no tām pašām lietojumprogrammām, maksājot 25–30 USD par kilogramu. Kompromisi ir šaurāki apstrādes logi, zemāka triecienizturība un lielāka jutība pret šķiedru orientācijas efektiem. Komponentiem, kuriem ķīmiski agresīvā vidē būs redzama galvenokārt statiskā slodze, PPS bieži vien ir saprātīgāks nekā PEEK. Attiecībā uz jebko, kam ir dinamiskas slodzes vai trieciena prasības, izmaksu atšķirībai nav nozīmes.
Ultem
Ultem parādās elektriskajos un elektroniskajos korpusos tā dielektrisko īpašību un raksturīgās liesmas izturības dēļ. Apstrādes temperatūra ir zemāka par PEEK, aprīkojuma prasības ir mazāk stingras, un materiālu izmaksas ir kaut kur pa vidu. Lietojumprogrammām, kurās elektriskā veiktspēja ir svarīgāka par mehānisko veiktspēju, Ultem ļauj izvairīties no izmaksām un apstrādes sarežģījumiem, ko rada PEEK, neapdraudot funkciju.
Saruna par materiālu izvēli parasti notiek pārāk vēlu izstrādes procesā. Līdz brīdim, kad daļas sasniedz kotēšanas stadiju, inženierija jau ir norādījusi materiālu, pamatojoties uz publicētajām īpašībām, neņemot vērā ražošanas ietekmi. Mainot materiālu šajā brīdī, ir nepieciešama atkārtota-validācija, atjaunināti rasējumi, potenciāli jauni rīki-, kas palielina izmaksas un kavēšanos, ko būtu bijis iespējams izvairīties, ja piegādātājs būtu iesaistījies agrāk.
Instrumentu investīcijas un programmu ekonomika
Iesmidzināšanas veidņu instrumenti aviācijas un kosmosa lietojumiem parasti maksā no 50 000 līdz 150 000 USD atkarībā no sarežģītības. Šis numurs rada uzlīmes triecienu programmām, kurās vēsturiski ir iegādātas mehāniski apstrādātas detaļas bez instrumentiem.
Šim salīdzinājumam nav jēgas. Mehāniski apstrādātām detaļām katrai vienībai ir noteiktas izmaksas par{1}}piestiprināšanu, programmēšanu, iekārtas uzstādīšanu un kvalifikāciju. Šīs izmaksas ir tikai iekļautas gabala cenā, nevis tiek izsauktas atsevišķi. Mehāniski apstrādātā detaļā 400 ASV dolāru vērtībā var būt iekļautas 80 ASV dolāru amortizētas iestatīšanas un programmēšanas izmaksas, kuras neviens neizseko, jo tai nav rindas vienības.
Vēl svarīgāk ir tas, ka ieguldījumi instrumentos rada sviras efektu. Kad instruments ir un ir kvalificēts, papildu detaļu izmaksas tuvojas izejmateriālam un cikla laikam. Ražošana var palielināties atkarībā no pieprasījuma. Steidzami pasūtījumi kļūst iespējami. Dizaina izmaiņas, kurām būtu nepieciešama pilnīga{4}pārprogrammēšana apstrādei, kļūst par rīku modifikācijām, kas nodrošina procesa validāciju.
Programmas, kurām nav jēgas iesmidzināšanai, ir maza{0}}apjoma, liela{1}}jaukta lietojumprogrammas, kurās instrumenti nevar efektīvi amortizēties un ģeometrija bieži mainās. Ja kopējais kalpošanas laiks ir mazāks par 500 vienībām, apstrāde parasti uzvar. Virs šī sliekšņa aprēķins mainās atkarībā no daļas sarežģītības, pielaides prasībām un programmas ilguma.
Ko kvalifikācija patiesībā ietver
Pirmā izstrādājuma pārbaude aviācijas un kosmosa iesmidzināšanas veidnēm ir vairāk iesaistīta, nekā vairums pircēju gaida. Pati FAI ir vienkārša-dimensiju pārbaude, salīdzinot ar rasējumu, materiālu sertifikāciju un procesa parametru dokumentāciju. Procesa validācija, kas notiek pirms FAI, ir vieta, kur programmas gūst panākumus vai neizdodas.
Dobuma spiediena kontroleuz kvalifikācijas daļām nosaka procesa parakstu, kuram ir jāatbilst ražošanas gaitām. Tas nav obligāti kritiskām lietojumprogrammām. Dobuma spiediena pēdas parāda, vai daļa ir pareizi piepildīta, pareizi iepakota un pareizi atdzesēta katrā šāvienā. Daļas, kas mēra pareizi, bet kurām ir neparastas spiediena pēdas, norāda uz procesa nestabilitāti, kas galu galā radīs defektus.
Kristalitātes pārbaudePEEK un citiem daļēji{0}}kristāliskiem materiāliem. Kvalifikācijas paraugu DSC analīze nosaka bāzes kristāliskuma līmeni. Ražošanas daļas var precīzi-salīdzināt ar šo bāzes līniju. Ja piegādātāja process mainās -tīši vai nē-, kristāliskums bieži vien ir pirmais rādītājs, ka kaut kas ir mainījies.
Statistikas procesa iespējasnepieciešami paraugu lielumi, kas aprēķināti no kritisko dimensiju skaita un nepieciešamā ticamības līmeņa. Ar trīsdesmit{1}}diviem paraugiem daļai ar trim kritiskajām dimensijām pie Cpk 1,33 nepietiek. Matemātika nav sarežģīta, taču tā bieži tiek veikta nepareizi, kā rezultātā tiek veikti spēju pētījumi, kas faktiski nepierāda spējas.
Priekšlikumu lasīšana un sarkano karogu identificēšana
Citāti vairāk pastāsta par piegādātāja faktiskajām iespējām, nevis to spēju prezentācijas.
Izpildes laika aprēķini, kas dažādās detaļu sarežģītībās izskatās identiski, liecina, ka piegādātājs faktiski nav novērtējis jūsu īpašās prasības. Vienkāršam P20 tērauda-dobuma instrumentam ir atšķirīgs izpildes laiks nekā četru-dobumu instrumentam H13 ar konformālu dzesēšanu. Ja citātā ir teikts “16 nedēļas” abiem, kāds izmanto veidni, nevis veic inženieriju.
Materiālu specifikācijas, kas rakstītas kā "PEEK vai ekvivalents" bez kategorijas norādes, norāda uz piegādātāju, kurš plāno iegādāties lētāko tehniski atbilstošo iespēju. Strukturāliem lietojumiem atšķirība starp PEEK 450G un 150G nav niecīga. Ja citātā nav jautāts, kura pakāpe, piegādātājs nesaprot pieteikumu.
Pirmo izstrādājumu daudzums apaļos skaitļos{0}}tieši 50, tieši 100 — liecina, ka izlases lielums netika aprēķināts, pamatojoties uz jūsu īpašajām pielaides prasībām. Procesa iespēju validācijas izlases lielumi ir atkarīgi no kritisko raksturlielumu skaita un nepieciešamā ticamības līmeņa. Aprēķinos reti tiek iegūti apaļi skaitļi.
Gabalu cena, kas dramatiski samazinās apjomos, ko programma nekad nesasniegs, norāda, ka piegādātājs pērk uzņēmumu ar pievilcīgu virsraksta numuru. Ja jūsu gada apjoms ir 2000 vienību un piedāvājumā ir norādītas pārliecinošas cenas 10 000 apmērā, šai cenai nav nozīmes. Apskatiet numuru, kas atbilst jūsu faktiskajām prasībām.
Attīstības laika skalas realitāte
Jaunām aviācijas un kosmosa iesmidzināšanas liešanas programmām normālos apstākļos ir nepieciešamas 20–30 nedēļas no sākotnējās iesaistīšanas līdz kvalificētām daļām. Šajā laika grafikā ietilpst DFM analīze, instrumentu projektēšana, rīku izveide, procesa izstrāde, pirmā izstrādājuma pārbaude un kvalifikācijas dokumentācija.
Mēģinājumi saspiest šo laika skalu parasti neizdodas. Rīka izstrādi var paātrināt, iztērējot naudu-virsstundām, izciliem materiāliem un īpašu jaudu. Procesu izstrādi nevar saspiest, jo fizika nosaka, cik ilgi faktiski notiek materiālu testēšana, procesu izpēte un kvalifikācijas darbi. Tērauds atdziest ar ātrumu, kādā tas atdziest. Polimērs kristalizējas tādā ātrumā, kā tas kristalizējas.
Programmas, kas sākas ar agresīviem laika grafikiem, parasti beidzas vēlāk nekā programmas, kas sākās ar reāliem laika grafikiem. Agresīvais grafiks rada spiedienu izlaist procesa izstrādes posmus, kas pēc tam ir jāatkārto, kad ražošanā rodas problēmas. Rīks, kas tiek piegādāts divas nedēļas agrāk, bet ražo detaļas ar 15% metāllūžņu daudzumu, faktiski nav apsteidzis grafiku.
Esošajiem, kvalificētajiem instrumentiem ārkārtas situācijas grafiki ir atšķirīgi. Kvalificētu instrumentu pārvietošana starp iekārtām vai ražošanas atsākšana pēc pauzes var notikt nedēļās, nevis mēnešos, jo procesa attīstība jau ir notikusi. Jaunajām programmām šādas iespējas nav.
Kad iesmidzināšana nav risinājums
Dažus aviācijas un kosmosa lietojumus nevajadzētu iesmidzināt neatkarīgi no apjoma ekonomijas.
Komponenti ar koncentrētiem sprieguma stāvvadiem neparedzamās orientācijās nekonsekventi darbojas ar šķiedru{0}}pastiprinātām termoplastiskām vielām. Šķiedru orientācija seko plūsmas modeļiem, kas ir atkarīgi no vārtu atrašanās vietas, daļas ģeometrijas un uzpildes ātruma. Daļa ir spēcīga, ja šķiedras sakrīt ar stresu, un vāja, kur tās nav. Šķiedru orientācijas prognozēšanai un kontrolei ir nepieciešamas simulācijas iespējas un apstrādes vadīklas, kas palielina izmaksas un sarežģītību.
Blīvēšanas virsmām, kurām nepieciešama apdare, kas pārsniedz to, ko var iegūt ar formēšanu, nepieciešama sekundāra apstrāde. Šāda apstrāde atbrīvo no formēšanas procesa atlikušo spriegumu un var izraisīt izmēru nobīdi pazīmēm, kuras pirms apstrādes ir izmērītas pareizi. Formēšanas un apstrādes kombinācija palielina tolerances,{2}}kas tiek novērsta, veicot tīru apstrādi vai formēšanu.
Detaļām, kurām nepieciešama pēc-veidnes montāža ar ieliktņiem vai iespiežot{1}}ieliktņus, laika gaitā ir nepieciešama izmēru stabilitāte, ko daži polimēri nevar nodrošināt. Termoplastu šļūdes un spriedzes atslābināšana izraisa traucējumus, kas mēnešiem vai gadiem atslābina. Dizainiem, kas lieliski darbojas alumīnijā, var būt nepieciešamas būtiskas izmaiņas, lai tās darbotos plastmasā.
Ļoti stingras ģeometriskās pielaides lielām daļām izraisa termiskās izplešanās atšķirības starp plastmasu un mērīšanas aprīkojumu. 300 mm plastmasas detaļa, kas mērīta 20 grādos, ievērojami atšķirsies 35 grādos. Mērījumu nosacījumu noteikšana kļūst par daļu no izmēru specifikācijas, un ne visas pārbaudes iekārtas var nodrošināt nepieciešamo vides kontroli.
Sarunas sākšana
Ja jūsu galdā ir aviācijas un kosmosa plastmasas iesmidzināšanas liešanas projekts-jauna izstrāde, esošās piegādātāja problēmas, metāla konversijas novērtējums-, tālākais ceļš ir atkarīgs no tā, kur šajā procesā atrodaties.
Agrīnās{0}}posma materiālu atlase gūst labumu no piegādātāja ieguldījuma, pirms inženierija pabeidz specifikācijas. Materiālu izvēles ietekme uz ražošanu ietekmē projekta ekonomiku tādā veidā, ko datu lapu salīdzinājumi nenorāda. Potenciālo piegādātāju iesaistīšana materiālu atlases laikā, nevis pēc tam, novērš specifikācijas lēmumu pieņemšanu, kas rada pakārtotas problēmas.
Programmām ar esošu dizainu pirms piedāvāšanas ir nepieciešams ražotspējas novērtējums. DFM analīze identificē problēmas, kas pretējā gadījumā tiktu atklātas rīka atkļūdošanas vai ražošanas ātruma laikā. Analīzes izmaksas ir niecīgas salīdzinājumā ar instrumenta modifikāciju vai ražošanas kvalitātes problēmu izmaksām.
Pašreizējās piegādātāja situācijas, kas nedarbojas, prasa godīgu novērtējumu par to, vai problēma ir atrisināma ar pašreizējo piegādātāju vai arī nepieciešama alternatīva avota kvalifikācija. Dažreiz atbilde ir procesa uzlabojumi pie esošā piegādātāja. Dažreiz atbilde ir sākt no jauna ar kādu, kuram ir atbilstošas spējas.
Mēs risinām visas šīs situācijas, taču ne visas no tām atbilst tam, ko mēs darām labi. Sākotnējā saruna nosaka, vai ir atbilstība. Ja ir, mēs pārejam uz formālu citātu. Ja nav, mēs tā sakām.
Aviācijas un kosmosa plastmasas iesmidzināšanas liešanas piegādes bāze svārstās no preču liešanas uzņēmumiem, kas cer kļūt par kosmosa aviāciju, līdz specializētām iekārtām, kas koncentrējas tikai uz augstas veiktspējas{0}}polimēru apstrādi. Sertifikāti tos nevar ticami atšķirt. Cena tos nevar droši atšķirt. Iespējas kļūst redzamas tikai ar detalizētu tehnisko novērtējumu vai diemžēl ražošanas problēmu dēļ.
Šajā rakstā minētie jautājumi sniedz pamatu šim novērtējumam. Atbildes nosaka, vai piegādātājam patiešām ir tas, ko pieprasa jūsu programma,{1}}vai arī viņa piedāvājums atspoguļo iespējas, ko viņš vēl nav izstrādājis.