Selon SmarTech, une société de conseil en technologies de fabrication, l'aérospatiale est la deuxième plus grande industrie desservie par la fabrication additive (FA), juste derrière la médecine.Cependant, on manque encore de conscience du potentiel de la fabrication additive de matériaux céramiques pour la fabrication rapide de composants aérospatiaux, une flexibilité et une rentabilité accrues.La FA peut produire des pièces en céramique plus solides et plus légères plus rapidement et de manière plus durable, réduisant ainsi les coûts de main-d'œuvre, minimisant l'assemblage manuel et améliorant l'efficacité et les performances grâce à une conception développée par modélisation, réduisant ainsi le poids de l'avion.De plus, la technologie de fabrication additive céramique permet un contrôle dimensionnel des pièces finies pour des caractéristiques inférieures à 100 microns.
Cependant, le mot céramique peut évoquer une idée fausse de fragilité.En fait, les céramiques fabriquées de manière additive produisent des pièces plus légères et plus fines, dotées d’une grande résistance structurelle, d’une grande ténacité et d’une résistance à une large plage de températures.Les entreprises tournées vers l’avenir se tournent vers la fabrication de composants en céramique, notamment des tuyères et des hélices, des isolants électriques et des aubes de turbine.
Par exemple, l'alumine de haute pureté a une dureté élevée et présente une forte résistance à la corrosion et une forte plage de température.Les composants en alumine sont également électriquement isolants aux températures élevées courantes dans les systèmes aérospatiaux.
Les céramiques à base de zircone peuvent répondre à de nombreuses applications exigeant des matériaux extrêmes et des contraintes mécaniques élevées, telles que le moulage de métaux haut de gamme, les vannes et les roulements.Les céramiques de nitrure de silicium ont une résistance élevée, une ténacité élevée et une excellente résistance aux chocs thermiques, ainsi qu'une bonne résistance chimique à la corrosion d'une variété d'acides, d'alcalis et de métaux en fusion.Le nitrure de silicium est utilisé pour les isolants, les turbines et les antennes à haute température et à faible diélectrique.
Les céramiques composites offrent plusieurs qualités souhaitables.Les céramiques à base de silicium additionnées d'alumine et de zircon se sont révélées efficaces dans la fabrication de pièces moulées monocristallines pour aubes de turbine.En effet, le noyau céramique constitué de ce matériau présente une très faible dilatation thermique jusqu'à 1 500°C, une porosité élevée, une excellente qualité de surface et une bonne lixiviabilité.L'impression de ces noyaux peut produire des conceptions de turbine capables de résister à des températures de fonctionnement plus élevées et d'augmenter l'efficacité du moteur.
Il est bien connu que le moulage par injection ou l’usinage des céramiques est très difficile et que l’usinage offre un accès limité aux composants en cours de fabrication.Des éléments tels que des parois minces sont également difficiles à usiner.
Cependant, Lithoz utilise la fabrication de céramique basée sur la lithographie (LCM) pour fabriquer des composants céramiques 3D précis et de forme complexe.
À partir du modèle CAO, les spécifications détaillées sont transférées numériquement à l'imprimante 3D.Appliquez ensuite la poudre céramique formulée avec précision sur le dessus de la cuve transparente.La plate-forme de construction mobile est immergée dans la boue puis exposée sélectivement à la lumière visible du dessous.L'image de la couche est générée par un dispositif numérique à micro-miroir (DMD) couplé au système de projection.En répétant ce processus, une partie verte tridimensionnelle peut être générée couche par couche.Après le post-traitement thermique, le liant est retiré et les pièces vertes sont frittées (combinées par un processus de chauffage spécial) pour produire une pièce en céramique complètement dense avec d'excellentes propriétés mécaniques et qualité de surface.
La technologie LCM offre un processus innovant, rentable et plus rapide pour le moulage à modèle perdu de composants de moteurs à turbine, en contournant la fabrication coûteuse et laborieuse de moules requise pour le moulage par injection et le moulage à la cire perdue.
LCM peut également réaliser des conceptions qui ne peuvent pas être réalisées par d’autres méthodes, tout en utilisant beaucoup moins de matières premières que les autres méthodes.
Malgré le grand potentiel des matériaux céramiques et de la technologie LCM, il existe encore un écart entre les fabricants d'équipement d'origine (OEM) de fabrication additive et les concepteurs aérospatiaux.
Une des raisons pourrait être la résistance aux nouvelles méthodes de fabrication dans les industries ayant des exigences de sécurité et de qualité particulièrement strictes.La fabrication aérospatiale nécessite de nombreux processus de vérification et de qualification, ainsi que des tests approfondis et rigoureux.
Un autre obstacle réside dans la croyance selon laquelle l’impression 3D ne convient principalement qu’au prototypage rapide ponctuel, plutôt qu’à tout ce qui peut être utilisé dans les airs.Encore une fois, il s’agit d’un malentendu, et il a été prouvé que les composants céramiques imprimés en 3D sont utilisés dans la production de masse.
Un exemple est la fabrication d'aubes de turbine, où le procédé céramique AM produit des noyaux monocristallins (SX), ainsi que des aubes de turbine en superalliage à solidification directionnelle (DS) et à coulée équiaxiale (EX).Les noyaux avec des structures de branchement complexes, des parois multiples et des bords de fuite inférieurs à 200 μm peuvent être produits rapidement et économiquement, et les composants finaux ont une précision dimensionnelle constante et une excellente finition de surface.
L'amélioration de la communication peut rapprocher les concepteurs aérospatiaux et les équipementiers de FA et faire pleinement confiance aux composants en céramique fabriqués à l'aide de LCM et d'autres technologies.La technologie et l’expertise existent.Il faut changer la façon de penser de la FA en matière de R&D et de prototypage, et la considérer comme la voie à suivre pour les applications commerciales à grande échelle.
Outre l’éducation, les entreprises aérospatiales peuvent également investir du temps dans le personnel, l’ingénierie et les tests.Les fabricants doivent connaître les différentes normes et méthodes d’évaluation des céramiques et non des métaux.Par exemple, les deux normes ASTM clés de Lithoz pour les céramiques structurelles sont ASTM C1161 pour les tests de résistance et ASTM C1421 pour les tests de ténacité.Ces normes s'appliquent aux céramiques produites par toutes les méthodes.Dans la fabrication additive céramique, l’étape d’impression n’est qu’une méthode de formage, et les pièces subissent le même type de frittage que les céramiques traditionnelles.La microstructure des pièces en céramique sera donc très similaire à celle d’un usinage conventionnel.
Grâce aux progrès continus des matériaux et de la technologie, nous pouvons affirmer avec certitude que les concepteurs obtiendront davantage de données.De nouveaux matériaux céramiques seront développés et personnalisés en fonction de besoins techniques spécifiques.Les pièces en céramique FA complèteront le processus de certification pour une utilisation dans l’aérospatiale.Et fournira de meilleurs outils de conception, tels qu'un logiciel de modélisation amélioré.
En coopérant avec les experts techniques de LCM, les entreprises aérospatiales peuvent introduire des procédés céramiques FA en interne, réduisant ainsi les délais, les coûts et créant des opportunités pour le développement de leur propre propriété intellectuelle.Avec de la prévoyance et une planification à long terme, les entreprises aérospatiales qui investissent dans la technologie céramique peuvent récolter des bénéfices significatifs dans l’ensemble de leur portefeuille de production au cours des dix prochaines années et au-delà.
En établissant un partenariat avec AM Ceramics, les équipementiers de l’aérospatiale produiront des composants auparavant 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 parlera des difficultés liées à la communication efficace des avantages de la fabrication additive céramique à la Ceramics Expo à Cleveland, Ohio, le 1er septembre 2021.
Bien que le développement de systèmes de vol hypersoniques existe depuis des décennies, il est désormais devenu la priorité absolue de la défense nationale américaine, ce qui amène ce domaine dans un état de croissance et de changement rapide.En tant que domaine multidisciplinaire unique, le défi est de trouver des experts possédant les compétences nécessaires pour favoriser son développement.Cependant, lorsqu'il n'y a pas suffisamment d'experts, cela crée un déficit d'innovation, par exemple en plaçant la conception pour la fabricabilité (DFM) en premier dans la phase de R&D, puis en se transformant en un déficit de fabrication lorsqu'il est trop tard pour apporter des changements rentables.
Les alliances, telles que la nouvelle Alliance universitaire pour l'hypersonique appliquée (UCAH), fournissent un environnement important pour cultiver les talents nécessaires pour faire progresser ce domaine.Les étudiants peuvent travailler directement avec des chercheurs universitaires et des professionnels de l’industrie pour développer des technologies et faire progresser la recherche hypersonique critique.
Bien que l'UCAH et d'autres consortiums de défense aient autorisé leurs membres à occuper divers postes d'ingénierie, davantage de travail doit être fait pour cultiver des talents divers et expérimentés, de la conception au développement de matériaux et à la sélection jusqu'aux ateliers de fabrication.
Afin d'offrir une valeur plus durable dans le domaine, l'alliance universitaire doit faire du développement de la main-d'œuvre une priorité en s'alignant sur les besoins de l'industrie, en impliquant ses membres dans des recherches adaptées à l'industrie et en investissant dans le programme.
Lors de la transformation de la technologie hypersonique en projets manufacturables à grande échelle, le déficit existant de compétences en matière d’ingénierie et de fabrication constitue le plus grand défi.Si les premières recherches ne franchissent pas cette bien nommée vallée de la mort – le fossé entre la R&D et l’industrie manufacturière, et de nombreux projets ambitieux ont échoué – alors nous avons perdu une solution applicable et réalisable.
L'industrie manufacturière américaine peut accélérer à une vitesse supersonique, mais le risque de prendre du retard est d'augmenter la taille de la main-d'œuvre en conséquence.Par conséquent, les consortiums de développement gouvernementaux et universitaires doivent coopérer avec les fabricants pour mettre ces plans en pratique.
L’industrie a connu des déficits de compétences entre les ateliers de fabrication et les laboratoires d’ingénierie – ces écarts ne feront que se creuser à mesure que le marché hypersonique se développe.Les technologies émergentes nécessitent une main-d’œuvre émergente pour élargir les connaissances dans le domaine.
Le travail hypersonique couvre plusieurs domaines clés différents de divers matériaux et structures, et chaque domaine présente son propre ensemble de défis techniques.Ils nécessitent un niveau élevé de connaissances détaillées, et si l’expertise requise n’existe pas, cela peut créer des obstacles au développement et à la production.Si nous n’avons pas suffisamment de personnel pour maintenir l’emploi, il sera impossible de répondre à la demande de production à grande vitesse.
Par exemple, nous avons besoin de personnes capables de construire le produit final.L'UCAH et d'autres consortiums sont essentiels pour promouvoir l'industrie manufacturière moderne et garantir que les étudiants intéressés par le rôle de l'industrie manufacturière soient inclus.Grâce à des efforts interfonctionnels de développement de la main-d’œuvre dédiée, l’industrie sera en mesure de conserver un avantage concurrentiel dans les plans de vol hypersoniques au cours des prochaines années.
En créant l'UCAH, le ministère de la Défense crée une opportunité d'adopter une approche plus ciblée du renforcement des capacités dans ce domaine.Tous les membres de la coalition doivent travailler ensemble pour former les capacités spécialisées des étudiants afin que nous puissions créer et maintenir la dynamique de la recherche et l'étendre pour produire les résultats dont notre pays a besoin.
La NASA Advanced Composites Alliance, désormais fermée, est un exemple d'effort réussi de développement de la main-d'œuvre.Son efficacité résulte de la combinaison des travaux de R&D et des intérêts industriels, ce qui permet à l’innovation de se développer dans l’ensemble de l’écosystème de développement.Les leaders de l'industrie travaillent directement avec la NASA et les universités sur des projets depuis deux à quatre ans.Tous les membres ont développé des connaissances et une expérience professionnelles, ont appris à coopérer dans un environnement non compétitif et ont encouragé les étudiants à se développer pour former les principaux acteurs de l'industrie à l'avenir.
Ce type de développement de la main-d'œuvre comble les lacunes du secteur et offre aux petites entreprises la possibilité d'innover rapidement et de diversifier le domaine afin de parvenir à une croissance plus favorable aux initiatives américaines en matière de sécurité nationale et de sécurité économique.
Les alliances universitaires, dont l’UCAH, constituent des atouts importants dans le domaine hypersonique et l’industrie de la défense.Bien que leurs recherches aient favorisé les innovations émergentes, leur plus grande valeur réside dans leur capacité à former notre prochaine génération de main-d’œuvre.Le consortium doit désormais donner la priorité aux investissements dans de tels projets.Ce faisant, ils peuvent contribuer au succès à long terme de l’innovation hypersonique.
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.
Les fabricants de produits complexes et hautement techniques (tels que les composants d’avions) s’engagent à chaque fois à atteindre la perfection.Il n’y a aucune marge de manœuvre.
La production aéronautique étant extrêmement complexe, les constructeurs doivent gérer soigneusement le processus qualité, en accordant une grande attention à chaque étape.Cela nécessite une compréhension approfondie de la manière de gérer et de s'adapter aux problèmes dynamiques de production, de qualité, de sécurité et de chaîne d'approvisionnement tout en respectant les exigences réglementaires.
Étant donné que de nombreux facteurs affectent la livraison de produits de haute qualité, il est difficile de gérer des commandes de production complexes et fréquemment changeantes.Le processus qualité doit être dynamique dans tous les aspects de l’inspection et de la conception, de la production et des tests.Grâce aux stratégies de l'Industrie 4.0 et aux solutions de fabrication modernes, ces défis de qualité sont devenus plus faciles à gérer et à surmonter.
La production aéronautique a toujours été axée sur les matériaux.La source de la plupart des problèmes de qualité peut être la rupture fragile, la corrosion, la fatigue du métal ou d'autres facteurs.Cependant, la production aéronautique actuelle fait appel à des technologies avancées et hautement sophistiquées qui utilisent des matériaux résistants.La création de produits utilise des processus et des systèmes électroniques hautement spécialisés et complexes.Les solutions logicielles de gestion des opérations générales risquent de ne plus être en mesure de résoudre des problèmes extrêmement complexes.
Des pièces plus complexes peuvent être achetées auprès de la chaîne d'approvisionnement mondiale, il faut donc davantage réfléchir à leur intégration tout au long du processus d'assemblage.L'incertitude apporte de nouveaux défis en matière de visibilité de la chaîne d'approvisionnement et de gestion de la qualité.Garantir la qualité d’un si grand nombre de pièces et de produits finis nécessite des méthodes qualité meilleures et plus intégrées.
L’Industrie 4.0 représente le développement de l’industrie manufacturière, et des technologies de plus en plus avancées sont nécessaires pour répondre à des exigences de qualité strictes.Les technologies de support incluent l'Internet industriel des objets (IIoT), les fils numériques, la réalité augmentée (AR) et l'analyse prédictive.
Qualité 4.0 décrit une méthode de qualité des processus de production basée sur les données et impliquant les produits, les processus, la planification, la conformité et les normes.Il s'appuie sur plutôt que de remplacer les méthodes de qualité traditionnelles, en utilisant bon nombre des mêmes nouvelles technologies que ses homologues industriels, notamment l'apprentissage automatique, les appareils connectés, le cloud computing et les jumeaux numériques, pour transformer le flux de travail de l'organisation et éliminer d'éventuels défauts de produits ou de processus.L’émergence de la Qualité 4.0 devrait modifier davantage la culture du lieu de travail en s’appuyant davantage sur les données et en utilisant davantage la qualité dans le cadre de la méthode globale de création de produits.
La Qualité 4.0 intègre les problématiques opérationnelles et d’assurance qualité (AQ) dès le début jusqu’à la phase de conception.Cela inclut la façon de conceptualiser et de concevoir des produits.Les résultats d'une récente enquête sectorielle indiquent que la plupart des marchés ne disposent pas d'un processus automatisé de transfert de conception.Le processus manuel laisse place à des erreurs, qu’il s’agisse d’une erreur interne ou de la communication de la conception et des modifications apportées à la chaîne d’approvisionnement.
En plus de la conception, Quality 4.0 utilise également l'apprentissage automatique centré sur les processus pour réduire les déchets, réduire les reprises et optimiser les paramètres de production.En outre, il résout également les problèmes de performances des produits après la livraison, utilise les commentaires sur site pour mettre à jour à distance le logiciel du produit, maintient la satisfaction du client et, en fin de compte, garantit la fidélité des clients.Elle devient un partenaire indissociable de l’Industrie 4.0.
Cependant, la qualité ne s’applique pas uniquement à des maillons de fabrication sélectionnés.Le caractère inclusif de la Qualité 4.0 peut instaurer une approche qualité globale dans les organisations manufacturières, faisant du pouvoir transformateur des données une partie intégrante de la réflexion de l'entreprise.La conformité à tous les niveaux de l'organisation contribue à la formation d'une culture globale de la qualité.
Aucun processus de production ne peut fonctionner parfaitement à 100 % du temps.Les conditions changeantes déclenchent des événements imprévus qui nécessitent des mesures correctives.Ceux qui ont de l’expérience en matière de qualité comprennent qu’il s’agit avant tout d’un processus visant à progresser vers la perfection.Comment garantir que la qualité est intégrée au processus afin de détecter les problèmes le plus tôt possible ?Que ferez-vous lorsque vous découvrirez le défaut ?Y a-t-il des facteurs externes à l'origine de ce problème ?Quelles modifications pouvez-vous apporter au plan d’inspection ou à la procédure de test pour éviter que ce problème ne se reproduise ?
Établissez une mentalité selon laquelle chaque processus de production a un processus de qualité associé et associé.Imaginez un avenir où il existe une relation individuelle et mesurez constamment la qualité.Peu importe ce qui arrive par hasard, une qualité parfaite peut être obtenue.Chaque centre de travail examine quotidiennement les indicateurs et les indicateurs de performance clés (KPI) pour identifier les domaines à améliorer avant que des problèmes ne surviennent.
Dans ce système en boucle fermée, chaque processus de production dispose d'une inférence de qualité, qui fournit un retour d'information pour arrêter le processus, lui permettre de se poursuivre ou effectuer des ajustements en temps réel.Le système n’est pas affecté par la fatigue ou l’erreur humaine.Un système qualité en boucle fermée conçu pour la production aéronautique est essentiel pour atteindre des niveaux de qualité plus élevés, réduire les temps de cycle et garantir la conformité aux normes AS9100.
Il y a dix ans, l'idée de concentrer l'assurance qualité sur la conception des produits, les études de marché, les fournisseurs, les services produits ou d'autres facteurs affectant la satisfaction client était impossible.La conception du produit est censée provenir d’une autorité supérieure ;la qualité consiste à exécuter ces conceptions sur la chaîne de montage, quelles que soient leurs lacunes.
Aujourd’hui, de nombreuses entreprises repensent leur façon de faire des affaires.Le statu quo en 2018 n’est peut-être plus possible.De plus en plus de fabricants deviennent de plus en plus intelligents.Plus de connaissances sont disponibles, ce qui signifie une meilleure intelligence pour créer le bon produit du premier coup, avec une efficacité et des performances plus élevées.