Аерокосмічне лиття пластику під тиском: ключові компоненти, міркування щодо дизайну, матеріали та майбутні тенденції
Сім тижнів тому менеджер з якості оборонного підрядника надіслав нам фотографії корпусів роз’ємів PEEK, які почали тріскатися на конвеєрі. Деталі з однієї виробничої партії, той самий постачальник, одна партія матеріалів-деякі ідеальні, деякі несправні. Його точні слова: «Ми користуємося цим постачальником три роки, а зараз все розвалюється».
Ми не брали цей проект. Не тому, що ми не могли зрозуміти, що пішло не так-першопричина стала очевидною протягом години після перегляду їхніх записів процесу-а тому, що справжня проблема полягала не в частинах. Справжня проблема полягала в тому, що процес кваліфікації постачальників ніколи не ставив правильних запитань.
Така ситуація з’являється у нас приблизно раз на місяць. Хтось кваліфікував постачальника на основі сертифікатів і ціни, запустив виробництво рік-два без проблем, потім щось змінилося, і раптом нічого не працює. Постачальник клянеться, що нічого не змінилося. Замовник не має технологічних даних, щоб підтвердити протилежне. Усі показують пальцями, поки виробнича лінія простоює.
Незручна правда про аерокосмічні проекти перетворення пластику
Економіка перетворення металу-на-пластик виглядає вражаюче на папері. Економія ваги поєднується з витратами на паливо протягом терміну експлуатації літака. Витрати на одиницю знижуються вдвічі або більше при обсязі. Терміни виконання скорочуються з місяців до тижнів.
Співпраця Aitiip-Liebherr, яку цитують скрізь-Зменшення ваги на 40%, економія витрат на 30% – це те, що відбувається, коли все йде правильно. Що не потрапило в ці тематичні дослідження: вісімнадцять місяців розробки процесу, три ітерації інструментів, інвестиції в спеціальне обладнання, які зробили ці цифри можливими.
У минулому кварталі ми цитували програму кронштейнів, де поточні витрати клієнта на обробку алюмінію становили близько 400 доларів США за одиницю. Наша ціна на лиття під тиском коштувала менше 60 доларів. Очевидне рішення, правда?
За винятком того, що алюмінієвий кронштейн мав механічно оброблену ущільнювальну поверхню з вимогою до обробки 0,4 Ra. Досягнення такої якості поверхні безпосередньо з прес-форми вимагає модифікації інструменту, що додало 35 000 доларів США до вартості інструменту. Або ми могли б сформувати його, а потім обробити ущільнювальну поверхню-, що додало транспортування, вторинні операції та підвищило вартість одиниці до 85 доларів США.
Все-таки хороший проект. Все ще значна економія. Але розрив між заголовним числом і реальним числом має значення, коли фінанси розраховують окупність. Проекти гинуть через цю прогалину. Хороші проекти, проекти, які повинні здійснитися, вмирають, тому що хтось спочатку представив оптимістичний аргумент, а потім мав повернутися до нього.
Що насправді вимагає обробка PEEK
Специфікації матеріалів від Victrex і Solvay публікують параметри обробки, які добре працюють для промислового застосування. Ці параметри дозволять виробляти аерокосмічні деталі, які пройдуть перевірку розмірів і не будуть експлуатуватися.
Температура цвілі є очевидним прикладом. Опублікований мінімум близько160 градусів. Деталі, сформовані при такій температурі, виглядають правильно, правильно виміряні та мають, можливо, 25% кристалічності. Деталі формовані на190-200 градусівкристалічність 35%+. Різниця в ресурсі втоми не збільшується-, вона мультиплікативна.
Проблема в тому, що біг200 градусівтемпература прес-форми вимагає систем підігріву масла, конструкцій форм із належною термічною масою та засобів керування процесом, яких немає на більшості підприємств. Навколо височіє магазин, у якому працює система контролю температури гарячої води95 градусів. Вони все ще можуть формувати PEEK. Частини все одно будуть доставлені. Деталі все одно будуть виходити з ладу, в результаті чого дуже важко відстежити умови обробки.
Сорти-з вуглецевим наповненням додають ще один рівень. Нагрівання зсуву від наповнювача з вуглецевого волокна змінює тепловий профіль ствола. Стандартна геометрія гвинтів, яка добре працює для матеріалів зі скло-наповнювачем, створює гарячі точки з вугільним наповненням. Матеріал деградує локально, навіть не досягнувши форми. Ви не можете цього побачити. На вхідному огляді виміряти його не можна. Ви дізнаєтеся, коли деталі починають виходити з ладу в полі.
Немає жодного сертифікату, який би підтверджував цю конкретну здатність. AS9100 охоплює системи якості. NADCAP охоплює спеціальні процеси. Жоден не запитує, чи може об'єкт справді витримати200 градусівтемпература форми в межах±3 градусичерез -інструмент з декількома порожнинами під час роботи з вугільним-PEEK. Відповідь на це запитання отримується під час перевірок кваліфікації постачальників,-якщо аудитор знає, що його потрібно поставити.
Проблема сертифікації, про яку ніхто не говорить
Реєстрація AS9100D означає, що компанія має задокументовані процеси управління якістю. Це не означає, що вони можуть виготовляти ваші частини. Ми бачили, як заводи, сертифіковані за AS9100-, цитували високотемпературні полімерні проекти, коли їх обладнання фізично не могло забезпечити необхідні умови процесу.
Це не обов’язково шахрайство. Багато підприємств щиро вірять, що можуть обробляти будь-який термопластик, оскільки машини розраховані на температурний діапазон. Вони не розуміють, що рейтинги та стійкі можливості — це різні речі, або що вимоги-до конкретних матеріалів існують поза межами того, що чітко зазначено в таблиці даних.
Акредитація NADCAP забезпечує більше впевненості, оскільки вона перевіряє конкретні виробничі процеси, а не загальні системи. Але обсяг акредитації має значення. Підприємство, акредитоване для стандартних процесів лиття під тиском, може ніколи не пропускати високо{2}}температурний полімер через цю акредитовану камеру. Акредитація охоплює процес, а не всі можливі матеріали, які теоретично можуть бути оброблені.
Питання аудиту, які насправді мають значення, не мають нічого спільного з сертифікатами. Вони включають конкретні параметри процесу для конкретних матеріалів у вашій програмі, задокументовані дослідження можливостей процесу та історичні дані про продуктивність подібних застосувань. Якщо постачальник не може надати цю документацію, сертифікація не має значення.
Вибір матеріалу за межами таблиці даних
PEEK домінує в аерокосмічних пластикових розмовах, оскільки він справляється з найширшим спектром умов-температури, хімікатів, механічних навантажень, радіації. Він також коштує приблизно 100 доларів за кілограм, що означає, що витрати на матеріал стають значними за будь-якого розумного обсягу.
PPS
PPS обробляє багато тих самих заявок за 25-30 доларів США за кілограм. Компромісами є вужчі вікна обробки, менша стійкість до ударів і більша чутливість до ефектів орієнтації волокна. Для компонентів, які зазнають переважно статичних навантажень у хімічно агресивних середовищах, PPS часто має більше сенсу, ніж PEEK. Для всього, що потребує динамічного навантаження або удару, різниця у вартості не має значення.
Ultem
Ultem з’являється в електричних та електронних корпусах завдяки своїм діелектричним властивостям і властивій вогнестійкості. Температура обробки нижча, ніж PEEK, вимоги до обладнання менш вимогливі, а вартість матеріалів знаходиться десь посередині. Для застосувань, де електричні характеристики важливіші за механічні, Ultem уникає витрат і ускладнень обробки PEEK без шкоди для функції.
Розмова про вибір матеріалу зазвичай відбувається надто пізно в процесі розробки. До моменту, коли деталі досягають стадії пропозиції, інженерно-технічне забезпечення вже визначило матеріал на основі опублікованих властивостей без урахування наслідків для виробництва. Зміна матеріалу на цьому етапі потребує повторної-перевірки, оновлених креслень, потенційно нового інструменту-, що додає витрат і затримок, яких можна було б уникнути за попередньої участі постачальника.
Інвестиції в інструменти та економіка програм
Інструмент для лиття під тиском для аерокосмічного застосування зазвичай коштує від 50 000 до 150 000 доларів США залежно від складності. Це число створює шок для програм, які раніше купували оброблені деталі без інвестицій у інструменти.
Це порівняння не має суті. Оброблені деталі мають свої витрати на інструменти для кожного блоку-кріплення, програмування, налаштування машини та кваліфікації. Ці витрати просто включені в ціну за штуку, а не називаються окремо. Оброблена деталь вартістю 400 доларів США може включати 80 доларів США амортизованих витрат на налаштування та програмування, які ніхто не відстежує, оскільки для них немає окремої позиції.
Що ще важливіше, інвестиції в інструменти створюють важелі. Після того, як інструмент існує та кваліфікований, додаткова вартість додаткових деталей наближається до вартості сировини плюс час циклу. Виробництво може масштабуватися відповідно до попиту. Стають можливими термінові замовлення. Зміни в конструкції, які вимагали б повного пере-програмування для обробки, стають модифікаціями інструментів, які підтримують перевірку процесу.
Програми, у яких лиття під тиском не має сенсу, це програми з малим-об’ємом, великою-змішуванням, де інструменти не можуть ефективно амортизуватися, а геометрія часто змінюється. Нижче приблизно 500 одиниць загального терміну служби механічна обробка зазвичай виграє. Понад цим порогом розрахунок змінюється залежно від складності деталей, вимог щодо допуску та тривалості програми.
Що насправді передбачає кваліфікація
Перша перевірка виробів для аерокосмічних деталей, виготовлених під тиском, є більш складною, ніж очікує більшість покупців. Сам FAI є простою-перевіркою розмірів за кресленням, сертифікацією матеріалів, документацією щодо параметрів процесу. Процес перевірки, який передує FAI, є місцем успішного чи невдалого виконання програм.
Контроль тиску в порожниніна частинах кваліфікації встановлює сигнатуру процесу, якій мають відповідати виробничі цикли. Це необов'язково для критичних програм. Сліди тиску в порожнині показують, чи деталь правильно заповнена, правильно упакована та охолоджена під час кожного окремого удару. Деталі, які вимірюють правильно, але мають аномальні сліди тиску, вказують на нестабільність процесу, яка зрештою призведе до дефектів.
Перевірка кристалічностімає значення для PEEK та інших напів{0}}кристалічних матеріалів. Аналіз DSC на кваліфікаційних зразках встановлює базовий рівень кристалічності. Виробничі деталі можна-перевірити на відповідність цій базовій лінії. Коли процес постачальника -навмисно чи ні-зміщується-, кристалічність часто є першим показником того, що щось змінилося.
Можливість статистичного процесувимагає розмірів вибірки, розрахованих на основі кількості критичних параметрів і необхідного рівня достовірності. Тридцяти-двох зразків для деталі з трьома критичними розмірами при Cpk 1,33 недостатньо. Розрахунок не складний, але часто робиться неправильно, що призводить до досліджень здібностей, які насправді не демонструють здібності.
Читання пропозицій і визначення червоних прапорців
Котирування говорять вам більше про фактичні можливості постачальника, ніж їхні презентації можливостей.
Оцінки часу виконання, які виглядають ідентичними для різних деталей складності, свідчать про те, що постачальник насправді не оцінив ваші конкретні вимоги. Простий одно-порожнинний інструмент зі сталі P20 має інший час виконання, ніж чотири-порожнинний інструмент із H13 із конформним охолодженням. Якщо цитата говорить «16 тижнів» для обох, хтось використовує шаблон замість того, щоб займатися розробкою.
Специфікації матеріалів, написані як «PEEK або еквівалент» без виноски класу, вказують на те, що постачальник планує купувати найдешевший варіант, який технічно відповідає вимогам. Для структурних застосувань різниця між PEEK 450G і 150G нетривіальна. Якщо в ціновій пропозиції не вказано, якого класу, постачальник не розуміє застосування.
Кількість першої статті в круглих числах-рівно 50, рівно 100 — це означає, що розмір вибірки не було розраховано на основі ваших конкретних вимог щодо допуску. Розмір вибірки перевірки можливостей процесу залежить від кількості критичних характеристик і необхідного рівня достовірності. Розрахунок рідко дає круглі числа.
Ціна за штуку, яка різко знижується при обсягах, яких програма ніколи не досягне, означає, що постачальник купує бізнес із привабливим заголовком. Якщо ваш річний обсяг становить 2000 одиниць, а пропозиція показує переконливу ціну в 10 000, ця ціна не має значення. Перегляньте номер, який відповідає вашим фактичним вимогам.
Реалії термінів розвитку
Нові аерокосмічні програми лиття під тиском вимагають 20-30 тижнів від початкового залучення до кваліфікованих деталей за звичайних обставин. Цей графік включає аналіз DFM, проектування інструменту, створення інструменту, розробку процесу, першу перевірку товару та кваліфікаційну документацію.
Спроби стиснути цю шкалу часу зазвичай не вдаються. Створення інструменту можна пришвидшити, витративши на це гроші-понаднормово, преміальні матеріали, виділену потужність. Розробка процесу не може бути стиснута, оскільки фізика визначає, скільки часу фактично займає випробування матеріалу, дослідження процесу та кваліфікаційні прогони. Сталь охолоджується зі швидкістю, з якою охолоджується. Полімер кристалізується зі швидкістю кристалізації.
Програми, які починаються з агресивними часовими шкалами, зазвичай закінчуються пізніше, ніж програми, які починаються з реалістичними часовими шкалами. Агресивний графік створює тиск для пропуску етапів розробки процесу, які потім потрібно повторювати, коли виникають проблеми у виробництві. Інструмент, який постачається на два тижні раніше, але виробляє деталі з відсотком брухту 15%, насправді не випереджає графік.
Надзвичайні терміни для наявного кваліфікованого інструменту відрізняються. Переміщення кваліфікованих інструментів між об’єктами або перезапуск виробництва після паузи може відбутися за тижні, а не за місяці, оскільки розвиток процесу вже відбувся. Нові програми не мають такої можливості.
Коли лиття під тиском – це не вихід
Деякі аерокосмічні програми не слід формувати під тиском незалежно від економічного обсягу.
Компоненти зі зосередженими стійками напруги в непередбачуваних орієнтаціях працюють неоднаково в армованих волокном-термопластах. Орієнтація волокон відповідає схемам потоку, які залежать від розташування воріт, геометрії частини та швидкості заповнення. Частина сильна там, де волокна вирівнюються під впливом напруги, і слабка там, де цього не відбувається. Прогнозування та контроль орієнтації волокон вимагає можливостей моделювання та засобів керування обробкою, що додає вартості та складності.
Поверхні для герметизації, які потребують фінішної обробки понад те, що може бути досягнуто литтям, потребують вторинної механічної обробки. Ця механічна обробка знімає залишкову напругу від процесу формування та може спричинити зміщення розмірів елементів, які були правильно виміряні перед механічною обробкою. Поєднання формування з механічною обробкою додає стільки допусків-, яких уникає чиста механічна обробка або чисте формування.
Деталі, які потребують пост-складання прес-форми з інтерференційними посадками або-запресованими вставками, потребують стабільності розмірів з часом, чого не можуть забезпечити деякі полімери. Повзучість і релаксація напруги в термопластах призводять до того, що інтерференційні посадки послаблюються протягом місяців або років. Конструкції, які ідеально працюють з алюмінієм, можуть потребувати фундаментальних змін, щоб працювати з пластиком.
Дуже вузькі геометричні допуски на великі деталі призводять до різниці теплового розширення між пластиком і вимірювальним обладнанням. 300-мм пластикова деталь, виміряна під кутом 20 градусів, буде значно відрізнятися під кутом 35 градусів. Визначення умов вимірювання стає частиною специфікації розмірів, і не всі інспекційні об’єкти можуть підтримувати необхідні засоби контролю навколишнього середовища.
Початок розмови
Якщо на вашому столі є аерокосмічний проект лиття пластмас під тиском-нова розробка, існуючі проблеми з постачальником, оцінка переробки металу-шлях вперед залежить від того, де ви перебуваєте в процесі.
Вибір матеріалу на ранній-стадії залежить від інформації постачальника, перш ніж інженери завершать специфікації. Виробничі наслідки вибору матеріалу впливають на економіку проекту таким чином, що порівняння таблиці даних не охоплює. Залучення потенційних постачальників під час вибору матеріалу, а не після, запобігає прийняттю рішень щодо специфікацій, які створюють проблеми на наступному етапі.
Програми з існуючими дизайнами потребують оцінки технологічності, перш ніж виставляти пропозиції. Аналіз DFM визначає проблеми, які в іншому випадку могли б виникнути під час налагодження інструменту або виробництва. Вартість аналізу незначна порівняно з вартістю модифікації інструменту або проблемами якості виробництва.
Поточні ситуації з постачальниками, які не працюють, вимагають чесної оцінки того, чи можна вирішити проблему за допомогою поточного постачальника, чи потрібна кваліфікація альтернативного джерела. Іноді відповіддю є вдосконалення процесу в існуючого постачальника. Іноді відповідь полягає в тому, щоб почати все спочатку з кимось, хто має відповідні здібності.
Ми справляємося з усіма цими ситуаціями, але не всі вони добре підходять для того, що ми вміємо. Початкова розмова визначає, чи є збіг. Якщо є, ми переходимо до офіційної цитати. Якщо немає, ми так і кажемо.
База постачальників для лиття пластмас під тиском у аерокосмічній галузі варіюється від виробників товарів, які сподіваються вирости в аерокосмічну сферу, до спеціалізованих установ, які зосереджуються виключно на високо-ефективній переробці полімерів. Сертифікати не розрізняють їх достовірно. Ціна не розрізняє їх достовірно. Можливості стають очевидними лише через детальну технічну оцінку або, на жаль, через виробничі проблеми.
Запитання в цій статті забезпечують основу для такої оцінки. Відповіді визначають, чи дійсно постачальник має те, що вимагає ваша програма-, чи його пропозиція представляє можливості, які він ще не розробив.