Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych w przemyśle lotniczym: Kluczowe komponenty, rozważania projektowe, materiały i przyszłe trendy
Siedem tygodni temu kierownik ds. jakości u wykonawcy z branży obronnej przesłał nam zdjęcia obudów złączy PEEK, które zaczęły pękać na linii montażowej. Części z tej samej partii produkcyjnej, tego samego dostawcy i tej samej partii materiałów.-Niektóre są idealne, inne nie. Jego dokładne słowa: „Korzystamy z tego dostawcy od trzech lat i teraz wszystko się wali”.
Nie przyjęliśmy tego projektu. Nie dlatego, że nie mogliśmy ustalić, co poszło nie tak,-podstawowa przyczyna była oczywista w ciągu godziny od przejrzenia zapisów procesów-ale dlatego, że prawdziwym problemem nie były części. Prawdziwym problemem było to, że w procesie kwalifikacji dostawców nigdy nie zadano właściwych pytań.
Taka sytuacja pojawia się obecnie u nas mniej więcej raz w miesiącu. Ktoś zakwalifikował dostawcę na podstawie certyfikatów i ceny, prowadził produkcję przez rok lub dwa bez problemów, potem coś się zmieniło i nagle nic nie działa. Dostawca obiecuje, że nic się nie zmieniło. Klient nie ma danych procesowych, które mogłyby udowodnić, że jest inaczej. Wszyscy wytykają palcami, podczas gdy linia produkcyjna stoi bezczynnie.
Niewygodna prawda o projektach konwersji tworzyw sztucznych w przemyśle lotniczym
Ekonomika konwersji metalu-w-plastik wygląda spektakularnie na papierze. Oszczędność masy wynikająca z kosztów paliwa w całym okresie eksploatacji samolotu. Koszty jednostkowe spadają o połowę lub więcej przy wolumenie. Czas realizacji skraca się z miesięcy do tygodni.
Wszędzie cytowana współpraca z firmą Aitiip-Liebherr-40% redukcja masy, 30% oszczędność kosztów – obrazuje, co się dzieje, gdy wszystko idzie dobrze. Co nie mieści się w tych studiach przypadków: osiemnaście miesięcy rozwoju procesów, trzy iteracje narzędzi, inwestycje w specjalistyczny sprzęt, które umożliwiły osiągnięcie tych liczb.
W zeszłym kwartale cytowaliśmy program wsporników, w którym koszt obróbki aluminium ponoszony przez klienta wynosił około 400 dolarów za sztukę. Nasza wycena formowania wtryskowego wyniosła mniej niż 60 dolarów. Oczywista decyzja, prawda?
Z wyjątkiem tego, że aluminiowy wspornik miał obrobioną maszynowo powierzchnię uszczelniającą o wymogu wykończenia 0,4 Ra. Osiągnięcie takiej jakości powierzchni bezpośrednio po wyjęciu z formy wymaga modyfikacji narzędzi, które zwiększają koszt narzędzia o 35 000 USD. Moglibyśmy też go uformować, a następnie obrobić powierzchnię uszczelniającą,-co wymagałoby dodatkowej obsługi i operacji dodatkowych i podniosło koszt jednostkowy z powrotem do 85 dolarów.
Nadal dobry projekt. Nadal znaczne oszczędności. Jednak różnica między liczbą nagłówkową a liczbą rzeczywistą ma znaczenie, gdy finanse przeprowadzają obliczenia zwrotu. Projekty giną w przypadku tej luki. Dobre projekty, projekty, które powinny zostać zrealizowane, umierają, ponieważ ktoś najpierw przedstawił optymistyczny przypadek, a potem musiał go odrzucić.
Czego właściwie wymaga przetwarzanie PEEK
Arkusze danych materiałów firm Victrex i Solvay publikują parametry przetwarzania, które dobrze sprawdzają się w zastosowaniach przemysłowych. Parametry te pozwolą wyprodukować części lotnicze, które przejdą kontrolę wymiarową i nie będą działać.
Temperatura formy jest oczywistym przykładem. Opublikowane minimum to ok160 stopni. Części formowane w tej temperaturze wyglądają dobrze, mają odpowiednie wymiary i mają może 25% krystaliczności. Części formowane w190-200 stopniosiągnij 35%+ krystaliczności. Różnica w trwałości zmęczeniowej nie ma charakteru przyrostowego,-jest multiplikatywna.
Problem w tym, że bieganie200 stopnitemperatura formy wymaga systemów ogrzewania olejowego, projektów form o odpowiedniej masie termicznej i kontroli procesu, których nie ma większość zakładów. W okolicy znajduje się sklep z regulacją temperatury ciepłej wody95 stopni. Nadal mogą formować PEEK. Części nadal będą wysyłane. Części w końcu i tak ulegną uszkodzeniu w sposób, który bardzo trudno powiązać z warunkami przetwarzania.
Gatunki wypełnione-węglem stanowią kolejną warstwę. Ogrzewanie ścinające z wypełniacza z włókna węglowego zmienia profil termiczny w lufie. Standardowe geometrie śrub, które dobrze sprawdzają się w przypadku-materiałów wypełnionych szkłem, tworzą gorące punkty przy wypełnieniu węglowym. Materiał ulega miejscowej degradacji, zanim w ogóle dotrze do formy. Nie możesz tego zobaczyć. Nie można tego zmierzyć podczas kontroli przychodzącej. Dowiesz się, kiedy części zaczną zawodzić w terenie.
Nie ma żadnego certyfikatu potwierdzającego tę konkretną zdolność. AS9100 obejmuje systemy jakości. NADCAP obejmuje procesy specjalne. Nikt nie pyta, czy obiekt faktycznie jest w stanie utrzymać200 stopnitemperatura formy wewnątrz±3 stopniew narzędziu wielownękowym-podczas pracy z PEEK-wypełnionym węglem. Odpowiedź na to pytanie można uzyskać podczas audytów kwalifikacji dostawców,-jeśli audytor wie, jak je zadać.
Problem certyfikacji, o którym nikt nie mówi
Rejestracja AS9100D oznacza, że firma posiada udokumentowane procesy zarządzania jakością. Nie oznacza to, że mogą produkować Twoje części. Widzieliśmy, że zakłady posiadające certyfikat AS9100-wyceniają projekty dotyczące polimerów wysokotemperaturowych, gdy ich sprzęt fizycznie nie jest w stanie osiągnąć wymaganych warunków procesu.
To niekoniecznie jest oszustwo. Wiele zakładów naprawdę wierzy, że może przetwarzać każdy materiał termoplastyczny, ponieważ maszyny są przystosowane do określonego zakresu temperatur. Nie rozumieją, że parametry znamionowe i trwała zdolność to różne rzeczy lub że istnieją-materiałowe specyficzne wymagania procesowe wykraczające poza to, co wyraźnie określono w arkuszu danych.
Akredytacja NADCAP zapewnia większą pewność, ponieważ sprawdza konkretne procesy produkcyjne, a nie ogólne systemy. Ale zakres akredytacji ma znaczenie. Być może placówka akredytowana w zakresie standardowych procesów formowania wtryskowego nigdy nie przepuszczała polimeru w wysokiej-temperaturze przez tę akredytowaną komorę. Akredytacja obejmuje proces, a nie każdy możliwy materiał, który teoretycznie mógłby zostać przetworzony.
Pytania kontrolne, które faktycznie mają znaczenie, nie mają nic wspólnego z certyfikatami. Obejmują one określone parametry procesu dla określonych materiałów objętych programem, udokumentowane badania możliwości procesu i historyczne dane dotyczące wydajności w podobnych zastosowaniach. Jeżeli dostawca nie może przedstawić takiej dokumentacji, certyfikacja nie ma zastosowania.
Wybór materiału poza arkuszem danych
PEEK dominuje w dyskusjach na temat tworzyw sztucznych w przemyśle lotniczym, ponieważ radzi sobie z najszerszym zakresem warunków-temperatury, chemikaliów, naprężeń mechanicznych i promieniowania. Kosztuje również około 100 dolarów za kilogram, co oznacza, że koszt materiału staje się znaczący przy każdej rozsądnej ilości.
PPS
PPS obsługuje wiele takich samych zastosowań po cenie 25–30 USD za kilogram. Kompromisami są węższe okna przetwarzania, niższa odporność na uderzenia i większa wrażliwość na efekty orientacji włókien. W przypadku komponentów, które będą narażone głównie na obciążenia statyczne w środowiskach agresywnych chemicznie, PPS często ma większy sens niż PEEK. W przypadku wszystkiego, co wymaga obciążenia dynamicznego lub udarności, różnica w kosztach jest nieistotna.
Ultem
Ultem pojawia się w obudowach elektrycznych i elektronicznych ze względu na swoje właściwości dielektryczne i wrodzoną odporność na ogień. Temperatury przetwarzania są niższe niż w przypadku PEEK, wymagania sprzętowe są mniej rygorystyczne, a koszt materiałów plasuje się gdzieś pośrodku. W zastosowaniach, w których wydajność elektryczna jest ważniejsza niż wydajność mechaniczna, Ultem pozwala uniknąć kosztów i komplikacji związanych z przetwarzaniem PEEK, bez uszczerbku dla funkcjonalności.
Rozmowa na temat wyboru materiału zwykle ma miejsce zbyt późno w procesie rozwoju. Zanim części osiągną etap wyceny, inżynierowie określili już materiał w oparciu o opublikowane właściwości, nie biorąc pod uwagę konsekwencji produkcyjnych. Zmiana materiału na tym etapie wymaga ponownej-weryfikacji, aktualizacji rysunków i potencjalnie nowych narzędzi-a to wszystko zwiększa koszty i opóźnienia, których można było uniknąć przy wcześniejszym zaangażowaniu dostawcy.
Inwestycje w narzędzia i ekonomia programu
Oprzyrządowanie do form wtryskowych do zastosowań lotniczych kosztuje zwykle od 50 000 do 150 000 dolarów, w zależności od złożoności. Liczba ta powoduje szok w przypadku programów, które w przeszłości kupowały części obrabiane bez inwestycji w oprzyrządowanie.
To porównanie mija się z celem. Części obrobione wiążą się z kosztami oprzyrządowania w każdej jednostce-mocowania, programowania, konfiguracji i kwalifikacji maszyny. Koszty te są po prostu wliczone w cenę jednostkową, a nie osobno. Część obrobiona o wartości 400 USD może obejmować 80 USD zamortyzowanych kosztów konfiguracji i programowania, których nikt nie śledzi, ponieważ nie ma dla niej pozycji pojedynczej.
Co ważniejsze, inwestycja w narzędzia tworzy dźwignię finansową. Gdy narzędzie istnieje i jest kwalifikowane, koszt dodatkowych części zbliża się do surowca plus czasu cyklu. Produkcja może być skalowana wraz z popytem. Zamówienia w trybie pilnym stają się możliwe. Zmiany w projekcie, które wymagałyby całkowitego-przeprogramowania pod kątem obróbki, stają się modyfikacjami narzędzi, które utrzymują walidację procesu.
Programy, w których formowanie wtryskowe nie ma sensu, to zastosowania o małej-objętości i dużym{1}}mieszaniu, w których oprzyrządowanie nie może skutecznie amortyzować, a geometria często się zmienia. Poniżej około 500 jednostek o całkowitym okresie trwałości, obróbka zwykle wygrywa. Powyżej tego progu obliczenia zmieniają się w zależności od złożoności części, wymagań dotyczących tolerancji i czasu trwania programu.
Z czym właściwie wiąże się kwalifikacja
Kontrola pierwszego artykułu części formowanych wtryskowo dla przemysłu lotniczego jest bardziej skomplikowana, niż spodziewa się większość kupujących. Sam FAI to prosta-weryfikacja wymiarowa na podstawie rysunku, certyfikacji materiałów i dokumentacji parametrów procesu. Walidacja procesu poprzedzająca FAI ma miejsce w przypadku powodzenia lub niepowodzenia programów.
Monitorowanie ciśnienia w jamie ustnejna częściach kwalifikacyjnych ustala sygnaturę procesu, z którą muszą być zgodne serie produkcyjne. Nie jest to opcjonalne w przypadku zastosowań krytycznych. Ślady ciśnienia w komorze pokazują, czy część została prawidłowo napełniona, prawidłowo zapakowana i prawidłowo schłodzona przy każdym pojedynczym strzale. Części, które mierzą prawidłowo, ale mają nieprawidłowe ślady ciśnienia, wskazują na niestabilność procesu, która ostatecznie doprowadzi do powstania defektów.
Weryfikacja krystalicznościma znaczenie w przypadku PEEK i innych-materiałów półkrystalicznych. Analiza DSC próbek kwalifikacyjnych ustala podstawowy poziom krystaliczności. Części produkcyjne można-skontrolować na miejscu względem tej wartości bazowej. Kiedy proces dostawcy zmienia się-celowo lub nie-, krystaliczność jest często pierwszym wskaźnikiem, że coś się zmieniło.
Możliwości procesu statystycznegowymaga wielkości próby obliczonej na podstawie liczby wymiarów krytycznych i wymaganego poziomu ufności. Trzydzieści-dwie próbki na część o trzech wymiarach krytycznych przy Cpk 1,33 nie wystarczą. Matematyka nie jest skomplikowana, ale często jest wykonywana błędnie, co skutkuje badaniami zdolności, które w rzeczywistości nie wykazują zdolności.
Czytanie propozycji i rozpoznawanie sygnałów ostrzegawczych
Oferty mówią więcej o rzeczywistych możliwościach dostawcy niż ich prezentacje.
Szacunkowe czasy realizacji, które wyglądają identycznie w przypadku różnych części o różnym stopniu złożoności, sugerują, że dostawca w rzeczywistości nie ocenił Twoich konkretnych wymagań. Proste narzędzie z jedną-gniazdom ze stali P20 ma inny czas realizacji niż narzędzie z czterema-gniazdomi ze stali H13 z chłodzeniem konformalnym. Jeśli cytat mówi „16 tygodni” dla obu, ktoś używa szablonu zamiast zajmować się inżynierią.
Specyfikacje materiałów zapisane jako „PEEK lub równoważny” bez objaśnienia gatunku wskazują, że dostawca planuje zakupić najtańszą opcję, która spełnia wymagania techniczne. W zastosowaniach konstrukcyjnych różnica między PEEK 450G a 150G nie jest trywialna. Jeśli w ofercie nie jest zawarte pytanie, jaki gatunek, dostawca nie rozumie zastosowania.
Ilości pierwszego artykułu w okrągłych liczbach-dokładnie 50, dokładnie 100 — sugerują, że wielkość próbki nie została obliczona na podstawie konkretnych wymagań dotyczących tolerancji. Wielkość próbek do walidacji zdolności procesu zależy od liczby krytycznych cech i wymaganego poziomu ufności. Obliczenia rzadko dają okrągłe liczby.
Cena za sztukę, która drastycznie spada przy ilościach, których program nigdy nie osiągnie, oznacza, że dostawca kupuje firmę z atrakcyjnym numerem nagłówka. Jeśli Twój roczny wolumen wynosi 2000 sztuk, a wycena wskazuje atrakcyjną cenę na poziomie 10 000, cena ta nie ma znaczenia. Spójrz na liczbę, która odpowiada Twoim rzeczywistym wymaganiom.
Realia osi czasu rozwoju
Nowe programy formowania wtryskowego dla branży lotniczej wymagają w normalnych okolicznościach 20–30 tygodni od pierwszego zaangażowania w produkcję kwalifikowanych części. Harmonogram ten obejmuje analizę DFM, projektowanie narzędzi, budowę narzędzi, rozwój procesów, kontrolę pierwszego artykułu i dokumentację kwalifikacyjną.
Próby skompresowania tej osi czasu zwykle kończą się niepowodzeniem. Tworzenie narzędzia można przyspieszyć, wydając na nie pieniądze-w nadgodzinach, najwyższej jakości materiałach i dedykowanej wydajności. Rozwoju procesu nie można skompresować, ponieważ fizyka określa, ile czasu faktycznie zajmują testowanie materiałów, badania procesów i przebiegi kwalifikacyjne. Stal stygnie z szybkością stygnięcia. Polimer krystalizuje z szybkością, z jaką krystalizuje.
Programy, które rozpoczynają się od agresywnych harmonogramów, zwykle kończą się później niż programy, które rozpoczęły się od realistycznych harmonogramów. Napięty harmonogram stwarza presję na pominięcie etapów rozwoju procesu, które należy następnie powtórzyć, gdy w produkcji pojawią się problemy. Narzędzie, które jest dostarczane dwa tygodnie wcześniej, ale produkuje części, w których odsetek złomu wynosi 15%, w rzeczywistości nie wyprzedza harmonogramu.
Harmonogramy awaryjne dla istniejącego, kwalifikowanego oprzyrządowania są różne. Przenoszenie wykwalifikowanych narzędzi między zakładami lub ponowne uruchamianie produkcji po przerwie może zająć tygodnie, a nie miesiące, ponieważ rozwój procesu już nastąpił. Nowe programy nie mają takiej opcji.
Kiedy formowanie wtryskowe nie jest rozwiązaniem
Niektórych zastosowań w przemyśle lotniczym nie należy formować wtryskowo, niezależnie od ekonomiki objętości.
Komponenty ze skoncentrowanymi naprężeniami w nieprzewidywalnych orientacjach zachowują się niespójnie w tworzywach termoplastycznych-wzmocnionych włóknami. Orientacja włókien jest zgodna z wzorcami przepływu zależnymi od lokalizacji przewężki, geometrii części i prędkości napełniania. Część jest mocna tam, gdzie włókna wyrównują się pod wpływem naprężeń, i słaba tam, gdzie nie są. Przewidywanie i kontrolowanie orientacji włókien wymaga możliwości symulacji i kontroli przetwarzania, które zwiększają koszty i złożoność.
Uszczelnianie powierzchni wymagających wykończenia wykraczającego poza możliwości formowania wymaga bezpośrednio obróbki wtórnej. Obróbka ta uwalnia naprężenia resztkowe z procesu formowania i może powodować przesunięcie wymiarowe elementów, które zostały prawidłowo zmierzone przed obróbką. Połączenie formowania i obróbki zwiększa zakres tolerancji-, którego unika czysta obróbka lub czyste formowanie.
Części wymagające montażu-po formie z pasowaniem wciskowym lub wkładkami-wtłaczanymi na wcisk wymagają stabilności wymiarowej w czasie, której nie są w stanie zapewnić niektóre polimery. Pełzanie i relaksacja naprężeń w tworzywach termoplastycznych powodują poluzowanie pasowań wciskowych w ciągu miesięcy lub lat. Projekty, które doskonale sprawdzają się w aluminium, mogą wymagać fundamentalnych zmian, aby mogły funkcjonować w plastiku.
Bardzo wąskie tolerancje geometryczne dużych części prowadzą do różnic w rozszerzalności cieplnej pomiędzy tworzywem sztucznym a sprzętem pomiarowym. Część z tworzywa sztucznego o średnicy 300 mm mierzona pod kątem 20 stopni będzie mierzalnie inna pod kątem 35 stopni. Określenie warunków pomiaru staje się częścią specyfikacji wymiarowej i nie wszystkie placówki kontrolne są w stanie utrzymać wymagane kontrole środowiskowe.
Rozpoczęcie rozmowy
Jeśli na Twoim biurku leży projekt formowania wtryskowego tworzyw sztucznych dla przemysłu lotniczego,-nowy rozwój, problemy istniejących dostawców, ocena konwersji metalu-dalsza droga zależy od tego, na jakim etapie procesu się znajdujesz.
Na wczesnym etapie-dobór materiałów opiera się na opiniach dostawców, zanim inżynierowie sfinalizują specyfikacje. Konsekwencje produkcyjne wynikające z wyboru materiału wpływają na ekonomikę projektu w sposób, którego nie uwzględniają porównania arkuszy danych. Angażowanie potencjalnych dostawców podczas wyboru materiału, a nie po nim, zapobiega podejmowaniu decyzji dotyczących specyfikacji, które stwarzają problemy na dalszym etapie.
Programy z istniejącymi projektami wymagają oceny wykonalności przed wyceną. Analiza DFM identyfikuje problemy, które w przeciwnym razie ujawniłyby się podczas debugowania narzędzia lub rampy produkcyjnej. Koszt analizy jest niewielki w porównaniu z kosztem modyfikacji narzędzia lub problemów z jakością produkcji.
Sytuacja obecnych dostawców, która nie działa, wymaga uczciwej oceny, czy problem można rozwiązać u obecnego dostawcy, czy też wymaga kwalifikacji alternatywnego źródła. Czasami odpowiedzią jest ulepszenie procesów u istniejącego dostawcy. Czasami rozwiązaniem jest rozpoczęcie od nowa z kimś, kto ma odpowiednie możliwości.
Radzimy sobie ze wszystkimi tymi sytuacjami, ale nie wszystkie pasują do tego, co robimy dobrze. Początkowa rozmowa ustala, czy doszło do dopasowania. Jeśli tak, przechodzimy do formalnej wyceny. Jeśli tak nie jest, mówimy to.
Baza dostawców form wtryskowych tworzyw sztucznych dla przemysłu lotniczego obejmuje zarówno formatorów towarowych, którzy chcą rozwijać się w branży lotniczej, jak i wyspecjalizowane zakłady, które skupiają się wyłącznie na-wydajnym przetwarzaniu polimerów. Certyfikaty nie pozwalają na wiarygodne rozróżnienie między nimi. Cena nie pozwala na ich wiarygodne rozróżnienie. Możliwości ujawniają się dopiero po szczegółowej ocenie technicznej lub, niestety, poprzez problemy produkcyjne.
Pytania zawarte w tym artykule stanowią ramy tej oceny. Odpowiedzi określają, czy dostawca faktycznie ma to, czego wymaga Twój program-lub czy jego propozycja reprezentuje możliwości, których jeszcze nie rozwinął.