Đúc nhựa hàng không vũ trụ: Các thành phần chính, cân nhắc về thiết kế, vật liệu và xu hướng tương lai
Bảy tuần trước, người quản lý chất lượng của một nhà thầu quốc phòng đã gửi cho chúng tôi những bức ảnh về vỏ đầu nối PEEK đã bắt đầu nứt trên dây chuyền lắp ráp. Các bộ phận từ cùng một lô sản xuất, cùng một nhà cung cấp, cùng một lô nguyên liệu-một số hoàn hảo, một số thất bại. Lời nói chính xác của anh ấy: "Chúng tôi đã sử dụng nhà cung cấp này được ba năm và bây giờ mọi thứ đang sụp đổ."
Chúng tôi đã không thực hiện dự án đó. Không phải vì chúng tôi không thể tìm ra điều gì đã xảy ra-nguyên nhân gốc rễ đã rõ ràng trong vòng một giờ sau khi xem hồ sơ quy trình của họ-mà vì vấn đề thực sự không phải ở các bộ phận. Vấn đề thực sự là quy trình đánh giá nhà cung cấp của họ chưa bao giờ đặt ra những câu hỏi phù hợp ngay từ đầu.
Tình trạng đó xuất hiện trước cửa nhà chúng tôi khoảng mỗi tháng một lần. Ai đó đã đánh giá nhà cung cấp dựa trên các chứng nhận và giá cả, vận hành sản xuất trong một hoặc hai năm mà không gặp vấn đề gì, sau đó có điều gì đó thay đổi và đột nhiên không có gì hiệu quả. Nhà cung cấp cam kết không có gì thay đổi. Khách hàng không có dữ liệu quy trình để chứng minh điều ngược lại. Mọi người chỉ tay trong khi dây chuyền sản xuất không hoạt động.
Sự thật phũ phàng về các dự án chuyển đổi nhựa hàng không vũ trụ
Kinh tế học chuyển đổi từ kim loại-sang-nhựa trông thật ngoạn mục trên giấy tờ. Hợp chất tiết kiệm trọng lượng thông qua chi phí nhiên liệu trong suốt thời gian sử dụng máy bay. Chi phí đơn vị giảm một nửa hoặc nhiều hơn theo số lượng. Thời gian thực hiện rút gọn từ vài tháng đến vài tuần.
Sự hợp tác Aitiip-Liebherr được trích dẫn ở khắp mọi nơi-giảm trọng lượng 40%, tiết kiệm chi phí 30%-thể hiện điều gì sẽ xảy ra khi mọi thứ diễn ra suôn sẻ. Điều gì không được đưa vào các nghiên cứu điển hình đó: mười tám tháng phát triển quy trình, ba lần lặp lại công cụ, đầu tư thiết bị chuyên dụng đã biến những con số đó thành hiện thực.
Chúng tôi đã trích dẫn một chương trình khung trong quý trước, trong đó chi phí gia công nhôm hiện tại của khách hàng là khoảng 400 USD mỗi chiếc. Báo giá ép phun của chúng tôi có giá dưới 60 USD. Quyết định rõ ràng, phải không?
Ngoại trừ khung nhôm có bề mặt bịt kín được gia công với yêu cầu độ hoàn thiện 0,4 Ra. Để đạt được chất lượng bề mặt đó trực tiếp từ khuôn đòi hỏi phải sửa đổi dụng cụ làm tăng thêm 35.000 USD vào chi phí dụng cụ. Hoặc chúng tôi có thể tạo khuôn và sau đó gia công bề mặt bịt kín-để bổ sung khả năng xử lý, các hoạt động phụ và đẩy chi phí đơn vị trở lại lên tới 85 USD.
Vẫn là một dự án tốt. Vẫn tiết kiệm đáng kể. Nhưng khoảng cách giữa số tiêu đề và số thực rất quan trọng khi bộ phận tài chính đang thực hiện tính toán hoàn vốn. Các dự án bị giết chết vì khoảng cách đó. Những dự án tốt, những dự án lẽ ra phải xảy ra, lại chết vì có người đưa ra trường hợp lạc quan trước rồi lại phải rút lui.
Quá trình xử lý PEEK thực sự yêu cầu những gì
Bảng dữ liệu vật liệu từ Victrex và Solvay công bố các thông số xử lý hoạt động tốt cho các ứng dụng công nghiệp. Những thông số đó sẽ tạo ra các bộ phận hàng không vũ trụ vượt qua kiểm tra kích thước và không hoạt động được.
Nhiệt độ khuôn là ví dụ rõ ràng. Mức tối thiểu được xuất bản là khoảng160 độ. Các bộ phận được đúc ở nhiệt độ đó trông ổn, đo đúng và có thể có độ kết tinh 25%. Các bộ phận được đúc tại190-200 độđạt 35%+ độ kết tinh. Sự khác biệt trong cuộc sống mệt mỏi không phải là sự tăng dần-mà nó được nhân lên.
Vấn đề là việc chạy200 độNhiệt độ khuôn yêu cầu hệ thống gia nhiệt bằng dầu, thiết kế khuôn có khối lượng nhiệt thích hợp và các biện pháp kiểm soát quy trình mà hầu hết các cơ sở không có. Một cửa hàng có hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước nóng nổi lên xung quanh95 độ. Họ vẫn có thể nhào nặn PEEK. Các bộ phận vẫn sẽ được vận chuyển. Cuối cùng, các bộ phận vẫn sẽ bị hỏng theo những cách rất khó để tìm ra nguyên nhân của các điều kiện xử lý.
Các lớp chứa đầy carbon-thêm một lớp nữa. Gia nhiệt cắt từ chất độn sợi carbon làm thay đổi cấu hình nhiệt qua thùng. Hình học vít tiêu chuẩn hoạt động tốt đối với vật liệu chứa đầy thủy tinh-tạo ra các điểm nóng với chất độn cacbon. Vật liệu xuống cấp cục bộ trước khi nó chạm tới khuôn. Bạn không thể nhìn thấy nó. Bạn không thể đo lường nó khi kiểm tra đầu vào. Bạn phát hiện ra khi nào các bộ phận bắt đầu hỏng hóc tại hiện trường.
Không có chứng nhận xác nhận khả năng cụ thể này. AS9100 bao gồm các hệ thống chất lượng. NADCAP bao gồm các quy trình đặc biệt. Không ai hỏi liệu một cơ sở có thể thực sự chứa được200 độnhiệt độ khuôn bên trong±3 độtrên một công cụ có nhiều{0}}khoang trong khi chạy PEEK chứa đầy carbon. Câu hỏi đó chỉ được trả lời trong quá trình đánh giá năng lực của nhà cung cấp-nếu kiểm toán viên biết cách hỏi.
Vấn đề chứng nhận không ai nói đến
Đăng ký AS9100D có nghĩa là một công ty đã ghi lại các quy trình quản lý chất lượng. Điều đó không có nghĩa là họ có thể tạo ra các bộ phận của bạn. Chúng tôi đã thấy các cơ sở được chứng nhận AS9100-báo giá các dự án polyme nhiệt độ cao khi thiết bị của họ về mặt vật lý không thể đạt được các điều kiện quy trình bắt buộc.
Đây không nhất thiết là gian lận. Nhiều cơ sở thực sự tin rằng họ có thể xử lý bất kỳ loại nhựa nhiệt dẻo nào vì máy được đánh giá phù hợp với phạm vi nhiệt độ. Họ không hiểu rằng xếp hạng và khả năng duy trì là những thứ khác nhau hoặc rằng các yêu cầu-quy trình cụ thể về vật chất tồn tại ngoài những gì bảng dữ liệu nêu rõ ràng.
Chứng nhận NADCAP mang lại sự tự tin hơn vì nó xác nhận các quy trình sản xuất cụ thể thay vì các hệ thống chung. Nhưng phạm vi công nhận là quan trọng. Một cơ sở được công nhận về quy trình ép phun tiêu chuẩn có thể chưa bao giờ chạy-polyme nhiệt độ cao thông qua tế bào được công nhận đó. Việc công nhận bao gồm cả quy trình chứ không phải mọi vật liệu có thể được xử lý về mặt lý thuyết.
Các câu hỏi kiểm tra thực sự quan trọng không liên quan gì đến chứng chỉ. Chúng liên quan đến các tham số quy trình cụ thể cho các tài liệu cụ thể trong chương trình của bạn, các nghiên cứu về khả năng xử lý được ghi lại và dữ liệu năng suất lịch sử trên các ứng dụng tương tự. Nếu nhà cung cấp không thể xuất trình tài liệu đó thì chứng nhận đó không liên quan.
Lựa chọn vật liệu ngoài bảng dữ liệu
PEEK chiếm ưu thế trong các cuộc trò chuyện về lĩnh vực nhựa trong lĩnh vực hàng không vũ trụ vì nó xử lý phạm vi rộng nhất của các điều kiện-nhiệt độ, hóa chất, ứng suất cơ học, bức xạ. Nó cũng có giá khoảng 100 USD/kg, có nghĩa là chi phí vật liệu sẽ trở nên đáng kể ở bất kỳ khối lượng hợp lý nào.
PPS
PPS xử lý nhiều ứng dụng tương tự ở mức giá 25-30 USD/kg. Sự đánh đổi là cửa sổ xử lý hẹp hơn, khả năng chống va đập thấp hơn và độ nhạy cao hơn với các hiệu ứng định hướng sợi. Đối với các bộ phận chủ yếu chịu tải trọng tĩnh trong môi trường có tính ăn mòn hóa học, PPS thường hợp lý hơn PEEK. Đối với bất kỳ thứ gì có yêu cầu về tải trọng hoặc tác động động, sự khác biệt về chi phí là không liên quan.
Ultem
Ultem xuất hiện trong vỏ điện và điện tử vì tính chất điện môi và khả năng chống cháy vốn có của nó. Nhiệt độ xử lý thấp hơn PEEK, yêu cầu về thiết bị ít đòi hỏi khắt khe hơn và chi phí vật liệu nằm ở khoảng giữa. Đối với các ứng dụng mà hiệu suất điện quan trọng hơn hiệu suất cơ học, Ultem tránh được sự phức tạp về chi phí và xử lý của PEEK mà không ảnh hưởng đến chức năng.
Cuộc trò chuyện về lựa chọn vật liệu thường diễn ra quá muộn trong quá trình phát triển. Vào thời điểm các bộ phận đạt đến giai đoạn báo giá, kỹ thuật đã chỉ định một loại vật liệu dựa trên các đặc tính đã được công bố mà không xem xét các tác động trong sản xuất. Việc thay đổi vật liệu tại thời điểm đó yêu cầu-xác thực lại, cập nhật bản vẽ, công cụ mới-, tất cả đều làm tăng thêm chi phí và sự chậm trễ mà lẽ ra có thể tránh được nếu có sự tham gia của nhà cung cấp trước đó.
Đầu tư công cụ và kinh tế chương trình
Dụng cụ khuôn ép phun cho các ứng dụng hàng không vũ trụ thường có giá từ 50.000 đến 150.000 USD tùy thuộc vào độ phức tạp. Con số này gây sốc cho các chương trình trước đây đã mua các bộ phận gia công mà không cần đầu tư vào công cụ.
Sự so sánh đó không đúng điểm. Các bộ phận được gia công mang theo chi phí dụng cụ trong mỗi đơn vị-cố định, lập trình, thiết lập và kiểm định máy. Những chi phí đó chỉ được tính vào giá thành sản phẩm chứ không được gọi riêng lẻ. Một bộ phận được gia công trị giá 400 USD có thể bao gồm 80 USD chi phí thiết lập và lập trình được khấu hao mà không ai theo dõi vì không có chi tiết đơn hàng cho nó.
Quan trọng hơn, đầu tư vào công cụ tạo ra đòn bẩy. Khi công cụ tồn tại và đủ tiêu chuẩn, chi phí gia tăng của các bộ phận bổ sung sẽ bằng nguyên liệu thô cộng với thời gian chu kỳ. Sản xuất có thể mở rộng quy mô theo nhu cầu. Đơn đặt hàng gấp trở thành có thể. Những thay đổi về thiết kế yêu cầu lập trình lại-hoàn chỉnh cho quá trình gia công sẽ trở thành những sửa đổi công cụ giúp duy trì quá trình xác thực.
Các chương trình mà việc ép phun không có ý nghĩa là các ứng dụng có-khối lượng thấp, kết hợp{1}}cao mà công cụ không thể khấu hao hiệu quả và hình dạng thay đổi thường xuyên. Dưới khoảng 500 đơn vị trọn đời, gia công thường thắng. Trên ngưỡng đó, phép tính sẽ thay đổi tùy thuộc vào độ phức tạp của bộ phận, yêu cầu dung sai và thời lượng chương trình.
Trình độ chuyên môn thực sự liên quan đến gì
Việc kiểm tra bài viết đầu tiên đối với các bộ phận đúc phun trong ngành hàng không vũ trụ đòi hỏi nhiều công sức hơn hầu hết người mua mong đợi. Bản thân FAI là quá trình xác minh kích thước-đơn giản dựa trên bản vẽ, chứng nhận vật liệu, tài liệu thông số quy trình. Việc xác thực quy trình trước FAI là nơi các chương trình thành công hay thất bại.
Giám sát áp suất khoangtrên các bộ phận xác nhận chất lượng sẽ thiết lập chữ ký quy trình mà các hoạt động sản xuất phải khớp. Đây không phải là tùy chọn cho các ứng dụng quan trọng. Dấu vết áp suất khoang cho biết bộ phận có được đổ đầy, đóng gói chính xác và làm mát chính xác hay không trong mỗi lần chụp. Các bộ phận đo chính xác nhưng có vết áp suất bất thường cho thấy quá trình không ổn định và cuối cùng sẽ tạo ra lỗi.
Xác minh độ kết tinhvấn đề quan trọng đối với PEEK và các vật liệu bán{0} kết tinh khác. Phân tích DSC trên các mẫu chất lượng sẽ thiết lập mức độ kết tinh cơ bản. Các bộ phận sản xuất có thể được-kiểm tra tại chỗ dựa trên đường cơ sở đó. Khi quy trình của nhà cung cấp có sự thay đổi-cố ý hay không-sự kết tinh thường là dấu hiệu đầu tiên cho thấy có điều gì đó đã thay đổi.
Khả năng xử lý thống kêyêu cầu cỡ mẫu được tính từ số thứ nguyên tới hạn và mức độ tin cậy được yêu cầu. Ba mươi-hai mẫu cho một bộ phận có ba kích thước tới hạn ở Cpk 1,33 là không đủ. Phép toán không phức tạp nhưng thường bị làm sai, dẫn đến các nghiên cứu về năng lực không thực sự chứng minh được năng lực.
Đọc đề xuất và xác định cờ đỏ
Báo giá cho bạn biết nhiều về năng lực thực tế của nhà cung cấp hơn là phần trình bày về năng lực của họ.
Các ước tính về thời gian thực hiện trông giống hệt nhau ở các mức độ phức tạp khác nhau của bộ phận cho thấy nhà cung cấp chưa thực sự đánh giá các yêu cầu cụ thể của bạn. Công cụ một khoang đơn giản bằng thép P20 có thời gian thực hiện khác với công cụ bốn khoang khoang ở H13 với khả năng làm mát phù hợp. Nếu trích dẫn ghi "16 tuần" cho cả hai thì có nghĩa là ai đó đang sử dụng mẫu thay vì thực hiện kỹ thuật.
Thông số kỹ thuật vật liệu được viết là "PEEK hoặc tương đương" không có chú thích cấp độ cho biết nhà cung cấp đang dự định mua tùy chọn rẻ nhất đáp ứng đủ tiêu chuẩn về mặt kỹ thuật. Đối với các ứng dụng kết cấu, sự khác biệt giữa PEEK 450G và 150G là không nhỏ. Nếu báo giá không hỏi loại nào thì nhà cung cấp không hiểu ứng dụng.
Số lượng bài viết đầu tiên được làm tròn bằng số-chính xác là 50, chính xác là 100-gợi ý cỡ mẫu không được tính toán dựa trên yêu cầu dung sai cụ thể của bạn. Cỡ mẫu xác nhận khả năng xử lý phụ thuộc vào số lượng đặc điểm quan trọng và mức độ tin cậy được yêu cầu. Việc tính toán hiếm khi tạo ra số tròn.
Giá sản phẩm giảm đáng kể ở số lượng mà chương trình sẽ không bao giờ đạt tới cho thấy nhà cung cấp đang mua doanh nghiệp với số lượng tiêu đề hấp dẫn. Nếu khối lượng hàng năm của bạn là 2.000 chiếc và báo giá hiển thị mức giá hấp dẫn ở mức 10.000 thì mức giá đó không liên quan. Nhìn vào con số phù hợp với yêu cầu thực tế của bạn.
Thực tế về dòng thời gian phát triển
Các chương trình ép phun hàng không vũ trụ mới cần 20-30 tuần kể từ khi bắt đầu lắp đặt cho đến khi các bộ phận đủ tiêu chuẩn trong các trường hợp thông thường. Dòng thời gian đó bao gồm phân tích DFM, thiết kế công cụ, xây dựng công cụ, phát triển quy trình, kiểm tra bài viết đầu tiên và tài liệu chứng nhận.
Những nỗ lực nén dòng thời gian đó thường thất bại. Việc xây dựng công cụ có thể được tăng tốc bằng cách bỏ tiền vào đó-làm thêm giờ, sử dụng vật liệu cao cấp, năng lực chuyên dụng. Không thể nén quá trình phát triển quy trình vì vật lý xác định thời gian thực sự mất bao lâu để thử nghiệm vật liệu, nghiên cứu quy trình và kiểm tra chất lượng. Thép nguội đi với tốc độ nó nguội đi. Polyme kết tinh theo tốc độ nó kết tinh.
Các chương trình bắt đầu với các mốc thời gian linh hoạt thường kết thúc muộn hơn các chương trình bắt đầu với các mốc thời gian thực tế. Lịch trình chặt chẽ tạo ra áp lực buộc phải bỏ qua các bước phát triển quy trình mà sau đó phải lặp lại khi có vấn đề xuất hiện trong quá trình sản xuất. Một công cụ giao hàng sớm hai tuần nhưng tạo ra các bộ phận có tỷ lệ phế liệu 15% thực tế không phải là trước thời hạn.
Các mốc thời gian khẩn cấp đối với dụng cụ hiện có, đủ tiêu chuẩn là khác nhau. Việc di chuyển các công cụ đủ tiêu chuẩn giữa các cơ sở hoặc khởi động lại sản xuất sau khi tạm dừng có thể diễn ra trong vài tuần thay vì vài tháng vì quá trình phát triển quy trình đã diễn ra. Các chương trình mới không có tùy chọn đó.
Khi ép phun không phải là câu trả lời
Một số ứng dụng hàng không vũ trụ không nên được ép phun bất kể tính kinh tế về khối lượng.
Các thành phần có bộ phận tăng ứng suất tập trung theo các hướng không thể đoán trước sẽ hoạt động không nhất quán trong nhựa nhiệt dẻo được gia cố bằng sợi-. Định hướng sợi tuân theo mô hình dòng chảy phụ thuộc vào vị trí cổng, hình dạng bộ phận và tốc độ lấp đầy. Bộ phận này khỏe ở những nơi sợi liên kết với ứng suất và yếu ở những nơi không bị căng thẳng. Dự đoán và kiểm soát hướng sợi đòi hỏi khả năng mô phỏng và điều khiển xử lý làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp.
Các bề mặt bịt kín yêu cầu hoàn thiện ngoài những gì đúc có thể đạt được trực tiếp cần gia công thứ cấp. Việc gia công đó giải phóng ứng suất dư từ quá trình đúc và có thể gây ra sự dịch chuyển kích thước trên các chi tiết được đo chính xác trước khi gia công. Sự kết hợp giữa đúc và gia công sẽ bổ sung thêm dung sai-mà gia công thuần túy hoặc đúc thuần túy tránh được.
Các bộ phận yêu cầu lắp ráp sau khuôn có khớp nối can thiệp hoặc ép vào các hạt dao cần có độ ổn định về kích thước theo thời gian mà một số polyme không thể cung cấp. Sự giãn nở và giảm ứng suất trong nhựa nhiệt dẻo khiến các khớp nối bị cản trở và lỏng ra trong nhiều tháng hoặc nhiều năm. Các thiết kế hoạt động hoàn hảo bằng nhôm có thể cần những thay đổi cơ bản để hoạt động bằng nhựa.
Dung sai hình học rất chặt chẽ trên các bộ phận lớn dẫn đến chênh lệch giãn nở nhiệt giữa nhựa và thiết bị đo lường. Một phần nhựa 300mm được đo ở góc 20 độ sẽ có sự khác biệt đáng kể ở góc 35 độ. Việc xác định các điều kiện đo lường trở thành một phần của thông số kỹ thuật về kích thước và không phải tất cả các cơ sở kiểm tra đều có thể duy trì các biện pháp kiểm soát môi trường cần thiết.
Bắt đầu cuộc trò chuyện
Nếu có một dự án ép phun nhựa hàng không vũ trụ trên bàn làm việc của bạn-sự phát triển mới, các vấn đề hiện tại của nhà cung cấp, đánh giá chuyển đổi kim loại- thì lộ trình phía trước phụ thuộc vào vị trí của bạn trong quá trình này.
Việc lựa chọn vật liệu ở giai đoạn đầu-được hưởng lợi từ thông tin đầu vào của nhà cung cấp trước khi kỹ thuật hoàn thiện các thông số kỹ thuật. Ý nghĩa sản xuất của việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến tính kinh tế của dự án theo những cách mà việc so sánh bảng dữ liệu không thể nắm bắt được. Thu hút các nhà cung cấp tiềm năng trong quá trình lựa chọn nguyên liệu thay vì sau đó sẽ ngăn chặn các quyết định về thông số kỹ thuật tạo ra các vấn đề về sau.
Các chương trình có thiết kế hiện có cần đánh giá khả năng sản xuất trước khi báo giá. Phân tích DFM xác định các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình gỡ lỗi công cụ hoặc giai đoạn sản xuất. Chi phí phân tích không đáng kể so với chi phí sửa đổi công cụ hoặc các vấn đề về chất lượng sản xuất.
Các tình huống nhà cung cấp hiện tại không hoạt động đòi hỏi phải có sự đánh giá trung thực xem liệu vấn đề có thể giải quyết được với nhà cung cấp hiện tại hay yêu cầu năng lực của một nguồn thay thế. Đôi khi câu trả lời là cải tiến quy trình tại nhà cung cấp hiện tại. Đôi khi câu trả lời là bắt đầu lại với một người có đủ năng lực.
Chúng tôi xử lý tất cả những tình huống này, nhưng không phải tất cả chúng đều phù hợp với những gì chúng tôi làm tốt. Cuộc trò chuyện ban đầu sẽ xác định liệu có phù hợp hay không. Nếu có, chúng tôi chuyển sang báo giá chính thức. Nếu không có, chúng tôi nói như vậy.
Cơ sở cung cấp khuôn ép phun nhựa hàng không vũ trụ bao gồm từ các nhà đúc khuôn hàng hóa hy vọng phát triển sang lĩnh vực hàng không vũ trụ cho đến các cơ sở chuyên biệt chỉ tập trung vào xử lý polyme hiệu suất cao. Các chứng nhận không phân biệt được một cách đáng tin cậy giữa chúng. Giá không phân biệt đáng tin cậy giữa chúng. Năng lực chỉ trở nên rõ ràng thông qua đánh giá kỹ thuật chi tiết hoặc thật không may là thông qua các vấn đề trong sản xuất.
Các câu hỏi trong bài viết này cung cấp một khuôn khổ cho việc đánh giá đó. Các câu trả lời xác định liệu nhà cung cấp có thực sự đáp ứng được những gì chương trình của bạn yêu cầu hay không-hay liệu đề xuất của họ có thể hiện được năng lực mà họ chưa phát triển hay không.