Stampaggio ad iniezione di materie plastiche aerospaziali: Componenti chiave, considerazioni sulla progettazione, materiali e tendenze future
Sette settimane fa il responsabile della qualità di un appaltatore della difesa ci ha inviato foto di alloggiamenti di connettori in PEEK che avevano iniziato a rompersi sulla catena di montaggio. Parti dello stesso lotto di produzione, stesso fornitore, stesso lotto di materiale-alcuni perfetti, altri difettosi. Le sue parole esatte: "Utilizziamo questo fornitore da tre anni e ora tutto sta andando a rotoli".
Non abbiamo accettato quel progetto. Non perché non siamo riusciti a capire cosa è andato storto-la causa principale era evidente nel giro di un'ora dall'esame dei record del processo-ma perché il vero problema non erano le parti. Il vero problema era che il processo di qualificazione dei fornitori non aveva mai posto le domande giuste.
Questa situazione si presenta alla nostra porta circa una volta al mese ormai. Qualcuno ha qualificato un fornitore in base alle certificazioni e al prezzo, ha gestito la produzione per un anno o due senza problemi, poi qualcosa è cambiato e all'improvviso non funziona più nulla. Il fornitore giura che non è cambiato nulla. Il cliente non dispone di dati di processo per dimostrare il contrario. Tutti puntano il dito mentre la linea di produzione è ferma.
La scomoda verità sui progetti di conversione della plastica nel settore aerospaziale
L'economia della conversione del metallo-in-plastica appare spettacolare sulla carta. Il risparmio di peso si somma ai costi del carburante durante la vita utile dell'aereo. I costi unitari diminuiscono della metà o più in base al volume. I tempi di consegna si riducono da mesi a settimane.
La collaborazione Aitiip-Liebherr citata ovunque-40% di riduzione del peso, 30% di risparmio sui costi rappresenta ciò che accade quando tutto va bene. Cosa non rientra in questi casi di studio: i diciotto mesi di sviluppo del processo, le tre iterazioni degli strumenti, gli investimenti in attrezzature specializzate che hanno reso possibili questi numeri.
Lo scorso trimestre abbiamo citato un programma a staffa in cui il costo di lavorazione dell'alluminio a carico del cliente era di circa $ 400 per unità. Il nostro preventivo per lo stampaggio a iniezione è stato inferiore a $ 60. Decisione ovvia, vero?
Tranne che la staffa in alluminio aveva una superficie di tenuta lavorata con requisiti di finitura di 0,4 Ra. Per ottenere tale qualità della superficie direttamente dallo stampo sono necessarie modifiche agli utensili che hanno aggiunto 35.000 dollari al costo dell'utensile. Oppure potremmo modellarlo e poi lavorare la superficie di tenuta-il che ha aggiunto manipolazione e operazioni secondarie e ha fatto salire il costo unitario fino a $ 85.
Ancora un buon progetto. Risparmio ancora significativo. Ma il divario tra il numero principale e il numero reale è importante quando la finanza effettua i calcoli del rimborso. I progetti vengono uccisi da questo divario. I buoni progetti, progetti che dovrebbero realizzarsi, muoiono perché qualcuno prima ha presentato il caso ottimistico e poi ha dovuto tornare indietro.
Cosa richiede effettivamente l'elaborazione PEEK
Le schede tecniche dei materiali di Victrex e Solvay pubblicano parametri di lavorazione che funzionano bene per le applicazioni industriali. Tali parametri produrranno parti aerospaziali che superano il controllo dimensionale e falliscono in servizio.
La temperatura dello stampo è l'esempio ovvio. Il minimo pubblicato è intorno160 gradi. Le parti stampate a quella temperatura hanno un aspetto corretto, misurano correttamente e hanno forse il 25% di cristallinità. Parti stampate a190-200 gradiraggiungere il 35%+ di cristallinità. La differenza di vita a fatica non è incrementale-ma è moltiplicativa.
Il problema è che corre200 gradiLa temperatura dello stampo richiede sistemi di riscaldamento dell'olio, progetti di stampi con massa termica adeguata e controlli di processo che la maggior parte degli impianti non dispone. Un negozio che gestisce il controllo della temperatura dell'acqua calda è in cima95 gradi. Possono ancora modellare il PEEK. Le parti verranno comunque spedite. Alla fine, le parti continueranno a guastarsi in modi che sono molto difficili da ricondurre alle condizioni di lavorazione.
I gradi-riempiti di carbonio aggiungono un altro livello. Il riscaldamento a taglio proveniente dal riempitivo in fibra di carbonio modifica il profilo termico attraverso la canna. Le geometrie delle viti standard che funzionano bene per i materiali riempiti di vetro-creano punti caldi con riempimento di carbonio. Il materiale si degrada localmente prima ancora di raggiungere lo stampo. Non puoi vederlo. Non è possibile misurarlo durante l'ispezione in entrata. Scopri quando le parti iniziano a guastarsi sul campo.
Non esiste alcuna certificazione che convalidi questa specifica capacità. AS9100 copre i sistemi di qualità. NADCAP copre i processi speciali. Nessuno dei due si chiede se un impianto possa effettivamente reggere200 graditemperatura dello stampo all'interno±3 gradiattraverso uno strumento multi-cavità durante l'esecuzione del PEEK-riempito di carbonio. A questa domanda viene data risposta solo durante gli audit di qualificazione dei fornitori-se l'auditor sa doverla porre.
Il problema della certificazione di cui nessuno parla
La registrazione AS9100D significa che un'azienda ha processi di gestione della qualità documentati. Ciò non significa che possano realizzare le tue parti. Abbiamo visto strutture certificate AS9100- citare progetti di polimeri ad alta temperatura quando le loro apparecchiature non sono fisicamente in grado di raggiungere le condizioni di processo richieste.
Questa non è necessariamente una frode. Molte strutture credono sinceramente di poter lavorare qualsiasi materiale termoplastico perché le macchine sono adatte a questo intervallo di temperature. Non capiscono che le valutazioni e la capacità sostenuta sono cose diverse o che esistono requisiti di processo specifici del materiale-oltre a quanto affermato esplicitamente nella scheda tecnica.
L’accreditamento NADCAP fornisce maggiore fiducia perché convalida processi di produzione specifici piuttosto che sistemi generali. Ma l’ambito dell’accreditamento è importante. Una struttura accreditata per processi di stampaggio a iniezione standard potrebbe non aver mai fatto passare un polimero ad alta temperatura- attraverso quella cella accreditata. L'accreditamento copre il processo, non tutto il materiale che teoricamente potrebbe essere lavorato.
Le domande di audit che contano davvero non hanno nulla a che fare con i certificati. Implicano parametri di processo specifici per i materiali specifici del vostro programma, studi documentati sulla capacità del processo e dati storici sulla resa su applicazioni simili. Se un fornitore non è in grado di produrre tale documentazione, la certificazione non è rilevante.
Selezione dei materiali oltre la scheda tecnica
Il PEEK domina il dibattito sulla plastica nel settore aerospaziale perché gestisce la più ampia gamma di condizioni-temperatura, sostanze chimiche, stress meccanico e radiazioni. Inoltre costa circa 100 dollari al chilogrammo, il che significa che il costo del materiale diventa significativo a qualsiasi volume ragionevole.
PPS
PPS gestisce molte delle stesse applicazioni a 25-30 dollari al chilogrammo. I compromessi sono finestre di lavorazione più strette, minore resistenza agli urti e maggiore sensibilità agli effetti dell’orientamento delle fibre. Per i componenti soggetti principalmente a carichi statici in ambienti chimicamente aggressivi, il PPS spesso ha più senso del PEEK. Per qualsiasi cosa con requisiti di carico dinamico o impatto, la differenza di costo è irrilevante.
Ultem
Ultem è presente negli alloggiamenti elettrici ed elettronici a causa delle sue proprietà dielettriche e della resistenza intrinseca alla fiamma. Le temperature di lavorazione sono inferiori a quelle del PEEK, i requisiti delle apparecchiature sono meno impegnativi e il costo del materiale è nel mezzo. Per le applicazioni in cui le prestazioni elettriche contano più delle prestazioni meccaniche, Ultem evita i costi e le complicazioni di lavorazione del PEEK senza comprometterne la funzionalità.
La conversazione sulla selezione dei materiali di solito avviene troppo tardi nel processo di sviluppo. Quando le parti raggiungono la fase di preventivo, i tecnici hanno già specificato un materiale in base alle proprietà pubblicate senza considerare le implicazioni di produzione. La modifica del materiale a quel punto richiede una ri-convalida, disegni aggiornati e potenzialmente nuovi strumenti-che aggiungono costi e ritardi che avrebbero potuto essere evitati con un precedente coinvolgimento del fornitore.
Strumenti per gli investimenti e l'economia dei programmi
Gli utensili per stampi a iniezione per applicazioni aerospaziali costano generalmente tra $ 50.000 e $ 150.000 a seconda della complessità. Il numero crea uno shock per i programmi che storicamente hanno acquistato parti lavorate senza investimenti in attrezzature.
Questo confronto non coglie il punto. Le parti lavorate comportano il costo dell'attrezzatura in ogni unità-l'attrezzatura, la programmazione, l'impostazione della macchina e la qualifica. Tali costi sono semplicemente incorporati nel prezzo del pezzo anziché indicati separatamente. Un pezzo lavorato a macchina da 400 dollari potrebbe includere 80 dollari di costi di installazione e programmazione ammortizzati che nessuno tiene traccia perché non esiste una voce relativa.
Ancora più importante, gli investimenti in attrezzature creano leva finanziaria. Una volta che lo strumento esiste ed è qualificato, il costo incrementale delle parti aggiuntive si avvicina alla materia prima più al tempo di ciclo. La produzione può scalare con la domanda. Gli ordini urgenti diventano possibili. Le modifiche alla progettazione che richiederebbero una ri-programmazione completa per la lavorazione diventano modifiche dello strumento che mantengono la convalida del processo.
I programmi in cui lo stampaggio a iniezione non ha senso sono applicazioni a basso-volume e ad alto-mix in cui gli utensili non possono ammortizzarsi in modo efficace e la geometria cambia frequentemente. Al di sotto di circa 500 unità di durata totale, di solito vince la lavorazione meccanica. Al di sopra di tale soglia, il calcolo cambia in base alla complessità della parte, ai requisiti di tolleranza e alla durata del programma.
Cosa comporta effettivamente la qualificazione
L'ispezione del primo articolo per le parti stampate a iniezione nel settore aerospaziale è più complessa di quanto la maggior parte degli acquirenti si aspetti. Il FAI stesso è una verifica dimensionale-diretta rispetto al disegno, alla certificazione dei materiali e alla documentazione dei parametri di processo. Il processo di convalida che precede il FAI è il punto in cui i programmi riescono o falliscono.
Monitoraggio della pressione in cavitàsulle parti di qualificazione stabilisce la firma del processo a cui devono corrispondere i cicli di produzione. Questo non è facoltativo per le applicazioni critiche. Le tracce della pressione nella cavità mostrano se la parte è stata riempita correttamente, imballata correttamente e raffreddata correttamente in ogni singolo colpo. Le parti che misurano correttamente ma presentano tracce di pressione anomale indicano un'instabilità del processo che alla fine produrrà difetti.
Verifica della cristallinitàè importante per il PEEK e altri materiali semi-cristallini. L'analisi DSC sui campioni di qualificazione stabilisce il livello di cristallinità di base. Le parti di produzione possono essere verificate-a campione rispetto a tale riferimento. Quando il processo di un fornitore va alla deriva,-intenzionalmente o meno,-la cristallinità è spesso il primo indicatore che qualcosa è cambiato.
Capacità di processo statisticorichiede dimensioni del campione calcolate dal numero di dimensioni critiche e dal livello di confidenza richiesto. Trenta-due campioni per una parte con tre dimensioni critiche a Cpk 1,33 non sono sufficienti. I calcoli non sono complicati, ma spesso vengono eseguiti in modo errato, dando luogo a studi sulle capacità che in realtà non dimostrano la capacità.
Lettura delle proposte e identificazione dei segnali di allarme
Le quotazioni dicono di più sulle effettive capacità di un fornitore rispetto alle presentazioni delle sue capacità.
Le stime dei tempi di consegna che sembrano identiche per diverse complessità delle parti suggeriscono che il fornitore non ha effettivamente valutato i tuoi requisiti specifici. Un semplice utensile a-cavità singola in acciaio P20 ha tempi di consegna diversi rispetto a uno strumento a quattro-cavità in H13 con raffreddamento conformato. Se la citazione dice "16 settimane" per entrambi, qualcuno sta utilizzando un modello invece di dedicarsi all'ingegneria.
Le specifiche dei materiali scritte come "PEEK o equivalente" senza dicitura del grado indicano che un fornitore intende acquistare l'opzione più economica che tecnicamente è idonea. Per le applicazioni strutturali, la differenza tra PEEK 450G e 150G non è banale. Se il preventivo non chiede quale grado, il fornitore non capisce l'applicazione.
Quantità del primo articolo in numeri tondi-esattamente 50, esattamente 100: suggerisce che la dimensione del campione non è stata calcolata in base ai tuoi requisiti di tolleranza specifici. Le dimensioni del campione di convalida della capacità del processo dipendono dal numero di caratteristiche critiche e dal livello di confidenza richiesto. Il calcolo raramente produce numeri tondi.
Il prezzo unitario che diminuisce drasticamente ai volumi che il programma non raggiungerà mai indica che il fornitore sta acquistando l'attività con un titolo interessante. Se il tuo volume annuale è di 2.000 pezzi e il preventivo mostra un prezzo interessante di 10.000, tale prezzo è irrilevante. Guarda il numero che corrisponde alle tue reali esigenze.
Realtà della cronologia di sviluppo
I nuovi programmi di stampaggio a iniezione nel settore aerospaziale richiedono 20-30 settimane dall'impegno iniziale per ottenere parti qualificate in circostanze normali. Tale sequenza temporale include l'analisi DFM, la progettazione degli strumenti, la costruzione degli strumenti, lo sviluppo del processo, l'ispezione del primo articolo e la documentazione di qualificazione.
I tentativi di comprimere quella sequenza temporale solitamente falliscono. La creazione dello strumento può essere accelerata investendovi in denaro-straordinari, materiali premium e capacità dedicata. Lo sviluppo del processo non può essere compresso perché la fisica determina la durata effettiva dei test sui materiali, degli studi di processo e delle qualifiche. L'acciaio si raffredda alla velocità con cui si raffredda. Il polimero cristallizza alla velocità con cui cristallizza.
I programmi che iniziano con tempistiche aggressive in genere finiscono più tardi rispetto ai programmi iniziati con tempistiche realistiche. Il programma aggressivo crea pressione per saltare le fasi di sviluppo del processo che poi devono essere ripetute quando emergono problemi nella produzione. Uno strumento che viene spedito con due settimane di anticipo ma produce parti con un tasso di scarto del 15% non è effettivamente in anticipo rispetto al programma.
Le tempistiche di emergenza per gli strumenti qualificati esistenti sono diverse. Lo spostamento di strumenti qualificati tra strutture o il riavvio della produzione dopo una pausa può avvenire in settimane anziché in mesi perché lo sviluppo del processo è già avvenuto. I nuovi programmi non hanno questa opzione.
Quando lo stampaggio a iniezione non è la risposta
Alcune applicazioni aerospaziali non dovrebbero essere stampate a iniezione, indipendentemente dall'economia del volume.
I componenti con elementi di sollecitazione concentrati in orientamenti imprevedibili funzionano in modo incoerente nei materiali termoplastici rinforzati con fibre-. L'orientamento delle fibre segue schemi di flusso che dipendono dalla posizione del punto di accesso, dalla geometria della parte e dalla velocità di riempimento. La parte è forte dove le fibre si allineano con lo stress e debole dove non lo fanno. La previsione e il controllo dell'orientamento delle fibre richiedono capacità di simulazione e controlli di elaborazione che aggiungono costi e complessità.
Le superfici di tenuta che richiedono finiture superiori a quelle che lo stampaggio può ottenere direttamente necessitano di lavorazione secondaria. Tale lavorazione rilascia lo stress residuo dal processo di stampaggio e può causare uno spostamento dimensionale sulle caratteristiche misurate correttamente prima della lavorazione. La combinazione di stampaggio e lavorazione aggiunge un insieme di tolleranze-che la semplice lavorazione o il puro stampaggio evitano.
Le parti che richiedono un assemblaggio post-stampo con accoppiamenti con interferenza o inserti a pressione- necessitano di stabilità dimensionale nel tempo che alcuni polimeri non sono in grado di garantire. Il rilassamento da scorrimento e da sollecitazione nei materiali termoplastici provoca l'allentamento degli accoppiamenti con interferenza nel corso di mesi o anni. I progetti che funzionano perfettamente in alluminio potrebbero richiedere modifiche fondamentali per funzionare in plastica.
Tolleranze geometriche molto strette su pezzi di grandi dimensioni si traducono in differenze di dilatazione termica tra la plastica e le apparecchiature di misurazione. Una parte in plastica da 300 mm misurata a 20 gradi sarà sensibilmente diversa a 35 gradi. La definizione delle condizioni di misurazione diventa parte delle specifiche dimensionali e non tutte le strutture di ispezione possono mantenere i controlli ambientali richiesti.
Avvio della conversazione
Se sulla tua scrivania c'è un progetto di stampaggio a iniezione di plastica per il settore aerospaziale-nuovo sviluppo, problemi con i fornitori esistenti, valutazione della conversione del metallo-il percorso da seguire dipende da dove ti trovi nel processo.
La selezione dei materiali in fase iniziale- trae vantaggio dall'input dei fornitori prima che il team di progettazione finalizzi le specifiche. Le implicazioni di produzione della scelta dei materiali influiscono sull'economia del progetto in modi che i confronti delle schede tecniche non riescono a cogliere. Coinvolgere i potenziali fornitori durante la selezione dei materiali anziché dopo impedisce decisioni sulle specifiche che creano problemi a valle.
I programmi con progetti esistenti necessitano di una valutazione di producibilità prima di quotare. L'analisi DFM identifica i problemi che altrimenti emergerebbero durante il debug dello strumento o la rampa di produzione. Il costo dell'analisi è irrisorio rispetto al costo delle modifiche agli strumenti o ai problemi di qualità della produzione.
Le attuali situazioni dei fornitori che non funzionano richiedono una valutazione onesta se il problema è risolvibile con il fornitore attuale o richiede la qualificazione di una fonte alternativa. A volte la risposta sta nel miglioramento dei processi presso il fornitore esistente. A volte la risposta è ricominciare da capo con qualcuno che abbia le giuste capacità.
Gestiamo tutte queste situazioni, ma non tutte si adattano a ciò che sappiamo fare bene. La conversazione iniziale stabilisce se esiste una corrispondenza. Se c'è, passiamo alla citazione formale. Se non c'è, lo diciamo.
La base di fornitura dello stampaggio a iniezione di plastica nel settore aerospaziale spazia da stampatori di materie prime che sperano di crescere nel settore aerospaziale a strutture specializzate che si concentrano esclusivamente sulla lavorazione di polimeri ad alte-prestazioni. Le certificazioni non li distinguono in modo affidabile. Il prezzo non distingue in modo affidabile tra loro. La capacità emerge solo attraverso una valutazione tecnica dettagliata o, sfortunatamente, attraverso problemi di produzione.
Le domande in questo articolo forniscono un quadro per tale valutazione. Le risposte determinano se un fornitore ha effettivamente ciò che il tuo programma richiede-o se la sua proposta rappresenta capacità che non ha ancora sviluppato.