Aerospace műanyag fröccsöntés: Kulcsfontosságú alkatrészek, tervezési szempontok, anyagok és jövőbeli trendek
Hét héttel ezelőtt egy védelmi vállalkozó minőségügyi vezetője küldött nekünk fényképeket a PEEK csatlakozóházakról, amelyek elkezdtek repedni a szerelősoron. Alkatrészek ugyanabból a gyártási tételből, ugyanabból a szállítóból, ugyanabból az anyagtételből{1}}egyik tökéletes, van, amelyik hibás. Pontos szavai: "Három éve használjuk ezt a szállítót, és most minden szétesik."
Nem vállaltuk ezt a projektet. Nem azért, mert nem tudtuk kideríteni, hogy mi hibázott-a kiváltó ok egy órán belül nyilvánvaló volt a folyamatrekordok megtekintése után,-hanem azért, mert a valódi probléma nem az alkatrészekben volt. Az igazi probléma az volt, hogy a beszállítói minősítési folyamatuk először soha nem tette fel a megfelelő kérdéseket.
Ez a helyzet körülbelül havonta egyszer megjelenik az ajtónkban. Valaki minősített egy beszállítót a tanúsítványok és az ár alapján, egy-két évig gond nélkül futotta a termelést, aztán valami elmozdult, és hirtelen semmi sem működik. A szállító esküszik, hogy semmi sem változott. Az ügyfélnek nem áll rendelkezésére az ellenkező bizonyítására alkalmas adatkezelési adat. Mindenki ujjal mutogat, miközben a gyártósor tétlenül áll.
A kényelmetlen igazság az űrrepülőgép-műanyag-átalakítási projektekről
A fémből-műanyagba-műanyag átalakítási gazdaságossága papíron látványosan néz ki. Súlymegtakarítást eredményez az üzemanyagköltségek révén a repülőgép élettartama során. Az egységköltségek felére vagy még többre csökkennek a mennyiségnél. Az átfutási idők hónapról hétre csökkennek.
Az Aitiip{0}}Liebherr-együttműködés, amelyet mindenhol idéznek,-40%-os súlycsökkentés, 30%-os költségmegtakarítás – azt mutatja be, mi történik, ha minden jól megy. Ami nem kerül bele ezekbe az esettanulmányokba: a tizennyolc hónapos folyamatfejlesztés, a három szerszámozási iteráció, a speciális berendezések befektetései, amelyek lehetővé tették ezeket a számokat.
A múlt negyedévben idéztünk egy konzolprogramot, ahol az ügyfél inkumbens alumínium megmunkálási költsége körülbelül 400 dollár volt egységenként. Fröccsöntési árajánlatunk 60 dollár alá került. Nyilvánvaló döntés, nem?
Kivéve, hogy az alumínium konzolnak megmunkált tömítőfelülete volt, 0,4 Ra kidolgozási igénnyel. Ennek a felületi minőségnek közvetlenül az öntőformáról való eléréséhez olyan szerszámmódosításokra van szükség, amelyek 35 000 dollárral növelték a szerszám költségét. Vagy megformázhatjuk, majd megmunkálhatjuk a tömítőfelületet, -ami megnövelte a kezelést, a másodlagos műveleteket, és az egységköltséget 85 dollárra emelte.
Még mindig jó projekt. Még mindig jelentős megtakarítás. De a főcím és a valós szám közötti különbség számít, amikor a pénzügyek megtérülési számításokat végeznek. A projektek megsemmisülnek ezen a szakadékon. A jó projektek, a projektek, amelyeknek meg kell történniük, elhalnak, mert valaki először bemutatta az optimista esetet, majd vissza kellett sétálnia.
Mire van szükség a PEEK-feldolgozáshoz
A Victrex és a Solvay anyagadatlapjai olyan feldolgozási paramétereket tesznek közzé, amelyek jól működnek az ipari alkalmazásokhoz. Ezek a paraméterek olyan repülőgép-alkatrészeket eredményeznek, amelyek átmennek a méretellenőrzésen, és meghibásodnak.
A penész hőmérséklet a nyilvánvaló példa. A közzétett minimum kb160 fok. Az ezen a hőmérsékleten öntött részek jól néznek ki, megfelelőek a méretükkel, és 25%-os kristályosságuk is lehet. Alkatrészek öntött190-200 fok35%+ kristályosság. A fáradtsági élettartam különbsége nem növekmény,{3}}hanem multiplikatív.
A probléma az, hogy fut200 foka penész hőmérsékletéhez olajfűtési rendszerekre, megfelelő termikus tömegű formatervekre és folyamatszabályozásra van szükség, amely a legtöbb létesítményben nem rendelkezik. Körülbelül egy melegvíz-hőmérséklet-szabályzót működtető bolt található95 fok. A PEEK-et még meg tudják formálni. Az alkatrészeket továbbra is szállítják. Az alkatrészek végül mégis meghibásodnak oly módon, hogy nagyon nehéz visszavezetni a feldolgozási körülményekre.
A szénnel{0}}töltött fokozatok újabb réteget adnak hozzá. A szénszálas töltőanyag nyírófűtése megváltoztatja a hőprofilt a hengeren keresztül. A szabványos csavargeometriák, amelyek jól működnek az üveggel töltött-anyagokhoz, forró pontokat hoznak létre szén töltettel. Az anyag helyben lebomlik, mielőtt a penészt elérné. Nem láthatod. A bejövő ellenőrzéskor nem lehet mérni. Megtudhatja, mikor kezdenek meghibásodni az alkatrészek a terepen.
Nincs olyan tanúsítvány, amely érvényesítené ezt a speciális képességet. Az AS9100 minőségbiztosítási rendszereket takar. A NADCAP speciális folyamatokat takar. Egyikük sem kérdezi, hogy egy létesítmény valóban elfér-e200 foka penész hőmérséklete belül±3 fokegy több{0}}üreges eszközön keresztül, miközben szénnel-töltött PEEK-et futtat. Erre a kérdésre csak akkor kap választ a beszállítói minősítési auditok során,{3}}ha az auditor tudja, hogy fel kell tennie.
A tanúsítási probléma, amelyről senki sem beszél
Az AS9100D regisztráció azt jelenti, hogy a vállalat dokumentált minőségirányítási folyamatokkal rendelkezik. Ez nem jelenti azt, hogy elkészíthetik az alkatrészeket. Láttuk, hogy az AS9100-tanúsítvánnyal rendelkező létesítmények magas hőmérsékletű polimer projekteket ajánlanak, amikor berendezéseik fizikailag nem tudják elérni a szükséges folyamatfeltételeket.
Ez nem feltétlenül csalás. Sok létesítmény őszintén hisz abban, hogy bármilyen hőre lágyuló műanyagot fel tud dolgozni, mert a gépeket az adott hőmérsékleti tartományra méretezték. Nem értik, hogy a besorolások és a tartós képesség különböző dolgok, vagy hogy az adatlapon kifejezetten meghatározottakon túlmenően léteznek olyan anyagi-specifikus folyamatkövetelmények, amelyeket az adatlap kifejezetten tartalmaz.
A NADCAP akkreditáció nagyobb bizalmat biztosít, mert az általános rendszerek helyett konkrét gyártási folyamatokat validál. De az akkreditációs hatókör számít. Előfordulhat, hogy a szabványos fröccsöntési eljárásokra akkreditált létesítmény soha nem fújt át magas hőmérsékletű polimert az akkreditált cellán. Az akkreditáció a folyamatra vonatkozik, nem minden lehetséges anyagra, amely elméletileg feldolgozható lenne.
A ténylegesen fontos ellenőrzési kérdéseknek semmi közük a tanúsítványokhoz. Tartalmazzák a programban lévő konkrét anyagokhoz tartozó specifikus folyamatparamétereket, dokumentált folyamatképesség-tanulmányokat és hasonló alkalmazások korábbi hozamadatait. Ha a szállító nem tudja bemutatni ezt a dokumentációt, a tanúsítás nem releváns.
Anyagválasztás az adatlapon túl
A PEEK uralja az űrrepülési plasztik beszélgetéseket, mert a körülmények legszélesebb körét kezeli-hőmérséklet, vegyszerek, mechanikai igénybevétel és sugárzás. Kilogrammonként nagyjából 100 dollárba kerül, ami azt jelenti, hogy az anyagköltség bármilyen ésszerű mennyiség esetén jelentőssé válik.
PPS
A PPS ugyanazokat az alkalmazásokat kezeli, kilogrammonként 25-30 dollárért. A kompromisszum a keskenyebb feldolgozási ablakok, az alacsonyabb ütésállóság és a szálorientációs hatásokra való nagyobb érzékenység. Azoknál az alkatrészeknél, amelyek elsősorban statikus terhelést észlelnek kémiailag agresszív környezetben, a PPS gyakran értelmesebb, mint a PEEK. Bármilyen dinamikus terhelési vagy ütközési követelmény esetén a költségkülönbség lényegtelen.
Ultem
Az Ultem az elektromos és elektronikai házakban jelenik meg dielektromos tulajdonságai és a benne rejlő lángállóság miatt. A feldolgozási hőmérséklet alacsonyabb, mint a PEEK, a berendezésekre vonatkozó követelmények kevésbé szigorúak, és az anyagköltség valahol a kettő közé esik. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol az elektromos teljesítmény fontosabb, mint a mechanikai teljesítmény, az Ultem elkerüli a PEEK költségeit és feldolgozási bonyodalmait anélkül, hogy a funkciót veszélyeztetné.
Az anyagkiválasztásról szóló beszélgetés általában túl későn történik a fejlesztési folyamatban. Mire az alkatrészek elérik az ajánlattételi szakaszt, a mérnökök már meghatároztak egy anyagot a közzétett tulajdonságok alapján, anélkül, hogy figyelembe vették volna a gyártási vonzatokat. Az anyag ezen a ponton történő megváltoztatása újra-ellenőrzést, frissített rajzokat, potenciálisan új szerszámokat- igényel, amelyek költséget és késedelmet jelentenek, amelyek elkerülhetőek lettek volna a szállító korábbi bevonásával.
Szerszámberuházás és programgazdaságtan
A repülési alkalmazásokhoz használt fröccsöntő szerszámok általában 50 000 és 150 000 dollár között mozognak, a bonyolultságtól függően. Ez a szám matricás sokkot hoz létre azoknál a programoknál, amelyek korábban szerszámberuházás nélkül vásároltak megmunkált alkatrészeket.
Ez az összehasonlítás nem veszi át a lényeget. A megmunkált alkatrészek minden egységében viselik a szerszámköltséget,{1}}a rögzítés, a programozás, a gép beállítása és minősítése. Ezeket a költségeket csak a darabárba ágyazzák be, nem pedig külön lehívják. Egy 400 dolláros megmunkált alkatrész 80 dollár amortizált beállítási és programozási költséget tartalmazhat, amelyet senki sem követ nyomon, mert nincs hozzá sor.
Ennél is fontosabb, hogy a szerszámberuházás tőkeáttételt hoz létre. Amint a szerszám létezik és minősített, a további alkatrészek növekményes költsége megközelíti a nyersanyag plusz ciklusidőt. A termelés a kereslet függvényében skálázható. Lehetővé válik a gyorsrendelés. A megmunkálás teljes újraprogramozását igénylő tervezési változtatások olyan szerszámmódosításokká válnak, amelyek fenntartják a folyamatellenőrzést.
Azok a programok, ahol a fröccsöntésnek nincs értelme, a kis{0}}volumenű, nagy-keverékű alkalmazások, ahol a szerszámok nem tudnak hatékonyan amortizálódni, és a geometria gyakran változik. Körülbelül 500 teljes élettartam alatti egység alatt általában a megmunkálás nyer. E küszöbérték felett a számítás az alkatrész bonyolultságától, a tűréskövetelményektől és a program időtartamától függően eltolódik.
Mit tartalmaz a képesítés valójában
Az űrrepülőgép fröccsöntött alkatrészeinek első termékellenőrzése sokkal több, mint a legtöbb vásárló elvárja. Maga a FAI egy egyszerű-méretellenőrzés a rajz, az anyagtanúsítás és a folyamatparaméterek dokumentációja alapján. A FAI-t megelőző folyamatellenőrzés az, ahol a programok sikeresek vagy sikertelenek.
Az üreg nyomásának figyelésea minősítő részeken meghatározza azt a folyamat aláírást, amelynek meg kell egyeznie a gyártási folyamatoknak. Ez nem kötelező a kritikus alkalmazásoknál. Az üreges nyomásnyomok azt mutatják, hogy az alkatrész minden egyes lövéskor megfelelően feltöltődött, megfelelően van-e becsomagolva és megfelelően hűtött-e. Azok az alkatrészek, amelyek megfelelően mérnek, de rendellenes nyomásnyomokkal rendelkeznek, a folyamat instabilitását jelzik, ami végül hibákhoz vezet.
Kristályosság ellenőrzésefontosak a PEEK és más félig{0}}kristályos anyagok esetében. Minősítő mintákon végzett DSC analízis megállapítja a kristályosság alapszintjét. A gyártási alkatrészeket azonnal-ellenőrizheti az alapvonalhoz képest. Amikor egy beszállító folyamata-szándékosan vagy nem-sodródik, gyakran a kristályosság az első jele annak, hogy valami megváltozott.
Statisztikai folyamatképességa kritikus dimenziók számából és a szükséges megbízhatósági szintből számított mintaméreteket igényel. Harminc-két minta egy három kritikus dimenziójú alkatrészhez 1,33 Cpk mellett nem elegendő. A matematika nem bonyolult, de gyakran rosszul csinálják, ami olyan képességvizsgálatokat eredményez, amelyek valójában nem mutatják be a képességet.
Javaslatok elolvasása és vörös zászlók azonosítása
Az árajánlatok többet mondanak el a szállító tényleges képességeiről, mint a képességek bemutatása.
Az átfutási időre vonatkozó becslések, amelyek azonosnak tűnnek a különböző alkatrész-összetettségeknél, azt sugallják, hogy a szállító valójában nem értékelte az Ön konkrét követelményeit. Egy egyszerű, egy-üreges P20-as acél szerszám átfutási ideje más, mint egy négy-üreges szerszám H13-ban konform hűtéssel. Ha az idézet mindkettőnél „16 hét” van, akkor valaki sablont használ a tervezés helyett.
A „PEEK vagy azzal egyenértékű” jelöléssel ellátott anyagspecifikációk osztályozási megjegyzés nélkül azt jelzik, hogy a szállító a műszakilag megfelelő legolcsóbb opciót tervezi vásárolni. Szerkezeti alkalmazásoknál a PEEK 450G és 150G közötti különbség nem triviális. Ha az árajánlat nem kérdezi, hogy melyik fokozat, akkor a szállító nem érti a kérelmet.
Az első cikkek mennyisége kerek számokban-pontosan 50, pontosan 100 – azt sugallja, hogy a minta mérete nem az Ön konkrét tűréskövetelményei alapján lett kiszámítva. A folyamatképesség-ellenőrzési minta mérete a kritikus jellemzők számától és a szükséges megbízhatósági szinttől függ. A számítás ritkán ad kerek számokat.
A program által soha nem elért mennyiségeknél drámaian csökkenő darabár azt jelzi, hogy a szállító vonzó főcímszámmal vásárolja meg az üzletet. Ha az Ön éves mennyisége 2000 darab, és az árajánlat 10 000-nél vonzó árat tartalmaz, akkor ez az ár irreleváns. Nézze meg azt a számot, amely megfelel a tényleges igényeinek.
Fejlesztési idővonal valóságai
Az új repülőgép-ipari fröccsöntő programok normál körülmények között 20-30 hetet igényelnek az első használattól számítva a minősített alkatrészekhez. Ez az idővonal magában foglalja a DFM-elemzést, a szerszámtervezést, az eszközépítést, a folyamatfejlesztést, az első cikkvizsgálatot és a minősítési dokumentációt.
Az idővonal tömörítésére tett kísérletek általában kudarcot vallanak. A szerszámok felépítését felgyorsíthatja, ha pénzt költ rá-túlórára, prémium anyagokra, dedikált kapacitásra. A folyamatfejlesztés nem tömöríthető, mert a fizika határozza meg, hogy az anyagvizsgálat, a folyamattanulmányok és a minősítések ténylegesen mennyi ideig tartanak. Az acél olyan sebességgel hűl le, ahogy lehűl. A polimer kristályosodási sebességével kristályosodik.
Az agresszív idővonallal kezdődő programok általában később érnek véget, mint azok, amelyek reális idővonalakkal indultak. Az agresszív ütemezés nyomást gyakorol a folyamatfejlesztési lépések kihagyására, amelyeket aztán meg kell ismételni, ha problémák merülnek fel a termelésben. Egy olyan eszköz, amely két héttel korábban kerül kiszállításra, de 15%-os selejt arányban gyárt alkatrészeket, valójában nem haladja meg a tervezettet.
A meglévő, minősített szerszámok vészhelyzeti időrendje eltérő. A minősített szerszámok áthelyezése a létesítmények között vagy a termelés szünet utáni újraindítása hetekben, mint hónapokban történhet, mivel a folyamatfejlesztés már megtörtént. Az új programok nem rendelkeznek ezzel a lehetőséggel.
Amikor a fröccsöntés nem a megoldás
Egyes repülőgép-ipari alkalmazásokat nem szabad fröccsönteni, függetlenül a térfogatgazdaságosságtól.
A koncentrált, előre nem látható irányban elhelyezett feszültségemelőkkel rendelkező alkatrészek nem egyenletesen teljesítenek a szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagokban. A szálak orientációja a kapu helyétől, az alkatrész geometriájától és a töltési sebességtől függő áramlási mintákat követ. Az a rész erős, ahol a rostok illeszkednek a feszültséghez, és gyenge, ahol nem. A szálak orientációjának előrejelzése és vezérlése szimulációs képességeket és feldolgozási vezérlőket igényel, amelyek növelik a költségeket és a bonyolultságot.
Azon felületek tömítésére, amelyek a fröccsöntéssel közvetlenül elérhető felületeken túlmenő kidolgozást igényelnek, másodlagos megmunkálást igényelnek. Ez a megmunkálás felszabadítja a maradó feszültséget a formázási folyamatból, és méreteltolódást okozhat a megmunkálás előtt helyesen mért jellemzőken. A fröccsöntés és a megmunkálás kombinációja növeli a tűréshatárokat,{2}}amit a tiszta megmunkálás vagy a tiszta fröccsöntés elkerül.
Azoknak az alkatrészeknek, amelyek utólagos-öntőforma-összeszerelést igényelnek interferenciás illesztésekkel vagy betétekkel-nyomva, idővel olyan méretstabilitásra van szükségük, amelyet egyes polimerek nem képesek biztosítani. A hőre lágyuló műanyagokban a kúszás és a feszültség-lazítás hatására az interferencia illesztések meglazulnak hónapok vagy évek alatt. Az alumíniumban tökéletesen működő konstrukcióknál alapvető változtatásokra lehet szükség ahhoz, hogy műanyagban is működjenek.
A nagy részek nagyon szűk geometriai tűrése a műanyag és a mérőberendezések közötti hőtágulási különbségekbe ütközik. Egy 300 mm-es műanyag alkatrész 20 fokban mérve 35 fokban mérhetően más lesz. A mérési feltételek meghatározása a méretspecifikáció részévé válik, és nem minden ellenőrző létesítmény képes fenntartani a szükséges környezetvédelmi ellenőrzéseket.
A beszélgetés indítása
Ha az asztalán van egy repülőgépipari műanyag fröccsöntési projekt-új fejlesztés, meglévő beszállítói problémák, fémátalakítás értékelése-, a továbblépés attól függ, hogy hol tart a folyamatban.
A korai-stádiumú anyagkiválasztás előnye a beszállítói hozzájárulás, mielőtt a mérnökök véglegesítenék a specifikációkat. Az anyagválasztás gyártási vonatkozásai olyan módon befolyásolják a projekt gazdaságosságát, amit az adatlapok összehasonlítása nem rögzít. A potenciális beszállítók bevonása az anyagkiválasztás során, nem pedig azután, megakadályozza az olyan specifikációs döntéseket, amelyek későbbi problémákat okoznak.
A meglévő tervekkel rendelkező programok gyárthatósági értékelése szükséges az ajánlattétel előtt. A DFM-elemzés azonosítja azokat a problémákat, amelyek egyébként felmerülnének az eszköz hibakeresése vagy a termelési ütemezés során. Az elemzés költsége triviális a szerszámmódosítások vagy a gyártásminőségi problémák költségeihez képest.
A jelenlegi beszállítói helyzetek, amelyek nem működnek, megkövetelik annak őszinte felmérését, hogy a probléma megoldható-e a jelenlegi szállítóval, vagy alternatív forrás minősítését igényli. Néha a válasz a folyamatfejlesztés a meglévő szállítónál. Néha a válasz az, ha valakivel kezdjük elölről, aki rendelkezik a megfelelő képességekkel.
Mindezeket a helyzeteket kezeljük, de nem mindegyik illik ahhoz, amit jól csinálunk. A kezdeti beszélgetés megállapítja, hogy van-e egyezés. Ha van, akkor áttérünk a formális árajánlatra. Ha nincs, akkor azt mondjuk.
Az űrrepülési műanyag fröccsöntő készlet az űrrepülést remélő árufröccsöntőtől a speciális létesítményekig terjed, amelyek kizárólag a nagy teljesítményű polimerfeldolgozásra összpontosítanak{0}}. A tanúsítványok nem tesznek megbízható különbséget köztük. Az ár nem tesz megbízható különbséget köztük. A képesség csak részletes műszaki értékeléssel, vagy sajnos gyártási problémákkal válik nyilvánvalóvá.
A cikkben szereplő kérdések keretet adnak ennek az értékelésnek. A válaszok határozzák meg, hogy egy beszállító valóban rendelkezik-e azzal, amit a program megkövetel,{1}}vagy az ajánlata olyan képességet képvisel, amelyet még nem fejlesztett ki.