Brizganje plastike u zrakoplovstvu: Ključne komponente, razmatranja dizajna, materijali i budući trendovi
Prije sedam tjedana voditelj kvalitete obrambenog izvođača poslao nam je fotografije PEEK kućišta konektora koja su počela pucati na tekućoj traci. Dijelovi iz iste proizvodne serije, isti dobavljač, ista serija materijala-neki savršeni, neki neispravni. Njegove točne riječi: "Tri godine koristimo ovog dobavljača i sada se sve raspada."
Taj projekt nismo prihvatili. Ne zato što nismo mogli otkriti što je pošlo po zlu-glavni uzrok bio je očigledan u roku od sat vremena nakon što smo pogledali njihovu evidenciju procesa-već zato što pravi problem nisu bili dijelovi. Pravi problem bio je u tome što njihov proces kvalifikacije dobavljača nikad nije postavio prava pitanja.
Ta se situacija sada pojavi na našim vratima otprilike jednom mjesečno. Netko je kvalificirao dobavljača na temelju certifikata i cijene, vodio proizvodnju godinu-dvije bez problema, onda se nešto pomaknulo i odjednom ništa ne radi. Dobavljač se kune da se ništa nije promijenilo. Kupac nema procesne podatke koji bi dokazali suprotno. Svi upiru prstom dok proizvodna traka miruje.
Neugodna istina o projektima pretvorbe zrakoplovne plastike
Ekonomika pretvorbe-u-plastiku izgleda spektakularno na papiru. Ušteda na težini povezana je s troškovima goriva tijekom životnog vijeka zrakoplova. Jedinični troškovi padaju za pola ili više s količinom. Vrijeme isporuke sažima se od mjeseci do tjedana.
Suradnja Aitiip-Liebherr koja se posvuda citira-40% smanjenja težine, 30% uštede troškova – predstavlja ono što se događa kada sve ide kako treba. Što ne ulazi u te studije slučaja: osamnaest mjeseci razvoja procesa, tri iteracije alata, ulaganja u specijaliziranu opremu koja su omogućila te brojke.
Citirali smo program zagrada u prošlom tromjesečju gdje je kupčev trenutni trošak strojne obrade aluminija iznosio oko 400 USD po jedinici. Naša ponuda za injekcijsko prešanje bila je ispod 60 USD. Očigledna odluka, zar ne?
Osim što je aluminijski nosač imao strojno obrađenu brtvenu površinu sa zahtjevom završne obrade od 0,4 Ra. Postizanje te kvalitete površine izravno iz kalupa zahtijeva modifikacije alata koje su dodale 35.000 dolara na cijenu alata. Ili bismo ga mogli oblikovati, a zatim strojno obraditi površinu za brtvljenje-što je dodalo rukovanje, sekundarne operacije i gurnulo trošak jedinice na 85 USD.
Još uvijek dobar projekt. Još uvijek značajna ušteda. Ali razlika između naslovne brojke i stvarne brojke je važna kada financije rade izračun povrata. Projekti se ubijaju zbog tog jaza. Dobri projekti, projekti koji bi se trebali dogoditi, umiru jer je netko prvo predstavio optimističan slučaj, a zatim ga je morao vratiti.
Što PEEK obrada zapravo zahtijeva
Tehničke tablice materijala Victrexa i Solvaya objavljuju parametre obrade koji dobro funkcioniraju za industrijske primjene. Ti će parametri proizvesti dijelove zrakoplova koji prolaze dimenzionalnu inspekciju i ne služe.
Temperatura kalupa očit je primjer. Objavljeni minimum je oko160 stupnjeva. Dijelovi oblikovani na toj temperaturi izgledaju ispravno, mjere ispravno i imaju možda 25% kristalnosti. Dijelovi oblikovani na190-200 stupnjevapostigao 35%+ kristaliničnost. Razlika u vijeku trajanja umora nije inkrementalna-već je multiplikativna.
Problem je u tome što trčanje200 stupnjevatemperatura kalupa zahtijeva sustave grijanja ulja, dizajn kalupa s odgovarajućom toplinskom masom i procesne kontrole koje većina postrojenja nema. Trgovina s kontrolom temperature tople vode nalazi se na vrhu95 stupnjeva. Još uvijek mogu oblikovati PEEK. Dijelovi će se i dalje slati. Dijelovi će i dalje kvariti, na kraju, na načine koje je vrlo teško pratiti do uvjeta obrade.
Klase punjene-ugljikom dodaju još jedan sloj. Zagrijavanje smicanjem od punila od karbonskih vlakana mijenja toplinski profil kroz cijev. Standardne geometrije vijaka koje dobro funkcioniraju za materijal ispunjen-staklom stvaraju vruće točke s karbonskim punjenjem. Materijal se lokalno razgrađuje prije nego uopće dospije u kalup. Ne možete to vidjeti. Ne možete ga mjeriti na ulaznom pregledu. Saznat ćete kada dijelovi počnu otkazivati na terenu.
Ne postoji certifikat koji potvrđuje ovu specifičnu sposobnost. AS9100 pokriva sustave kvalitete. NADCAP pokriva posebne procese. Ni jedno ni drugo ne pitaju može li objekt zapravo izdržati200 stupnjevatemperatura kalupa unutar±3 stupnjapreko alata s više-šupljina dok radi PEEK-ispunjen karbonom. Odgovor na to pitanje dobiva se samo tijekom revizije kvalifikacije dobavljača-ako ga revizor zna postaviti.
Problem certifikacije o kojem nitko ne govori
Registracija AS9100D znači da tvrtka ima dokumentirane procese upravljanja kvalitetom. To ne znači da oni mogu napraviti vaše dijelove. Vidjeli smo objekte s AS9100-certifikatom koji citiraju projekte polimera visoke temperature kada njihova oprema fizički ne može postići potrebne uvjete procesa.
Ovo nije nužno prijevara. Mnogi pogoni iskreno vjeruju da mogu obraditi bilo koju termoplastiku jer su strojevi ocijenjeni za temperaturni raspon. Oni ne razumiju da su ocjene i održiva sposobnost različite stvari, ili da zahtjevi-specifični za proces postoje izvan onoga što je izričito navedeno u podatkovnoj tablici.
NADCAP akreditacija pruža više povjerenja jer potvrđuje specifične proizvodne procese umjesto općih sustava. Ali opseg akreditacije je bitan. Postrojenje akreditirano za standardne procese injekcijskog prešanja možda nikada nije provelo polimer visoke-temperature kroz tu akreditiranu ćeliju. Akreditacija pokriva proces, a ne svaki mogući materijal koji bi se teoretski mogao obraditi.
Revizijska pitanja koja su zapravo važna nemaju nikakve veze s certifikatima. Oni uključuju specifične procesne parametre za specifične materijale u vašem programu, dokumentirane studije mogućnosti procesa i povijesne podatke o prinosu sličnih aplikacija. Ako dobavljač ne može dostaviti tu dokumentaciju, potvrda nije relevantna.
Odabir materijala izvan podatkovne tablice
PEEK dominira razgovorima o plastici u zrakoplovstvu jer podnosi najširi raspon uvjeta-temperature, kemikalija, mehaničkog naprezanja, zračenja. Također košta otprilike 100 USD po kilogramu, što znači da trošak materijala postaje značajan pri bilo kojoj razumnoj količini.
PPS
PPS obrađuje mnoge od istih aplikacija za 25-30 USD po kilogramu. Kompromisi su uži obradni prozori, manja otpornost na udarce i veća osjetljivost na učinke orijentacije vlakana. Za komponente koje će primarno imati statička opterećenja u kemijski agresivnim okruženjima, PPS često ima više smisla nego PEEK. Za bilo što sa zahtjevima dinamičkog opterećenja ili udara, razlika u cijeni je irelevantna.
Ultem
Ultem se pojavljuje u električnim i elektroničkim kućištima zbog svojih dielektričnih svojstava i inherentne otpornosti na plamen. Temperature obrade niže su od PEEK-a, zahtjevi za opremu su manje zahtjevni, a cijena materijala je negdje između. Za primjene u kojima je električna izvedba važnija od mehaničke, Ultem izbjegava troškove i komplikacije obrade PEEK-a bez ugrožavanja funkcije.
Razgovor o odabiru materijala obično se događa prekasno u procesu razvoja. Dok dijelovi dođu do faze citiranja, inženjering je već odredio materijal na temelju objavljenih svojstava bez razmatranja implikacija proizvodnje. Promjena materijala u tom trenutku zahtijeva ponovnu-provjeru valjanosti, ažurirane crteže, potencijalno novi alat-što sve povećava troškove i kašnjenja koja su se mogla izbjeći ranijim uključivanjem dobavljača.
Ulaganje u alate i ekonomija programa
Alati za injekcijske kalupe za aplikacije u zrakoplovstvu obično koštaju između 50.000 i 150.000 USD, ovisno o složenosti. Broj stvara šok za programe koji su u prošlosti kupovali strojno obrađene dijelove bez ulaganja u alate.
Ta usporedba promašuje bit. Strojno obrađeni dijelovi nose svoje troškove alata u svakoj jedinici-pričvršćivanja, programiranja, postavljanja stroja i kvalifikacije. Ti su troškovi samo ugrađeni u cijenu komada, a ne zasebno. Strojni dio od 400 USD može uključivati 80 USD amortiziranih troškova postavljanja i programiranja koje nitko ne prati jer za to ne postoji stavka.
Još važnije, ulaganje u alat stvara polugu. Jednom kada alat postoji i kvalificiran je, inkrementalni trošak dodatnih dijelova približava se sirovini plus vrijeme ciklusa. Proizvodnja se može povećati s potražnjom. Hitne narudžbe postaju moguće. Promjene dizajna koje bi zahtijevale potpuno re-programiranje za strojnu obradu postaju modifikacije alata koje održavaju validaciju procesa.
Programi u kojima injekcijsko prešanje nema smisla su male-volumenske,-miješane aplikacije gdje se alat ne može učinkovito amortizirati i geometrija se često mijenja. Ispod oko 500 ukupnih životnih jedinica, strojna obrada obično pobjeđuje. Iznad tog praga, izračun se pomiče ovisno o složenosti dijela, zahtjevima tolerancije i trajanju programa.
Što kvalifikacija zapravo uključuje
Inspekcija prvog artikla za dijelove brizgane u zrakoplovima je zahtjevnija nego što većina kupaca očekuje. Sam FAI je jednostavna-provjera dimenzija u odnosu na crtež, certifikaciju materijala, dokumentaciju o parametrima procesa. Validacija procesa koja prethodi FAI-u je mjesto gdje programi uspijevaju ili ne uspijevaju.
Praćenje tlaka u šupljinina kvalifikacijskim dijelovima uspostavlja potpis procesa kojem proizvodne serije moraju odgovarati. Ovo nije izborno za kritične aplikacije. Tragovi pritiska šupljine pokazuju je li dio pravilno ispunjen, pakiran i pravilno ohlađen pri svakom pojedinačnom udarcu. Dijelovi koji mjere ispravno, ali imaju abnormalne tragove tlaka ukazuju na nestabilnost procesa koja će na kraju proizvesti kvarove.
Provjera kristalnostivažni za PEEK i druge polu{0}}kristalne materijale. DSC analiza kvalifikacijskih uzoraka utvrđuje osnovnu razinu kristaliničnosti. Proizvodni dijelovi mogu se-na licu mjesta provjeriti u odnosu na tu osnovnu vrijednost. Kada proces dobavljača skrene-namjerno ili ne-kristalnost je često prvi pokazatelj da se nešto promijenilo.
Mogućnost statističkog procesazahtijeva veličine uzorka izračunate iz broja kritičnih dimenzija i potrebne razine pouzdanosti. Trideset-dva uzorka za dio s tri kritične dimenzije pri Cpk 1,33 nisu dovoljna. Matematika nije komplicirana, ali se često radi pogrešno, što rezultira studijama sposobnosti koje zapravo ne pokazuju sposobnost.
Čitanje prijedloga i prepoznavanje crvenih zastava
Citati vam govore više o stvarnim sposobnostima dobavljača nego njihove prezentacije sposobnosti.
Procjene vremena isporuke koje izgledaju identično za različite složenosti dijelova sugeriraju da dobavljač zapravo nije procijenio vaše specifične zahtjeve. Jednostavan alat s jednom-šupljinom u čeliku P20 ima drugačije vrijeme pripreme od alata s četiri-šupljine u H13 s konformnim hlađenjem. Ako citat kaže "16 tjedana" za oboje, netko koristi predložak umjesto da se bavi inženjeringom.
Specifikacije materijala napisane kao "PEEK ili ekvivalent" bez oznake razreda ukazuju na to da dobavljač planira kupiti najjeftiniju opciju koja tehnički ispunjava uvjete. Za strukturalne primjene, razlika između PEEK 450G i 150G nije trivijalna. Ako se u ponudi ne pita koji stupanj, dobavljač ne razumije aplikaciju.
Količine prvog artikla u okruglim brojevima-točno 50, točno 100-sugerira da veličina uzorka nije izračunata na temelju vaših specifičnih zahtjeva tolerancije. Veličina uzorka za provjeru sposobnosti procesa ovisi o broju kritičnih karakteristika i potrebnoj razini pouzdanosti. Izračun rijetko daje okrugle brojeve.
Cijena po komadu koja se dramatično smanjuje u količinama koje program nikada neće dosegnuti ukazuje na to da dobavljač kupuje tvrtku s atraktivnim naslovnim brojem. Ako je vaš godišnji volumen 2.000 komada, a ponuda pokazuje uvjerljivu cijenu od 10.000, ta je cijena nevažna. Pogledajte broj koji odgovara vašim stvarnim zahtjevima.
Stvarnosti vremenskog slijeda razvoja
Novi programi brizganja u zrakoplovima zahtijevaju 20-30 tjedana od početnog angažmana do kvalificiranih dijelova pod normalnim okolnostima. Taj vremenski okvir uključuje analizu DFM-a, dizajn alata, izradu alata, razvoj procesa, inspekciju prvog artikla i dokumentaciju o kvalifikaciji.
Pokušaji komprimiranja te vremenske trake obično ne uspijevaju. Izrada alata može se ubrzati ulaganjem novca-prekovremenim radom, vrhunskim materijalima, namjenskim kapacitetom. Razvoj procesa ne može se komprimirati jer fizika određuje koliko će stvarno trajati ispitivanje materijala, studije procesa i kvalifikacije. Čelik se hladi brzinom kojom se hladi. Polimer kristalizira brzinom kojom kristalizira.
Programi koji započinju s agresivnim rokovima obično završe kasnije od programa koji su započeli s realističnim rokovima. Agresivni raspored stvara pritisak da se preskaču koraci razvoja procesa koji se onda moraju ponoviti kada se pojave problemi u proizvodnji. Alat koji se isporučuje dva tjedna ranije, ali proizvodi dijelove sa stopom otpada od 15%, zapravo nije ispred roka.
Vremenski rokovi za hitne slučajeve za postojeći, kvalificirani alat su različiti. Premještanje kvalificiranih alata između pogona ili ponovno pokretanje proizvodnje nakon pauze može se dogoditi u tjednima, a ne mjesecima, jer se razvoj procesa već dogodio. Novi programi nemaju tu mogućnost.
Kada injekcijsko prešanje nije rješenje
Neke aplikacije u zrakoplovstvu ne bi se trebale brizgati bez obzira na ekonomičnost volumena.
Komponente s koncentriranim dizačima naprezanja u nepredvidivim smjerovima rade nedosljedno u termoplastici -ojačanoj vlaknima. Orijentacija vlakana slijedi uzorke protoka koji ovise o položaju vrata, geometriji dijela i brzini punjenja. Dio je jak tamo gdje se vlakna usklađuju s naprezanjem, a slab tamo gdje to nije slučaj. Predviđanje i kontroliranje orijentacije vlakana zahtijeva mogućnosti simulacije i kontrole obrade koje povećavaju troškove i složenost.
Površine za brtvljenje koje zahtijevaju završnu obradu izvan onoga što se livenjem može izravno postići potrebna je sekundarna strojna obrada. Ta strojna obrada oslobađa zaostalo naprezanje iz procesa oblikovanja i može uzrokovati pomak dimenzija na značajkama koje su ispravno izmjerene prije strojne obrade. Kombinacija kalupljenja i strojne obrade dodaje hrpu tolerancije-koju čista strojna obrada ili čisto kalupljenje izbjegava.
Dijelovi koji zahtijevaju naknadno-sastavljanje kalupa s interferencijskim pristajanjima ili utisnutim-umetcima trebaju dimenzionalnu stabilnost tijekom vremena koju neki polimeri ne mogu pružiti. Puzanje i popuštanje naprezanja u termoplastici uzrokuju popuštanje interferencijskih spojeva tijekom mjeseci ili godina. Dizajni koji savršeno funkcioniraju u aluminiju možda će trebati temeljne promjene da bi funkcionirali u plastici.
Vrlo uske geometrijske tolerancije na velikim dijelovima dovode do razlika u toplinskom širenju između plastike i mjerne opreme. Plastični dio od 300 mm mjeren na 20 stupnjeva bit će mjerljivo drugačiji na 35 stupnjeva. Definiranje uvjeta mjerenja postaje dio specifikacije dimenzija i ne mogu sve inspekcijske ustanove održavati potrebne kontrole okoliša.
Započinjanje razgovora
Ako je na vašem stolu projekt brizganja plastike u zrakoplovstvu{0}}novi razvoj, postojeći problemi s dobavljačima, procjena konverzije metala-put naprijed ovisi o tome gdje se nalazite u procesu.
Rana-faza odabira materijala ima koristi od doprinosa dobavljača prije nego što inženjering finalizira specifikacije. Implikacije izbora materijala za proizvodnju utječu na ekonomiju projekta na načine koje usporedbe podatkovnih tablica ne mogu obuhvatiti. Angažiranje potencijalnih dobavljača tijekom odabira materijala, a ne nakon toga, sprječava donošenje odluka o specifikacijama koje stvaraju nizvodne probleme.
Programi s postojećim dizajnom trebaju procjenu proizvodnosti prije ponude. DFM analiza identificira probleme koji bi se inače pojavili tijekom otklanjanja pogrešaka alata ili proizvodnje. Trošak analize je trivijalan u usporedbi s troškom modifikacija alata ili problema s kvalitetom proizvodnje.
Trenutne situacije s dobavljačima koje ne funkcioniraju zahtijevaju poštenu procjenu je li problem rješiv s trenutnim dobavljačem ili zahtijeva kvalifikaciju alternativnog izvora. Ponekad je odgovor poboljšanje procesa kod postojećeg dobavljača. Ponekad je odgovor započeti ispočetka s nekim tko ima odgovarajuće sposobnosti.
Nosimo se svim tim situacijama, ali ne odgovaraju sve dobro onome što radimo. Početnim razgovorom utvrđuje se postoji li podudaranje. Ako postoji, prelazimo na formalnu ponudu. Ako nema, kažemo.
Baza nabave za brizganje plastike u zrakoplovstvu kreće se od proizvođača robe koji se nadaju prerasti u zrakoplovstvo do specijaliziranih objekata koji su usredotočeni isključivo na preradu polimera visokih-učinkovitosti. Certifikati ih ne razlikuju pouzdano. Cijena ih pouzdano ne razlikuje. Sposobnost postaje vidljiva tek kroz detaljnu tehničku procjenu ili, nažalost, kroz proizvodne probleme.
Pitanja u ovom članku pružaju okvir za tu procjenu. Odgovori određuju ima li dobavljač stvarno ono što vaš program zahtijeva-ili njihov prijedlog predstavlja sposobnost koju još nije razvio.