Turnare prin injecție a plasticului aerospațial: Componente cheie, considerente de proiectare, materiale și tendințe viitoare
În urmă cu șapte săptămâni, un manager de calitate al unui contractor de apărare ne-a trimis fotografii cu carcasele conectorilor PEEK care începuseră să crape pe linia de asamblare. Piese din același lot de producție, același furnizor, același lot de material-unele perfecte, altele defecte. Cuvintele lui exacte: „Folosim acest furnizor de trei ani și acum totul se prăbușește”.
Noi nu am luat acel proiect. Nu pentru că nu am putut să ne dăm seama ce a mers prost-cauza principală a fost evidentă într-o oră de la analiza înregistrărilor procesului lor-ci pentru că problema reală nu au fost piesele. Adevărata problemă a fost că procesul lor de calificare a furnizorilor nu a pus niciodată întrebările potrivite în primul rând.
Această situație apare la ușa noastră cam o dată pe lună acum. Cineva a calificat un furnizor pe baza certificărilor și prețului, a rulat producția timp de un an sau doi fără probleme, apoi ceva s-a schimbat și dintr-o dată nimic nu funcționează. Furnizorul jură că nu s-a schimbat nimic. Clientul nu are date de proces care să demonstreze contrariul. Toată lumea arată cu degetul în timp ce linia de producție sta inactiv.
Adevărul inconfortabil despre proiectele aerospațiale de conversie a plasticului
Economia conversiei metal-la-plastic arată spectaculos pe hârtie. Reducerea greutății este combinată prin costurile cu combustibilul pe durata de viață a aeronavei. Costurile unitare scad la jumătate sau mai mult la volum. Timpii de livrare se comprimă de la luni la săptămâni.
Colaborarea Aitiip-Liebherr care este citată peste tot-reducerea greutății cu 40%, economii de 30% la costuri - reprezintă ceea ce se întâmplă când totul merge bine. Ceea ce nu se înscrie în acele studii de caz: cele optsprezece luni de dezvoltare a procesului, cele trei iterații de scule, investițiile în echipamente specializate care au făcut posibil aceste numere.
Am citat un program de suporturi în ultimul trimestru, în care costul de prelucrare a aluminiului curent al clientului a fost de aproximativ 400 USD pe unitate. Cotația noastră de turnare prin injecție a venit sub 60 USD. Decizie evidentă, nu?
Cu excepția suportului de aluminiu a avut o suprafață de etanșare prelucrată cu cerințe de finisare de 0,4 Ra. Atingerea acelei calități a suprafeței direct de pe matriță necesită modificări ale sculelor care au adăugat 35.000 USD la costul sculei. Sau l-am putea modela și apoi prelucra suprafața de etanșare-care a adăugat manipulare, operațiuni secundare și a mărit costul unitar înapoi la 85 USD.
Încă un proiect bun. Încă economii semnificative. Dar diferența dintre numărul din titlu și numărul real contează atunci când finanțele fac calcule de rambursare. Proiectele sunt ucise peste acest gol. Proiectele bune, proiectele care ar trebui să se întâmple, mor pentru că cineva a prezentat mai întâi cazul optimist și apoi a trebuit să-l retragă.
Ce necesită de fapt procesarea PEEK
Fișele tehnice ale materialelor de la Victrex și Solvay publică parametrii de procesare care funcționează bine pentru aplicațiile industriale. Acei parametri vor produce piese aerospațiale care trec inspecția dimensională și nu funcționează.
Temperatura mucegaiului este exemplul evident. Minimul publicat este în jur160 de grade. Piesele turnate la acea temperatură arată corect, măsoară corect și au o cristalinitate de 25%. Piese turnate la190-200 de gradea atins 35%+ cristalinitate. Diferența de viață la oboseală nu este incrementală-ci multiplicativă.
Problema este că rulează200 de gradetemperatura matriței necesită sisteme de încălzire cu ulei, modele de matriță cu masă termică adecvată și controale de proces pe care majoritatea instalațiilor nu le au. Un magazin care rulează controlul temperaturii apei calde ajunge la vârf95 de grade. Încă pot modela PEEK. Piesele vor fi încă livrate. Piesele vor eșua în continuare, în cele din urmă, în moduri care sunt foarte greu de urmărit până la condițiile de procesare.
Gradele-umplute cu carbon adaugă un alt strat. Încălzirea prin forfecare de la umplutura din fibră de carbon modifică profilul termic prin butoi. Geometriile standard ale șuruburilor care funcționează bine pentru materialele umplute cu sticlă-creează puncte fierbinți cu umplutură de carbon. Materialul se degradează local chiar înainte de a ajunge în matriță. Nu poți să-l vezi. Nu îl puteți măsura la inspecția de intrare. Afli când piese încep să se defecteze pe teren.
Nu există nicio certificare care să valideze această capacitate specifică. AS9100 acoperă sistemele de calitate. NADCAP acoperă procese speciale. Nici unul nu întreabă dacă o instalație poate deține de fapt200 de gradetemperatura mucegaiului în interior±3 gradepeste un instrument cu mai multe-cavități în timp ce rulați PEEK-cu carbon. La această întrebare se răspunde numai în timpul auditurilor de calificare a furnizorilor-dacă auditorul știe să o întrebe.
Problema certificării despre care nimeni nu vorbește
Înregistrarea AS9100D înseamnă că o companie are procese documentate de management al calității. Nu înseamnă că îți pot face piesele. Am văzut că unitățile certificate AS9100-cotează proiecte cu polimeri la temperatură înaltă atunci când echipamentele lor nu pot îndeplini fizic condițiile de proces necesare.
Aceasta nu este neapărat fraudă. Multe unități cred cu adevărat că pot procesa orice material termoplastic, deoarece mașinile sunt evaluate pentru intervalul de temperatură. Ei nu înțeleg că evaluările și capacitatea susținută sunt lucruri diferite sau că există cerințe materiale-specifice ale procesului dincolo de ceea ce prevede în mod explicit fișa de date.
Acreditarea NADCAP oferă mai multă încredere deoarece validează procesele de producție specifice, mai degrabă decât sistemele generale. Dar domeniul de acreditare contează. Este posibil ca o unitate acreditată pentru procesele standard de turnare prin injecție să nu fi trecut niciodată un polimer la temperatură înaltă-prin acea celulă acreditată. Acreditarea acoperă procesul, nu orice material posibil care ar putea fi teoretic procesat.
Întrebările de audit care contează de fapt nu au nicio legătură cu certificatele. Acestea implică parametri specifici de proces pentru materialele specifice din programul dvs., studii documentate privind capacitatea procesului și date istorice privind randamentul pentru aplicații similare. Dacă un furnizor nu poate produce acea documentație, certificarea nu este relevantă.
Selectarea materialului dincolo de fișa de date
PEEK domină conversațiile despre plastic aerospațial, deoarece se ocupă de cea mai largă gamă de condiții-temperatura, substanțe chimice, stres mecanic, radiații. De asemenea, costă aproximativ 100 USD per kilogram, ceea ce înseamnă că costul materialului devine semnificativ la orice volum rezonabil.
PPS
PPS gestionează multe dintre aceleași aplicații la 25-30 USD pe kilogram. Compensațiile sunt ferestre de procesare mai înguste, rezistență mai mică la impact și mai multă sensibilitate la efectele de orientare a fibrelor. Pentru componentele care vor vedea în primul rând sarcini statice în medii agresive din punct de vedere chimic, PPS are adesea mai mult sens decât PEEK. Pentru orice cu încărcare dinamică sau cerințe de impact, diferența de cost este irelevantă.
Ultem
Ultem apare în carcasele electrice și electronice datorită proprietăților sale dielectrice și rezistenței inerente la flacără. Temperaturile de procesare sunt mai mici decât PEEK, cerințele echipamentelor sunt mai puțin solicitante, iar costul materialului se situează undeva la mijloc. Pentru aplicațiile în care performanța electrică contează mai mult decât performanța mecanică, Ultem evită costurile și complicațiile de procesare ale PEEK fără a compromite funcționalitatea.
Conversația despre selecția materialelor are loc de obicei prea târziu în procesul de dezvoltare. Până când piesele ajung la etapa de cotare, ingineria a specificat deja un material bazat pe proprietățile publicate, fără a lua în considerare implicațiile de producție. Schimbarea materialului în acel moment necesită re-validare, desene actualizate, unelte potențial noi-, toate acestea adaugă costuri și întârzieri care ar fi putut fi evitate cu implicarea mai devreme a furnizorului.
Investiții în instrumente și economie a programelor
Instrumentele de matriță prin injecție pentru aplicații aerospațiale rulează de obicei între 50.000 USD și 150.000 USD, în funcție de complexitate. Numărul creează șoc autocolant pentru programele care au achiziționat în trecut piese prelucrate fără investiții în scule.
Această comparație pierde sensul. Piesele prelucrate își aduc costul de scule în fiecare unitate-de montaj, programare, configurare și calificare a mașinii. Aceste costuri sunt doar încorporate în prețul piesei, mai degrabă decât menționate separat. O piesă prelucrată de 400 USD poate include 80 USD din costuri amortizate de configurare și programare pe care nimeni nu le urmărește, deoarece nu există un articol rând pentru ea.
Mai important, investițiile în instrumente creează efect de pârghie. Odată ce instrumentul există și este calificat, costul incremental al pieselor suplimentare se apropie de materia primă plus timpul de ciclu. Producția poate crește în funcție de cerere. Comenzile urgente devin posibile. Modificările de proiectare care ar necesita o re-programare completă pentru prelucrare devin modificări de scule care mențin validarea procesului.
Programele în care turnarea prin injecție nu are sens sunt aplicații cu-volum redus, mix-înalt, în care sculele nu se pot amortiza eficient și geometria se modifică frecvent. Sub aproximativ 500 de unități cu durata de viață totală, prelucrarea de obicei câștigă. Peste acest prag, calculul se schimbă în funcție de complexitatea piesei, cerințele de toleranță și durata programului.
Ce presupune de fapt calificarea
Inspecția primului articol pentru piesele turnate prin injecție aerospațială este mai implicată decât se așteaptă majoritatea cumpărătorilor. FAI în sine este o verificare-dimensională simplă în raport cu desenul, certificarea materialului, documentația privind parametrii procesului. Validarea procesului care precede FAI este locul în care programele reușesc sau eșuează.
Monitorizarea presiunii în cavitatepe piesele de calificare stabilește semnătura procesului cu care trebuie să se potrivească ciclurile de producție. Acest lucru nu este opțional pentru aplicațiile critice. Urmele presiunii din cavitate arată dacă piesa s-a umplut corect, s-a împachetat corect și s-a răcit corect la fiecare fotografie. Piesele care măsoară corect, dar au urme anormale de presiune indică instabilitatea procesului care va produce în cele din urmă defecte.
Verificarea cristalinitățiicontează pentru PEEK și alte materiale semi-cristaline. Analiza DSC pe probele de calificare stabilește nivelul de cristalinitate de bază. Piesele de producție pot fi verificate-față de acel nivel de referință. Atunci când procesul unui furnizor variază-intenţionat sau nu-, cristalinitatea este adesea primul indicator că ceva s-a schimbat.
Capacitate de proces statisticnecesită dimensiuni ale eșantionului calculate din numărul de dimensiuni critice și nivelul de încredere necesar. Treizeci-două de mostre pentru o piesă cu trei dimensiuni critice la Cpk 1.33 nu sunt suficiente. Matematica nu este complicată, dar este adesea greșit, rezultând studii de capacitate care nu demonstrează de fapt capacitatea.
Propuneri de citire și identificarea steagurilor roșii
Ofertele vă spun mai multe despre capacitatea reală a unui furnizor decât prezentările de capacitate ale acestora.
Estimările timpului de livrare care arată identic în diferite complexități ale pieselor sugerează că furnizorul nu a evaluat de fapt cerințele dumneavoastră specifice. O unealtă simplă cu o singură-cavitate din oțel P20 are un timp de livrare diferit față de un instrument cu patru-cavități în H13 cu răcire conformă. Dacă citatul spune „16 săptămâni” pentru ambele, cineva folosește un șablon în loc să facă inginerie.
Specificațiile materialelor scrise ca „PEEK sau echivalent” fără indicație de calitate indică un furnizor care intenționează să cumpere cea mai ieftină opțiune care se califică din punct de vedere tehnic. Pentru aplicațiile structurale, diferența dintre PEEK 450G și 150G nu este trivială. Daca oferta nu intreaba ce nota, furnizorul nu intelege aplicatia.
Cantitățile primelor articole în numere rotunde-exact 50, exact 100-sugerează că dimensiunea eșantionului nu a fost calculată pe baza cerințelor dvs. specifice de toleranță. Dimensiunile eșantionului de validare a capacității procesului depind de numărul de caracteristici critice și de nivelul de încredere necesar. Calculul produce rareori numere rotunde.
Prețul piesei care scade dramatic la volumele pe care programul nu le va atinge niciodată indică faptul că furnizorul cumpără afacerea cu un număr de titlu atractiv. Dacă volumul dvs. anual este de 2.000 de bucăți și cotația arată prețuri convingătoare la 10.000, prețul respectiv este irelevant. Uitați-vă la numărul care corespunde cerințelor dvs. reale.
Cronologie de dezvoltare Realități
Noile programe de turnare prin injecție aerospațială necesită 20-30 de săptămâni de la angajarea inițială la piese calificate în circumstanțe normale. Acest cronologie include analiza DFM, proiectarea sculelor, construirea instrumentelor, dezvoltarea procesului, inspecția primului articol și documentația de calificare.
Încercările de a comprima acea cronologie de obicei eșuează. Construirea instrumentelor poate fi accelerată prin aruncarea de bani în el-orele suplimentare, materiale premium, capacitate dedicată. Dezvoltarea procesului nu poate fi comprimată, deoarece fizica determină cât durează de fapt testarea materialelor, studiile de proces și cursele de calificare. Oțelul se răcește la viteza cu care se răcește. Polimerul cristalizează la viteza cu care cristalizează.
Programele care încep cu cronologie agresive se termină de obicei mai târziu decât programele care au început cu cronologie realiste. Programul agresiv creează presiune pentru a sări peste etapele de dezvoltare a procesului care apoi trebuie repetate atunci când apar probleme în producție. Un instrument care se livrează cu două săptămâni mai devreme, dar care produce piese cu o rată de deșeuri de 15%, nu este de fapt înainte de termen.
Termenele de urgență pentru instrumentele existente, calificate, sunt diferite. Mutarea instrumentelor calificate între unități sau repornirea producției după o pauză se poate întâmpla în câteva săptămâni și nu în luni, deoarece dezvoltarea procesului a avut loc deja. Programele noi nu au această opțiune.
Când turnarea prin injecție nu este răspunsul
Unele aplicații aerospațiale nu ar trebui să fie turnate prin injecție, indiferent de volumul economic.
Componentele cu elemente de ridicare a tensiunii concentrate în orientări imprevizibile funcționează inconsecvent în materialele termoplastice armate cu fibre-. Orientarea fibrelor urmează modele de flux care depind de locația porții, geometria piesei și viteza de umplere. Partea este puternică acolo unde fibrele se aliniază cu stresul și slabă acolo unde nu. Predicția și controlul orientării fibrelor necesită capacități de simulare și controale de procesare care adaugă cost și complexitate.
Suprafețele de etanșare care necesită finisaje dincolo de ceea ce poate obține turnarea au nevoie direct de prelucrare secundară. Această prelucrare eliberează stresul rezidual din procesul de turnare și poate provoca o schimbare dimensională asupra caracteristicilor care au fost măsurate corect înainte de prelucrare. Combinația dintre turnare și prelucrare adaugă o stivă de toleranță-pe care prelucrarea pură sau turnarea pură o evită.
Piesele care necesită asamblare post-matriză cu potriviri prin interferență sau inserții-apasate în inserții au nevoie de stabilitate dimensională în timp pe care unii polimeri nu o pot oferi. Fluajul și relaxarea stresului în materialele termoplastice determină slăbirea potrivirilor de interferență în luni sau ani. Modelele care funcționează perfect în aluminiu pot necesita modificări fundamentale pentru a funcționa în plastic.
Toleranțe geometrice foarte strânse pe piesele mari se confruntă cu diferențe de dilatare termică între material plastic și echipamentul de măsurare. O parte din plastic de 300 mm măsurată la 20 de grade va fi măsurabil diferită la 35 de grade. Definirea condițiilor de măsurare devine parte a specificației dimensionale și nu toate unitățile de inspecție pot menține controalele de mediu necesare.
Începând conversația
Dacă există un proiect aerospațial de turnare prin injecție a plasticului pe birou-noua dezvoltare, probleme existente cu furnizorii, evaluarea conversiei metalelor-calea de urmat depinde de locul în care vă aflați în proces.
Selecția materialului-incipientă beneficiază de contribuția furnizorului înainte ca inginerie să finalizeze specificațiile. Implicațiile de producție ale alegerii materialelor afectează economia proiectului în moduri pe care comparațiile cu fișele de date nu le surprind. Angajarea furnizorilor potențiali în timpul selecției materialelor, mai degrabă decât după, previne deciziile de specificare care creează probleme în aval.
Programele cu modele existente necesită evaluarea capacității de fabricație înainte de a cota. Analiza DFM identifică probleme care altfel ar apărea în timpul depanării sculei sau a rampei de producție. Costul analizei este banal în comparație cu costul modificărilor sculelor sau problemelor de calitate a producției.
Situațiile curente ale furnizorilor care nu funcționează necesită o evaluare sinceră a faptului dacă problema poate fi rezolvată cu furnizorul actual sau necesită calificarea unei surse alternative. Uneori răspunsul este îmbunătățirea proceselor la furnizorul existent. Uneori răspunsul este să începi de la capăt cu cineva care are capacitatea potrivită.
Ne ocupăm de toate aceste situații, dar nu toate se potrivesc bine cu ceea ce facem. Conversația inițială stabilește dacă există o potrivire. Dacă există, trecem la cotația oficială. Dacă nu există, așa spunem.
Baza de aprovizionare pentru turnarea prin injecție a plasticului din industria aerospațială variază de la modelatorii de mărfuri care speră să se dezvolte în industria aerospațială până la facilități specializate care se concentrează exclusiv pe procesarea-de înaltă performanță a polimerilor. Certificarile nu fac o distincție sigură între ele. Prețul nu distinge în mod sigur între ele. Capacitatea devine evidentă doar printr-o evaluare tehnică detaliată sau, din păcate, prin probleme de producție.
Întrebările din acest articol oferă un cadru pentru acea evaluare. Răspunsurile determină dacă un furnizor are într-adevăr ceea ce necesită programul dvs.-sau dacă propunerea lui reprezintă o capacitate pe care nu le-a dezvoltat încă.