Emmotllament per injecció de plàstic aeroespacial: Components clau, consideracions de disseny, materials i tendències futures
Fa set setmanes, el responsable de qualitat d'un contractista de defensa ens va enviar fotos de carcasses de connectors PEEK que havien començat a esquerdar-se a la línia de muntatge. Peces del mateix lot de producció, mateix proveïdor, mateix lot de material-algunes perfectes, altres fallides. Les seves paraules exactes: "Fa tres anys que utilitzem aquest proveïdor i ara tot s'està trencant".
No vam agafar aquest projecte. No perquè no haguéssim pogut esbrinar què va fallar-la causa arrel era òbvia en una hora després de mirar els registres del procés-, sinó perquè el problema real no eren les peces. El veritable problema era que el seu procés de qualificació de proveïdors mai havia fet les preguntes adequades en primer lloc.
Aquesta situació es presenta a la nostra porta aproximadament un cop al mes. Algú va qualificar un proveïdor en funció de les certificacions i el preu, va executar la producció durant un any o dos sense problemes, després alguna cosa va canviar i, de sobte, res no funciona. El proveïdor jura que no ha canviat res. El client no disposa de dades de procés per demostrar el contrari. Tothom assenyala amb els dits mentre la línia de producció està inactiva.
La incòmoda veritat sobre els projectes de conversió de plàstic aeroespacial
L'economia de conversió de metall-a-plàstic té un aspecte espectacular sobre el paper. L'estalvi de pes es combina gràcies als costos de combustible durant la vida útil de l'avió. Els costos unitaris es redueixen a la meitat o més en volum. Els terminis d'execució es comprimeixen de mesos a setmanes.
La col·laboració d'Aitiip-Liebherr que es cita a tot arreu-40% de reducció de pes, un 30% d'estalvi de costos, representa el que passa quan tot va bé. El que no es troba en aquests casos pràctics: els divuit mesos de desenvolupament del procés, les tres iteracions d'eines, les inversions en equips especialitzats que van fer possibles aquests números.
Vam citar un programa de suports el trimestre passat on el cost de mecanitzat d'alumini del client era d'uns 400 dòlars per unitat. La nostra cotització d'emmotllament per injecció va costar menys de 60 dòlars. Decisió òbvia, oi?
Excepte que el suport d'alumini tenia una superfície de segellat mecanitzada amb un requisit d'acabat de 0,4 Ra. Aconseguir aquesta qualitat superficial directament del motlle requereix modificacions d'eines que afegeixen 35.000 dòlars al cost de l'eina. O podríem modelar-lo i després mecanitzar la superfície de segellat-que afegeix manipulació, operacions secundàries i torna el cost unitari a 85 $.
Encara és un bon projecte. Encara un estalvi important. Però la bretxa entre el número del titular i el nombre real és important quan les finances fan càlculs de recuperació. Els projectes es maten per aquest buit. Els bons projectes, els projectes que haurien de passar, moren perquè algú va presentar primer el cas optimista i després l'havia de tornar.
Què requereix realment el processament PEEK
Les fitxes de material de Victrex i Solvay publiquen paràmetres de processament que funcionen bé per a aplicacions industrials. Aquests paràmetres produiran peces aeroespacials que passen la inspecció dimensional i fallen en servei.
La temperatura del motlle és l'exemple evident. El mínim publicat és al voltant160 graus. Les peces modelades a aquesta temperatura tenen un aspecte correcte, mesuren correctament i tenen potser un 25% de cristal·linitat. Peces modelades a190-200 grausarriba al 35%+ de cristal·linitat. La diferència de vida de fatiga no és incremental-és multiplicativa.
El problema és que funciona200 grausLa temperatura del motlle requereix sistemes d'escalfament d'oli, dissenys de motlles amb massa tèrmica adequada i controls de procés que la majoria de les instal·lacions no tenen. El control de la temperatura de l'aigua calenta d'una botiga funciona al màxim95 graus. Encara poden modelar PEEK. Les peces encara s'enviaran. Les peces encara fallaran, eventualment, de maneres molt difícils de remuntar a les condicions de processament.
Els graus-omples de carboni afegeixen una altra capa. L'escalfament de cisalla del farciment de fibra de carboni canvia el perfil tèrmic a través del canó. Les geometries de cargol estàndard que funcionen bé amb material farcit de vidre-creen punts calents amb farciment de carboni. El material es degrada localment fins i tot abans d'arribar al motlle. No ho pots veure. No es pot mesurar en la inspecció entrant. Esbrina quan les peces comencen a fallar al camp.
No hi ha cap certificació que validi aquesta capacitat específica. AS9100 cobreix els sistemes de qualitat. NADCAP cobreix processos especials. Cap dels dos es pregunta si una instal·lació realment pot contenir200 graustemperatura del motlle dins±3 grausa través d'una eina de diverses-cavitats mentre s'executa PEEK-de carboni. Aquesta pregunta només es respon durant les auditories de qualificació dels proveïdors-si l'auditor sap fer-ho.
El problema de la certificació del qual ningú parla
El registre AS9100D significa que una empresa té processos de gestió de qualitat documentats. No vol dir que puguin fer les teves peces. Hem vist que les instal·lacions amb certificació AS9100-citen projectes de polímers d'alta temperatura quan els seus equips físicament no poden assolir les condicions de procés requerides.
Això no és necessàriament un frau. Moltes instal·lacions creuen realment que poden processar qualsevol termoplàstic perquè les màquines estan classificades per al rang de temperatura. No entenen que les puntuacions i la capacitat sostinguda siguin coses diferents, o que els requisits específics del procés material-existeixen més enllà del que indica explícitament el full de dades.
L'acreditació NADCAP proporciona més confiança perquè valida processos de fabricació específics en lloc de sistemes generals. Però l'abast de l'acreditació és important. És possible que una instal·lació acreditada per a processos estàndard d'emmotllament per injecció mai hagi fet passar un polímer d'alta-temperatura a través d'aquesta cèl·lula acreditada. L'acreditació cobreix el procés, no tots els materials possibles que teòricament es podrien processar.
Les preguntes d'auditoria que realment importen no tenen res a veure amb els certificats. Involucren paràmetres de procés específics per als materials específics del vostre programa, estudis de capacitat de procés documentats i dades històriques de rendiment en aplicacions similars. Si un proveïdor no pot presentar aquesta documentació, la certificació no és rellevant.
Selecció de material més enllà de la fitxa tècnica
El PEEK domina les converses de plàstic aeroespacial perquè gestiona la més àmplia gamma de condicions-temperatura, productes químics, estrès mecànic i radiació. També costa aproximadament 100 dòlars per quilo, el que significa que el cost del material esdevé important a qualsevol volum raonable.
PPS
PPS gestiona moltes de les mateixes aplicacions a 25-30 dòlars per quilogram. Els avantatges són finestres de processament més estretes, menor resistència a l'impacte i més sensibilitat als efectes d'orientació de la fibra. Per als components que veuran principalment càrregues estàtiques en entorns químicament agressius, el PPS sovint té més sentit que el PEEK. Per a qualsevol cosa amb requisits de càrrega dinàmica o d'impacte, la diferència de cost és irrellevant.
Ultem
Ultem apareix en carcasses elèctriques i electròniques per les seves propietats dielèctriques i la seva resistència a la flama inherent. Les temperatures de processament són inferiors a les del PEEK, els requisits de l'equip són menys exigents i el cost del material es troba entremig. Per a aplicacions on el rendiment elèctric importa més que el rendiment mecànic, Ultem evita els costos i les complicacions de processament del PEEK sense comprometre la funció.
La conversa sobre la selecció del material sol passar massa tard en el procés de desenvolupament. Quan les peces arriben a l'etapa de cotització, l'enginyeria ja ha especificat un material basat en propietats publicades sense tenir en compte les implicacions de fabricació. El canvi de material en aquest moment requereix una re-validació, dibuixos actualitzats, eines potencialment noves-, tot això afegeix un cost i un retard que s'haurien pogut evitar amb la participació anterior del proveïdor.
Inversió en eines i economia de programes
Les eines de motlle d'injecció per a aplicacions aeroespacials solen funcionar entre 50.000 i 150.000 dòlars, depenent de la complexitat. El nombre crea un xoc d'adhesiu per a programes que històricament han comprat peces mecanitzades sense cap inversió en eines.
Aquesta comparació no té sentit. Les peces mecanitzades comporten el seu cost d'eines en cada unitat-la fixació, la programació, la configuració de la màquina i la qualificació. Aquests costos només s'inclouen al preu de la peça en lloc de ser indicats per separat. Una peça mecanitzada de 400 dòlars podria incloure 80 dòlars de costos de configuració i programació amortitzats que ningú fa un seguiment perquè no hi ha cap partida per a això.
Més important encara, la inversió en eines crea palanquejament. Un cop l'eina existeix i està qualificada, el cost incremental de les peces addicionals s'aproxima a la matèria primera més el temps de cicle. La producció pot escalar amb la demanda. Les comandes urgents són possibles. Els canvis de disseny que requeririen una re-programació completa per al mecanitzat es converteixen en modificacions d'eines que mantenen la validació del procés.
Els programes on l'emmotllament per injecció no té sentit són aplicacions de baix-volum i gran-mescla on les eines no s'amorteixen de manera eficaç i la geometria canvia amb freqüència. Per sota d'unes 500 unitats de vida útil total, el mecanitzat sol guanyar. Per sobre d'aquest llindar, el càlcul canvia en funció de la complexitat de la peça, els requisits de tolerància i la durada del programa.
Què implica realment la qualificació
La inspecció del primer article per a peces modelades per injecció aeroespacial és més implicada del que esperen la majoria dels compradors. El FAI en si és una verificació-dimensional senzilla amb el dibuix, la certificació del material i la documentació dels paràmetres del procés. La validació del procés que precedeix a la FAI és on els programes tenen èxit o fracassen.
Monitorització de la pressió de la cavitata les parts de qualificació estableix la signatura del procés que han de coincidir les sèries de producció. Això no és opcional per a aplicacions crítiques. Les traces de pressió de la cavitat mostren si la peça s'ha omplert correctament, s'ha empaquetat correctament i es va refredar correctament en cada tret. Les peces que mesuren correctament però tenen traces de pressió anormals indiquen una inestabilitat del procés que finalment produirà defectes.
Verificació de la cristal·linitatimporta pel PEEK i altres materials semi-cristal·lins. L'anàlisi DSC de mostres de qualificació estableix el nivell de cristal·linitat de referència. Les peces de producció es poden-comprovar amb aquesta línia de base. Quan el procés d'un proveïdor varia-intencionadament o no-, la cristalinitat és sovint el primer indicador que alguna cosa ha canviat.
Capacitat de procés estadísticrequereix mides de mostra calculades a partir del nombre de dimensions crítiques i del nivell de confiança requerit. Trenta-dues mostres per a una peça amb tres dimensions crítiques a Cpk 1.33 no són suficients. Les matemàtiques no són complicades, però sovint es fan malament, donant lloc a estudis de capacitat que en realitat no demostren la capacitat.
Lectura de propostes i identificació de banderes vermelles
Les cotitzacions us diuen més sobre la capacitat real d'un proveïdor que les seves presentacions de capacitat.
Les estimacions de temps de lliurament que semblen idèntiques en diferents complexitats de peces suggereixen que el proveïdor no ha avaluat realment els vostres requisits específics. Una eina senzilla d'una-cavitat en acer P20 té un temps de lliurament diferent que una eina de quatre-cavitat en H13 amb refrigeració conforme. Si la cita diu "16 setmanes" per a tots dos, algú està utilitzant una plantilla en lloc de fer enginyeria.
Les especificacions del material escrites com a "PEEK o equivalent" sense cap mena de qualificació indiquen que un proveïdor planeja comprar l'opció més barata que compleixi els requisits tècnics. Per a aplicacions estructurals, la diferència entre PEEK 450G i 150G no és trivial. Si el pressupost no demana quina nota, el proveïdor no entén la sol·licitud.
Les quantitats del primer article en números rodons-exactement 50, exactament 100, suggereixen que la mida de la mostra no s'ha calculat en funció dels vostres requisits de tolerància específics. Les mides de les mostres de validació de la capacitat del procés depenen del nombre de característiques crítiques i del nivell de confiança requerit. El càlcul rarament produeix nombres rodons.
El preu de la peça que disminueix dràsticament als volums que mai arribarà el programa indica que el proveïdor està comprant el negoci amb un número de titular atractiu. Si el vostre volum anual és de 2.000 peces i la cotització mostra un preu convincent de 10.000, aquest preu és irrellevant. Mireu el número que coincideix amb els vostres requisits reals.
Desenvolupament Cronologia Realitats
Els nous programes d'emmotllament per injecció aeroespacial requereixen de 20 a 30 setmanes des del compromís inicial amb peces qualificades en circumstàncies normals. Aquesta línia de temps inclou l'anàlisi DFM, el disseny d'eines, la creació d'eines, el desenvolupament de processos, la inspecció del primer article i la documentació de qualificació.
Els intents de comprimir aquesta línia de temps solen fallar. La creació d'eines es pot accelerar invertint-hi diners-hores extraordinàries, materials de primera qualitat i capacitat dedicada. El desenvolupament de processos no es pot comprimir perquè la física determina quant de temps triguen realment les proves de materials, els estudis de processos i les proves de qualificació. L'acer es refreda a la velocitat que es refreda. El polímer cristal·litza a la velocitat amb què es cristal·litza.
Els programes que comencen amb cronologies agressives normalment acaben més tard que els programes que han començat amb cronologies realistes. El calendari agressiu crea pressió per saltar-se els passos de desenvolupament del procés que després s'han de repetir quan sorgeixen problemes en la producció. Una eina que s'envia dues setmanes abans però produeix peces amb una taxa de ferralla del 15% no s'avança en realitat.
Els terminis d'emergència per a les eines existents i qualificades són diferents. Moure eines qualificades entre instal·lacions o reiniciar la producció després d'una pausa pot passar en setmanes en lloc de mesos perquè el desenvolupament del procés ja s'ha produït. Els programes nous no tenen aquesta opció.
Quan l'emmotllament per injecció no és la resposta
Algunes aplicacions aeroespacials no s'han de modelar per injecció independentment de l'economia del volum.
Els components amb elevacions de tensió concentrades en orientacions imprevisibles funcionen de manera inconsistent en termoplàstics-reforçats amb fibra. L'orientació de la fibra segueix patrons de flux que depenen de la ubicació de la porta, la geometria de la peça i la velocitat d'ompliment. La part és forta on les fibres s'alineen amb l'estrès i feble on no ho fan. Predir i controlar l'orientació de la fibra requereix capacitats de simulació i controls de processament que afegeixin cost i complexitat.
Les superfícies de segellat que requereixen acabats més enllà del que pot aconseguir l'emmotllament necessiten directament un mecanitzat secundari. Aquest mecanitzat allibera l'estrès residual del procés d'emmotllament i pot provocar un canvi dimensional en les característiques que es van mesurar correctament abans del mecanitzat. La combinació d'emmotllament i mecanitzat afegeix una pila de tolerància-que evita el mecanitzat pur o el modelat pur.
Les peces que requereixen un muntatge de post-motlle amb ajustos per interferència o insercions-de pressió necessiten una estabilitat dimensional al llarg del temps que alguns polímers no poden oferir. La fluïdesa i la relaxació de l'estrès en els termoplàstics fan que els ajustaments d'interferència s'afluixin durant mesos o anys. Els dissenys que funcionen perfectament en alumini poden necessitar canvis fonamentals per funcionar en plàstic.
Les toleràncies geomètriques molt ajustades a les peces grans provoquen diferències d'expansió tèrmica entre el plàstic i els equips de mesura. Una peça de plàstic de 300 mm mesurada a 20 graus serà mesurablement diferent a 35 graus. La definició de les condicions de mesura passa a formar part de l'especificació dimensional i no totes les instal·lacions d'inspecció poden mantenir els controls ambientals necessaris.
Iniciant la conversa
Si hi ha un projecte d'emmotllament per injecció de plàstic aeroespacial al vostre escriptori-nou desenvolupament, problemes de proveïdors existents, avaluació de conversió de metalls-, el camí a seguir depèn d'on us trobeu en el procés.
La selecció de material-en fase inicial es beneficia de l'aportació del proveïdor abans que l'enginyeria finalitzi les especificacions. Les implicacions de fabricació de l'elecció del material afecten l'economia del projecte d'una manera que les comparacions de fulls de dades no capten. La implicació de proveïdors potencials durant la selecció del material en lloc de després evita decisions d'especificacions que creen problemes aigües avall.
Els programes amb dissenys existents necessiten una avaluació de fabricabilitat abans de cotitzar. L'anàlisi DFM identifica problemes que d'altra manera sorgirien durant la depuració de l'eina o la rampa de producció. El cost de l'anàlisi és trivial en comparació amb el cost de les modificacions d'eines o problemes de qualitat de producció.
Les situacions actuals de proveïdors que no funcionen requereixen una avaluació honesta de si el problema es pot resoldre amb el proveïdor actual o requereix la qualificació d'una font alternativa. De vegades, la resposta són les millores de processos al proveïdor existent. De vegades, la resposta és començar de nou amb algú que té la capacitat adequada.
Gestionem totes aquestes situacions, però no totes encaixen bé amb el que fem. La conversa inicial estableix si hi ha coincidència. Si n'hi ha, passem a la cotització formal. Si no n'hi ha, ho diem.
La base de subministrament d'emmotllament per injecció de plàstic aeroespacial va des de modeladors de productes bàsics amb l'esperança de créixer en l'aeroespacial fins a instal·lacions especialitzades que se centren exclusivament en el processament de polímers d'alt-rendiment. Les certificacions no els distingeixen de manera fiable. El preu no els distingeix de manera fiable. La capacitat només es fa evident mitjançant una avaluació tècnica detallada o, malauradament, mitjançant problemes de producció.
Les preguntes d'aquest article proporcionen un marc per a aquesta avaluació. Les respostes determinen si un proveïdor realment té el que el vostre programa requereix-o si la seva proposta representa una capacitat que encara no han desenvolupat.