Kunststof spuitgieten voor de lucht- en ruimtevaart: Belangrijke componenten, ontwerpoverwegingen, materialen en toekomstige trends
Zeven weken geleden stuurde de kwaliteitsmanager van een defensieaannemer ons foto's van PEEK-connectorbehuizingen die tijdens de assemblagelijn begonnen te barsten. Onderdelen uit dezelfde productiebatch, dezelfde leverancier, dezelfde materiaalpartij-sommige perfect, andere falend. Zijn exacte woorden: "We gebruiken deze leverancier al drie jaar en nu valt alles uit elkaar."
Wij hebben dat project niet aangenomen. Niet omdat we niet konden achterhalen wat er mis ging-de hoofdoorzaak was duidelijk binnen een uur na het bekijken van hun procesgegevens-maar omdat het echte probleem niet de onderdelen waren. Het echte probleem was dat hun leverancierskwalificatieproces überhaupt nooit de juiste vragen had gesteld.
Deze situatie komt nu ongeveer eens per maand bij ons aan de deur. Iemand kwalificeerde een leverancier op basis van certificeringen en prijs, draaide de productie een jaar of twee zonder problemen, en toen veranderde er iets en plotseling werkte niets. De leverancier zweert dat er niets veranderd is. De klant beschikt niet over procesgegevens waaruit het tegendeel blijkt. Iedereen wijst met de vingers terwijl de productielijn stilstaat.
De ongemakkelijke waarheid over plasticconversieprojecten in de lucht- en ruimtevaart
De economie van de conversie van metaal-naar-plastic ziet er op papier spectaculair uit. De gewichtsbesparing komt voort uit de brandstofkosten gedurende de levensduur van het vliegtuig. De eenheidskosten dalen met de helft of meer bij volume. Doorlooptijden worden gecomprimeerd van maanden naar weken.
De Aitiip-Liebherr-samenwerking die overal wordt geciteerd-40% gewichtsreductie, 30% kostenbesparingen vertegenwoordigt wat er gebeurt als alles goed gaat. Wat maakt deze casestudies niet mogelijk: de achttien maanden procesontwikkeling, de drie tooling-iteraties, de investeringen in gespecialiseerde apparatuur die deze aantallen mogelijk hebben gemaakt.
We hebben vorig kwartaal een beugelprogramma geciteerd waarbij de bestaande aluminiumbewerkingskosten van de klant ongeveer $ 400 per eenheid bedroegen. Onze offerte voor spuitgieten kwam uit op minder dan $ 60. Voor de hand liggende beslissing, toch?
Alleen had de aluminium beugel een machinaal bewerkt afdichtingsoppervlak met een afwerkingseis van 0,4 Ra. Om die oppervlaktekwaliteit rechtstreeks uit de mal te bereiken, zijn gereedschapsaanpassingen nodig die $ 35.000 aan de gereedschapskosten toevoegen. Of we kunnen het vormen en vervolgens het afdichtingsoppervlak machinaal bewerken-wat extra handling en secundaire bewerkingen toevoegt en de kosten per eenheid weer op $ 85 brengt.
Nog steeds een goed project. Nog steeds aanzienlijke besparingen. Maar de kloof tussen het nominale getal en het werkelijke getal is van belang als de financiële sector de terugverdientijd berekent. Projecten worden vanwege dat gat afgebroken. Goede projecten, projecten die zouden moeten gebeuren, sterven omdat iemand eerst de optimistische casus presenteerde en deze vervolgens moest terugdraaien.
Wat PEEK-verwerking eigenlijk vereist
De materiaalgegevensbladen van Victrex en Solvay publiceren verwerkingsparameters die prima werken voor industriële toepassingen. Deze parameters zullen lucht- en ruimtevaartonderdelen opleveren die de dimensionale inspectie doorstaan en tijdens gebruik falen.
Schimmeltemperatuur is het voor de hand liggende voorbeeld. Het gepubliceerde minimum is rond160 graden. Onderdelen die bij die temperatuur zijn gegoten, zien er goed uit, meten goed en hebben misschien een kristalliniteit van 25%. Onderdelen gegoten op190-200 gradenhit 35%+ kristalliniteit. Het verschil in vermoeidheidsleven is niet incrementeel-het is multiplicatief.
Het probleem is dat rennen200 gradenDe matrijstemperatuur vereist olieverwarmingssystemen, matrijsontwerpen met de juiste thermische massa en procescontroles die de meeste faciliteiten niet hebben. Eromheen bevindt zich een winkel met regeling van de warmwatertemperatuur95 graden. Ze kunnen PEEK nog steeds vormen. De onderdelen worden nog steeds verzonden. De onderdelen zullen uiteindelijk toch falen, op manieren die zeer moeilijk terug te voeren zijn op de verwerkingsomstandigheden.
Met koolstof-gevulde kwaliteiten voegen nog een laag toe. Afschuifverwarming door de koolstofvezelvuller verandert het thermische profiel door de loop. Standaard schroefgeometrieën die goed werken voor met glas-gevuld materiaal creëren hotspots met koolstofvulling. Het materiaal wordt plaatselijk afgebroken nog voordat het de mal bereikt. Je kunt het niet zien. U kunt het niet meten bij inkomende inspectie. Je ontdekt wanneer onderdelen in het veld defect raken.
Er bestaat geen certificering die deze specifieke capaciteit valideert. AS9100 omvat kwaliteitssystemen. NADCAP omvat speciale processen. Geen van beide vraagt zich af of een faciliteit daadwerkelijk stand kan houden200 gradenschimmel temperatuur binnen±3 graadover een gereedschap met meerdere- holtes terwijl u met koolstof-gevulde PEEK laat lopen. Die vraag wordt alleen beantwoord tijdens kwalificatie-audits van leveranciers-als de auditor weet dat hij deze moet stellen.
Het certificeringsprobleem waar niemand over praat
AS9100D-registratie betekent dat een bedrijf kwaliteitsmanagementprocessen heeft gedocumenteerd. Het betekent niet dat ze uw onderdelen kunnen maken. We hebben gezien dat AS9100-gecertificeerde faciliteiten hogetemperatuurpolymeerprojecten citeren terwijl hun apparatuur fysiek niet aan de vereiste procesomstandigheden kan voldoen.
Dit is niet noodzakelijkerwijs fraude. Veel faciliteiten geloven oprecht dat ze elk thermoplastisch materiaal kunnen verwerken, omdat de machines geschikt zijn voor het temperatuurbereik. Ze begrijpen niet dat beoordelingen en duurzame capaciteit verschillende dingen zijn, of dat er materiële-specifieke procesvereisten bestaan die verder gaan dan wat expliciet in de datasheet staat.
NADCAP-accreditatie biedt meer vertrouwen omdat het specifieke productieprocessen valideert in plaats van algemene systemen. Maar de reikwijdte van de accreditatie is van belang. Een faciliteit die is geaccrediteerd voor standaard spuitgietprocessen heeft mogelijk nog nooit een polymeer op hoge temperatuur- door die geaccrediteerde cel laten lopen. De accreditatie heeft betrekking op het proces, en niet op elk mogelijk materiaal dat theoretisch zou kunnen worden verwerkt.
De auditvragen die er eigenlijk toe doen, hebben niets met certificaten te maken. Het gaat hierbij om specifieke procesparameters voor de specifieke materialen in uw programma, gedocumenteerde procescapaciteitsstudies en historische opbrengstgegevens over soortgelijke toepassingen. Als een leverancier die documentatie niet kan overleggen, is de certificering niet relevant.
Materiaalselectie buiten het gegevensblad
PEEK domineert de discussies over plastic in de lucht- en ruimtevaart, omdat het een breed scala aan omstandigheden aankan:-temperatuur, chemicaliën, mechanische belasting en straling. Het kost ook ongeveer $ 100 per kilogram, wat betekent dat de materiaalkosten bij elk redelijk volume aanzienlijk worden.
PPS
PPS behandelt veel van dezelfde aanvragen voor $ 25-30 per kilogram. De afwegingen zijn smallere verwerkingsvensters, lagere slagvastheid en meer gevoeligheid voor vezeloriëntatie-effecten. Voor componenten die voornamelijk statische belastingen ondervinden in chemisch agressieve omgevingen, is PPS vaak zinvoller dan PEEK. Voor alles met dynamische belasting- of impactvereisten is het kostenverschil niet relevant.
Ultem
Ultem duikt op in elektrische en elektronische behuizingen vanwege zijn diëlektrische eigenschappen en inherente vlamweerstand. De verwerkingstemperaturen liggen lager dan PEEK, de apparatuurvereisten zijn minder veeleisend en de materiaalkosten liggen daar ergens tussenin. Voor toepassingen waarbij elektrische prestaties belangrijker zijn dan mechanische prestaties, vermijdt Ultem de kosten en verwerkingscomplicaties van PEEK zonder de functionaliteit in gevaar te brengen.
Het gesprek over materiaalkeuze vindt meestal te laat in het ontwikkelingsproces plaats. Tegen de tijd dat onderdelen de offertefase bereiken, heeft engineering al een materiaal gespecificeerd op basis van gepubliceerde eigenschappen, zonder rekening te houden met de gevolgen voor de productie. Het veranderen van materiaal op dat punt vereist her-validatie, bijgewerkte tekeningen en mogelijk nieuwe gereedschappen-die allemaal kosten en vertraging met zich meebrengen die voorkomen hadden kunnen worden als de leverancier er eerder bij betrokken was.
Tooling Investering en Programma-economie
Spuitgietgereedschap voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen kost doorgaans tussen de $ 50.000 en $ 150.000, afhankelijk van de complexiteit. Dit aantal zorgt voor een sticker-shock voor programma's die in het verleden bewerkte onderdelen hebben gekocht zonder investering in gereedschap.
Die vergelijking slaat de plank mis. Bewerkte onderdelen dragen hun gereedschapskosten in elke eenheid-de opspanning, de programmering, de machine-instellingen en kwalificatie. Deze kosten zijn gewoon ingebed in de stukprijs en worden niet afzonderlijk vermeld. Een bewerkt onderdeel van $ 400 kan $ 80 aan afgeschreven instel- en programmeerkosten omvatten die niemand bijhoudt omdat er geen regelitem voor is.
Wat nog belangrijker is, is dat investeringen in hulpmiddelen een hefboomwerking creëren. Zodra het gereedschap bestaat en gekwalificeerd is, naderen de incrementele kosten van extra onderdelen de grondstof plus de cyclustijd. De productie kan meegroeien met de vraag. Spoedbestellingen worden mogelijk. Ontwerpwijzigingen die volledige herprogrammering voor de bewerking vereisen, worden gereedschapsaanpassingen die de procesvalidatie in stand houden.
De programma's waarbij spuitgieten geen zin heeft, zijn toepassingen met een laag-volume en een hoge-mix, waarbij de gereedschappen niet effectief kunnen worden afgeschreven en de geometrie regelmatig verandert. Onder de totale levensduur van ongeveer 500 eenheden wint machinale bewerking meestal. Boven die drempel verschuift de berekening afhankelijk van de complexiteit van het onderdeel, de tolerantievereisten en de programmaduur.
Wat kwalificatie eigenlijk inhoudt
De eerste artikelinspectie voor spuitgegoten onderdelen uit de lucht- en ruimtevaart is ingewikkelder dan de meeste kopers verwachten. De FAI zelf is een eenvoudige-dimensionale verificatie aan de hand van de tekening, materiaalcertificering en documentatie van procesparameters. De procesvalidatie die aan FAI voorafgaat, is waar programma's slagen of mislukken.
Controle van de caviteitsdrukop kwalificatieonderdelen legt de processignatuur vast waaraan productieruns moeten voldoen. Voor kritische toepassingen is dit niet optioneel. Holtedruksporen laten bij elke opname zien of het onderdeel correct is gevuld, correct is verpakt en correct is afgekoeld. Onderdelen die correct meten maar abnormale druksporen vertonen, duiden op procesinstabiliteit die uiteindelijk defecten zal veroorzaken.
Verificatie van kristalliniteitis belangrijk voor PEEK en andere semi{0}}kristallijne materialen. DSC-analyse van kwalificatiemonsters stelt het basiskristalliniteitsniveau vast. Productieonderdelen kunnen ter plaatse worden-gecontroleerd ten opzichte van die basislijn. Wanneer het proces van een leverancier -opzettelijk of niet- afwijkt, is kristalliniteit vaak de eerste indicator dat er iets is veranderd.
Statistische procesmogelijkhedenvereist steekproefomvang berekend op basis van het aantal kritische dimensies en het vereiste betrouwbaarheidsniveau. Tweeëndertig- tweeëndertig monsters voor een onderdeel met drie kritische afmetingen bij Cpk 1,33 is niet voldoende. De wiskunde is niet ingewikkeld, maar wordt vaak verkeerd uitgevoerd, wat resulteert in capaciteitsstudies die de capaciteiten niet daadwerkelijk aantonen.
Voorstellen lezen en rode vlaggen identificeren
Offertes vertellen u meer over de daadwerkelijke capaciteiten van een leverancier dan hun capaciteitspresentaties.
Schattingen van de doorlooptijd die bij verschillende onderdeelcomplexiteiten identiek lijken, suggereren dat de leverancier uw specifieke vereisten niet daadwerkelijk heeft geëvalueerd. Een eenvoudig gereedschap met enkele- holtes in P20-staal heeft een andere doorlooptijd dan een gereedschap met 4- holtes in H13 met conforme koeling. Als de offerte voor beide "16 weken" zegt, gebruikt iemand een sjabloon in plaats van aan engineering te doen.
Materiaalspecificaties geschreven als "PEEK of gelijkwaardig" zonder vermelding van het cijfer geven aan dat een leverancier van plan is te winkelen voor de goedkoopste optie die technisch gezien in aanmerking komt. Voor structurele toepassingen is het verschil tussen PEEK 450G en 150G niet triviaal. Als in de offerte niet wordt gevraagd welke kwaliteit, begrijpt de leverancier de toepassing niet.
Aantallen van het eerste artikel in ronde getallen-precies 50, precies 100. Dit suggereert dat de steekproefomvang niet is berekend op basis van uw specifieke tolerantievereisten. De steekproefgroottes voor de validatie van procescapaciteiten zijn afhankelijk van het aantal kritische kenmerken en het vereiste betrouwbaarheidsniveau. De berekening levert zelden ronde getallen op.
Een stukprijs die dramatisch daalt bij volumes die het programma nooit zal bereiken, geeft aan dat de leverancier het bedrijf koopt met een aantrekkelijk kopnummer. Als uw jaarvolume 2.000 stuks bedraagt en de offerte een aantrekkelijke prijs van 10.000 stuks vermeldt, is die prijs niet relevant. Kijk naar het nummer dat overeenkomt met uw werkelijke vereisten.
Ontwikkelingstijdlijn Realiteiten
Nieuwe spuitgietprogramma's voor de lucht- en ruimtevaart vereisen onder normale omstandigheden 20 tot 30 weken vanaf de eerste opdracht tot gekwalificeerde onderdelen. Die tijdlijn omvat DFM-analyse, toolingontwerp, toolbouw, procesontwikkeling, eerste artikelinspectie en kwalificatiedocumentatie.
Pogingen om die tijdlijn te comprimeren mislukken meestal. De gereedschapsbouw kan worden versneld door er geld aan te besteden-overuren, hoogwaardige materialen en speciale capaciteit. Procesontwikkeling kan niet worden gecomprimeerd omdat de natuurkunde bepaalt hoe lang materiaaltesten, processtudies en kwalificatieruns daadwerkelijk duren. Het staal koelt af met de snelheid waarmee het afkoelt. Het polymeer kristalliseert met de snelheid waarmee het kristalliseert.
Programma's die beginnen met agressieve tijdlijnen eindigen doorgaans later dan programma's die beginnen met realistische tijdlijnen. Het agressieve schema creëert druk om procesontwikkelingsstappen over te slaan, die vervolgens moeten worden herhaald wanneer zich problemen voordoen in de productie. Een tool die twee weken eerder wordt verzonden, maar onderdelen produceert met een uitvalpercentage van 15%, ligt eigenlijk niet voor op schema.
De noodtijdlijnen voor bestaand, gekwalificeerd gereedschap zijn anders. Het verplaatsen van gekwalificeerd gereedschap tussen faciliteiten of het herstarten van de productie na een pauze kan binnen enkele weken plaatsvinden in plaats van maanden, omdat de procesontwikkeling al heeft plaatsgevonden. Nieuwe programma's hebben die mogelijkheid niet.
Wanneer spuitgieten niet de oplossing is
Sommige lucht- en ruimtevaarttoepassingen mogen niet worden spuitgegoten, ongeacht de volume-economie.
Componenten met geconcentreerde spanningsverhogers in onvoorspelbare oriëntaties presteren inconsistent in vezel-versterkte thermoplasten. De vezeloriëntatie volgt stromingspatronen die afhankelijk zijn van de locatie van de poort, de geometrie van het onderdeel en de vulsnelheid. Het deel is sterk waar vezels op één lijn liggen met spanning en zwak waar dat niet het geval is. Het voorspellen en controleren van de vezeloriëntatie vereist simulatiemogelijkheden en verwerkingscontroles die de kosten en complexiteit verhogen.
Voor het afdichten van oppervlakken die een afwerking vereisen die verder gaat dan wat met gieten kan worden bereikt, is secundaire bewerking nodig. Door de machinale bewerking worden de restspanningen van het gietproces vrijgegeven en kan een dimensionale verschuiving optreden op onderdelen die vóór de bewerking correct zijn gemeten. De combinatie van gieten en machinaal bewerken voegt een tolerantiestapel- toe die puur machinaal bewerken of puur gieten vermijdt.
Onderdelen die post{0}}montage met perspassingen of pers-inzetstukken vereisen, hebben in de loop van de tijd maatvastheid nodig die sommige polymeren niet kunnen bieden. Kruip- en spanningsrelaxatie in thermoplastische materialen zorgen ervoor dat interferentie-aanvallen in de loop van maanden of jaren losser worden. Ontwerpen die perfect werken in aluminium hebben mogelijk fundamentele veranderingen nodig om in kunststof te kunnen functioneren.
Zeer nauwe geometrische toleranties op grote onderdelen leiden tot thermische uitzettingsverschillen tussen kunststof en meetapparatuur. Een plastic onderdeel van 300 mm, gemeten op 20 graden, zal meetbaar anders zijn op 35 graden. Het definiëren van meetomstandigheden wordt onderdeel van de dimensionale specificatie, en niet alle inspectiefaciliteiten kunnen de vereiste milieucontroles handhaven.
Het gesprek starten
Als er een spuitgietproject voor kunststof in de lucht- en ruimtevaart op uw bureau ligt-nieuwe ontwikkeling, problemen met bestaande leveranciers, evaluatie van metaalconversie-het traject voorwaarts hangt af van waar u zich in het proces bevindt.
Materiaalselectie in een vroeg- stadium profiteert van de input van leveranciers voordat de engineering de specificaties afrondt. De productie-implicaties van materiaalkeuze beïnvloeden de projecteconomie op een manier die vergelijkingen van datasheets niet weergeven. Het betrekken van potentiële leveranciers tijdens de materiaalkeuze in plaats van erna voorkomt specificatiebeslissingen die downstream-problemen veroorzaken.
Programma's met bestaande ontwerpen moeten worden beoordeeld op de maakbaarheid voordat ze worden geciteerd. DFM-analyse identificeert problemen die anders aan het licht zouden komen tijdens het debuggen van tools of de productieramp. De analysekosten zijn triviaal vergeleken met de kosten van gereedschapsaanpassingen of problemen met de productiekwaliteit.
Situaties met huidige leveranciers die niet werken vereisen een eerlijke beoordeling van de vraag of het probleem oplosbaar is met de huidige leverancier of dat er een alternatieve bron moet worden gekwalificeerd. Soms ligt het antwoord in procesverbeteringen bij de bestaande leverancier. Soms ligt het antwoord in het opnieuw beginnen met iemand die over de juiste capaciteiten beschikt.
Wij kunnen al deze situaties aan, maar ze passen niet allemaal goed bij waar we goed in zijn. In het eerste gesprek wordt vastgesteld of er een match is. Als dat het geval is, gaan we over op een formele offerte. Als dat niet het geval is, zeggen wij dat.
De leveringsbasis voor kunststofspuitgieten in de lucht- en ruimtevaart varieert van basisvormers die hopen uit te groeien tot de lucht- en ruimtevaart, tot gespecialiseerde faciliteiten die zich uitsluitend richten op hoogwaardige- polymeerverwerking. Certificeringen maken daar geen betrouwbaar onderscheid tussen. Prijs maakt geen betrouwbaar onderscheid tussen hen. De capaciteiten worden pas duidelijk door gedetailleerde technische evaluatie of, helaas, door productieproblemen.
De vragen in dit artikel bieden een kader voor die evaluatie. De antwoorden bepalen of een leverancier daadwerkelijk heeft wat uw programma nodig heeft-of dat zijn voorstel mogelijkheden vertegenwoordigt die hij nog niet heeft ontwikkeld.