Аерокосмическо леене под налягане на пластмаса: Ключови компоненти, съображения за дизайн, материали и бъдещи тенденции
Преди седем седмици мениджър по качеството на изпълнител на отбраната ни изпрати снимки на корпуси на PEEK конектори, които са започнали да се напукват на поточната линия. Части от една и съща производствена партида, един и същ доставчик, същата партида от материали-някои перфектни, други дефектни. Точните му думи: „Три години ползваме този доставчик и сега всичко се разпада“.
Не сме предприели този проект. Не защото не можахме да разберем какво се е объркало-основната причина беше очевидна в рамките на един час след като разгледахме записите на процесите им-а защото истинският проблем не бяха частите. Истинският проблем беше, че техният процес на квалификация на доставчиците никога не е задавал правилните въпроси на първо място.
Тази ситуация се появява на вратата ни около веднъж месечно. Някой е квалифицирал доставчик въз основа на сертификати и цена, пуснал е производство за година или две без проблеми, след това нещо се е променило и изведнъж нищо не работи. Доставчикът се кълне, че нищо не се е променило. Клиентът няма данни за процеса, които да докажат противното. Всички сочат с пръст, докато производствената линия не работи.
Неудобната истина за проектите за аерокосмическа пластмаса
Икономиката на превръщането на метал-в-пластмаса изглежда впечатляващо на хартия. Спестяването на тегло се комбинира с разходите за гориво през експлоатационния живот на самолета. Единичните разходи спадат наполовина или повече при обем. Сроковете за доставка се свиват от месеци до седмици.
Сътрудничеството с Aitiip-Liebherr, което се цитира навсякъде-40% намаление на теглото, 30% спестяване на разходи – представлява какво се случва, когато всичко върви както трябва. Какво не попада в тези казуси: осемнадесетте месеца на развитие на процеса, трите итерации на инструментите, инвестициите в специализирано оборудване, които направиха тези числа възможни.
Ние цитирахме програма за скоби през последното тримесечие, където настоящите разходи за обработка на алуминий на клиента бяха около $400 на единица. Нашата оферта за леене под налягане беше под $60. Очевидно решение, нали?
Освен че алуминиевата скоба имаше машинно обработена уплътняваща повърхност с изискване за покритие от 0,4 Ra. Постигането на това качество на повърхността директно от матрицата изисква модификации на инструментите, които добавят $35 000 към цената на инструмента. Или бихме могли да го оформим и след това да обработим уплътнителната повърхност-, което добави манипулиране, вторични операции и избута единичната цена обратно до $85.
Все пак добър проект. Все още значителни спестявания. Но разликата между заглавното число и реалното число е от значение, когато финансите правят изчисления на изплащането. Проектите се убиват заради тази празнина. Добрите проекти, проектите, които трябва да се случат, умират, защото някой първо представи оптимистичния случай и след това трябваше да го върне обратно.
Какво всъщност изисква обработката на PEEK
Листовете с данни за материалите от Victrex и Solvay публикуват параметри за обработка, които работят добре за индустриални приложения. Тези параметри ще произведат аерокосмически части, които преминават проверка на размерите и не могат да се използват.
Температурата на мухъл е очевиден пример. Публикуваният минимум е около160 градуса. Частите, формовани при тази температура, изглеждат добре, измерват се правилно и имат може би 25% кристалност. Формовани части190-200 градусадостига 35%+ кристалност. Разликата в живота на умора не е нарастваща-а е мултипликативна.
Проблемът е, че тече200 градусатемпературата на матрицата изисква системи за нагряване на масло, дизайн на матрицата с подходяща топлинна маса и контрол на процеса, които повечето съоръжения нямат. Наоколо има магазин с контрол на температурата на топла вода95 градуса. Те все още могат да формират PEEK. Частите все още ще бъдат изпратени. Частите все още ще се повредят, в крайна сметка, по начини, които е много трудно да се проследят до условията на обработка.
Напълнените с въглерод-класове добавят още един слой. Нагряването на срязване от пълнителя от въглеродни влакна променя топлинния профил през цевта. Стандартните геометрии на винтовете, които работят добре за материал със стъклен-запълване, създават горещи точки с въглероден пълнеж. Материалът се разгражда локално, преди дори да достигне матрицата. Не можете да го видите. Не можете да го измерите при входящ преглед. Ще разберете, когато частите започнат да се повреждат на полето.
Няма сертификат, който да потвърждава тази конкретна способност. AS9100 обхваща системи за качество. NADCAP обхваща специални процеси. Никой не задава въпроса дали дадено съоръжение наистина може да издържи200 градусатемпература на формата в рамките±3 градусапрез инструмент с много-кухини, докато работите с въглероден-PEEK. Този въпрос получава отговор само по време на одитите на квалификацията на доставчиците-ако одиторът знае да го зададе.
Проблемът със сертифицирането, за който никой не говори
Регистрацията AS9100D означава, че компанията има документирани процеси за управление на качеството. Това не означава, че те могат да направят вашите части. Виждали сме съоръжения, сертифицирани по AS9100-, да цитират проекти за високотемпературни полимери, когато тяхното оборудване физически не може да постигне необходимите условия на процеса.
Това не е непременно измама. Много съоръжения наистина вярват, че могат да обработват всяка термопластмаса, защото машините са оценени за температурния диапазон. Те не разбират, че оценките и устойчивите способности са различни неща или че специфичните-материални изисквания за процес съществуват извън това, което изрично се посочва в листа с данни.
Акредитацията на NADCAP осигурява повече увереност, защото валидира специфични производствени процеси, а не общи системи. Но обхватът на акредитацията има значение. Съоръжение, акредитирано за стандартни процеси на леене под налягане, може никога да не е пускало полимер с висока-температура през тази акредитирана клетка. Акредитацията обхваща процеса, а не всеки възможен материал, който теоретично може да бъде обработен.
Въпросите за одита, които всъщност имат значение, нямат нищо общо със сертификатите. Те включват специфични параметри на процеса за специфичните материали във вашата програма, документирани проучвания на възможностите на процеса и исторически данни за добива на подобни приложения. Ако доставчикът не може да предостави тази документация, сертифицирането не е от значение.
Избор на материал извън листа с данни
PEEK доминира в космическите пластмасови разговори, защото се справя с най-широк диапазон от условия-температура, химикали, механично напрежение, радиация. Освен това струва приблизително $100 на килограм, което означава, че материалните разходи стават значителни при всеки разумен обем.
PPS
PPS се справя с много от същите приложения при $25-30 за килограм. Компромисите са по-тесни прозорци за обработка, по-ниска устойчивост на удар и по-голяма чувствителност към ефектите на ориентацията на влакната. За компоненти, които ще изпитат предимно статични натоварвания в химически агресивни среди, PPS често има повече смисъл от PEEK. За всичко с изисквания за динамично натоварване или удар, разликата в цената е без значение.
Ултем
Ultem се появява в електрически и електронни корпуси поради своите диелектрични свойства и присъща устойчивост на пламък. Температурите на обработка са по-ниски от PEEK, изискванията към оборудването са по-малко взискателни, а цената на материала е някъде по средата. За приложения, при които електрическите характеристики са по-важни от механичните, Ultem избягва разходите и усложненията при обработката на PEEK, без да прави компромис с функцията.
Разговорът за избор на материал обикновено се случва твърде късно в процеса на разработка. Докато частите достигнат етапа на офериране, инженерството вече е специфицирало материал въз основа на публикувани свойства, без да отчита последиците за производството. Промяната на материала в този момент изисква повторна-проверка, актуализирани чертежи, потенциално нови инструменти-всички те добавят разходи и забавяне, които биха могли да бъдат избегнати с по-ранно участие на доставчика.
Инвестиции в инструменти и икономика на програмата
Инструментите за шприцоване за аерокосмически приложения обикновено струват между $50 000 и $150 000 в зависимост от сложността. Числото създава шок за програми, които в миналото са закупували обработени части без инвестиция в инструменти.
Това сравнение пропуска смисъла. Машинно обработените части носят своите разходи за инструментална екипировка във всяка единица-закрепване, програмиране, настройка на машината и квалификация. Тези разходи са просто включени в цената на парчето, а не се извикват отделно. Обработена част от $400 може да включва $80 амортизирани разходи за настройка и програмиране, които никой не проследява, защото за нея няма договорена позиция.
По-важното е, че инвестициите в инструменти създават ливъридж. След като инструментът съществува и е квалифициран, допълнителните разходи за допълнителни части се доближават до суровината плюс времето за цикъл. Производството може да се мащабира с търсенето. Спешните поръчки стават възможни. Промените в дизайна, които биха изисквали пълно пре-програмиране за обработка, се превръщат в модификации на инструмента, които поддържат валидирането на процеса.
Програмите, при които леенето под налягане няма смисъл, са приложения с малък-обем, голямо-смесване, където инструментите не могат да се амортизират ефективно и геометрията се променя често. Под около 500 общи жизнени единици машинната обработка обикновено печели. Над този праг изчислението се променя в зависимост от сложността на частта, изискванията за толеранс и продължителността на програмата.
Какво всъщност включва квалификацията
Първата инспекция на артикули за аерокосмически шприцовани части е по-активна, отколкото повечето купувачи очакват. Самият FAI е лесна-проверка на размерите спрямо чертежа, сертифицирането на материала, документацията за параметрите на процеса. Процесът на валидиране, който предхожда FAI, е мястото, където програмите успяват или се провалят.
Мониторинг на налягането в кухинатавърху квалификационните части установява сигнатурата на процеса, на която трябва да съответстват производствените серии. Това не е задължително за критични приложения. Следите на налягането в кухината показват дали частта е запълнена правилно, опакована правилно и охладена правилно при всеки един удар. Части, които измерват правилно, но имат необичайни следи от налягане, показват нестабилност на процеса, която в крайна сметка ще доведе до дефекти.
Проверка на кристалностима значение за PEEK и други полу{0}}кристални материали. DSC анализ на квалификационни проби установява базовото ниво на кристалност. Производствените части могат да бъдат-проверени на място спрямо тази базова линия. Когато процесът на доставчик се отклонява-умишлено или не-кристалността често е първият индикатор, че нещо се е променило.
Възможност за статистически процесиизисква размери на извадката, изчислени от броя на критичните измерения и изискваното ниво на достоверност. Тридесет-две проби за част с три критични измерения при Cpk 1,33 не са достатъчни. Математиката не е сложна, но често се прави погрешно, което води до проучвания на способностите, които всъщност не демонстрират способности.
Четене на предложения и идентифициране на червени знамена
Офертите ви казват повече за действителните възможности на доставчика, отколкото представянето на техните способности.
Прогнозите за времето за доставка, които изглеждат идентични при различни сложности на частите, предполагат, че доставчикът всъщност не е оценил вашите специфични изисквания. Прост инструмент с една-кухина в стомана P20 има различно време за изпълнение от инструмент с четири-кухини в H13 с конформно охлаждане. Ако цитатът казва „16 седмици“ и за двете, някой използва шаблон, вместо да прави инженерство.
Спецификациите на материала, написани като "PEEK или еквивалент" без обозначение на класа, показват, че доставчик планира да пазарува най-евтината опция, която технически отговаря на изискванията. За структурни приложения разликата между PEEK 450G и 150G не е тривиална. Ако офертата не пита кой клас, доставчикът не разбира приложението.
Количествата на първите артикули в кръгли числа-точно 50, точно 100-предполага, че размерът на извадката не е изчислен въз основа на вашите специфични изисквания за толеранс. Размерите на пробите за валидиране на способността на процеса зависят от броя на критичните характеристики и изискваното ниво на достоверност. Изчислението рядко дава кръгли числа.
Цена на парче, която намалява драстично при обеми, които програмата никога няма да достигне, показва, че доставчикът купува бизнеса с атрактивен заглавен номер. Ако вашият годишен обем е 2000 броя и офертата показва убедителна цена от 10 000, това ценообразуване е без значение. Вижте номера, който отговаря на действителните ви изисквания.
Реалности във времевата линия на развитието
Новите програми за леене под налягане в аерокосмическата промишленост изискват 20-30 седмици от първоначалното ангажиране до квалифицирани части при нормални обстоятелства. Тази времева линия включва DFM анализ, проектиране на инструментална екипировка, изграждане на инструмент, разработване на процес, проверка на първия артикул и документация за квалификация.
Опитите за компресиране на тази времева линия обикновено се провалят. Изграждането на инструмент може да се ускори, като се хвърлят пари за него-извънреден труд, първокласни материали, специален капацитет. Развитието на процеса не може да бъде компресирано, тъй като физиката определя колко време действително отнемат тестването на материалите, проучванията на процесите и квалификационните серии. Стоманата се охлажда със скоростта, с която се охлажда. Полимерът кристализира със скоростта, с която кристализира.
Програми, които започват с агресивни срокове, обикновено завършват по-късно от програми, които започват с реалистични срокове. Агресивният график създава натиск за прескачане на стъпките за развитие на процеса, които след това трябва да се повторят, когато възникнат проблеми в производството. Инструмент, който се доставя две седмици по-рано, но произвежда части с процент скрап от 15%, всъщност не изпреварва графика.
Сроковете за спешни случаи за съществуващи, квалифицирани инструменти са различни. Преместването на квалифицирани инструменти между съоръженията или рестартирането на производството след пауза може да се случи за седмици, а не за месеци, тъй като развитието на процеса вече е настъпило. Новите програми нямат тази опция.
Когато леенето под налягане не е решението
Някои аерокосмически приложения не трябва да се формоват под налягане, независимо от икономичния обем.
Компонентите с концентрирани напрежения в непредсказуеми ориентации се представят непостоянно в подсилените с влакна-термопласти. Ориентацията на влакната следва модели на потока, които зависят от местоположението на вратата, геометрията на частта и скоростта на пълнене. Частта е силна, когато влакната се изравняват със стреса, и слаба, където не го правят. Прогнозирането и контролирането на ориентацията на влакната изисква симулационни възможности и контроли за обработка, които добавят разходи и сложност.
Запечатващите повърхности, които изискват покрития отвъд това, което може да се постигне директно чрез формоване, се нуждаят от вторична обработка. Тази обработка освобождава остатъчното напрежение от процеса на формоване и може да причини промяна на размерите на елементи, които са измерени правилно преди обработката. Комбинацията от формоване плюс машинна обработка добавя набор от допуски-, който чистото машинно или чисто формоване избягва.
Частите, изискващи пост{0}}сглобяване на матрицата с интерферентни съвпадения или пресоване-вложки, се нуждаят от стабилност на размерите във времето, която някои полимери не могат да осигурят. Пълзенето и отпускането на напрежението в термопластите причиняват разхлабване на интерферентните прилягания в продължение на месеци или години. Дизайни, които работят перфектно в алуминий, може да се нуждаят от фундаментални промени, за да функционират в пластмаса.
Много тесните геометрични допуски на големи части водят до разлики в топлинното разширение между пластмасата и измервателното оборудване. 300 mm пластмасова част, измерена при 20 градуса, ще бъде измеримо различна при 35 градуса. Определянето на условията за измерване става част от спецификацията на размерите и не всички инспекционни съоръжения могат да поддържат необходимия контрол върху околната среда.
Стартиране на разговора
Ако на бюрото ви има проект за леене под налягане на аерокосмическа пластмаса-нова разработка, съществуващи проблеми с доставчиците, оценка на преобразуването на метал-пътят напред зависи от това къде се намирате в процеса.
Изборът на материал на ранен-етап се възползва от приноса на доставчика, преди инженерът да финализира спецификациите. Производствените последици от избора на материал засягат икономиката на проекта по начини, които сравненията на листовете с данни не улавят. Ангажирането на потенциални доставчици по време на избора на материал, а не след това, предотвратява решения за спецификация, които създават проблеми надолу по веригата.
Програмите със съществуващ дизайн се нуждаят от оценка на технологичността преди офериране. DFM анализът идентифицира проблеми, които иначе биха се появили по време на отстраняване на грешки на инструмента или производствена рампа. Цената на анализа е тривиална в сравнение с цената на модификации на инструмента или проблеми с качеството на продукцията.
Текущите ситуации с доставчици, които не работят, изискват честна оценка дали проблемът е разрешим с настоящия доставчик или изисква квалификация на алтернативен източник. Понякога отговорът е подобрения на процеса при съществуващия доставчик. Понякога отговорът е да започнете отначало с някой, който има правилните способности.
Справяме се с всички тези ситуации, но не всички пасват добре на това, което правим. Първоначалният разговор установява дали има съвпадение. Ако има, преминаваме към официална оферта. Ако няма, ние го казваме.
Базата за доставки на леене под налягане на пластмаса в аерокосмическата промишленост варира от производители на стоки, които се надяват да прераснат в авиокосмическата промишленост, до специализирани съоръжения, които се фокусират изключително върху обработката на полимери с висока-производителност. Сертификатите не правят надеждна разлика между тях. Цена не прави надеждна разлика между тях. Способността става очевидна само чрез подробна техническа оценка или, за съжаление, чрез производствени проблеми.
Въпросите в тази статия предоставят рамка за тази оценка. Отговорите определят дали даден доставчик действително разполага с това, което вашата програма изисква-или неговото предложение представлява възможност, която той все още не е разработил.