Kunststoffspritzguss für die Luft- und Raumfahrt: Schlüsselkomponenten, Designüberlegungen, Materialien und zukünftige Trends
Vor sieben Wochen schickte uns der Qualitätsmanager eines Verteidigungsunternehmens Fotos von PEEK-Steckergehäusen, die am Fließband Risse bekamen. Teile aus derselben Produktionscharge, demselben Lieferanten, derselben Materialcharge-einige perfekt, andere fehlerhaft. Seine genauen Worte: „Wir nutzen diesen Lieferanten seit drei Jahren und jetzt bricht alles zusammen.“
Wir haben dieses Projekt nicht angenommen. Nicht weil wir nicht herausfinden konnten, was schief gelaufen ist-die Grundursache war innerhalb einer Stunde nach Durchsicht ihrer Prozessaufzeichnungen offensichtlich-sondern weil das eigentliche Problem nicht die Teile waren. Das eigentliche Problem bestand darin, dass bei der Lieferantenqualifizierung von vornherein nie die richtigen Fragen gestellt wurden.
Diese Situation taucht jetzt etwa einmal im Monat vor unserer Tür auf. Jemand hat einen Lieferanten anhand von Zertifizierungen und Preisen qualifiziert, die Produktion ein oder zwei Jahre lang ohne Probleme laufen lassen, dann hat sich etwas verändert und plötzlich funktioniert nichts mehr. Der Lieferant schwört, dass sich nichts geändert hat. Dem Kunden liegen keine Prozessdaten zum Beweis des Gegenteils vor. Alle zeigen mit dem Finger, während die Produktionslinie stillsteht.
Die unbequeme Wahrheit über Kunststoffumwandlungsprojekte in der Luft- und Raumfahrt
Die Wirtschaftlichkeit der Metall-zu-umwandlung sieht auf dem Papier spektakulär aus. Gewichtseinsparungen verstärken sich durch die Treibstoffkosten über die Lebensdauer des Flugzeugs. Die Stückkosten sinken bei Volumen um die Hälfte oder mehr. Die Lieferzeiten verkürzen sich von Monaten auf Wochen.
Die Aitiip-Liebherr-Zusammenarbeit, die überall zitiert wird-40 % Gewichtsreduzierung, 30 % Kosteneinsparungen – stellt dar, was passiert, wenn alles gut läuft. Was es nicht in diese Fallstudien schafft: die achtzehn Monate Prozessentwicklung, die drei Werkzeugiterationen, die Investitionen in Spezialausrüstung, die diese Zahlen ermöglicht haben.
Wir haben im letzten Quartal ein Bracket-Programm angeboten, bei dem die Kosten für die Aluminiumbearbeitung des Kunden bei etwa 400 US-Dollar pro Einheit lagen. Unser Angebot für Spritzguss belief sich auf weniger als 60 US-Dollar. Offensichtliche Entscheidung, oder?
Allerdings hatte die Aluminiumhalterung eine bearbeitete Dichtfläche mit einer Oberflächengüteanforderung von 0,4 Ra. Um diese Oberflächenqualität direkt aus der Form zu erreichen, sind Werkzeugmodifikationen erforderlich, die die Werkzeugkosten um 35.000 US-Dollar erhöhten. Oder wir könnten es formen und dann die Dichtfläche bearbeiten-, was zusätzliche Handhabung und sekundäre Arbeitsgänge mit sich bringt und die Stückkosten wieder auf 85 $ erhöht.
Immer noch ein gutes Projekt. Dennoch erhebliche Einsparungen. Aber die Lücke zwischen der Gesamtzahl und der tatsächlichen Zahl ist wichtig, wenn die Finanzabteilung Amortisationsberechnungen durchführt. Projekte werden wegen dieser Lücke zerstört. Gute Projekte, Projekte, die stattfinden sollten, sterben, weil jemand zuerst den optimistischen Fall präsentierte und ihn dann zurücknehmen musste.
Was die PEEK-Verarbeitung tatsächlich erfordert
Die Materialdatenblätter von Victrex und Solvay veröffentlichen Verarbeitungsparameter, die für industrielle Anwendungen gut geeignet sind. Diese Parameter führen zu Luft- und Raumfahrtteilen, die die Maßprüfung bestehen und im Betrieb versagen.
Die Formtemperatur ist das offensichtliche Beispiel. Das veröffentlichte Minimum liegt bei ca160 Grad. Bei dieser Temperatur geformte Teile sehen richtig aus, haben die richtigen Maße und haben vielleicht 25 % Kristallinität. Teile geformt an190-200 GradErreichen Sie eine Kristallinität von über 35 %. Der Unterschied in der Ermüdungslebensdauer ist nicht inkrementell -sondern multiplikativ.
Das Problem ist, dass es läuft200 GradDie Temperatur der Formen erfordert Ölheizsysteme, Formenkonstruktionen mit der richtigen thermischen Masse und Prozesssteuerungen, über die die meisten Anlagen nicht verfügen. An der Spitze befindet sich ein Laden mit Warmwasser-Temperaturregelung95 Grad. Sie können PEEK immer noch formen. Die Teile werden weiterhin versendet. Irgendwann werden die Teile immer noch ausfallen, und zwar auf eine Weise, die sich nur sehr schwer auf die Verarbeitungsbedingungen zurückführen lässt.
Mit Kohlenstoff-gefüllte Qualitäten fügen eine weitere Schicht hinzu. Die Schererwärmung durch den Kohlefaserfüllstoff verändert das Wärmeprofil im Lauf. Standardschneckengeometrien, die gut für glasfaserverstärktes Material geeignet sind, erzeugen Hotspots mit Kohlenstofffüllung. Das Material zersetzt sich lokal, bevor es überhaupt in die Form gelangt. Du kannst es nicht sehen. Sie können es nicht bei der Eingangskontrolle messen. Sie finden heraus, wann Teile vor Ort ausfallen.
Es gibt keine Zertifizierung, die diese spezifische Fähigkeit bestätigt. AS9100 deckt Qualitätssysteme ab. NADCAP deckt spezielle Prozesse ab. Keiner stellt die Frage, ob eine Anlage tatsächlich halten kann200 GradFormtemperatur im Inneren±3 Gradüber ein Werkzeug mit mehreren -Kavitäten, während mit Kohlenstoff-gefülltes PEEK ausgeführt wird. Diese Frage wird bei Lieferantenqualifizierungsaudits nur beantwortet,-wenn der Prüfer weiß, dass er sie stellen muss.
Das Zertifizierungsproblem, über das niemand spricht
Die AS9100D-Registrierung bedeutet, dass ein Unternehmen über dokumentierte Qualitätsmanagementprozesse verfügt. Das bedeutet nicht, dass sie Ihre Teile herstellen können. Wir haben AS9100-zertifizierte Betriebe gesehen, die Angebote für Hochtemperatur-Polymerprojekte gemacht haben, wenn ihre Ausrüstung physisch nicht die erforderlichen Prozessbedingungen erreichen konnte.
Dabei handelt es sich nicht unbedingt um Betrug. Viele Betriebe sind fest davon überzeugt, dass sie jedes thermoplastische Material verarbeiten können, da die Maschinen für diesen Temperaturbereich ausgelegt sind. Sie verstehen nicht, dass Bewertungen und dauerhafte Leistungsfähigkeit unterschiedliche Dinge sind oder dass materialspezifische Prozessanforderungen bestehen, die über die expliziten Angaben im Datenblatt hinausgehen.
Die NADCAP-Akkreditierung schafft mehr Vertrauen, da sie spezifische Herstellungsprozesse und nicht allgemeine Systeme validiert. Aber der Umfang der Akkreditierung ist wichtig. Eine für Standardspritzgussverfahren akkreditierte Einrichtung hat möglicherweise noch nie ein Hochtemperaturpolymer durch diese akkreditierte Zelle laufen lassen. Die Akkreditierung umfasst den Prozess, nicht jedes mögliche Material, das theoretisch bearbeitet werden könnte.
Die eigentlich wichtigen Prüfungsfragen haben nichts mit Zertifikaten zu tun. Dazu gehören spezifische Prozessparameter für die spezifischen Materialien in Ihrem Programm, dokumentierte Prozessfähigkeitsstudien und historische Ertragsdaten für ähnliche Anwendungen. Wenn ein Lieferant diese Dokumentation nicht vorlegen kann, ist die Zertifizierung nicht relevant.
Materialauswahl über das Datenblatt hinaus
PEEK dominiert die Diskussion über Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt, da es mit den unterschiedlichsten Bedingungen wie Temperatur, Chemikalien, mechanischer Beanspruchung und Strahlung zurechtkommt. Außerdem kostet es ungefähr 100 US-Dollar pro Kilogramm, was bedeutet, dass die Materialkosten bei jeder vernünftigen Menge erheblich werden.
PPS
PPS erledigt viele der gleichen Anwendungen für 25–30 US-Dollar pro Kilogramm. Die Nachteile sind engere Verarbeitungsfenster, geringere Schlagfestigkeit und eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Faserorientierungseffekten. Für Komponenten, die in chemisch aggressiven Umgebungen hauptsächlich statischen Belastungen ausgesetzt sind, ist PPS oft sinnvoller als PEEK. Für alles mit dynamischen Belastungs- oder Stoßanforderungen spielt der Kostenunterschied keine Rolle.
Ultem
Ultem wird aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften und seiner inhärenten Flammwidrigkeit in Elektro- und Elektronikgehäusen eingesetzt. Die Verarbeitungstemperaturen liegen niedriger als bei PEEK, die Anforderungen an die Ausrüstung sind weniger anspruchsvoll und die Materialkosten liegen irgendwo dazwischen. Für Anwendungen, bei denen die elektrische Leistung wichtiger ist als die mechanische Leistung, vermeidet Ultem die Kosten und Verarbeitungskomplikationen von PEEK, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.
Die Diskussion über die Materialauswahl findet meist zu spät im Entwicklungsprozess statt. Wenn die Teile die Angebotsphase erreichen, hat die Technik bereits ein Material basierend auf veröffentlichten Eigenschaften spezifiziert, ohne die Auswirkungen auf die Herstellung zu berücksichtigen. Der Materialwechsel zu diesem Zeitpunkt erfordert eine erneute -Validierung, aktualisierte Zeichnungen und möglicherweise neue Werkzeuge-, was alles zu Kosten und Verzögerungen führt, die durch eine frühere Einbindung des Lieferanten hätten vermieden werden können.
Werkzeuginvestitionen und Programmökonomie
Spritzgusswerkzeuge für Luft- und Raumfahrtanwendungen kosten je nach Komplexität typischerweise zwischen 50.000 und 150.000 US-Dollar. Diese Zahl löst bei Programmen, die in der Vergangenheit bearbeitete Teile ohne Werkzeuginvestitionen gekauft haben, einen Schock aus.
Dieser Vergleich geht am Kern der Sache vorbei. Für maschinell bearbeitete Teile fallen in jeder Einheit -die Werkzeugkosten an: die Vorrichtung, die Programmierung, die Maschineneinrichtung und die Qualifizierung. Diese Kosten sind lediglich im Stückpreis enthalten und werden nicht separat ausgewiesen. Ein bearbeitetes Teil im Wert von 400 US-Dollar könnte amortisierte Einrichtungs- und Programmierkosten in Höhe von 80 US-Dollar beinhalten, die niemand nachverfolgt, weil es keinen Einzelposten dafür gibt.
Noch wichtiger ist, dass Werkzeuginvestitionen eine Hebelwirkung schaffen. Sobald das Werkzeug vorhanden und qualifiziert ist, nähern sich die zusätzlichen Kosten für zusätzliche Teile dem Rohmaterial plus Zykluszeit an. Die Produktion kann mit der Nachfrage skaliert werden. Eilaufträge werden möglich. Konstruktionsänderungen, die für die Bearbeitung eine vollständige Neuprogrammierung erfordern würden, werden zu Werkzeugmodifikationen, die die Prozessvalidierung aufrechterhalten.
Bei den Programmen, bei denen Spritzgießen keinen Sinn ergibt, handelt es sich um Anwendungen mit geringem{0}}Volumen und hohem-Mix, bei denen sich die Werkzeuge nicht effektiv amortisieren und sich die Geometrie häufig ändert. Unter etwa 500 Gesamtlebensdauereinheiten gewinnt in der Regel die maschinelle Bearbeitung. Oberhalb dieses Schwellenwerts verschiebt sich die Berechnung je nach Teilekomplexität, Toleranzanforderungen und Programmdauer.
Was eine Qualifikation eigentlich beinhaltet
Die Erstmusterprüfung von Spritzgussteilen für die Luft- und Raumfahrt ist aufwändiger, als die meisten Käufer erwarten. Die FAI selbst ist eine einfache-Maßüberprüfung anhand der Zeichnung, Materialzertifizierung und Prozessparameterdokumentation. Die Prozessvalidierung, die der FAI vorausgeht, entscheidet darüber, ob Programme erfolgreich sind oder scheitern.
Überwachung des HohlraumdrucksBei der Qualifizierung von Teilen wird die Prozesssignatur festgelegt, mit der Produktionsläufe übereinstimmen müssen. Dies ist für kritische Anwendungen nicht optional. Hohlraumdruckkurven zeigen, ob das Teil bei jedem einzelnen Schuss richtig gefüllt, richtig verpackt und richtig abgekühlt wurde. Teile, die korrekt messen, aber abnormale Druckspuren aufweisen, weisen auf eine Prozessinstabilität hin, die letztendlich zu Defekten führen wird.
Überprüfung der Kristallinitätist für PEEK und andere semi{0}}kristalline Materialien von Bedeutung. Die DSC-Analyse an Qualifizierungsproben ermittelt den Basiskristallinitätsgrad. Produktionsteile können anhand dieser Basislinie stichprobenartig-geprüft werden. Wenn der Prozess eines Lieferanten -absichtlich oder unabsichtlich- abweicht, ist die Kristallinität oft der erste Hinweis darauf, dass sich etwas geändert hat.
Statistische Prozessfähigkeiterfordert Stichprobengrößen, die aus der Anzahl der kritischen Dimensionen und dem erforderlichen Konfidenzniveau berechnet werden. Zweiunddreißig Proben für ein Teil mit drei kritischen Abmessungen bei Cpk 1,33 reichen nicht aus. Die Berechnung ist nicht kompliziert, wird aber häufig falsch gemacht, was zu Fähigkeitsstudien führt, die die Fähigkeit nicht wirklich belegen.
Vorschläge lesen und Warnsignale erkennen
Angebote sagen Ihnen mehr über die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Lieferanten als seine Leistungspräsentationen.
Schätzungen der Durchlaufzeit, die bei unterschiedlicher Teilekomplexität identisch aussehen, deuten darauf hin, dass der Lieferant Ihre spezifischen Anforderungen nicht tatsächlich bewertet hat. Ein einfaches Werkzeug mit nur einer Kavität aus P20-Stahl hat eine andere Durchlaufzeit als ein Werkzeug mit vier Kavitäten aus H13 und konformer Kühlung. Wenn im Angebot für beides „16 Wochen“ steht, verwendet jemand eine Vorlage, anstatt sich mit der Entwicklung zu befassen.
Materialspezifikationen, die als „PEEK oder gleichwertig“ ohne Angabe der Qualität angegeben sind, deuten darauf hin, dass ein Lieferant plant, nach der günstigsten Option zu suchen, die technisch geeignet ist. Für strukturelle Anwendungen ist der Unterschied zwischen PEEK 450G und 150G nicht trivial. Wenn im Angebot nicht nach der Güteklasse gefragt wird, versteht der Lieferant die Anwendung nicht.
Erste Artikelmengen in runden Zahlen-genau 50, genau 100 – deutet darauf hin, dass die Stichprobengröße nicht auf der Grundlage Ihrer spezifischen Toleranzanforderungen berechnet wurde. Die Stichprobengrößen für die Validierung der Prozessfähigkeit hängen von der Anzahl der kritischen Merkmale und dem erforderlichen Konfidenzniveau ab. Die Berechnung führt selten zu runden Zahlen.
Wenn der Stückpreis bei Volumina, die das Programm nie erreichen wird, dramatisch sinkt, deutet dies darauf hin, dass der Lieferant das Unternehmen mit einer attraktiven Gesamtzahl kauft. Wenn Ihr Jahresvolumen 2.000 Stück beträgt und das Angebot einen überzeugenden Preis von 10.000 Stück zeigt, ist dieser Preis irrelevant. Schauen Sie sich die Nummer an, die Ihren tatsächlichen Anforderungen entspricht.
Realitäten des Entwicklungszeitplans
Neue Spritzgussprogramme für die Luft- und Raumfahrt benötigen unter normalen Umständen 20 bis 30 Wochen von der Erstbeauftragung bis zur Qualifizierung der Teile. Dieser Zeitplan umfasst DFM-Analyse, Werkzeugdesign, Werkzeugbau, Prozessentwicklung, Erstmusterprüfung und Qualifizierungsdokumentation.
Versuche, diese Zeitleiste zu komprimieren, schlagen normalerweise fehl. Der Werkzeugaufbau kann beschleunigt werden, indem man dafür Geld investiert-Überstunden, hochwertige Materialien, dedizierte Kapazität. Die Prozessentwicklung kann nicht komprimiert werden, da die Physik bestimmt, wie lange Materialtests, Prozessstudien und Qualifizierungsläufe tatsächlich dauern. Der Stahl kühlt mit der Geschwindigkeit ab, mit der er abkühlt. Das Polymer kristallisiert mit der Geschwindigkeit, mit der es kristallisiert.
Programme, die mit aggressiven Zeitplänen beginnen, enden in der Regel später als Programme, die mit realistischen Zeitplänen begonnen haben. Der aggressive Zeitplan erzeugt Druck, Prozessentwicklungsschritte zu überspringen, die dann wiederholt werden müssen, wenn Probleme in der Produktion auftreten. Ein Werkzeug, das zwei Wochen früher ausgeliefert wird, aber Teile mit einer Ausschussrate von 15 % produziert, ist nicht wirklich früher als geplant.
Die Notfallfristen für vorhandene, qualifizierte Werkzeuge sind unterschiedlich. Der Umzug qualifizierter Werkzeuge zwischen Anlagen oder die Wiederaufnahme der Produktion nach einer Pause kann in Wochen statt in Monaten erfolgen, da die Prozessentwicklung bereits stattgefunden hat. Neue Programme bieten diese Option nicht.
Wenn Spritzguss nicht die Lösung ist
Einige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sollten ungeachtet der Volumenökonomie nicht im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Komponenten mit konzentrierten Spannungsanstiegen in unvorhersehbarer Ausrichtung weisen in faserverstärkten Thermoplasten eine inkonsistente Leistung auf. Die Faserausrichtung folgt Strömungsmustern, die von der Anschnittposition, der Teilegeometrie und der Füllgeschwindigkeit abhängen. Der Teil ist stark, wo sich die Fasern bei Belastung ausrichten, und schwach, wo dies nicht der Fall ist. Die Vorhersage und Steuerung der Faserorientierung erfordert Simulationsfähigkeiten und Verarbeitungskontrollen, die die Kosten und die Komplexität erhöhen.
Dichtflächen, die eine Endbearbeitung erfordern, die über das hinausgeht, was direkt durch Formen erreicht werden kann, müssen nachbearbeitet werden. Durch diese Bearbeitung werden Restspannungen aus dem Formprozess freigesetzt und es kann zu Dimensionsverschiebungen bei Merkmalen kommen, die vor der Bearbeitung korrekt gemessen wurden. Die Kombination aus Formen und maschineller Bearbeitung erhöht die Toleranzhäufigkeit, die durch reine maschinelle Bearbeitung oder reines Formen vermieden wird.
Teile, die eine nachträgliche {0}Formmontage mit Presspassungen oder eingepressten -Einsätzen erfordern, benötigen über einen längeren Zeitraum eine Dimensionsstabilität, die einige Polymere nicht bieten können. Kriechen und Spannungsrelaxation in Thermoplasten führen dazu, dass sich Pressverbindungen über Monate oder Jahre lockern. Designs, die in Aluminium perfekt funktionieren, erfordern möglicherweise grundlegende Änderungen, um in Kunststoff zu funktionieren.
Sehr enge geometrische Toleranzen bei großen Teilen führen zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Kunststoff und Messgeräten. Ein 300 mm großes Kunststoffteil, gemessen bei 20 Grad, wird bei 35 Grad messbar anders sein. Die Definition der Messbedingungen wird Teil der Maßspezifikation, und nicht alle Prüfeinrichtungen können die erforderlichen Umgebungskontrollen aufrechterhalten.
Das Gespräch beginnen
Wenn auf Ihrem Schreibtisch ein Kunststoffspritzgussprojekt für die Luft- und Raumfahrt liegt-neue Entwicklung, bestehende Lieferantenprobleme, Metallumwandlungsbewertung-hängt der weitere Weg davon ab, wo Sie sich im Prozess befinden.
Die Materialauswahl im Frühstadium- profitiert vom Input der Lieferanten, bevor die Konstruktion die Spezifikationen fertigstellt. Die Auswirkungen der Materialauswahl auf die Fertigung wirken sich auf die Projektökonomie in einer Weise aus, die durch Datenblattvergleiche nicht erfasst wird. Durch die Einbindung potenzieller Lieferanten bereits bei der Materialauswahl und nicht danach werden Spezifikationsentscheidungen vermieden, die nachgelagerte Probleme verursachen.
Programme mit bestehenden Designs müssen vor der Angebotserstellung einer Herstellbarkeitsbewertung unterzogen werden. Die DFM-Analyse identifiziert Probleme, die andernfalls beim Tool-Debugging oder beim Produktionshochlauf auftreten würden. Die Analysekosten sind im Vergleich zu den Kosten für Werkzeugänderungen oder Produktionsqualitätsproblemen trivial.
Aktuelle Lieferantensituationen, die nicht funktionieren, erfordern eine ehrliche Beurteilung, ob das Problem mit dem aktuellen Lieferanten lösbar ist, oder erfordern die Qualifizierung einer alternativen Quelle. Manchmal liegt die Antwort in Prozessverbesserungen beim bestehenden Lieferanten. Manchmal besteht die Antwort darin, mit jemandem von vorne zu beginnen, der über die richtigen Fähigkeiten verfügt.
Wir meistern all diese Situationen, aber nicht alle davon passen gut zu dem, was wir können. Im Erstgespräch wird festgestellt, ob eine Übereinstimmung vorliegt. Wenn ja, gehen wir zum formellen Angebot über. Wenn nicht, sagen wir es.
Die Zuliefererbasis für Kunststoffspritzguss im Luft- und Raumfahrtbereich reicht von Standardformern, die in die Luft- und Raumfahrtindustrie expandieren möchten, bis hin zu spezialisierten Einrichtungen, die sich ausschließlich auf die Verarbeitung von Hochleistungspolymeren konzentrieren. Zertifizierungen unterscheiden nicht zuverlässig zwischen ihnen. Der Preis unterscheidet nicht zuverlässig zwischen ihnen. Die Leistungsfähigkeit wird erst durch eine detaillierte technische Bewertung oder leider durch Produktionsprobleme deutlich.
Die Fragen in diesem Artikel bieten einen Rahmen für diese Bewertung. Die Antworten bestimmen, ob ein Lieferant tatsächlich über die Anforderungen Ihres Programms verfügt-oder ob sein Angebot Fähigkeiten darstellt, die er noch nicht entwickelt hat.