Литье пластмасс под давлением в аэрокосмической отрасли: Ключевые компоненты, особенности проектирования, материалы и будущие тенденции.
Семь недель назад менеджер по качеству оборонного подрядчика прислал нам фотографии корпусов разъемов PEEK, которые начали трескаться на сборочной линии. Детали из одной и той же производственной партии, от одного и того же поставщика, из одной партии материала-некоторые идеальны, некоторые неисправны. Его точные слова: «Мы три года пользовались услугами этого поставщика, а теперь все разваливается».
Мы не взяли этот проект. Не потому, что мы не могли понять, что пошло не так,-основная причина стала очевидна уже через час после просмотра записей процесса,-а потому, что настоящая проблема заключалась не в деталях. Настоящая проблема заключалась в том, что процесс квалификации поставщиков никогда не задавал правильных вопросов.
Такая ситуация теперь появляется у нашей двери примерно раз в месяц. Кто-то квалифицировал поставщика на основе сертификатов и цены, год или два работал без проблем, затем что-то изменилось, и вдруг ничего не работает. Поставщик клянется, что ничего не изменилось. У заказчика нет данных процесса, подтверждающих обратное. Все тычут пальцем, а производственная линия простаивает.
Неудобная правда о проектах по переработке пластика в аэрокосмической отрасли
Экономика преобразования металла-в-пластик на бумаге выглядит впечатляюще. Экономия веса усиливается за счет затрат на топливо в течение срока службы самолета. Затраты на единицу продукции снижаются вдвое или более при увеличении объема. Сроки выполнения заказов сокращаются с месяцев до недель.
Сотрудничество с Aitiip-Liebherr, о котором везде упоминают-Снижение веса на 40 %, экономия средств на 30 % — это пример того, что происходит, когда все идет правильно. Что не вошло в эти тематические исследования: восемнадцать месяцев разработки процесса, три итерации оснастки, инвестиции в специализированное оборудование, которые сделали эти цифры возможными.
В прошлом квартале мы указали программу кронштейнов, в которой стоимость механической обработки алюминия у клиента составила около 400 долларов за единицу. Наша расценка на литье под давлением составила менее 60 долларов. Очевидное решение, не так ли?
За исключением того, что алюминиевый кронштейн имел механически обработанную уплотнительную поверхность с чистотой 0,4 Ra. Достижение такого качества поверхности непосредственно после пресс-формы требует модификации оснастки, что увеличило стоимость инструмента на 35 000 долларов. Или мы могли бы отлить его, а затем обработать уплотнительную поверхность-, что увеличило бы необходимость в дополнительных операциях и увеличило бы стоимость единицы продукции до 85 долларов.
Все равно хороший проект. Все равно существенная экономия. Но разница между общей цифрой и реальной цифрой имеет значение, когда финансисты рассчитывают окупаемость. Из-за этого разрыва проекты гибнут. Хорошие проекты, проекты, которые должны быть реализованы, умирают, потому что кто-то сначала представил оптимистичный случай, а затем был вынужден отказаться от него.
Что на самом деле требует обработка PEEK
В таблицах данных материалов Victrex и Solvay указаны параметры обработки, которые подходят для промышленного применения. Эти параметры позволят производить детали для аэрокосмической отрасли, которые проходят проверку размеров и выходят из строя.
Температура пресс-формы является очевидным примером. Опубликованный минимум составляет около160 градусов. Детали, отлитые при такой температуре, выглядят правильно, имеют правильные размеры и имеют примерно 25% кристалличности. Детали, отлитые в190-200 градусовдостичь кристалличности 35%+. Разница в сроке службы, связанной с усталостью, не является инкрементной,-она мультипликативна.
Проблема в том, что бег200 градусовТемпература пресс-формы требует систем масляного нагрева, конструкции пресс-форм с соответствующей тепловой массой и средств управления процессом, которых нет на большинстве предприятий. Магазин, в котором установлена система контроля температуры горячей воды, достиг максимума в окрестностях95 градусов. Они все еще могут формовать PEEK. Детали все равно будут доставлены. В конечном итоге детали все равно выйдут из строя, и это очень трудно связать с условиями обработки.
Сорта с углеродистым-наполнителем добавляют еще один слой. Сдвиговой нагрев наполнителя из углеродного волокна изменяет тепловой профиль ствола. Стандартная геометрия винтов, которая хорошо подходит для материала со стеклом-наполнителем, создает горячие точки с углеродным наполнителем. Материал разлагается локально еще до того, как достигнет формы. Вы не можете этого увидеть. Вы не можете измерить его при входном контроле. Вы узнаете, когда детали начинают выходить из строя в полевых условиях.
Сертификация, подтверждающая эту конкретную возможность, не существует. AS9100 охватывает системы качества. NADCAP охватывает особые процессы. Никто не задается вопросом, может ли объект на самом деле вместить200 градусовтемпература формы внутри±3 градусачерез инструмент с несколькими-полостями при работе с углеродным-ПЭЭК. Ответ на этот вопрос можно получить только в ходе квалификационного аудита поставщика-, если аудитор знает, что его следует задать.
Проблема сертификации, о которой никто не говорит
Регистрация AS9100D означает, что компания имеет документированные процессы управления качеством. Это не значит, что они могут изготовить ваши детали. Мы видели предприятия, сертифицированные по AS9100-, которые предлагали проекты по производству высокотемпературных полимеров, когда их оборудование физически не могло обеспечить требуемые технологические условия.
Это не обязательно мошенничество. Многие предприятия искренне верят, что могут обрабатывать любой термопласт, поскольку машины рассчитаны на этот температурный диапазон. Они не понимают, что рейтинги и постоянные возможности — это разные вещи, или что требования к процессу,-специфические для конкретного материала, выходят за рамки того, что явно указано в технических характеристиках.
Аккредитация NADCAP обеспечивает большую уверенность, поскольку она проверяет конкретные производственные процессы, а не общие системы. Но область аккредитации имеет значение. Предприятие, аккредитованное на стандартные процессы литья под давлением, возможно, никогда не пропускало высокотемпературный полимер через эту аккредитованную камеру. Аккредитация охватывает процесс, а не каждый возможный материал, который теоретически может быть обработан.
Действительно важные вопросы аудита не имеют ничего общего с сертификатами. Они включают в себя конкретные параметры процесса для конкретных материалов в вашей программе, документированные исследования возможностей процесса и исторические данные о производительности в аналогичных приложениях. Если поставщик не может предоставить такую документацию, сертификация не имеет значения.
Выбор материала за пределами таблицы данных
PEEK доминирует в разговорах о пластике в аэрокосмической отрасли, поскольку он выдерживает самый широкий диапазон условий:-температура, химические вещества, механические нагрузки, радиация. Он также стоит примерно 100 долларов за килограмм, а это означает, что стоимость материала становится значительной при любом разумном объеме.
ППС
PPS обрабатывает многие из одних и тех же заявок по цене 25–30 долларов за килограмм. Компромиссами являются более узкие окна обработки, меньшая ударопрочность и большая чувствительность к эффектам ориентации волокон. Для компонентов, которые будут подвергаться преимущественно статическим нагрузкам в химически агрессивных средах, PPS часто имеет больше смысла, чем PEEK. Для чего-либо, требующего динамической нагрузки или ударной нагрузки, разница в стоимости не имеет значения.
Ультем
Ultem используется в корпусах электрических и электронных устройств из-за его диэлектрических свойств и огнестойкости. Температура обработки ниже, чем у PEEK, требования к оборудованию менее строгие, а стоимость материалов находится где-то посередине. Для применений, где электрические характеристики имеют большее значение, чем механические характеристики, Ultem позволяет избежать затрат и сложностей обработки PEEK без ущерба для функциональности.
Разговор о выборе материала обычно происходит слишком поздно в процессе разработки. К тому времени, когда детали достигают стадии предложения, инженеры уже определили материал на основе опубликованных свойств без учета производственных последствий. Изменение материала на этом этапе требует повторной -проверки, обновления чертежей, потенциально нового инструмента-все это увеличивает затраты и задержки, которых можно было бы избежать при более раннем привлечении поставщика.
Инструментальные инвестиции и программная экономика
Инструменты для литья под давлением для аэрокосмической промышленности обычно стоят от 50 000 до 150 000 долларов в зависимости от сложности. Эта цифра вызывает шок у программ, которые исторически приобретали обработанные детали без вложений в оснастку.
Это сравнение не соответствует сути. На обработанные детали приходится стоимость оснастки в каждой единице-приспособления, программирования, настройки станка и квалификации. Эти затраты просто включены в цену за штуку, а не указываются отдельно. Обработанная деталь стоимостью 400 долларов может включать 80 долларов амортизированных затрат на установку и программирование, которые никто не отслеживает, поскольку для нее нет отдельной статьи.
Что еще более важно, инвестиции в инструменты создают рычаги воздействия. Как только инструмент появится и будет сертифицирован, дополнительные затраты на дополнительные детали будут равны стоимости сырья плюс время цикла. Производство может масштабироваться вместе со спросом. Срочные заказы становятся возможными. Изменения в конструкции, которые потребовали бы полного пере-программирования для обработки, становятся модификациями инструмента, поддерживающими валидацию процесса.
Программы, в которых литье под давлением не имеет смысла, — это приложения с небольшими-объемами и большим количеством-смесей, где инструменты не могут эффективно амортизироваться, а геометрия часто меняется. При общем сроке службы менее 500 единиц обычно побеждает механическая обработка. Выше этого порога расчет меняется в зависимости от сложности детали, требований к допускам и продолжительности программы.
Что на самом деле включает в себя квалификация
Проверка первого изделия деталей, отлитых под давлением в аэрокосмической отрасли, требует больше усилий, чем ожидает большинство покупателей. Сам FAI представляет собой простую-проверку размеров по чертежу, сертификацию материалов, документацию по параметрам процесса. Проверка процесса, предшествующая FAI, определяет успех или неудачу программ.
Мониторинг давления в полостина квалификационных деталях устанавливает сигнатуру процесса, которой должны соответствовать производственные циклы. Это не является обязательным для критически важных приложений. Следы давления в полости показывают, правильно ли деталь была заполнена, правильно упакована и правильно охлаждена при каждом отдельном выстреле. Детали, которые измеряются правильно, но имеют следы аномального давления, указывают на нестабильность процесса, которая в конечном итоге приведет к дефектам.
Проверка кристалличностиимеет значение для PEEK и других полу-кристаллических материалов. ДСК-анализ квалификационных образцов устанавливает базовый уровень кристалличности. Производимые детали можно выборочно-проверить на соответствие этому базовому состоянию. Когда процесс поставщика отклоняется-намеренно или нет,-кристалличность часто является первым индикатором того, что что-то изменилось.
Статистические возможности процессатребует размеров выборки, рассчитанных на основе количества критических измерений и требуемого уровня достоверности. Тридцати-двух образцов для детали с тремя критическими размерами при Cpk 1,33 недостаточно. Математика не сложна, но ее часто делают неправильно, в результате чего исследования возможностей фактически не демонстрируют возможности.
Чтение предложений и выявление тревожных флажков
Котировки расскажут вам больше о реальных возможностях поставщика, чем его представление о возможностях.
Оценки времени выполнения заказа, которые выглядят одинаково для деталей различной сложности, позволяют предположить, что поставщик на самом деле не оценил ваши конкретные требования. Простой инструмент с одной-полостью из стали P20 имеет другое время выполнения заказа, чем инструмент с четырьмя-полостями из стали H13 с конформным охлаждением. Если в цитате указано «16 недель» для обоих, кто-то использует шаблон вместо того, чтобы заниматься разработкой.
Спецификации материалов, написанные как «PEEK или эквивалент» без обозначения марки, указывают на то, что поставщик планирует приобрести самый дешевый вариант, который соответствует техническим требованиям. Для структурных применений разница между PEEK 450G и 150G нетривиальна. Если в предложении не спрашивается, какой сорт, поставщик не понимает применения.
Количество первых товаров в круглых числах-ровно 50, ровно 100 – это означает, что размер выборки не был рассчитан на основе ваших конкретных требований к допускам. Размер выборки для проверки возможностей процесса зависит от количества критических характеристик и требуемого уровня достоверности. Расчеты редко дают круглые числа.
Цена за штуку, которая резко снижается при объемах, которых программа никогда не достигнет, указывает на то, что поставщик покупает бизнес с привлекательным заголовком. Если ваш годовой объем составляет 2000 штук, а в предложении указана привлекательная цена на уровне 10 000, эта цена не имеет значения. Посмотрите на число, которое соответствует вашим фактическим требованиям.
Сроки разработки Реалии
Новые программы литья под давлением в аэрокосмической отрасли требуют 20-30 недель от первоначального взаимодействия до квалифицированных деталей при нормальных обстоятельствах. Этот график включает в себя анализ DFM, проектирование оснастки, сборку оснастки, разработку процесса, первую проверку изделия и квалификационную документацию.
Попытки сжать эту временную шкалу обычно терпят неудачу. Создание инструмента можно ускорить, вложив в него деньги-сверхурочные, материалы премиум-класса и выделенные мощности. Разработка процесса не может быть сжата, поскольку физика определяет, сколько времени на самом деле занимают испытания материалов, исследования процессов и квалификационные испытания. Сталь остывает со скоростью, с которой она остывает. Полимер кристаллизуется со скоростью, с которой он кристаллизуется.
Программы, начинающиеся с агрессивными сроками, обычно заканчиваются позже, чем программы, начинавшиеся с реалистичными сроками. Агрессивный график вынуждает пропускать этапы разработки процесса, которые затем приходится повторять, когда в производстве возникают проблемы. Инструмент, который поставляется на две недели раньше, но производит детали с процентом брака 15%, на самом деле не опережает график.
Сроки аварийной ситуации для существующего квалифицированного инструмента различны. Перемещение квалифицированных инструментов между предприятиями или возобновление производства после паузы может произойти в течение недель, а не месяцев, поскольку разработка процесса уже произошла. В новых программах такой возможности нет.
Когда литье под давлением не является решением
Некоторые применения в аэрокосмической отрасли не следует подвергать литью под давлением, независимо от экономичности объема.
Компоненты с концентрированными источниками напряжений в непредсказуемой ориентации работают нестабильно в армированных волокном термопластах. Ориентация волокон соответствует схеме потока, которая зависит от местоположения затвора, геометрии детали и скорости заполнения. Деталь является прочной там, где волокна выравниваются под воздействием напряжения, и слабой там, где это не происходит. Прогнозирование и управление ориентацией волокон требует возможностей моделирования и управления обработкой, что увеличивает стоимость и сложность.
Уплотнительные поверхности, требующие отделки, превосходящей ту, которую можно достичь при литье, требуют вторичной обработки. Такая механическая обработка снимает остаточное напряжение в процессе формования и может привести к сдвигу размеров элементов, которые были правильно измерены перед обработкой. Комбинация формования и механической обработки увеличивает набор допусков-, которого нельзя избежать при чистой механической обработке или чистом формовании.
Детали, требующие сборки после-формы с посадкой с натягом или запрессовки-вставок, требуют стабильности размеров с течением времени, чего не могут обеспечить некоторые полимеры. Ползучесть и релаксация напряжений в термопластах приводят к ослаблению натяга в течение месяцев или лет. Конструкции, которые идеально работают в алюминии, возможно, потребуют фундаментальных изменений, чтобы функционировать в пластике.
Очень жесткие геометрические допуски на крупных деталях приводят к разнице теплового расширения пластика и измерительного оборудования. Пластиковая деталь диаметром 300 мм, измеренная под углом 20 градусов, будет заметно отличаться под углом 35 градусов. Определение условий измерения становится частью спецификации размеров, и не все инспекционные предприятия могут обеспечить необходимый контроль окружающей среды.
Начало разговора
Если у вас на столе проект литья пластмасс под давлением в аэрокосмической отрасли-новые разработки, существующие проблемы с поставщиками, оценка конверсии металлов-путь вперед зависит от того, на каком этапе процесса вы находитесь.
Выбор материала на ранней-этапе выгоден благодаря вкладу поставщика еще до того, как инженеры завершат разработку спецификаций. Производственные последствия выбора материала влияют на экономику проекта таким образом, что сравнение с таблицами данных не отражает. Привлечение потенциальных поставщиков во время выбора материала, а не после него, предотвращает принятие решений по спецификациям, которые создают проблемы в дальнейшем.
Программы с существующими проектами нуждаются в оценке технологичности перед выставлением цен. Анализ DFM выявляет проблемы, которые в противном случае могли бы возникнуть во время отладки инструмента или при наборе производительности. Стоимость анализа тривиальна по сравнению со стоимостью модификации инструмента или проблемами качества производства.
Текущие ситуации с поставщиками, которые не работают, требуют честной оценки того, разрешима ли проблема с текущим поставщиком или требует квалификации альтернативного источника. Иногда ответом является улучшение процессов у существующего поставщика. Иногда ответ начинается с того, кто обладает нужными способностями.
Мы справляемся со всеми этими ситуациями, но не все из них хорошо подходят для того, что мы делаем. Первоначальный разговор устанавливает, есть ли совпадение. Если да, мы переходим к формальному котированию. Если нет, мы так и говорим.
База поставок литья пластмасс под давлением для аэрокосмической отрасли варьируется от производителей товаров, надеющихся перейти в аэрокосмическую отрасль, до специализированных предприятий, специализирующихся исключительно на высокоэффективной-переработке полимеров. Сертификаты не позволяют достоверно различать их. Цена не делает достоверного различия между ними. Возможности становятся очевидными только через детальную техническую оценку или, к сожалению, из-за производственных проблем.
Вопросы в этой статье обеспечивают основу для такой оценки. Ответы определяют, действительно ли у поставщика есть то, что требуется вашей программе-или его предложение отражает возможности, которые он еще не разработал.